AlMgSiCu系鋁合金封閉式葉輪浸漬釬焊工藝研究

邙靜巍

(廈門城市職業(yè)學(xué)院機械與自動化工程系 福建 廈門 361000)

AlMgSiCu系鋁合金封閉式葉輪浸漬釬焊工藝研究

邙靜巍

(廈門城市職業(yè)學(xué)院機械與自動化工程系 福建 廈門 361000)

AlMgSiCu系鋁合金封閉式葉輪鹽浴浸漬釬焊溫度范圍窄、時間短，是加工成功的最關(guān)鍵步驟。本文通過對透平膨脹機封閉式葉輪浸漬鋁釬焊過程中的工裝設(shè)計及工藝參數(shù)的分析和試驗，詳細(xì)的敘述了葉輪釬焊工作的步驟和操作要領(lǐng)，找出了合理的工藝參數(shù)與操作規(guī)程。輪盤與輪蓋焊接后力學(xué)性能滿足零部件的使用要求，為同類產(chǎn)品的設(shè)計及工藝提供了參考數(shù)據(jù)。

鋁合金；浸漬釬焊；釬料

0.前言

浸漬釬焊工藝加熱過程中能精確控制加熱溫度，具有升溫速度快、溫度均勻的特點。釬焊過程中液體加熱介質(zhì)隔絕空氣，具有避免工件氧化、焊料流動性好、焊縫強度高、成形美觀、焊接效率高等一系列優(yōu)點[1]；雖然有工作環(huán)境差、耗電量高等缺點，但浸漬釬焊技術(shù)對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工、焊縫分布于若干處，必須采用整體加熱焊接的工件，仍為一種生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好的加工方法[2]。透平膨脹機封閉式工作輪結(jié)構(gòu)，就是非常適合浸漬釬焊的工件。但是釬料的熔點同鋁合金熔點相近且均很低、焊接時間很短，釬料溶化過程中要不斷旋轉(zhuǎn)工件以保證釬料流動到位，要保證焊接成功率和焊接質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制釬焊溫度、時間等工藝參數(shù)。

1.零件結(jié)構(gòu)及工裝設(shè)計

1.1 零件結(jié)構(gòu)

某3000m3透平膨脹機AlMgSiCu系鋁合金封閉式增壓工作輪，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工作輪結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)要求

時效處理，試件加工后機械強度拉伸實驗達(dá)δb≥330Mpa，δs≥10%；輪盤與輪蓋的配合牢固均勻，做成整體后以38000r/min做超速試驗。焊縫做涂色檢查，不得有裂紋等缺陷。

根據(jù)技術(shù)要求，葉輪的材質(zhì)為Al-Mg-Si-Cu系鍛造鋁合金，6A02（原 LD2)。 母材選取應(yīng)符合 GB/T3191-2010，熔點（593-651）°C，釬料材質(zhì)為 HLAlSi12，熔點（582-604）°C，材質(zhì)符合 GB/T13815-2008 標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 工裝設(shè)計

鋁合金釬焊一般要加熱到600℃左右,工件在加熱和冷卻過程中由于受熱不均勻會產(chǎn)生變形，尺寸精度不易保證。鋁合金釬焊夾具材料一般采用具有耐腐蝕和高溫強度的不銹鋼材料1Gr18Ni9Ti，釬焊工裝中心定位軸應(yīng)以φ18+0.012尺寸定位制作,輪蓋定位圈應(yīng)與葉輪輪蓋的一個臺階面配合,并高于臺階面2-3mm,上下模具應(yīng)均勻鉆孔φ16-20,使鹽液流入充分。

各組成零件均采用數(shù)控加工，以及合理的熱處理去應(yīng)力工藝。在保證產(chǎn)品加工精度的同時，也確保零件具有較低的變形和很小的殘余應(yīng)力，裝配前零件平面度簇0.05mm，裝配后的焊接間隙簇0.06mm，從而為工作輪的最終焊接質(zhì)量提供保證。

2.釬焊前的準(zhǔn)備

2.1 鋁釬劑防潮

2.2 鹽浴凈化脫水

鹽熔化后，脫水處理至關(guān)重要，主要是為了去除熔鹽中的水分，置換了熔鹽中的雜質(zhì)金屬離子，從而減少工件在焊接過程中的腐蝕，保證釬焊件外觀質(zhì)量。

