Co-Cr-W活門組件焊接技術

李 強，陳小勇，劉海漢，杜 娜，董樹勛

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西西安710077）

0 前言

超轉限制活門組件是某燃油泵-調(diào)節(jié)器中重要的安全控制部件，其轉速限制精度及使用壽命均已達到國內(nèi)領先水平，目前不僅裝配于某發(fā)動機，還可裝備于我國民用航空，具有重要的應用價值和推廣意義。基于其工作特性，超轉限制活門組件結構和選材須同時具備高耐磨性、高強度、高可靠性等特性，由GH4169（活門芯）和高硬度的Co-Cr-W（活門套）兩種不同材料真空釬焊而成。高溫合金和硬質合金異種金屬采用金基釬料BAu70NiPd1005/1045釬焊屬于新領域，現(xiàn)場生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的一次交檢合格率不足10%，嚴重影響中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司的生產(chǎn)任務交付。因此研究和解決某超轉限制活門組件的真空釬焊對提高公司的科研及焊接技術水平以及完成生產(chǎn)任務都有非常重要的意義。

通過對某超轉限制活門組件釬料的選擇裝填、專用夾具的設計制造、真空釬焊及補焊參數(shù)等工藝方案的確定等進行試驗研究，最終使得某超轉限制活門組件真空釬焊一次交檢合格率達80%以上，并且滿足生產(chǎn)加工及焊接質量要求。

1 活門組件的結構特點

超轉限制活門組件由活門芯和5段活門套真空釬焊[1]而成，如圖1所示。活門套采用高硬度、高耐磨性的Co-Cr-W合金新材料，活門芯選用GH4169材料；兩部分選用潤浸性強的高含金量BAu70NiPd1005/1045焊料焊接為一體，超轉限制活門的結構和選材同時具備高耐磨性、高強度等特性，能夠在某液壓機械裝置的復雜工作環(huán)境中使用。

圖1 超轉限制活門組件示意

1.1 活門芯

活門芯選用GH4169高溫合金材料[2]。GH4169合金是以體心四方的γ′′與面心立方的γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金，在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金首位，且具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能以及加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復雜的零部件，廣泛用于制造燃氣渦輪發(fā)動機的高溫工作構件。GH4169的化學成分和機械性能分別如表1、表2所示。

表1 GH4169材料化學成分%

表2 GH4169材料機械性能

1.2 活門套

活門套采用高硬度、高耐磨性的Co-Cr-W合金新材料。該材料為粉末冶金制品，具有較高的強度、硬度和優(yōu)良的耐磨、耐蝕性能，以及較好的紅硬性，常用于零件表面堆焊。其化學成分如表3所示，機械性能如表4所示。

表3 Co-Cr-W合金材料化學成分%

表4 Co-Cr-W合金材料機械性能

1.3 焊料

焊料采用金基釬料[3]BAu70NiPd1005/1045，其化學成分及焊接參考溫度如表5所示。

表5 BAu70NiPb1004/1045釬料化學成分及溫度

2 工藝分析及具體方案

2.1 結構分析

由圖1可知，超轉限制活門組件由活門芯和5段活門套真空釬焊而成，且5段活門套在活門芯上的位置均不相同。為了保證超轉限制活門套在活門芯上的位置尺寸，設計制造了專用焊接夾具。同時5段活門套中最長一段的尺寸僅為φ5.9×6mm，且活門套與活門芯之間的間隙僅1.5mm，要在圓周方向裝滿釬料難度很大。為了裝填釬料，分別在5段支撐環(huán)的兩端開φ4.8×1mm的槽，如圖2所示。

圖2 超轉限制活門組件焊接夾具示意

裝釬料時，先將釬料按片狀環(huán)（寬1.2mm、厚0.055mm）、絲狀環(huán)（焊絲直徑φ0.45mm）、絲狀環(huán)（焊絲直徑φ0.6mm）在φ3.8mm的芯棒上繞制成相應環(huán)狀。然后將清洗干凈的工裝、零件、釬料依次裝在活門芯上，再套上套筒。為保證焊料、工裝及零件在焊接過程中位置不發(fā)生變化，釬料需填滿并卡住工裝和零件，且每段活門臺階釬料的添加量均不相同，因此需在φ4.8mm的槽內(nèi)分別添加不同數(shù)量的片狀環(huán)與絲狀環(huán)。

