（化工过程机械专业论文）不锈钢钎焊接头高温强度的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 高温钎焊技术具有很高的装配精度，焊件高温性能优异，出于诸多高科技产品 制造的迫切要求，该技术在工业领域的应用日益广泛，如飞机的高温热交换器、喷 气发动机涡轮叶片、微化工机械系统、高温回热器等。为了节约运行成本，提高生 成效率，钎焊结构的使用温度不断提高。而在高温环境下，即使应力小于材料的屈 服极限，材料亦将发生蠕变，导致应力的再分布和损伤集中，使钎焊接头成为结构 在高温下服役的薄弱环节。 目前钎焊接头长时高温强度数据的积累很少，无法保证基本的强度设计，f jn , l 也缺乏描述钎焊焊缝高温下的力学本构关系。钎焊接头的焊缝非常狭窄，一+ 般为 1 0 1 5 0 9 i n ，采用常规方法很难直接获取其蠕变数据。本文以与钎焊同工艺下浇铸得 到的铸态钎料( a s c a s tf i l l e r ) 来模拟钎缝金属，通过实验测定各材料常数值，并建 立合适的本构关系。 通过建立典型不锈钢钎焊接头的有限元模型，对其蠕变应力的再分布进行计 算，讨论各因素的影响，分析应力再分布的规律，指出其高温强度设计的考虑因素， 给出优化的接头形式。 论文的主要研究工作和取得的结论如下： ( 1 ) 对铸态钎料的高温蠕变断裂性能进行测定，得到了用k a c h a n o v r a b o t n o v 方程描述钎料高温蠕变损伤行为所需的杳才料常数。与同等条件下的0 c r l s n i 9 不锈 钢相比，铸态钎料的蠕变变形小，这两种材料组成的钎缝是蠕变硬焊缝。 ( 2 ) 建立典型不锈钢钎焊接头的有限元模型，对接头的应力及其分布随时问 的变化进行计算，指出应力再分布的规律。 ( 3 ) 以接头蠕变应力再分布为依据，参数化分析了不锈钢钎焊接头的高温强 度的影响因素，并给出了接头设计的优选形式。 ( 4 ) 对补钎部位进行有限元模拟，发现补钎对母材局部应力集中有较大的改 善作用，可以应用于钎焊结构延寿再设计。 关键词： 钎焊高温强度蠕变破断麻力珂分布有限元法 摘要 iii i i ； li ；i ；i i j i ；i j i ；# ；i ；i ；i i i ； a b s t r a c t b r a z i n gt e c h n o l o g yh a s a r o u s e di n c r e a s i n gc o n c e r n si nr e s p o n s et o t h en e e do f m a n u f a c t u r eo f h i g h t e c hp r o d u c t s f o ri n s t a n c e h e a te x c h a n g e r si n s i d et h ea e r o p l a n e ， t u r b i n eb l a d e so ft h ej e te n g i n e ，n f i c r oc h e m o - m e c h a n i c a ls y s t e m r e c u p e r a t o r sa th i g h t e m p e r a t u r e ，e t c i no r d e r t os a v eo p e r a t i n gc o s ta n dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y , t h eb r a z e d s t r u c t u r e sm u s ts u f f e rh i g h e rs e r v i c et e m p e r a t u r e a l t h o u g ht h es t r e s si sg e n e r a l l ys m a l l e r t h a nt h ey i e l dl i m i to ft h em a t e r i a l ，c r e e pt a k e sp l a c ea th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hl e a d st o s t r e s sr e d i s t r i b u t i o na n dd a m a g eo c c u r r e n c e t h e r e f o r et h eb r a z e dj o i n tb e c o m e st h e w e a k p a r to f s t r u c t u r e ss e r v i c e da th i g ht e m p e r a t u r e 。