陶永康，孫 瑞

(四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究院，四川 成都 610046)

眾所周知,擴(kuò)散焊接首先在核能、航天、航空領(lǐng)域中應(yīng)用最廣,在這些領(lǐng)域中,為了滿足某些零部件的使用要求,不僅需要研究新材料,而且需要研究連接這些材料的新方法,由于擴(kuò)散焊接的最大特點(diǎn)是焊接接頭質(zhì)量高、變形小,且可焊接其它焊接方法不能焊接的材料,所以率先在部分尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)。我國(guó)近年來(lái)在擴(kuò)散焊技術(shù)方面的研究也取得了很大的進(jìn)展,尤其在核能、航空、航天工業(yè)方面的研究及應(yīng)用較多[1]。

不銹鋼與銅的焊接主要困難點(diǎn)在于兩者的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)不同,容易導(dǎo)致鋼材未焊透或不銹鋼燒穿。采用熔化焊接時(shí), 銅材容易浸到鋼的晶粒之間, 產(chǎn)生熱應(yīng)力, 導(dǎo)致焊縫開裂。因此需要采取一系列的特殊工藝措施, 如采用特種焊接材料、預(yù)熱等。釬焊時(shí), 接頭中常會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣、未焊透、溶蝕、自裂等缺陷, 使接頭性能下降。釬焊后對(duì)釬劑要進(jìn)行嚴(yán)格清洗, 否則制品容易腐蝕。采用擴(kuò)散焊接則可克服上述缺點(diǎn)，在用于不銹鋼與銅的大面積連接時(shí), 是最有前途的焊接方法[2]。

鋼與銅焊接時(shí)易產(chǎn)生以下幾方面問(wèn)題：

1) 難熔合及易變形：由于銅和大多數(shù)銅合金的熱導(dǎo)率比普通碳鋼大7～11倍,熔焊時(shí)大量的熱從基材上散失, 焊接區(qū)域難以達(dá)到熔化溫度, 造成難熔合。又因銅的線脹系數(shù)及收縮率比鐵大一倍以上, 因此焊接時(shí)在無(wú)拘束條件下易變形。

2) 氣孔傾向嚴(yán)重：鋼與銅焊接時(shí)易出現(xiàn)氣孔, 其主要原因是過(guò)量的氫存在[3]。

3) 焊縫易產(chǎn)生熱裂紋：由于銅和鋼焊接會(huì)形成低熔點(diǎn)共晶,以及線膨脹系數(shù)相差較大,焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋和晶界偏析(即低熔點(diǎn)共晶合金或是銅的偏析) ,因而焊接時(shí),在較大焊接應(yīng)力作用下,呈現(xiàn)出宏觀裂紋。

4)熱影響區(qū)產(chǎn)生銅的滲透裂紋：銅及銅合金與不銹鋼焊接時(shí)容易出現(xiàn)銅的滲透裂紋。

5)焊接接頭力學(xué)性能降低：在焊接熱循環(huán)作用下,接頭中晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大,雜質(zhì)和合金元素?fù)饺牒缚p,容易形成各種脆性的低熔點(diǎn)共晶體或脆性相,使接頭的塑性、韌性、導(dǎo)電性、耐蝕性等顯著下降。此外,金屬的表面狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響,如金屬表面的氧化膜、表面吸附的空氣分子、水等,都會(huì)給焊接造成很大的影響,焊接過(guò)程中也應(yīng)給予充分重視[4]。

本文主要是通過(guò)真空擴(kuò)散焊接的手段對(duì)紫銅和316L不銹鋼通過(guò)中間層銀片進(jìn)行焊接。通過(guò)改變時(shí)間、壓力等參數(shù)來(lái)尋找一個(gè)最佳焊接的參數(shù)，對(duì)銅和不銹鋼焊接進(jìn)行探討性研究。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)相同溫度和真空度，不同擴(kuò)散壓力和擴(kuò)散時(shí)間條件下以純銀作中間層的紫銅/316L擴(kuò)散焊接焊后試樣的宏觀接頭形貌、微觀接頭形貌的對(duì)比分析，研究保溫時(shí)間和焊接壓力對(duì)接頭性能的影響，以獲得銅與不銹鋼擴(kuò)散焊接時(shí)擴(kuò)散時(shí)間和壓力的合理參數(shù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