鹽浴脫水的過程：把厚度為2-3mm的純鋁板(L1-L3，邊角料即可)清潔干凈，用丙酮去油污，烘干并預(yù)熱到200-300°C，用鋁制料筐裝好投入鹽浴中。這時,鋁與水、鋁與氯、鎳、鉻等雜質(zhì)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫水鋁板表面會沉積一些黑色反應(yīng)物，即為置換出的雜質(zhì)離子，它會阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行[3]。在操作上要求每隔1h左右,對黑渣進(jìn)行清理或更換脫水鋁板。鹽浴凈化脫水過程中，經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)鹽浴表面出現(xiàn)火花與爆鳴聲，這是反應(yīng)中氫氣的燃燒現(xiàn)象。當(dāng)火花與爆鳴聲消除、鋁板取出后呈潔白色、鹽池液為淺灰色時，說明鹽浴中的水基本被清除干凈。

鹽浴凈化脫水時間一般需要12-36h。

2.3 測定鹽液成分

測定鹽溶液中的化學(xué)成分,使各元素含量在規(guī)定的范圍內(nèi)見表1。如成分不附,可添加適當(dāng)?shù)柠}進(jìn)行調(diào)整、補充。

表1 鹽溶液中各離子化學(xué)成分范圍表

2.4 清洗

由于鋁合金對氧的親合力極大，表面極易生成一層AL2O3氧化膜，熔點很高，致密而穩(wěn)定，比較難以去除，阻礙釬料同釬焊金屬的潤濕和結(jié)合，成為釬焊時的主要困難之一。為了保證焊接質(zhì)量，釬焊前需要仔細(xì)清洗焊件，目的是將焊件表面的油漬及厚氧化膜去除。清洗過程為：

（1）將增壓機工作輪、工裝夾具和釬料經(jīng)丙酮清洗，去油。用干凈紗布將釬料包好。

（2）干燥后放入10%NaOH和0.4%Na2CO3混合的熱水容易中堿洗3-5分鐘。

（3）取出后將增壓機工作輪和工裝放入硝酸水溶液中約10分鐘進(jìn)行中和處理。

（4）將增壓輪、工裝和釬料用清水沖洗干凈，用白紗布擦干。以上釬接前各種清洗液的成份，濃度，溫度及清洗時間見表2。

表2 清洗液的成份，濃度，溫度及清洗時間表

2.5 工件組裝與釬料制作

（1）制作釬料，按工作輪葉片上子午面形狀剪制出釬料，釬料橫向做成如圖2所示形狀，葉片卷圓處事先剪成間隔約3mm寬的豁口，葉輪外徑處加長3-5mm。

圖2 釬料橫切面示意圖

（2）對工件進(jìn)行組裝前，拋光各葉形背腹面及流道底面，各葉形背腹面的上子午面均需倒角0.5＊45°，檢查修研輪盤與輪蓋圓弧面的貼合面應(yīng)達(dá)不透光為宜。

（3）將釬料貼覆在葉片上，以自重不掉為宜，壓入輪蓋，并測量葉輪外徑處葉高，其高度差不大于0.15mm，裝輪蓋應(yīng)避免強力組裝。

（4）在工裝上安裝工件,預(yù)緊彈簧壓縮量為3-5mm，使工件夾緊即可。為了避免焊接過程中鋁件與不銹鋼夾具之間電極電位腐蝕，在工藝措施上通常采用耐高溫耐腐蝕的材料,如柔性石墨板、陶瓷、云母或其他材料與工藝措施，工件裝夾時嚴(yán)禁與夾具接觸。

（5）將工件、工裝組裝完成后，在工裝上安裝熱電偶，觸頭應(yīng)與葉片根部接觸為宜，用以測量工件在升溫時的實際溫度。

3.釬焊過程中的溫度控制

3.1 預(yù)熱

首先當(dāng)組件浸入鹽浴時，預(yù)熱可使使焊件受熱均勻，減小焊件變形；其次，預(yù)熱能減少組件對鹽浴池的冷卻作用，縮短釬焊時間，預(yù)先去除水份，防止鹽爆炸飛濺。