2.2 具體方案

超轉限制活門組件的焊接（即高溫合金與硬質合金異種金屬的焊接）技術的研究尚屬新領域，且高溫合金和Co-Cr-W[4]硬質合金的導熱系數(shù)差距很大，焊接加熱過程中在兩種材料受熱不均的情況下零件很容易產(chǎn)生裂紋。查閱大量關于金基釬料BAu70NiPd1005/1045、高溫合金GH4169及Co-Cr-W硬質合金的資料[5]，制定了初步試驗方案。金基釬料的焊接溫度1 070～1 090℃，試驗方案及結果見表6。

根據(jù)零件結構及釬料參數(shù)對活門組件的焊接參數(shù)進行研究，如表7所示。按表7中方案的參數(shù)焊接后經(jīng)X光檢查發(fā)現(xiàn)，零件焊縫內(nèi)部存在焊接缺陷，焊后零件焊縫釬透率未達到要求，如圖3所示。進一步調(diào)整釬焊溫度至1 076℃，并將920℃和1 076℃時的保溫時間分別延長至20min和25min，X光檢查發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部質量合格，但外觀檢查發(fā)現(xiàn)焊縫不飽滿，需進行調(diào)整。隨后制定了補焊參數(shù)對零件進行焊接（見表7），焊后零件滿足焊接加工質量要求及性能使用要求。

由上述結果可知，超轉限制活門組件經(jīng)補焊后雖達到焊接加工質量要求及使用性能，但一次交檢合格率低，仍需進一步試驗研究獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。制定了表7中方案三參數(shù)，但焊后釬透率仍未達到焊接質量要求。將釬焊溫度升高至1 090℃后，焊縫釬透率和外觀質量均合格，一次焊接合格，零件滿足焊接加工要求及使用性能要求。

表6 金基釬料BAu70NiPd1005/1045真空釬焊試驗方案及結果

表7 超轉限制活門組件真空釬焊試驗方案

圖3 超轉限制活門組件剖切后的焊縫

3 工藝流程及參數(shù)確定

在查閱大量資料并經(jīng)過多次試驗后，最終確定XX-1411超轉限制活門組件真空釬焊的焊接流程及參數(shù)如表8所示。

4 結論

（1）合理的裝填釬料及工裝是超轉限制活門組件焊接成功的關鍵之一。通過完善釬料裝填方式及專用焊接夾具，最終得出合理的焊接方案。

焊接工藝參數(shù)：抽真空至3×10-2Pa，以10℃/min的升溫速率加熱至920℃，保溫20 min；以15℃/min的速率加熱至1 090℃，保溫20 min；隨爐冷卻，釬焊完成。補焊工藝參數(shù)：抽真空至3×10-2Pa，90 min加熱至920℃，保溫10 min；以15℃/min的速率加熱至1070℃，保溫5min；隨爐冷卻，補焊完成。

（2）高溫合金GH4169與Co-Cr-W硬質合金可采用金基釬料BAu70NiPd1005/1045進行真空釬焊焊接。釬料對兩種母材有良好的潤濕性，當釬焊溫度及保溫時間適中時，釬縫與母材之間的冶金結合良好，基本無夾渣或孔洞等缺陷。

（3）采用金基釬料BAu70NiPd1005/1045釬焊的活門組件，釬縫連續(xù)、光滑、均勻，釬焊接頭的力學性能較好，具有高耐磨性、高強度、高可靠性，能夠滿足XX-13液壓機械裝置的復雜環(huán)境。

表8 超轉限制活門組件真空釬焊流程及參數(shù)

參考文獻：

[1]任耀文.真空釬焊工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[2]郭建亭.高溫合金材料學[M].北京：科學出版社，2010.

[3]莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4]傅祖明，宋科匠.粉末冶金Co-Cr-W-C合金的組織與性能[J].科學通報，1987（5）：[頁碼不詳].

[5]粟祜.真空釬焊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.