真空擴(kuò)散焊機(jī)的工作機(jī)制：加熱室置于真空室內(nèi),被焊組件置于加熱室中的有效加熱區(qū)內(nèi),用受控的交流低電壓大電流加在加熱元件上,以加熱元件產(chǎn)生的電阻熱作為熱源,通過(guò)熱輻射傳遞給被焊組件,并依靠工件本身的導(dǎo)熱作用使被焊組件的溫度升到設(shè)定的溫度后,上、下壓頭借助油缸的作用對(duì)被焊組件產(chǎn)生設(shè)定的擠壓力,促使工件蠕變,完成焊接過(guò)程[5]。

1)真空系統(tǒng)：擴(kuò)散焊機(jī)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要依據(jù)是真空室的極限真空度和達(dá)到這一真空度所需的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)的真空系統(tǒng)是由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、石英玻璃罩等組成。

2)加熱系統(tǒng)：擴(kuò)散焊接根據(jù)焊接材料和工件要求不同，所需溫度的變化范圍一般在數(shù)百度至一千幾百度之間，并希望爐溫均勻，控制靈敏、能量利用率高，便于制造?？紤]到真空擴(kuò)散焊機(jī)的制造方便和溫度便于控制，擬采用電阻輻射加熱，選用工頻或直流電源，用高熔點(diǎn)的鎢鉬絲作為加熱元件，通過(guò)輻射加熱元件，利用工件的熱傳導(dǎo)使溫度均勻。本實(shí)驗(yàn)采用電阻輻射加熱方式 。

3)加壓系統(tǒng)：真空擴(kuò)散焊接時(shí)壓力是很重要的工藝參數(shù)，在焊接過(guò)程中對(duì)焊件施加足夠的壓力可使工件接觸表面產(chǎn)生局部的塑性變形，擴(kuò)大物理接觸面，為互相擴(kuò)散造成必要的條件。本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械加壓方式，壓力變化范圍：2～8 MPa。

4)測(cè)量和控制系統(tǒng)：焊接過(guò)程啟動(dòng)、抽氣、加壓、加熱停止等操作均通過(guò)控制臺(tái)人工操作完成。真空度的取樣一般是通過(guò)一個(gè)與真空系統(tǒng)連通的離子管取系統(tǒng)真空度的信號(hào)。爐溫焊接溫度的測(cè)量與控制多用熱電偶引入真空室能反映爐溫的恰當(dāng)部位，當(dāng)爐溫變化時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，將此電動(dòng)信號(hào)輸入測(cè)量?jī)x表轉(zhuǎn)換成爐溫讀數(shù)，用以指使、記錄或爐溫控制。壓力用壓力傳感器測(cè)定，根據(jù)它的變形取出反應(yīng)壓力的信號(hào)，用應(yīng)變儀記錄讀取壓力數(shù)值。

5)冷卻系統(tǒng)：為保證真空室密封，生產(chǎn)安全及設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)真空室爐壁、加熱電極、加壓傳遞桿及擴(kuò)散泵等部件采取水冷，水源采用自來(lái)水或循環(huán)水。冷卻水要有足夠的流量，為保證冷卻系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采用水壓開關(guān)或流量開關(guān)進(jìn)行控制，在水流量不足時(shí)，自動(dòng)斷開控制電路，使焊機(jī)無(wú)法啟動(dòng)或中斷工作以保證安全。本實(shí)驗(yàn)采用自來(lái)水冷卻方式[6]。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 焊接對(duì)象參數(shù)

紫銅片10 mm×10 mm×5 mm，不銹鋼片10 mm×10 mm×5 mm，中間層Ag片10 mm×10 mm×0.08 mm；

焊接溫度850 ℃，真空度20 Pa±1 Pa；

焊接壓力6 MPa為基準(zhǔn)，每2 MPa上下浮動(dòng);

焊接時(shí)間60 min為基準(zhǔn)，每15 min上下浮動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

1-下壓頭;2-上壓頭;3-加熱器;4-真空爐體;5-傳力桿;6-機(jī)架;7-液壓系統(tǒng);8-工件;9-真空系統(tǒng)圖2 電阻輻射加熱真空擴(kuò)散連接設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.2.2 焊前準(zhǔn)備

1)對(duì)Cu片，不銹鋼片和銀片在標(biāo)號(hào)為P1200的砂紙上仔細(xì)打磨，盡量減少劃痕，之后對(duì)Cu片和不銹鋼片進(jìn)行拋光處理，然后把拋光后的Cu片和不銹鋼片，還有打磨后的銀片放在有丙酮的杯子里，再把杯子放入超聲波清洗機(jī)里進(jìn)行清洗，5分鐘后取出；