預(yù)熱爐預(yù)先升溫至600°C，將組裝好的工件放入預(yù)熱爐中隨爐升溫到500-540°C。保溫時間不宜過長,否則釬料金屬中的硅、銅等擴散及零件表面的氧化將影響釬焊質(zhì)量。

3.2 釬焊操作

鋁釬焊時間短、溫度低，對操作者的操作技術(shù)水平要求非常高，由一名經(jīng)驗豐富的操作者指揮全局，掌控整個工件不同時期的狀態(tài)，幾名助手配合操作。

（1）工件入爐時釬接時的鹽爐，熔鹽溫度為595°C，將工件傾斜入爐，保證工件軸線與鹽液面成30-45°夾角。

（2）入爐后連續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)工件,每分鐘轉(zhuǎn)兩周,正轉(zhuǎn)一周,逆轉(zhuǎn)一周反復(fù)保持4-5min，吊出,工件溫度為595±5°C，然后提升工件停留在鹽液上方150mm處，繼續(xù)均勻旋轉(zhuǎn)工件，待釬料全部凝固為止，時間約為5-6分鐘。

4.焊后清洗

（1）取出工件，隨空氣冷卻，待溫度降至 120-150°C時，放入 90°左右的熱水中煮鹽2小時，冷卻后拆除工裝，清洗工件表面殘留的鹽。

（2）將工件放入 10%NaOH,與 0.4NaCO3混合熱水溶液中堿洗 3 5min，取出后清洗干凈。

（3）將工件及工裝侵入堿液中堿洗，參數(shù)見表1。

（4）將工件及工裝侵入硝酸中中和處理，參數(shù)見表1。

（5）用清水將工件及工裝清洗干凈。

5.結(jié)語

鹽浴浸漬釬焊是一個非常復(fù)雜的工藝過程，在工序和操作中稍有差錯，就會造成焊接失敗。釬接的關(guān)鍵是彈性裝夾夾具的設(shè)計與焊接參數(shù)合理選擇等工藝措施，從而保證的釬焊質(zhì)量。嚴(yán)格按以上工藝釬焊后，工作輪進(jìn)出口葉片與輪蓋按圖修成圓弧，修整后的焊縫光滑牢靠，無腐蝕、結(jié)疤等缺陷，精加工后的葉輪做著色探傷，單個葉輪的動平衡試驗，超高速試驗，均試驗合格。本工藝對類似零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件的設(shè)計加工有很大的參考價值。

［1］梁文生.ATR三防機箱鹽浴浸漬釬焊工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2009,04 49-51.

［2］巢雨蒼,巢惟忐.基于系統(tǒng)整合理論的鹽浴焊接自動線設(shè)計[J].熱加工工藝2012,11：162-164.

［3］梁文生.鋁合金精密微波器件鹽浴焊緩蝕工藝控制[J].新技術(shù)新工藝，2009,08 97-99.

The research on enclosed impeller dipping brazing techniqueof AlMgSiCu series aluminum alloy

Mang jing－wei
(Xiamen City UniversityDepartment of mechanical and Automation Engineering Fujian xiamen 361000)

The enclosed impeller dip brazing technique of AlMgSiCu series aluminum alloy has advantage of narrow temperature range and short time,it is the most crucial procedure of successful processing.This article introduces the work steps and essentialpoints of operation of impeller brazing,finds out reasonabletechnological parameter and operating instructions through the analysis and trial of tooling design and technology parameters in the process of aluminum dip brazing to enclosed impeller of turbine expansion engine.After welding wheel disk and wheel cover together,the mechanical property meets the requirement of using and providesreference data for design and craft of like products.

Aluminum alloy；Dip brazing；Brazing filler metal

T-01

A

2095-7327（2017）-10-0147-02

廈門城市職業(yè)學(xué)院產(chǎn)學(xué)研資金資助項目《鋁合金薄板件浸漬釬焊工藝研究》（項目編號為KYCX2015-1）。

邙靜?。?966.2—），黑龍江哈爾濱人，廈門城市職業(yè)學(xué)院高級工程師，碩士，研究方向為工程材料熱加工、3D打印技術(shù)。