不銹鋼導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊釬角疏松分析

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng) 110850； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136)

不銹鋼導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊釬角疏松分析

馬龍1倪家強(qiáng)1劉艷梅1王大鵬1張利2

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng) 110850； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136)

應(yīng)用高頻感應(yīng)釬焊對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼導(dǎo)管和不銹鋼管彎頭進(jìn)行焊接，焊接后釬角處存在疏松缺陷。為了研究疏松組織形貌，采用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)進(jìn)行宏觀形貌、微觀組織的觀察和分析。采用能譜分析儀對(duì)疏松位置進(jìn)行區(qū)域檢測(cè)和線性掃描，分析疏松位置及其周圍區(qū)域的元素分布規(guī)律。試驗(yàn)表明：釬角根部存在等軸晶和少量分散狀疏松，釬角中部存在大量枝晶和少量疏松，釬角尾部存在大量聚集狀疏松并在其末端存在大量氧化物夾渣。

不銹鋼導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊釬角疏松

0 序 言

釬焊技術(shù)是一門精密且可靠的連接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于不銹鋼構(gòu)件的連接，比如氣體渦輪、燃?xì)廨啓C(jī)換熱器以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管等零件[1-3]。高頻感應(yīng)釬焊在高低壓電器、機(jī)械制造、汽車制造、發(fā)電設(shè)備、太陽(yáng)能、電力配件、空調(diào)、壓縮機(jī)、電機(jī)、造船、軌道車輛、航空航天、武器裝備、核工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，通常在T形、I形、H形、電纜套管、管材、散熱片與管等型材縱縫焊接、管子或板(帶)材的對(duì)稱形狀的對(duì)焊或搭接的微型零件中廣泛使用[4]。高頻感應(yīng)釬焊通過(guò)高頻感應(yīng)電流產(chǎn)生的渦流效應(yīng)和集膚效應(yīng)對(duì)待焊接的區(qū)域進(jìn)行焊接，是一種現(xiàn)代飛機(jī)制造領(lǐng)域中采用的一種比較先進(jìn)的導(dǎo)管連接制造技術(shù)。釬焊過(guò)程大部分采用銀基釬料、鈦基釬料、銅基釬料、鎳基釬料進(jìn)行焊接[5-8]，但是大部分鎳基釬料的熔點(diǎn)比較高，釬焊溫度多在1 050～1 200 ℃之間[9-13]。在飛機(jī)制造過(guò)程中，大量系統(tǒng)導(dǎo)管需要連接，與其它焊接方法相比，高頻感應(yīng)釬焊有釬焊接頭變形小、焊后的接頭“免維護(hù)”的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于鋼、銅及銅合金、不銹鋼、高溫合金等的具有對(duì)稱形狀的焊件，特別適用于管件套接、管和法蘭、軸和軸套三類的接頭。

文中對(duì)不銹鋼導(dǎo)管和管彎頭采用高頻感應(yīng)釬焊，對(duì)焊后導(dǎo)管的釬角通過(guò)外觀檢查、金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)等方法，觀察釬角疏松形貌，對(duì)疏松位置進(jìn)行點(diǎn)檢測(cè)和線性掃描，分析疏松位置及其周邊區(qū)域的元素分布規(guī)律，為不銹鋼導(dǎo)管構(gòu)件的高頻感應(yīng)釬焊釬角疏松的定性研究提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試件采用直徑為φ8 mm的奧氏體不銹鋼導(dǎo)管與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼管彎頭搭接，釬料采用材料為BCu35NiMnCoSi的帶狀釬料，保護(hù)氣體符合GB/T 4842—2006《氬》，純度為99.999%的高純氬。不銹鋼和釬料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 不銹鋼和釬料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

高頻感應(yīng)釬焊時(shí)，通過(guò)外部感應(yīng)線圈的耦合而在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)行焊接，電源與工件不發(fā)生有形的電接觸[14]。釬焊時(shí)將焊件置于感應(yīng)圈產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)中，焊件即產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)而被加熱。焊件內(nèi)的感應(yīng)電流與交流電的頻率成正比，隨著所用交流電頻率的提高，感應(yīng)電流增大，焊件的加熱速度變快，高頻感應(yīng)釬焊裝置原理圖如圖1所示。將試件置于密封的氬氣保護(hù)裝置中進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊。