t h eh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t hd a t ao ft h eb r a z i n gm a t e r i a la r ee s s e n t i a lt oe v a l u a t e h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o fb r a z e dj o i n t h o w e v e rf o ri t s h i g hc o s t a n dt i m e c o n s u m i n g ，t h e d a t aa r es oa b s e n tt h a tt h eb a s i c s t r e n g t hd e s i g na p p e a r s r a t h e r e m b a r r a s s i n g d u et ot h ed i f f i c u l t yi ns a m p l i n gt e s t i n gs p e c i m e n sf r o m t h en a r r o wb r a z e d z o n e ( u s u a l l yw i t haw i d t ho f10 - 15 0 9 m ) ，t h ea s - c a s tn i b a s e df i l l e r i s a d o p t e di nt h e c r e e pt e s ti nt h ep r e s e n tp a p e r t h em e a s u r e dc r e e pp r o p e r t i e sa r ec o m p a r e dw i t h t h o s eo f 0 c r l8 n i 9s t a i n l e s ss t e e l i ti ss h o w nt h a tt h eb r a z i n gm a t e r i a lh a sl o w e rc r e e pd u c t i l i t y a n dl o w e r c r e e p s t r a i nr a t ew h i c hi sm o r es e n s i t i v et os t r e s s c h a n g e ，t h e k a c h a n o v r a b o t n o vc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，w i t hm a t e r i a lc o n s t a n t so b t a i n e df r o mc r e e p e x p e r i m e n t s o f a s c a s tf i l l e r , c a nb eu s e dt od e s c r i b et h ec r e e pb e h a v i o re f f e c t i v e l y a tt h e s a m et i m e ，t h e g a u g el e n g t hv a r i a t i o n o fs t a i n l e s ss t e e l o v e r l a p p e db r a z e dj o i n t s i s m e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ff e ms i m u l a t i o n t y p i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l so fs t a i n l e s ss t e e lb r a z e dj o i n ta r ee s t a b l i s h e d b a s e d o nt h en o r t o n c r e e p c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n t h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o no ft h ej o i n t si s a n a l y z e d ，a n de f f e c t so fd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r ed i s c u s s e d f r o mt h es i m u l a t e dr e s u l t s ， t h ef e a t u r e so fs t r e s sr e d i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d b e c a u s et h e j o i n tf a i l u r ed e p e n d s o nt h e s t r e s s r e d i s t r i b u t i o n ，t h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r so nt h e s t r e n g t h i si n d i c a t e d o p t i m i z e d j o i n tt y p e s a r er e c o m m e n d e d a c c o r d i n g l y t h e m a j o r r e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n