李 強(qiáng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)速限制精度及使用壽命均已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，目前不僅裝配于某發(fā)動機(jī)，還可裝備于我國民用航空，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。基于其工作特性，超轉(zhuǎn)限制活門組件結(jié)構(gòu)和選材須同時(shí)具備高耐磨性、高強(qiáng)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(zhì)合金異種金屬采用金基釬料BAu70NiPd1005/1045釬焊屬于新領(lǐng)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(yán)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(wù)交付。因此研究和解決某超轉(zhuǎn)限制活門組件的真空釬焊對提高公司的科研及焊接技術(shù)水平以及完成生產(chǎn)任務(wù)都有非常重要的意義。

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

1 活門組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

超轉(zhuǎn)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?；铋T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(qiáng)的高含金量BAu70NiPd1005/1045焊料焊接為一體，超轉(zhuǎn)限制活門的結(jié)構(gòu)和選材同時(shí)具備高耐磨性、高強(qiáng)度等特性，能夠在某液壓機(jī)械裝置的復(fù)雜工作環(huán)境中使用。

圖1 超轉(zhuǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)雜的零部件，廣泛用于制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高溫工作構(gòu)件。GH4169的化學(xué)成分和機(jī)械性能分別如表1、表2所示。

表1 GH4169材料化學(xué)成分%

表2 GH4169材料機(jī)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(qiáng)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(xué)成分如表3所示，機(jī)械性能如表4所示。

表3 Co-Cr-W合金材料化學(xué)成分%

表4 Co-Cr-W合金材料機(jī)械性能

1.3 焊料

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

表5 BAu70NiPb1004/1045釬料化學(xué)成分及溫度

2 工藝分析及具體方案

2.1 結(jié)構(gòu)分析

由圖1可知，超轉(zhuǎn)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(zhuǎn)限制活門套在活門芯上的位置尺寸，設(shè)計(jì)制造了專用焊接夾具。同時(shí)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(zhuǎn)限制活門組件焊接夾具示意

裝釬料時(shí)，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(yīng)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(zhuǎn)限制活門組件的焊接（即高溫合金與硬質(zhì)合金異種金屬的焊接）技術(shù)的研究尚屬新領(lǐng)域，且高溫合金和Co-Cr-W[4]硬質(zhì)合金的導(dǎo)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(guān)于金基釬料BAu70NiPd1005/1045、高溫合金GH4169及Co-Cr-W硬質(zhì)合金的資料[5]，制定了初步試驗(yàn)方案。金基釬料的焊接溫度1 070～1 090℃，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表6。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及釬料參數(shù)對活門組件的焊接參數(shù)進(jìn)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(dá)到要求，如圖3所示。進(jìn)一步調(diào)整釬焊溫度至1 076℃，并將920℃和1 076℃時(shí)的保溫時(shí)間分別延長至20min和25min，X光檢查發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量合格，但外觀檢查發(fā)現(xiàn)焊縫不飽滿，需進(jìn)行調(diào)整。隨后制定了補(bǔ)焊參數(shù)對零件進(jìn)行焊接（見表7），焊后零件滿足焊接加工質(zhì)量要求及性能使用要求。

由上述結(jié)果可知，超轉(zhuǎn)限制活門組件經(jīng)補(bǔ)焊后雖達(dá)到焊接加工質(zhì)量要求及使用性能，但一次交檢合格率低，仍需進(jìn)一步試驗(yàn)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(dá)到焊接質(zhì)量要求。將釬焊溫度升高至1 090℃后，焊縫釬透率和外觀質(zhì)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(yàn)方案及結(jié)果

表7 超轉(zhuǎn)限制活門組件真空釬焊試驗(yàn)方案

圖3 超轉(zhuǎn)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(yàn)后，最終確定XX-1411超轉(zhuǎn)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(jié)論

（1）合理的裝填釬料及工裝是超轉(zhuǎn)限制活門組件焊接成功的關(guān)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(bǔ)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(bǔ)焊完成。

（2）高溫合金GH4169與Co-Cr-W硬質(zhì)合金可采用金基釬料BAu70NiPd1005/1045進(jìn)行真空釬焊焊接。釬料對兩種母材有良好的潤濕性，當(dāng)釬焊溫度及保溫時(shí)間適中時(shí)，釬縫與母材之間的冶金結(jié)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(xué)性能較好，具有高耐磨性、高強(qiáng)度、高可靠性，能夠滿足XX-13液壓機(jī)械裝置的復(fù)雜環(huán)境。

表8 超轉(zhuǎn)限制活門組件真空釬焊流程及參數(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1]任耀文.真空釬焊工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[2]郭建亭.高溫合金材料學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機(jī)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(xué)通報(bào)，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.