圖1 高頻感應(yīng)釬焊原理圖

1.3 試件結(jié)構(gòu)

試件由不銹鋼導(dǎo)管與管彎頭搭接而成，搭接面長(zhǎng)度為8 mm。高頻感應(yīng)釬焊時(shí)，試件放在感應(yīng)圈內(nèi)，因無(wú)法進(jìn)給釬料，所以在不銹鋼導(dǎo)管和管彎頭裝配時(shí)預(yù)先把釬料放好，置于導(dǎo)管與管彎頭搭接處，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1焊前裝配

釬焊接頭安裝中，應(yīng)注意應(yīng)力集中問(wèn)題[15]，所以在導(dǎo)管與管彎頭安裝時(shí)應(yīng)盡量避免過(guò)大應(yīng)力裝配。將不銹鋼導(dǎo)管與管彎頭采用搭接的形式進(jìn)行裝配，釬焊前檢查釬焊間隙，以保證熔化后的釬料充分填充不銹鋼導(dǎo)管與管彎頭的間隙。對(duì)于釬焊工藝而言，除特殊要求外，一般搭接長(zhǎng)度不超過(guò)15 mm，搭接長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，釬縫很難被釬料全部填滿，往往產(chǎn)生大量缺陷[16]。

1.4.2焊前參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)

在焊接試件前，進(jìn)行焊前的參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)。參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)采用不銹鋼導(dǎo)管和管彎頭進(jìn)行焊接，觀察釬焊后釬角的外觀質(zhì)量是否合格，以便于確定合適的釬焊參數(shù)。

1.4.3試件的焊接

一般釬焊反應(yīng)只在不銹鋼表面數(shù)微米至數(shù)十微米的界面進(jìn)行[17]。釬料在高溫下熔化，經(jīng)過(guò)一定的保溫時(shí)間，液態(tài)釬料在毛細(xì)作用下，填滿接頭間隙。將試件置于工作室中，釬焊前將保護(hù)氣氛工作室封閉，對(duì)工作室進(jìn)行抽氣，至所需的真空度后停止抽氣，向工作室內(nèi)充入氬氣，待氬氣充滿整個(gè)工作室后進(jìn)行釬焊。具體釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 高頻感應(yīng)釬焊工藝參數(shù)

1.4.4試驗(yàn)方法

不銹鋼導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊后，采用放大鏡觀察釬角外觀，采用GX51型號(hào)的OLYMPUS 金相顯微鏡、SIGMATM型號(hào)的ZEISS場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和XMAX20型號(hào)的OXFORD能譜分析儀對(duì)釬角進(jìn)行微觀組織觀察與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

釬焊后的試件由導(dǎo)管、釬縫和管彎頭組成，外觀形貌如圖3a所示。試件釬焊接頭成形良好，熔化后的釬料沿導(dǎo)管一周圓滑過(guò)渡并均勻分布管壁四周，導(dǎo)管和管彎頭上無(wú)未釬透、釬料瘤、燒穿等缺陷。由于感應(yīng)加熱溫度升高，釬焊后的導(dǎo)管和管彎頭有輕微淡藍(lán)色氧化色。將試件采用線切割方法沿導(dǎo)管軸向剖開(kāi)，僅保留部分導(dǎo)管和部分管彎頭，從圖3b可清晰看到導(dǎo)管、釬角、管彎頭剖面外貌。剖面上熔化后的釬料填滿導(dǎo)管與管彎頭之間的間隙，有效釬縫長(zhǎng)度大于3 mm，符合相關(guān)規(guī)定，目測(cè)未見(jiàn)氣孔、疏松、夾渣、裂紋等缺陷。