so f t h i st h e s i sa r cg i v e na sf o l l o w i n g ： ( 1 ) c r e e pa n df r a c t u r ep e r f o r m a n c e so fa s - c a s t f i l l e ra t h i g ht e m p e r a t u r e a r e o b s e r v e da n dt h em a t e r i a lc o n s t a n t sa r eo b t a i n e d ak a c h a n o v r a b o t n o ve q u a t i o ni s d e t e r m i n e dt od e s c r i b et h ec r e e pb e h a v i o ro ft h eb r a z i n gm a t e r i a l b yc o m p a r i s o no f i j 硕士学位论文 s p e c i m e nt e s t i n gw i t ht h es i m u l a t i o n ，i ti s s e e nt h a tt h ek re q u a t i o ni s c a p a b l e o f r e p r e s e n t i n gt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fb r a z em e t a la th i g ht e m p e r a t u r e b e c a u s et h e c r e e ps t r a i nr a t eo f t h eb r a z em e t a li sm u c hl o w e rt h a l lt h a to ft h e0 c r l8 n i 9s t a i n l e s s s t e e la tt h es a m e c o n d i t i o n s ，t h eb r a z e dj o i n ti sr e f e r r e dt oa sa c r e e p h a r dj o i n t ( 2 ) t y p i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l so fs t a i n l e s ss t e e lb r a z e d ；o i n t sa r ec o n s t r u c t e d s t r e s sd i s t r i b u t i o na n di t st i m e d e p e n d a n tf e a t u r e sa r ec a l c u l a t e d t h ef e a t u r e so f s t r e s s r e d i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ( 3 ) b a s e do nt h er e s u l t so ft h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o n ，f a c t o r sa f f e c t i n gt h es t r e n g t ho f s t a i n l e s ss t e e lb r a z e d j o i n t sa th i g ht e m p e r a t u r ea l ed i s c u s s e d o p t i m i z e dj o i n tt y p e sf o r d e s i g na r er e c o m m e n d e d ( 4 ) f e m i sa l s ou t i l i z e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to f r e p a i r e db r a z i n go nt h es t r e n g t h o ft h es t r u c t u r e s i ts h o w st h a ta f t e rb r a z i n gr e p a i rt h el o c a ls t r e s so f t h ed a r e u tm e t a li s r e d u c e d ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h el i f ee x t e n s i o no f t h eb r a z i n gs t r u c t u r e s k e y w o r d s ：b r a z i n g ，h i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t h ，c r e e pr u p t u r e ，s t r e s sr e d i s t r i b u t i o