2)裁剪適當(dāng)大小的云母片，將云母片墊入裝置中，然后把Cu和不銹鋼片、銀片安裝在焊接裝置中，注意將焊接材料對(duì)齊，以防止加壓受力不均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，最后固定上石英玻璃罩。

1.2.3 焊接過(guò)程

1)加壓，在壓力傳感器顯示到設(shè)定參數(shù)時(shí)停止。

2)打開機(jī)械泵，抽真空，真空度達(dá)到20 Pa左右時(shí)即可。

3)達(dá)到相應(yīng)真空度后，打開加熱開關(guān)，設(shè)定的溫度為850 ℃，開始加熱

4)當(dāng)加熱溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的850 ℃后，設(shè)定保溫時(shí)間、施加壓力時(shí)間和壓力都是實(shí)驗(yàn)參數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)時(shí)按實(shí)際變化參數(shù)。

5)保溫時(shí)間結(jié)束后，開始進(jìn)行爐冷，冷卻至150 ℃以下關(guān)掉機(jī)械泵，等第二天取出焊件。

2 研究結(jié)果及討論

2.1 光學(xué)顯微鏡下微觀形態(tài)分析

第一組：保溫時(shí)間相同，焊接壓力變化

本組具體焊接參數(shù)：真空壓力：20 Pa；溫度：850 ℃；保溫時(shí)間：60 min；壓力：2-8 MPa；中間層：銀。

圖3展示了在保溫時(shí)間相同的情況下，通過(guò)變換焊接壓力參數(shù)而得到的各樣品在100倍放大效果下的圖片比較，從圖(1)(2)(3)可看出：隨著焊接壓力的增加，過(guò)渡層的區(qū)域不斷增大，越來(lái)越明顯，通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)可知，隨著焊接壓力的增加，所得試樣的剪切強(qiáng)度也隨之增大；而圖3(4)的中間過(guò)渡層不太明顯，可能是因?yàn)楦g時(shí)間或其他實(shí)驗(yàn)因素所致。

(1)2 MPa 60 min (2)4 MPa 60 min

(3)6 MPa 60 min (4)8 MPa 60 min圖3 保溫時(shí)間相同焊接壓力變化 100x

第二組：焊接壓力不變，保溫時(shí)間變化

本組具體焊接參數(shù)：真空壓力：20 Pa；溫度：850 ℃；保溫時(shí)間：30-90 min；壓力：6 MPa；中間層：銀。

圖4展示了在焊接壓力相同的情況下，通過(guò)變換保溫時(shí)間參數(shù)而得到的各樣品在100倍放大效果下的圖片比較，從圖(1)(2)(3)可看出：隨著保溫時(shí)間的增加，過(guò)渡層的區(qū)域不斷增大，越來(lái)越明顯，通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)可知，隨著保溫時(shí)間的增加，所得試樣的剪切強(qiáng)度也隨之增大；而圖4(4)(5)的中間過(guò)渡層不太明顯，可能是因?yàn)楦g時(shí)間或其他實(shí)驗(yàn)因素所致。

(1)6 MPa 30 min (2)6 MPa 45 min

(3)6 MPa 60 min (4)6 MPa 75 min

(5)6 MPa 90 min圖4 焊接壓力不變，保溫時(shí)間變化 100x

2.2 剪切實(shí)驗(yàn)分析

依照剪切試驗(yàn)方法，測(cè)出了8組數(shù)據(jù)，其焊接參數(shù)和對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度如表1所示。

表1 剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.1 時(shí)間和壓力參數(shù)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖5顯示出了在焊接壓力、焊接溫度、真空度等參數(shù)相同的情況下，用銀作中間層對(duì)銅和不銹鋼焊接試樣的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可看出當(dāng)其他焊接參數(shù)相同時(shí)，試樣的剪切強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的增加而增強(qiáng)。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖6顯示出了在保溫時(shí)間、焊接溫度、真空度等參數(shù)相同的情況下，用銀作中間層對(duì)銅和不銹鋼焊接試樣的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可看出當(dāng)其他焊接參數(shù)相同時(shí)，試樣的剪切強(qiáng)度隨焊接壓力的增加而增強(qiáng)。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖7顯示出了在焊接壓力、保溫時(shí)間、焊接溫度、真空度等參數(shù)相同的情況下，用對(duì)銅和不銹鋼帶中間層和不帶中間層的焊接試樣剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可看出在焊接壓力較低時(shí)，不帶中間層的試樣剪切強(qiáng)度要高于帶中間層的試樣，但是當(dāng)壓力增大到一定范圍時(shí)帶中間層的試樣剪切強(qiáng)度高于不帶中間層的試樣。