圖3 釬焊導(dǎo)管外觀形貌

2.2 釬角金相組織觀察

試件首先用粗砂紙對(duì)金相試樣進(jìn)行粗加工，用400號(hào)、600號(hào)、800號(hào)砂紙逐級(jí)磨光，然后在拋光機(jī)上拋光，未對(duì)金相試樣使用腐蝕液進(jìn)行腐蝕。金相顯微鏡下，釬角根部有極少量疏松，釬角中部有一定數(shù)量疏松，釬角尾部疏松嚴(yán)重并呈聚集狀(圖4a)。將釬角尾部進(jìn)一步放大，可見(jiàn)疏松組織沿導(dǎo)管軸向45°方向大致分布，疏松為有棱角黑色孔洞并呈現(xiàn)聚集性分布，向釬角外表面延伸，形成局部貫穿性缺陷，釬焊疏松組織如圖4所示。由圖4可知，疏松越嚴(yán)重，黑色孔洞數(shù)量就越多。

圖4 疏松金相組織圖片(未腐蝕)

2.3 釬角掃描電鏡觀察和能譜分析

用腐蝕液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，然后對(duì)釬角疏松位置進(jìn)行觀察。在掃描電鏡下可見(jiàn)疏松組織為不規(guī)則外形的孔洞并伴隨有枝晶存在，疏松外貌如圖5a所示，疏松存在于枝晶之間，尺寸約20 μm×10 μm。疏松附近的枝晶處存在大量微氣孔，并且微氣孔存在于枝晶的分枝上，尺寸約0.4 μm，同時(shí)疏松深處也可見(jiàn)微氣孔，如圖5b所示的白色圓圈的A，B，C位置。不銹鋼導(dǎo)管和釬角的掃描電鏡背散射(AsB)如圖6所示。

圖5 疏松掃描電鏡照片

圖6 掃描電鏡背散射AsB外貌

從圖6可見(jiàn)疏松組織總體情況，結(jié)合金相組織圖4a可發(fā)現(xiàn)：釬角根部存在一定量等軸晶和少量疏松，釬角中部存在大量枝晶和少量疏松，釬角尾部存在大量疏松，同時(shí)有明顯不同于釬料和疏松的組織存在(圖中白色圓的D位置)。圖7為掃描電鏡外貌，結(jié)合圖4a可明顯看到枝晶的存在，并沿與導(dǎo)管軸向大約45°方向生長(zhǎng)。

采用能譜分析儀測(cè)試釬角化學(xué)成分，從圖7中選取“譜圖1～5”共5個(gè)位置進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，各位置的成分見(jiàn)表3。選擇有疏松位置(線數(shù)據(jù)1)和無(wú)疏松位置(線數(shù)據(jù)2)進(jìn)行線性掃描，掃描位置和線性掃描所有元素如圖8～9所示。

圖7 掃描電鏡外貌

位置CuNiMnFeCO譜圖128.1721.5622.1310.429.39—譜圖205.456.306.0560.2711.34譜圖3—8.45—62.649.392.47譜圖420.1123.1219.3514.586.28—譜圖5 5.8426.504.8613.00—34.35

圖8 掃描電鏡線數(shù)據(jù)1

圖9 掃描電鏡線數(shù)據(jù)2

通過(guò)表3各點(diǎn)的成分分析表明：譜圖2位于釬角中部，存在于疏松區(qū)域中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Cu，但含有60.27%的C和11.34%的O。結(jié)合圖8b線性掃描1中C元素圖，C含量波動(dòng)較大(譜圖2存在釬角疏松位置)，表明疏松位置含有大量的碳化物和氧化物，可能是由焊前待焊處存在未清理干凈的有機(jī)雜質(zhì)所致。譜圖1和譜圖4位于釬角中部，成分表明是BCu35NiMnCoSi釬料,主要由Cu，Mn，Ni元素組成，表明該位置材料由上述3種元素相互擴(kuò)散并發(fā)生反應(yīng)而得到，同時(shí)含F(xiàn)e量增加。結(jié)合圖9b線性掃描2中C元素圖，除C元素略有波動(dòng)，其它釬料中各元素分布波動(dòng)不大，表明釬角中部可能存在少量的碳化物。譜圖3位于不銹鋼母材中，成分基本接近于1Crl8Ni9Ti不銹鋼母材，但由于靠近釬縫界面，母材和釬料中的C元素均向該位置選擇性優(yōu)先擴(kuò)散，導(dǎo)致C含量有所升高。譜圖5位于釬角尾部的末端，含Cu量與譜圖1 相比減少了79%，含Mn量減少了78%，同時(shí)該位置含O量為34.35%，結(jié)合圖6掃描電鏡背散射圖片中白色圓圈的D位置，表明釬角尾部的末端存在有別于釬料和疏松的組織，推測(cè)該組織是釬料凝固過(guò)程中上浮的大量氧化物夾渣(Cu，Mn，F(xiàn)e的氧化物)，但無(wú)碳化物存在。