n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 硕士学位论文 作者声明 我郑重声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中 明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何他人已经发表或撰写过的 内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 2 0 0 4 年5 月1 9 日 硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 引言 钎焊是一种连接工件的方法，它采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件 和钎料共同加热到高于钎料熔点而低于母材熔点的温度，使钎料熔化，利用液态钎 料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散实现连接。 钎焊接头的形成包含三个基本条件：( 1 ) 液态钎料要能润湿焊件金属，并在 焊件表面铺展；( 2 ) 通过毛细作用能致密地填满接头问隙；( 3 ) 钎料能同焊件金 属之间发生相互作用，从而实现良好的冶会结合。 液态钎料与母材会属有两种相互作用，一是母材金属向液态钎料中熔解；二是 钎料组元向母材金属中扩散。如果熔解的母材在钎缝中形成固溶体组织，则接头强 度和延塑性比较高；如果向接头熔解的母材在钎缝中形成脆性化合物，则强度和延 塑性较低。母材金属的过度熔解，会使钎料的熔点、粘度提高，流动性能变差，导 致钎料填缝能力恶化，母材过量熔解有时可能造成表面熔蚀缺陷，严重时甚至出现 熔穿现象。母材金属向钎料中熔解量大小与两者问合金状态图、钎焊温度、保温时 叫以及钎料用量等因素均有关。儿母材组元的熔解倾向于和钎料组元形成共晶体 时，则母材的熔解现象强烈；母材组元在钎料中的极限熔解度越大，其熔解量就越 多；其次钎焊温度越高，保温时间越长，钎料量越多，母材金属的熔解作用也越激 烈。 钎焊过程中，由于钎料和母材组元之间存在着浓度差，也发生钎料组元向母材 金属中扩散的过程。钎料组元的扩散量与浓度梯度、扩散组元的原子直径、温度、 保温时间等有关。如果钎料组元在母材中扩散浓度小于熔解度饱和极限，则在母材 与钎缝交界处形成固溶体组织，对接头强度和塑性不产生有害影响。但由于品界缺 陷较多，原孑容易迁移，钎料组元晶界扩散的结果，往往在晶界形成低熔点共晶体， 影响接头性能。为减少这种情况的发生，应降低钎焊温度或缩短保温时j 1 日j ，使品界 扩散限制在最低程度。 由于母材和钎料金属相互作用，无论钎缝或者近缝区母材一侧金属成分均不同 于钎料和母材的原始成分，其组织性能发生了很大的变化。 ；一；一； ：兰二；塑_ _ 竺；，。； 盈e 兰= 3 。_ 二_ _ 1 、一一+ 。一 a j 图1 - 1 使用粉状或膏状钎料钎焊的基本原理 a ) 安放钎料并加热b ) 钎料熔化流入钎缝间隙c ) 钎料凝固形成钎焊接头 1 母材a2 钎料3 液态钎料流动方向4 一母材b5 - 钎焊焊缝 f i g1 - lb r a z ep r i n c i p l eu s i n gt h ep o w d e ro rc r e a mf i l l e r a ) p l a c i n gt h ef i l l e ra n dh e a t i n gb ) l i q u i df i l l e re m e r i n gt h ej o i n tg a p 曲b r a z e d j o i n tg e n e r a t i n gw h i l ec o o l i n g l p a r e n tm e t a l ( p m ) a2 - f i l l e r 3 - f l o w i n gd i r e c t i o no f t h el i q u i df i l l e r 4 - p a r e n tm e t a l ( p m ) b 5 - b r a z i n gs e a l f l _ |3f 3 f卜 3 f 2r 上一j2 卜一l 一川t j 一一i 。i 鸯篓雾墓蠹髓隘霞瑟嘲p 蕊盟强掣 j 1 一j 一一 l 1 一一。1 f f 一 1 i r ft 图1 2 使用非晶态钎料箔片钎焊的基本原理 1 一母材a2 ，非晶态钎料3 - 母材b4 - 钎焊焊缝f _ 加压载荷 f i g 1 - 2b r a z ep r i n c i p l eu s i n ga m o r p h o u sf i l l e rf o i l s 1 - p a r e n tm e t a l ( p m ) a 2 - a m o r p h o u sf i l l e rf o i l s 3 - p a r e n tm e t a l ( p m ) b 4 - b r a z i n gs e a mf - p r e s s u r el o a d 母材近缝区组织是由钎料组元向母材扩散形成的，扩散区通常为固溶体组织， 具有良好的强度和延性。钎缝与母材交界处的组织是由母材金属向钎料中熔解、冷 却后形成的，其组织比较复杂，可能是固溶体，亦可是金属间化合物。