中國人民解放軍駐一二〇廠軍事代表室 劉新強(qiáng)

中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 鄭 欣 李 佳 王廣海

某型號(hào)擴(kuò)壓器由蓋板和帶若干葉片的底座組成，其材料為鍛件GH4169，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。擴(kuò)壓器的蓋板、底座和葉片經(jīng)真空釬焊后形成氣流通道，對(duì)氣流進(jìn)行整流、擴(kuò)壓。擴(kuò)壓器底座上數(shù)控加工出的若干個(gè)葉片是氣流的整流葉片，其中流道高度尺寸是影響產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因此質(zhì)量必須得到保證[1-2]。

從圖1可知，擴(kuò)壓器是回轉(zhuǎn)體焊接件，葉片數(shù)量多，裝配精度高。焊前對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量和裝配間隙的控制，焊后對(duì)焊縫質(zhì)量的檢驗(yàn)及流道尺寸的測(cè)量等問題，都需要進(jìn)行工藝研究加以分析解決。

1 擴(kuò)壓器真空釬焊的試驗(yàn)材料、方法和技術(shù)要求

1.1 試驗(yàn)材料和方法

本研究中的擴(kuò)壓器基體材料為GH4169，采用粘帶狀BNi-2釬料連接葉片處，在美國VFS公司生產(chǎn)的HJ26EQ真空釬焊爐中進(jìn)行真空釬焊。

GH4169是以體心四方γ"相和面心立方γ′相作為沉淀強(qiáng)化析出相的鎳基高溫合金，在700℃以下溫度范圍內(nèi)具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕性等綜合性能。其化學(xué)成分如表1所示。

圖1 擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of the diffuser structure

BNi-2鎳基釬料具有優(yōu)良的抗氧化性和耐腐蝕性，并具有較好的釬焊工藝性能，其熔點(diǎn)易與多數(shù)高溫合金的熱處理制度相匹配，經(jīng)釬焊熱循環(huán)不會(huì)產(chǎn)生開裂。另外，該釬料的流動(dòng)性好，可在較低溫度下焊接，釬料與母材作用較弱，適用于釬焊較薄的零部件。其化學(xué)成分如表2所示。

表1 GH4169的化學(xué)成分 %

表2 BNi-2釬料的化學(xué)成分 %

圖2 大、小葉片上釬料形狀Fig.2 Brazing filler shape on the large and small vanes

在進(jìn)行真空釬焊時(shí)，將釬料用剪刀剪成大、小葉形橫截面形狀，如圖2所示。由于粘帶釬料的正反面都具有粘性，可依次粘在葉片的焊接面上，并在非焊接部位涂焊接阻流劑，然后將蓋板蓋在釬料上。

1.2 擴(kuò)壓器真空釬焊的技術(shù)要求

（1）焊縫符合Q/1BnYJ66 Ⅱ級(jí)要求，釬料采用粘帶狀BNi-2。釬焊后葉片根部焊縫的過渡圓角R≤1°，內(nèi)流道及葉片表面不允許釬料飛濺和漫流。

（2）焊后采用超聲波檢驗(yàn)焊縫的釬透率，要求達(dá)到90%以上。

（3）釬焊后保證流道高度尺寸為（7.7±0.1）mm。

2 擴(kuò)壓器試件的焊接試驗(yàn)過程

將擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，采用GH4169板料加工出4組葉片及1個(gè)蓋板，并配合適當(dāng)配重進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 試件釬焊參數(shù)的確定及焊接結(jié)果

真空釬焊工藝參數(shù)包括真空度、升溫速率、釬焊溫度、釬焊保溫時(shí)間和冷卻速率等。釬焊溫度的選擇主要依據(jù)釬料（BNi-2）熔點(diǎn)和母材（GH4169）熱處理而確定。BNi-2釬料的熔點(diǎn)為970～1000℃，釬焊溫度為1010～1175℃；母材GH4169為鎳基高溫合金，其熔點(diǎn)為1260～1320℃，焊后熱處理制度為960℃/1h淬火，720℃/8h回火[3]。經(jīng)綜合考慮，將真空釬焊溫度選為（1080±20）℃，保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)擴(kuò)壓器和配重的質(zhì)量、釬料填滿深度及合金化作用時(shí)間綜合而定。按照工藝試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，將保溫時(shí)間定為30min比較合適，這樣既能保證釬料在毛細(xì)作用下填滿間隙，又能保證擴(kuò)壓器組件與母材有足夠的合金化作用時(shí)間[4]。根據(jù)釬料的特點(diǎn)及零件結(jié)構(gòu)與材料的要求，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用圖3所示溫度制度。