圖8顯示出了在焊接壓力、保溫時(shí)間、焊接溫度、真空度等參數(shù)相同的情況下，用對(duì)銅和不銹鋼帶中間層和不帶中間層的焊接試樣剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可看出，在保溫時(shí)間作為變化量的情況下，不帶中間層的試樣剪切強(qiáng)度一直要高于帶中間層的試樣。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

2.2.2 剪切斷口40倍顯微分析

圖9顯示了在不同參數(shù)下帶中間層銀的銅和不銹鋼擴(kuò)散焊接剪切試驗(yàn)斷面照片，從照片中可看出保溫時(shí)間和焊接壓力兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)焊接效果有明顯的影響，在保溫時(shí)間和焊接壓力較小時(shí)，斷口表面的擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯，接頭強(qiáng)度較低，進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)一般會(huì)在焊接面處斷裂；而當(dāng)保溫時(shí)間和焊接壓力較大時(shí)，擴(kuò)散現(xiàn)象比較明顯，接頭的剪切強(qiáng)度也有所提高，一些試樣的剪切強(qiáng)度高于母材銅的剪切強(qiáng)度，所以進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)時(shí)一般會(huì)在銅一側(cè)斷裂。

(1)2 MPa 60 min (2)4 MPa 60 min

(3)6 MPa 30 min (4)6 MPa 45 min

(5)6 MPa 60 min (6)6 MPa 75 min

(7)6 MPa 90 min圖9 剪切實(shí)驗(yàn)斷口照片

2.3 電子掃描顯微鏡分析

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)分析的要求，選擇了焊接效果比較好的一個(gè)試樣進(jìn)行了電子掃描顯微鏡分析，如圖10。

圖10的具體焊接參數(shù)：真空度：20 Pa；溫度：850 ℃；焊接壓力：8 MPa；保溫時(shí)間：60 min；中間層：無(wú)

從圖10可看出在銅與不銹鋼相互擴(kuò)散的接合面處存在一些微小的空隙，表明擴(kuò)散過(guò)程不夠徹底，有待進(jìn)一步提高。

圖10 不帶中間層的銅與不銹鋼擴(kuò)散連接掃描電鏡分析圖

圖11的具體焊接參數(shù)：真空：20 Pa；溫度：850 ℃；焊接壓力：8 MPa；保溫時(shí)間：60 min；中間層：銀

從圖11可觀察到中間過(guò)渡層明顯，擴(kuò)散現(xiàn)象明顯，接合面連接致密，焊接效果良好。

圖12的具體焊接參數(shù)：真空：20 Pa；溫度：850 ℃；焊接壓力：8 MPa；保溫時(shí)間：60 min；中間層：銀

圖12展示了剪切斷口處的情況，此處表面比較平整，斷面整齊，大部分是在原始表面斷裂的形貌，可以觀察到斷口表面一些區(qū)域附著了一層很薄的焊后物質(zhì)。

圖11 帶中間層的銅與不銹鋼擴(kuò)散連接掃描電鏡分析圖

圖12 剪切斷口掃描電鏡分析圖

圖13的具體焊接參數(shù)：真空：20 Pa；溫度：850 ℃；焊接壓力：8 MPa；保溫時(shí)間：60 min；中間層：銀

從圖13可觀察到斷面分成三個(gè)區(qū)域，中間部分附著了大量的銅，這是在剪切力的作用下，在接近焊接面的銅一側(cè)被撕裂；左上角和右下角區(qū)域比較平整，斷面整齊，說(shuō)明是在原始表面處斷裂，從剪切斷口掃描電鏡分析圖可判斷試樣屬于塑性斷裂，且焊接效果較好，結(jié)合面的剪切強(qiáng)度超過(guò)了母材銅的剪切強(qiáng)度。

圖13 剪切斷口掃描電鏡分析圖

3 結(jié)論

(1)帶中間層的銅和不銹鋼采用真空擴(kuò)散焊接效果良好。

(2)通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，我們大致可以確定，在溫度850 ℃、真空壓力20時(shí)，使焊接接頭性能達(dá)到最好的壓力和時(shí)間參數(shù)是：焊接壓力6 MPa，保溫時(shí)間90 min。