当钎料和母 材属于相同基体合金时，或者状态图上钎料与母材两者能形成固溶体时，钎缝的界 面区往往形成固溶体组织。当钎料和母材组元在合金状态图上能形成化合物，则接 口区有可能生成金属间化合物。当接头中出现金属间化合物相，特别是在接口区内 形成连续的化合物层时，则钎焊接头的性能将显著降低。 2 硕士学位论文 钎缝中心区组织由钎料和母材的熔解、扩散、冷却结晶形成，其组织也不同于 钎料的原始组织。当钎缝间隙较大时，中心区组织与钎料原始组织相近。若使用共 晶体组织钎料或钎料组元能与母材形成共晶体时，钎缝中心区和接口区会形成共品 组织。 钎料组分向母材的扩散有体积扩散( 晶内扩散) 和晶界扩散( 晶问渗入) 两种。体积 扩散的产物为固溶体，对钎焊接头性能没有不良影响。晶问渗入的产物为低熔点共 晶体，性能较脆，对接头性能有不良影响。 对于钎焊接头，区域划分一般均作简化，即母材、钎焊焊缝，母材和钎焊焊缝 之间的部分通称为扩散区。 钎焊连接技术几乎无余量，结构紧凑，质量轻巧，且可以很方便地实现不同种 材料间的连接，甚至可以连接o 5 r a m 以下薄壁件。钎焊接头具有较佳的综合性能， 可在一些苛刻环境下服役，如高( 低) 温、酸( 碱) 性腐蚀等。因而广泛应用于宇 航技术各种部件，如火箭发动机的推力室和涡轮转子、载人飞船的反射器、导管和 蜂窝壁板等卜5 1 。近年来由于节约能源和环境保护的发展需求，钎焊技术得到了越 来越广泛的应用，尤其是在核能、电子通讯、仪器仪表、电器、电机、刀具等i , l k 部门。钎焊母材范围非常广，如低碳钢、不锈钢、钛及其合金、硬质合会、石墨、 c c 复合材料、陶瓷及陶瓷基复合材料等等阱】。 钎焊的优点： ( 1 ) 焊件金属不熔化，仅钎料熔化，因此不形成熔池，加热温度低，母材金 属的组织性能变化不大。 ( 2 ) 钎焊接头间隙小，可以实现精密装配、焊后变形小，易于保证结构尺寸。 ( 3 ) 形状特殊、结构复杂的工件，如波纹板或网格状夹层板的多层结构件， 或者套接结构件均能采用钎焊连接。 ( 4 ) 壁厚不等、粗细差异极大的零件也能实现牢固连接。 ( 5 ) 异种金属及合金之间、非金属与非金属之间、以及金属与非金属之间的 连接，适于塑性、脆性的异种金属焊接。 ( 6 ) 钎焊生产率高，一次可以完成多个零件几十条几百条焊缝的连接，易于 实现自动化生产。 钎焊的缺点： 第一章绪论 ；i 暑i i _ ii i i i ；暑i 罱皇薯暑i i 宣i i i i 暑暑宣i i _ - 墨i 置；宣i i i i i ；i i 宣| i i ( 1 ) 后续的热处理可能会引发钎焊金属的熔化。 ( 2 ) 填充金属为不同成分，物化性能差异大。 图1 - 3 ( a ) 微型换热器 f i g 1 - 3 ( a ) m i c r oh e a te x c h a n g e r 图1 - 3 ( b ) 大型换热器 f i g 1 - 3 ( b ) l a r g eh e a te x c h a n g e r 图1 - 3 ( c ) 航空发动机图1 - 3 ( d ) 热水器用加热管 f i g 1 - 3 ( c ) a e r o - p 1 r i l et u r b i n e f 培1 - 3 ( d ) h e a t i n gp i p eo f b o i l e r 图l - 3 钎焊的应用示例 f i g 1 - 3e x a m p l e so f b r a z i n ga p p l i c a t i o n 钎焊时接头部位因温度循环和材料性质存在差异，母材与钎料发生化学作用和 相互扩散，导致接头区域组织成分复杂，强度也不同：固溶体组织力学性能比较高， 耐腐蚀和抗氧化性能也强：共晶相组织性能则要明显比较低，含量越多则强度越低。 在当前的工业生产中，为了提高生产效率，钎焊结构必须要能在更苛刻的环境下服 役，如高温、高压、氧化、腐蚀介质等，但只有建立准确有效的设计准则，才能降 4 硕士学位论又 低事敝发生率以确保人身及设备运行安全。目前钎焊的设计准则十分缺乏，l l ! m - - 般对搭接接头的搭接长度也只是简单地规定为钎焊结构最薄处壁厚的2 5 倍，而没 有给出具体的设计规范。搭接部位过长不仅经济效益低，而且设计和自u 工都比较困 难，搭接过短则无法满足强度和寿命的要求，影响整个结构的使用。 设计准则是建立在以f 两个要素的基础上的：( 1 ) 材料常数( 2 ) 合适的本构 关系，该关系反映了材料的最本质特征。由于钎焊缝非常狭窄，一般在1 0 a m 1 5 m 之间，即使是采用特殊工艺的宽间隙钎焊焊缝宽度一般也不超过2 5 0 “m ，使用常规 实验方法测定其材料性能常数是非常困难的。有学者利用与钎缝比较相似的材料米 研究钎缝的性能，如退火态的纯c u 来模拟c u 钎焊焊缝的变形行为【8 】，或者通过铸 态钎料的实验来测定钎缝金属的材料常数1 9 , 1o 。 钎焊接头强度的研究目前主要集中在制造工艺及材料选择对接头残余应力的 影响方面。高温下蠕变是构件失效的主要影响因素，用蠕变本构关系来定量描述钎 缝蠕变特征的研究已有少量报道，如s t e 曲e l l s 对铸态6 2 c u 3 5 a u 3 n i 和5 0 a u 一5 0 c u 钎判的研究【9 ，1 0 ，】，但根据蠕变特征来进行高温强度的研究仍鲜有涉及。