圖3 擴(kuò)壓器真空釬焊溫度制度曲線Fig.3 Vacuum brazing temperature schedule of the diffuser

圖4 試件焊后的外觀Fig.4 Specimen appearance after brazing

圖5 擴(kuò)壓器試件的超聲波檢測(cè)圖Fig.5 Ultrasonic inspection photo of the diffuser specimen

將試件超聲波清洗和手工清理后，按大、小葉片的形狀裁剪釬料進(jìn)行裝配。焊后的試件外觀如圖4所示。

2.2 超聲波檢測(cè)結(jié)果

圖6 葉片端部的焊縫金相照片F(xiàn)ig.6 Metallographic photos of the end of vane

對(duì)焊后的擴(kuò)壓器試件采用LS-200LP型探傷設(shè)備超聲波檢測(cè)，方法為縱波水浸C掃描，采用頻率為15MHz，靈敏度為35dB。檢測(cè)結(jié)果顯示，試件的真空釬焊釬透率為90%以上。圖5為超聲波檢測(cè)結(jié)果圖像。

2.3 金相檢查結(jié)果

將焊接后試件進(jìn)行分段解剖，分別在葉片的端部和中間部位進(jìn)行金相觀察，如圖6和圖7所示。結(jié)果表明：葉片焊接部位的整體焊接質(zhì)量良好，焊縫圓角適中；釬料與母材的過渡期組織清晰，金相組織無異常長大現(xiàn)象，說明釬料和母材的冶金反應(yīng)適當(dāng)，該釬焊工藝參數(shù)比較合理。

3 擴(kuò)壓器的真空釬焊研究過程

3.1 擴(kuò)壓器真空釬焊前的裝配質(zhì)量控制

3.1.1 零件的質(zhì)量控制

真空釬焊時(shí)，熔化的釬料依靠潤濕和毛細(xì)作用吸入間隙內(nèi)，并與固態(tài)母材相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，因此釬焊間隙不能過大或過小，否則會(huì)失去毛細(xì)作用的能力。影響釬焊間隙的因素是本體葉片與蓋板配合尺寸的誤差。由于零件之間配合表面為曲面，為了滿足間隙要求，擴(kuò)壓器的蓋板和底座型面都采用數(shù)控加工，嚴(yán)格控制尺寸。底座的葉型面先粗加工，然后消除應(yīng)力，達(dá)到穩(wěn)定尺寸和精度后再對(duì)葉型面進(jìn)行精磨。要求葉片應(yīng)全部磨削保證配合尺寸，不合格的葉片則允許反復(fù)磨削葉片兩側(cè)。同時(shí)對(duì)擴(kuò)壓器的本體和蓋板進(jìn)行試裝、選配，選擇配合間隙較好的零件進(jìn)行裝配，保證裝配精度。本研究中葉片與蓋板接觸焊縫處的裝配間隙不大于0.10mm。

3.1.2釬料的裝配

擴(kuò)壓器產(chǎn)品釬焊時(shí)，BNi-2釬料的裝配如1.1節(jié)所述，與試件焊接的裝配方法一致。

3.1.3 零件的配重控制

該擴(kuò)壓器在真空釬焊之前，應(yīng)選擇合適重量的配重物，利用重力作用壓在蓋板上再進(jìn)行焊接。配重物的材料一般為不銹鋼。本研究中，配重物分內(nèi)配重環(huán)和外配重環(huán)，分別放置在擴(kuò)壓器的蓋板上，并與擴(kuò)壓器的外形一致，為環(huán)形。具體裝配示意圖如圖8所示。

擴(kuò)壓器在釬焊熱循環(huán)過程中的徑向方向不受任何約束限制，只是在垂直方向的軸向利用內(nèi)、外配重環(huán)的重量對(duì)流道高度等尺寸進(jìn)行控制。根據(jù)試件焊接時(shí)的配重參數(shù)，擴(kuò)壓器焊接時(shí)外配重環(huán)為10.50kg，內(nèi)配重環(huán)為8.50kg。

