钎焊间隙对镍基钎料接头强度的影响

第 " 卷第 # 期 )**+ 年 , 月 文章编号： #!+,J)*)) K )**+ L *#J**!"J*5
河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报 !"#$%&’ "( )*+*, -"(./&$* 0%1.,.#.*
$%&’ "(%’ # -./’ )**+
!"
钎焊间隙对镍基钎料接头强度的影响
刘海侠
（华北电力大学 机械系， 河北 保定 摘要： 本文系统研究了 (01)’ 23/+405’ 26,78, 成分的非晶态 及晶态钎料在不同的钎焊规范下， 真空钎焊 #3/#1(0"90 不 锈钢时 : 接头强度随钎焊间隙变化的特征及与钎缝组织的 对应关系。 结果表明， 接头强度随钎焊间隙的变化存在平台 值现象， 平台对应的两个特征钎焊间隙分别称为最小可用 （;<0=） （;<.>） 钎焊间隙 和最大可用钎焊间隙 ； 从保证填缝 质量及成形来看， ;<0= 不应小于 *’ *#<<? 从避免钎缝中出 现脆性化合物相及获得较高接头强度考虑， 钎焊间隙选择 不应大于 ;<.>? 在两个特征钎焊间隙内， 钎焊间隙变化对 接头强度影响不大； 钎焊温度或钎焊保温时间增加时， 最大 可用钎焊间隙也增大， 而最小可用钎焊间隙基本保持不变。 关键词： 钎料； 接头强度； 钎焊间隙 中图分类号： 9@5)2 文献标志码： A *+#*** ）
表 ! 钎焊接头强度随钎焊间隙 （单位： 变化曲线的钎焊间隙特征值估算 !"）
钎焊规范 非晶态钎料 粉状钎料 粘带状钎料
").)/ 0 ")$%&
#$%& #$’( #42
") ,) ,,* 3 ") <) <)* ; ") <) - .) .)* ) ") .) .6* ) ") !) 9"* 9
#$%& #$’( #42
""3)/ 0 ")$%&
#$%& #$’( #42
").)/ 0 .)$%&
#$%& #$’( #42
").)/ 0 ;)$%&
#$%& #$’( #42
此外， 对三种形态钎料的接头强度进行比较 还可以看出， 采用非晶态钎料钎焊的接头在所用 的五种典型钎焊规范及所有钎焊间隙下均具有最 高强度， 而粘带状钎料的接头强度最低。 因为所选 用的五种钎焊规范是具有代表性的， 基本上覆盖 了该成分钎料的常用钎焊规范， 所以可以认为在 一般情况下均具有以上的接头强度排序。 在相同 的钎焊间隙及钎焊规范下， 非晶态钎料的接头强 度远高于两种晶态钎料。 比较接头强度的平台值 可以发现， 在钎焊温度较低及钎焊保温时间较短 的情况下， 非晶态钎料的接头强度比晶态钎料高 随着钎焊温度及钎焊保温时间的增加， .): 以上； 强度差值稍有减少。 造成非晶态钎料接头强度远 高于两种晶态钎料的主要原因在于它们的钎缝组 织冶金质量及钎焊接头区域母材和钎料相互作用 的程度不同。 钎焊规范相同时， 非晶态钎料接头区
!"
河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报
第#卷
域元素的扩散深度及分布的均匀程度均大于晶态 〔" 〕 文献 钎料 $ " % 。 的定量研究表明， 非晶态钎料的主 （& 、 的扩 散系数大于晶态钎 要扩散元素 ’( 原子 ） 料， 扩散激活能则小于晶态钎料。 在相同的钎焊温 度及钎焊保温时间下， 非晶态钎料中控制脆性化 合物相形成的元素原子 ) &、 ’( 原子 * 的扩散距离 （ 深度 ） 比在晶态钎料中远， 这有利于钎缝中脆性 相形成元素的尽快消失 ) 或浓度降低 * 及接头区域 的组织均匀化， 可获得高强度的钎焊接头。 这一结 〔+ 〕 用 &,( — - 成 分 非 晶 态 钎 料 钎 焊 论与文献 此外， 在晶态钎料 ./01+23 不锈钢时的结论一致。 钎缝还常常存在夹杂等缺陷， 钎缝虽然由镍基固 溶体构成， 但在几个镍基固溶体晶粒的交界处存 在一些夹杂 $ " % ， 这些夹杂处于钎缝中心位置， 是在 钎缝由界面向中心位置凝固结束时产生的。 钎缝 中的夹杂等缺陷在受载时相当于裂纹源， 必然造 （ 加之是在晶粒 成应力集中而首先发生局部破坏 边界存在， 则更有害 ） ， 从而导致整个接头强度的 急剧降低。 非晶态钎料所含杂质和气体较晶态钎 料少的多 $ " % ， 不存在上述问题， 加上元素的扩散深 度大和组织的均匀化程度高， 因而接头强度很高。
在五种典型的钎焊规范下， 研究了三种形态 钎 料 的钎 焊 接 头 拉伸 强 度 随 钎 焊 间 隙 的变 化 关 系， 结果如图 % 所示。 从试验结果看， 在钎焊规范 一定时， 每一种形态钎料钎焊接头的拉伸强度随 钎焊间隙变化的规律是相同的， 即当钎焊间隙从 零开始增加时， 接头强度也明显提高， 当钎焊间隙 增加到某一数值时， 接头强度达到最高值， 并且该 最高值在一定的钎焊间隙变化范围内维持基本不 变， 即 出现 强度平 台， 然 后随 着钎 焊间 隙的 再增 大， 接头强度剧烈下降。 使接头强度达到最高值时 所 对 应的 钎 焊 间 隙值 定 义 为 最 小 可 用 钎焊 间 隙
B#C
焊规范的影响较大。 此外， 在钎缝组织保持不变的 （ 例如由镍基固溶体组成 ） 情况下 ， 钎焊间隙改变 将 导致 钎缝 所受 的 力学 拘束 及 三轴 应力 状 态变 化， 对接头强度等性能也产生一定的影响。 因此研 究不同钎焊规范下钎焊间隙对接头性能的影响是 很有意义的。 目前， 有关钎焊间隙、 钎焊温度及保 温时间等参数对接头强度综合影响的研究还很欠 缺， 特别是关于非晶态和晶态钎料的系统性比较 研究还少有涉及。 本文针对 (01)’ 23/+405’ 26,78, 成分的非晶 态和晶态钎料真空钎焊 #3/#1(0"90 不锈钢时的情
第"期
刘海侠： 钎焊间隙对镍基钎料接头强度的影响
!"