因此如何 准确获取钎缝材料常数，构建能描述钎缝蠕变特征的本构关系，并进步分析蠕变 对接头强度的影响，对钎焊接头高温强度的研究，及其设计准则的建立和完善有非 常重要的意义。 1 2 接头强度的影响因素 1 2 1 钎料 选用合适的钎料或者调整钎料成份均可以有效地改善接头性能，比如钎料中添 加n i 和c o ，钎焊后接头高温强度优异，且耐腐蚀、抗氧化，但钎料钎焊时的润湿 能力会下降，流动性也比较差。在钎料中加入b 和s i 能有效地改善润湿性，然而 接头强度会受到影响，耐腐蚀和抗氧化能力会降低，因此添加必须适量，以获得润 湿能力和接头强度的最佳结合。在用b n i 2 钎料钎焊3 0 4 不锈钢时，发现钎料中的 s i 含量在一定范围内越高，剪切强度值越大，但超过该范围后强度会下降，s i 含量 最佳值约1 0 5 ( 州) 1 2 o 添加s i 会降低一些钎焊接头的冲击韧性，加c o 则能有 效提高冲击韧性，所以k 3 高温合金的钎焊多用无s i 加c o 的n i c r 基钎料提高高 温性能”3 1 。含p d 钎料不仅钎焊接头高温拉伸和蠕变断裂性能好，韧塑性也非常出 5 第一章绪论 色【1 4 , 1 5 , 1 6 1 。文献【1 7 和文献【1 8 也分别研究了合金元素对接头强度的影响。 在弥散强化铜( d i s p e r s i o n - s t r e n g t h e n e dc o p p e r ) 与3 1 6 不锈钢的钎焊中，分别 使用b a g 8 、b a u 2 、b a u 一4 、b a u 1 1 钎料，发现钎料剥接头强度的影响要超过接 头间隙和保温时问，用b a u - 2 钎料钎焊的接头拉伸性能与母材铜相当，但是冲击韧 性和低周疲劳强度还是要差一些l t 9 1 。用2 5 t i 2 5 z r 5 0 c u 钎料感应钎焊t i 6 a 1 4 v 合金， 接头的力学性能可以和母材相媲美【2 0 i 。文献 1 9 1 n 从微观结构、硬度和反应生产相 这三个方面来研究了b a g 和b a u 系列几种钎料的钎焊接头，比较后发现b a g 一8 和 b a u 1 2 钎料钎焊的接头性能要好一些【2 “。 对于n i c r b s i 系钎料，为改善润湿性，s i ，b 等低熔点元素含量较高，钎焊 时易与n i 、c r 、f e 等形成脆硬化合物相而使钎缝变脆。因钎料成型困难，只能靠 添加剂将钎料粉末调成膏状使用，或在钎料粉末中加入适量粘结剂制成一定厚度的 粘带，但粘结剂的挥发可能导致钎缝中出现夹杂、空穴等缺陷，若采用真空钎焊还 有可能污染钎焊炉；另外钎料粘带也比较厚，经轧制也难以控制在0 0 6 r a m 以下， 一一般情况是当钎焊间隙大时，钎缝中将出现大量的脆硬金属化合物相而降低钎料接 头的性能，但即使是加工到这样厚度的银钎料，也必须采用多辊轧制，工序多、成 本商、成品收得率低，而且因加工时机械润滑会导致有机油深入至合金粘带内部， 使其被污染，钎焊性能降低。 采用急冷快淬技术制造的非品态钎焊料避免了这些问题，非晶态化处理后的钎 料合金还保持着高温时的一些性质，如良好的塑韧性，易加工成各种形状，同时因 成型钎料单片厚度可达o 0 3 5 m m ，钎焊完成后焊缝宽度办很窄，b 、s i 的扩散系数 大，有利于脆性相消失和接头组织均匀化，钎焊接头质量高，性能良好，耐蚀性强。 此外，非晶态钎料成分可调性强，制备技术简单，成本低廉，成分和厚度都比较均 匀，装配方便，钎焊工艺简单。同成份的非晶态钎料钎焊接头强度最高，预品化处 理的钎料次之，晶态钎料因接头中化合物和夹杂缺陷等较多，强度也最低1 2 2 】。因此 近十j l 年来，非晶态合金钎料技术发展迅速，其研究和应用已在材料、冶金、能源、 化工、机械和电子等学科与行业受到极大重视。 r a b i n k i n 调整了b n i 系非晶态钎料m b f 5 0 的成分，使其b 元素的含量由a w s 规定中b n i 系列的 2 7 5 ( w t ，下同) 降低到非晶态制作工艺之最低要求值的 1 2 - 1 ，6 ( 该钎料称为m b f 5 1 ) 。用m b f 5 l 钎焊3 1 6 l 不锈钢，钎缝脆性相减少 6 硕士学位论文 基本为单一的n i 固溶体组织，接头强度和耐腐蚀性高，m b f 5 1 钎焊接头的屈服强 度最低值为3 3 6 m p a ，而m b f 5 0 钎焊接头强度极限仅约3 1 5 m p a l 2 3 1 图1 4 ( a ) 带状非晶态钎料 f i g 1 - 4 ( a ) a m o r p h o u sf i l l e rb a n d 1 2 2 母材 图1 4 ( b ) 成型的非晶态薄片钎料 f i g 1 - 4 ( b ) s h a p e da m o r p h o u s f i l l e rf o i l s 钎焊可以很方便地实现不同种材料之间的连接，因此应用十分广泛，但不同种 母材之间，以及母材与焊缝之间存在着如弹性模量、热力学膨胀系数等物理性能的 差异，承载时二者的变形能力不一致，往往导致此部位的应力集中，并引发断裂失 效。因母材热力学膨胀不匹配，c u 钎焊c f c t z m 结构的热应力可能会超过钎缝的 屈服极限。