3.2 擴(kuò)壓器產(chǎn)品的真空釬焊試驗(yàn)過程

第2節(jié)對(duì)擴(kuò)壓器試件的真空釬焊研究中采用了圖3中的焊接工藝參數(shù)，超聲波檢測(cè)和金相組織觀察證明該焊接參數(shù)切實(shí)可行，焊接質(zhì)量符合技術(shù)條件要求，因此針對(duì)實(shí)際的擴(kuò)壓器產(chǎn)品，同樣采用圖3中焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

3.3 擴(kuò)壓器的焊后檢驗(yàn)

3.3.1 葉片處釬焊縫的焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

由于受擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)的限制，葉片的焊縫處不能采用X光檢查，因而采用外觀目視檢查和超聲波檢查來判斷葉片處釬焊焊縫的質(zhì)量。

（1）目視檢驗(yàn)采用5～10倍放大鏡，用內(nèi)窺鏡檢查葉片處釬縫的外觀。該擴(kuò)壓器的釬縫連續(xù)、致密，釬角光滑均勻，釬料無漫流和飛濺。

圖8 擴(kuò)壓器真空釬焊示意圖Fig.8 Vacuum brazing sketch of the diffuser

圖9 超聲波檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Results of ultrasonic inspection

（2）超聲波探傷檢驗(yàn)：采用LS-200LP超聲檢驗(yàn)設(shè)備對(duì)蓋板與葉片連接的釬縫處進(jìn)行縱波水浸C掃描，超聲波頻率為15MHz，靈敏度為35dB。利用超聲無損檢測(cè)C掃描圖像可以反映出釬焊缺陷及其分布特征，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯鰯U(kuò)壓器的焊縫質(zhì)量良好，釬透率同樣達(dá)到90%以上。

3.3.2 擴(kuò)壓器流道高度的檢測(cè)

表3中記錄了該擴(kuò)壓器真空釬焊前后測(cè)得的流道高度數(shù)值。焊后的流道高度與焊前相比有減小的趨勢(shì)，說明焊前的葉片和蓋板接觸面有局部高點(diǎn)支撐，焊后在配重和釬焊溫度作用下整體進(jìn)行了調(diào)整；焊前和焊后的流道高度均滿足（7.7±0.1）mm技術(shù)條件的要求。這也證明配重環(huán)重量和釬焊溫度的合理性。

3.4 釬焊縫的補(bǔ)焊

由于有3片葉片未焊上，在需要補(bǔ)焊的部位注射相同成分的膏狀釬料（BNi-2），然后重新入爐按照相同的配重和釬焊工藝參數(shù)進(jìn)行釬焊。允許補(bǔ)焊次數(shù)為1次。

表3 釬焊前后氣體流道的高度

4 結(jié)論

（1） 某 型 號(hào) 擴(kuò) 壓 器 采 用BNi-2 釬 料 在（1080±20）℃的溫度下進(jìn)行真空釬焊。焊后的釬角合格，釬縫致密均勻。

（2） 真空釬焊過程中的配重重量直接影響擴(kuò)壓器焊后流道高度尺寸。該擴(kuò)壓器采用外配重環(huán)為10.50kg，內(nèi)配重環(huán)為8.50kg，比較合理。

（3） 焊后產(chǎn)品的超聲無損檢測(cè)是判斷擴(kuò)壓器焊縫釬透率比較合理可靠的無損檢測(cè)方法。該擴(kuò)壓器采用上述真空釬焊工藝后，釬透率達(dá)到90%以上，而且流道高度也滿足設(shè)計(jì)要求，證明該焊接工藝合理可行。

[1] 趙越. 釬焊技術(shù)及應(yīng)用. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[2] 劉秀芬，蒲一民，首鴻燕. 擴(kuò)壓器釬焊工藝. 航天制造技術(shù)，2007(2): 24-26.

[3] 張啟運(yùn)，莊鴻壽. 釬焊手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4] 劉師田，楊凱珍. 保溫時(shí)間和釬焊溫度對(duì)真空釬焊304不銹鋼接頭性能的影響.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011(3): 172-174.