2.4 疏松形成分析

疏松的形成分為兩大類：一類是由于液相凝固后收縮，而后續(xù)液相補(bǔ)充不足形成的孔洞稱為收縮疏松；另一類是由于液體內(nèi)有害氣體未及時(shí)排出，凝固后形成的微孔稱為氣體疏松[18]。釬焊過(guò)程中，首先當(dāng)液相凝固成固相時(shí)釬料體積收縮量不同，隨著釬料凝固的進(jìn)行，各個(gè)凝固進(jìn)行區(qū)域的液相和固相所占空間體積收縮進(jìn)一步擴(kuò)大，其上方和斜上方的液體金屬由于重力的作用，補(bǔ)充到凝固區(qū)從而形成收縮空洞。再次，由于釬焊時(shí)凝固過(guò)程溫度梯度變化，形成大量枝晶，釬料在凝固過(guò)程中，液體金屬由于枝晶的阻礙降低液體金屬流動(dòng)性，致使周圍液體不能充分、及時(shí)地補(bǔ)充體積收縮時(shí)產(chǎn)生的空間，從而形成空腔，當(dāng)釬料凝固結(jié)束時(shí)，這些沒(méi)有被充分補(bǔ)充的空腔在凝固枝晶附近形成疏松空洞(圖5a中疏松位于枝晶之間)，因而留下收縮疏松。另外凝固收縮促使枝晶補(bǔ)縮發(fā)生，當(dāng)枝晶補(bǔ)縮受阻時(shí)，將產(chǎn)生分散性的縮孔(圖5b中枝晶上的微小縮孔)，隨著凝固的進(jìn)行，這些分散型縮孔不斷聚集，形成更大的氣體空間。同時(shí)，由凝固收縮引起的縮孔也逐漸吸入周圍過(guò)飽和的氣體，最終形成氣體疏松。當(dāng)釬料凝固完成時(shí)，形成的氣體疏松和收縮疏松來(lái)不及浮出釬料表面，最終留在釬角內(nèi)部和表面。由此可見(jiàn)雖然收縮疏松和氣體疏松的形成機(jī)理不同，但是二者并不是孤立存在的，實(shí)際上在釬焊的顯微疏松形成過(guò)程中，釬料的收縮疏松及氣體疏松往往同時(shí)存在。

3 結(jié) 論

(1)釬焊接頭成形良好，釬料沿導(dǎo)管一周圓滑過(guò)渡并均勻分布管壁四周，導(dǎo)管和管彎頭上無(wú)未釬透、釬料瘤、燒穿等缺陷。

(2)疏松組織外貌為棱角不規(guī)則的黑色孔洞，疏松越嚴(yán)重，黑色孔洞數(shù)量就越多，釬角根部存在等軸晶和少量分散狀疏松，釬角中部存在大量枝晶和少量疏松，釬角尾部存在大量聚集狀疏松并在其末端存在大量氧化物夾渣，但無(wú)碳化物存在。

(3)疏松附近有多處微氣孔，微氣孔存在于枝晶的分枝上，疏松形成過(guò)程中，收縮疏松及氣體疏松往往同時(shí)存在。

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2017-04-06

TG454

馬 龍，1982年出生，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。主要從事焊接技術(shù)研究工作。