有限元模拟发现变形主要发生在自由表面，按国际标准热流通量和高热 流通量分别施加循环热载荷，发现最高温度相同时后者对界面层的变形及接头疲劳 寿命的影响小一些；微观分析还发现低温时钎缝层变形主要是平面滑移，温度高时 则出现交叉滑移，应力集中也随着塑性变形而降低【8 】。 文献 2 4 】用8 0 n i 2 0 c r 钎料部分转变液相( p a r t i a lt r a n s i e n tl i q u i dp h a s e ) 方法钎 焊铝和不锈钢，分析了残余应力对接头强度的影响。与同工艺的a 1 2 0 3 a 1 2 0 3 钎焊 接头相比，a 1 2 0 3 - s s 3 0 4 接头因热膨胀不同残余应力很高，接头强度也比较低。有 限元模拟结果中残余应力较高的位置与断口观察的结果一致，研究结果还表明n i 或n i c r 钎料钎焊a 1 2 0 3 - s s 3 0 4 残余应力较低。文献【2 5 】发现i c r 1 3 不锈钢真空钎 焊接头的室温强度可与母材媲美，其值与母材匹配度之间的关系也作了进一步讨 论。文献 2 6 1 在研究低碳钢的钎焊接头时发现母材金属含碳量差异大能促进y 相f e 固溶体的析出，在室温下转化为珠光体，使接头剪切强度远远高于纯铜钎料。 7 第一章绪论 1 2 3 过渡层 选择合适的钎料和母材，或者调整钎料的元素成分和含量，均可降低接头残余 应力，提高接头强度。当材料的选择范围有限时，在钎焊间隙中加入过渡层( 又称 缓冲层) 也可以达到同样的目的。如用高塑变金属c u 作为过渡层，可以降低残余 热虑力，使应力分布均匀，提高接头的强度及寿命，但加入c u 后接头的抗腐蚀能 力弱，高温持久寿命也会下降1 。在钎焊部位母材表面预先镀上另、塑性好的金属 过渡层，既可改善钎料的润湿性，亦能降低接头残余应2 t 2 8 , 2 9 。如果过渡层本身是 塑性变形大的软性过渡层，如c u 、n b 等，钎焊时加压会使残余应力降低效果更明 显，但对硬性过渡层的影响不大1 3 。过渡层不仅要选择合适的材料，还要厚度得当 才能充分降低残余应力，使接头结合牢固，性能最佳川。 文献 3 2 在研究a 1 2 0 3 和金属n b 的钎焊接头时发现，如果在母材结合面之间加 入。层极薄的m o 网( m o 丝直径约为0 1 2 m m ) ，接头强度有很大提高，平均提升 1 8 0 以上。a 1 2 0 3 和金属n b 的线膨胀系数非常接近，所以接头主要残余应力是钎 料凝固收缩产生的。在母材间加入的高熔点m o 网起到了固相骨架的作用，将熔化 钎料分割成小面积的熔区，钎料凝固时大面积的整体收缩也就变成了小熔区的收 缩，内部相邻的网孔之间拉应力方向相反，正好相互抵消，钎缝的总应力将低，接 头的剪切强度和热震抗力大幅度提高。 进一步的研究发现，随着网孔尺寸的减小，接头强度爿高：当网孔尺寸达到o 8 1 m m 时，接头强度最高；网孔尺寸继续减小时，接头强度下降，这是因为网孔尺过小 时网状分割效应减弱。当网孔尺寸为零时，即相当于加入一层m o 片，发现接头剪 切强度比不加任何过渡层的高，但比加入m o 网的低，表明网状过渡层对液相钎料 的分割产生了应力互消的作用。加m o 网接头的断口面上，肉眼可看到许多液相钎 料收缩而形成的圆形小针孔，其分布与网格的分布大致相同，见图1 - 6 ，在焊面的 中心部位，小针孔的密度稍高，这是中心部位钎料孤立凝固收缩时得不到充足液相 的补充而形成的，加m o 片接头的断口面上没有观察到针孑l 的出现，这进，- 步证明 了网状分割效应的存在。焊面金相观察及能谱面扫描发现在1 3 0 0 1 3 5 06 c 时，m o 网 已大部分熔断，细小均匀地分布在界面上，但对液相钎料阻割作用仍然存在。 文献【3 3 】认为以金属网或蜂窝结构作为加强相时，由于界面控制困难也只能提 硕士学位论文 _ - i i i i i i i i ；i i i i i i i i ；i i i i i i i i ；i i i i ；i i i i i i 枣 l l 。 r l 札h r + “q 童 毒 芎 i r + i f - i _ 图1 - 5 ( a ) 无m o 网时图1 5 ( b ) 有m o 网时 f i g 1 - 5 ( a ) w i t h o u tm o n e ti n t e r l a y e r f i g 1 - 5 ( a ) w i t hm on e ti n t e r l a y e r 图1 - 5 残余应力在陶瓷- - t 女f 的大小和分布 f i g 1 - 5d i s t r i b u f i o no f r e s i d u a ls t r e s si nt h ec e r a m i c l o m m 图1 - 6 加网后钎料孤立凝i 司形成的缩孔 f i g 1 - 6s h r i n k a g ec a v i t yf o r m e dd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nw h e nb r a z i n gw i t hm o n e ti n t e r l a y e r 高剪切强度，而不能改善拉伸强度与韧性。但如果以平行金属丝为加强相时，钎缝 中钎料与加强相的比例容易控制，而且加强相与基体母材之问还可以通过扩散钎焊 或扩散焊产生直接连接，接头的拉伸强度和韧性均提高。 陶瓷有优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀等性能，但韧性比较差，通常与金属连接 后使用，但两种材料的膨胀系数相差较大，钎料凝固时也会收缩，焊后界面残余应 9 o 吨 一 吲 憎 碑 t，；，j r 上 第一章绪论 力大，对接头热震抗力损害较大。加入一层或数层膨胀系数渐变的金属薄片形成梯 度形复合界面，可有效降低界面残余应力，有良好的强度和热震抗力，但加多层过 渡层金属板工艺比较复杂，负面影响增大。 1 2 4 温度 钎焊的典型温度曲线如图1 7 所示。n i 基填料钎焊不锈钢接头通常都很脆，随 着钎焊温度上升，奥氏体结构减少，固溶体结构增多，接头强度和延伸率也提高。 钎焊接头强度主要与基体金属、填充物及二者的作用产物有关，而这三者都与钎焊 温度相关。如果钎焊温度低，液态钎料的流动能力较差，润湿性也比较弱，固体之 问未填满处间隙会产生b 和s i 的扩散和集中，其负面影响超过提高的强度，这样 的钎焊接头强度很低。钎焊温度足够高时，由于钎料熔化充分，可以填满整个接头 区域，使接头的孔洞减少，降温时使晶粒细化，从丽获得较高的接头强度【3 4 ”j 。与 室温时相比，钎焊接头高温下塑性变形大而弹性变形小，所以总应变一定的情况下， 接头的高温低周疲劳寿命要比常温低的多。钎焊凝固时生成的共晶相是疲劳裂纹的 起始位置，裂纹然后从共晶区过渡到钎缝层内，直至构件失效【3 5 】。 图1 - 7 典型计焊温度曲线 f i g 1 - 7t y p i c a lt e m p e r a t u r ec u r v eo f b r a z i n gp r o c e s s 当钎焊温度一定时，增加钎焊保温时间，钎焊接头的脆性相一般会减少，接头 强度同样提高。r a b i n k i n 发现尽管m b f 5 0 含c r 量高于m b f 5 1 ，接头腐蚀斑痕去| _ | 明 显较多，原因就在于前者钎焊保温时间较短；当这两种钎料钎焊的接头在高温时保 持一段较长时间，微观分析发现其钎缝组织均与保温时间相对较短的2 5 u m 钎料钎 1 0 蚕一誊鼍眷 硕士学位论文 i ；j ；i i ；i ；i i ；i j ；= ； 焊的钎缝类似，都是均一的固溶体组织，脆性的共晶相消失t 具有很高的机械性能 1 2 3 ，在文献 3 6 1 f 勺研究中也得出了类似的结论。但也有一些相反的情况，当保温时 i 刈延长时，接头强度却下降吲，文献【3 8 在用双搭接接头进行剪切强度实验时，同 样发现钎焊温度下保温时问不宜太长，否则析出的脆性化合物较多，接头强度减弱 d s 。焊后回火处理亦可降低接头残余应力，改善接头性能，一般而言低温四i 火效果 较好并且回火温度只有选择最佳值时，方可获得接头最高强度i j 。 1 2 5 钎焊方法 钎焊可以按照使用设备及加热方法进行分类： ( 一) 烙铁钎焊：它是利用烙铁头积聚的热量来熔化钎料，并加热钎焊处的母 材而进行钎焊的方法。它只适用于钎焊温度低于3 0 0 的软钎料。 ( 二) 火焰加热钎焊：通常采用有机燃料喷炬法，简单易行，特另0 适合小规模 生产或野外作业，辅以一定装置可以实现自动或半自动生产。 ( 三) 炉中钎焊：其特点是温度町以严格控制，接头性能好，多用燃气燃油或 电阻丝加热，适用于小件大批量多焊缝的焊接，生产效率高，可分为气氛保护炉利 真空炉两类，后者无须加入钎剂，焊缝质量更可靠，但对于一些易挥发元素，如含 z n 、c d 、l i 、m g 、p 等高蒸汽压元素较多的钎料以及母材金属，不宜采用真空钎焊。 ( 四) 感应加热装置：利用金属工件在交变磁场中产生感应电流的电阻热，加 热钎焊接头。感应钎焊的电能取自电磁感应，而不是直接传导，因此钎焊接头必须 置于感应线圈的交变磁场中。 ( 五) 盐浴炉钎焊：用盐浴炉钎焊时，工件整体浸入熔融的盐液中，利用高温 液体介质的热量加热工件和钎料，完成接头连接。加热过程迅速、稳定均匀、生产 率高；熔融盐液可作为保护介质，防止焊件氧化。盐浴炉会向周围辐射散热并释放 大量腐蚀性蒸汽，因而劳动条件恶劣，由于气体难于排尽，带有深孔、盲孔和封闭 型的焊件不宜用盐浴炉钎焊。 ( 六) 电阻钎焊机钎焊：由电阻发热使钎料熔化而完成钎焊的设备。电阻钎焊 时，电流流过电极、工件、钎料、工件再到另一电极。由于母材和钎料在边界上有 很高的接触电阻，利用电阻发热，使钎料熔化实现钎接。 ( 七) 钎焊方法还有钨极氩弧钎焊、电子束钎焊、激光钎焊等。 第一章绪论 ；_ ii i i ；= ；i ；i i i i i i ；i i ；i i i ；i i i i i ；i i i i ；i 当金属表面存在氧化膜时，氧化物与气体的界面张力远小于清洁的基体金属与 气体问的界面张力，液态钎料往往凝聚成球状，不能在母材表面涧湿铺展，破坏了 液体润湿固体的平衡条件。真空可以降低气体中氧分压，导致氧化物分解，使钎料 易于润湿母材并发生相互作用，因而接头强度较高4 们。炉中真空钎焊还能避免使用 钎剂带来的夹渣、焊后清除和腐蚀等问题，接头光洁而致密，通常用于接头质量要 求较高的场合。文献【2 9 】研究管接头钎焊时发现真空度不宣太高，真空压力应在 5 1 0 。2 m p a 以上，避免母材合金元索挥发影响接头性能。 真空钎焊接头的韧性比较差，而如果将金属工件放在