而强度平台结束时所对应的钎焊间隙定义 #$%&， 接头强度随钎焊间隙 为最大可用钎焊间隙 #$’(。 变化的这种规律实际上与钎缝组织形态随钎焊间 隙变化的情况相对应。 从非晶态钎料接头强度的 （ 图 ’） （即 ， 当钎焊间隙为 )* )"$$ 时 变化结果看 ， 接头开始达到最高强度， 当钎焊 #$%& + )* )"$$） 间隙大于 )* ),$$ 时， 接头强度开始随钎焊间隙的 增加而剧烈降低， 而在 )* )" - )* ),$$ 的钎焊间隙 范围内， 接头强度变化不大， 可以近似认为保持不 （").)/ 0 变； 考虑到非晶态钎料在该规范下 钎焊时临界钎焊间隙 #12 为 )* ),3$$， 以 ")$%&） 及钎焊间隙为零时钎缝中出现填缝空白而使接头 强度削弱的情况， 可以认为， 使接头强度获得最高 平台值的钎焊间隙具有这样的特点： 一是保证钎 缝具有良好的填缝状态， 二是保证钎缝内不出现 脆性化合物相。 因此， 接头强度随钎焊间隙变化曲 （#$%& 和 #$’(） 可分 线上的两个钎焊间隙特征值 别成为最小可用钎焊间隙和最大可用钎焊间隙。 使钎缝中不出现空白、 填缝 #$%& 的物理意义是： 不足等工艺缺陷的最小钎焊间隙； 而 #$’( 的物理 意义也很清楚， 它表示钎缝中不出现脆性化合物 （ 或称为临界钎焊间隙 ） 相时的最大钎焊间隙 。 其 他两种形态钎料的接头强度随钎焊间隙的变化具 有与非晶态钎料相同的规律。 在五种典型的钎焊 规范下， 三种形态钎料的钎焊接头强度随钎焊间 表中还列出了 隙变化曲线的两个特征值列于表 "。 从表 " 相 应 的 临 界 钎 焊 间 隙 #425 以 便 于 比 较 。 看， 随钎焊温度或钎焊保温时间增加， 三种形态钎 料的最大可用钎焊间隙均增大， 而最小可用钎焊 间隙基本保持不变。 当临界钎焊间隙值较小时 （)* )6$$ 以 下 ） ， #$’( 值 与 临 界 钎 焊 间 隙 值 而在临界钎焊间隙较大时 #425 较 为 接 近 ； （)* )6$$ 以上 ） ， 两者有一定差别， #$’( 值稍小于 也就是说钎焊间隙稍小于临界钎焊间隙 #425 值， 时， 尽管钎缝中仍由镍基固溶体构成， 接头的强度 却有一定程度的降低， 这就说明， 在钎缝组织一定 （ 钎焊间隙 ） 的情况下， 钎缝宽度 对钎焊接头的强 度也是有影响的。 这种影响主要反映在钎缝宽度 不同时钎缝金属所受的力学拘束不同， 即钎缝的 〔 〕 强化程度不同。 文献 3 的有限元计算研究发现， （ 钎焊间隙较大 ） 钎缝较宽时 ， 母材对钎缝的拘束 程度降低， 钎缝的塑性应变增大， 钎缝内应力分布 的不均匀性增加， 最终使钎焊接头强度下降。 有限
况， 详细研究了在钎焊温度及钎焊保温时间改变 的情况下， 钎焊间隙对接头强度影响的规律， 并研 究了临界钎焊间隙随钎焊温度和钎焊保温时间的 变化规律， 以上研究对非晶态及晶态钎料钎接时， 接头钎焊间隙的合理设计提供有益的参考。
#
试验过程
由于搭接试样的钎缝圆角对试验结果精度影
本研究只采用对接试样测定接头的拉伸 响很大 B ) C ， 断裂强度， 试样的形状和尺寸参考 @6##,!!, — 1" 钎接接头强度试验方法确定。 试样周边采用精铣， 钎焊面采用精磨。 精加工后的试样在专用夹具上 定位、 点焊固定， 可保证其尺寸精度， 特别是保证 准确的钎焊间隙。 试样点焊固定后， 在 D99 E # 型 投影仪上测量其实际的钎焊间隙， 去除钎焊间隙 （ 钎焊间隙变化应从零开始按 不符合要求的试样 。 采用相同化学成分的三 *’ *#*<< 的整数倍增大 ） 种形态钎料焊接： 非晶态钎料、 粉状钎料、 粘带状 钎料； 其中后两种为晶态钎料。 钎焊温度和钎焊保 温时间匹配如下： ! #*2*F G #*<0= " #*12F G #*<0= # ##)*F G #*<0= $ #*2*F G 2*<0= % 试样钎好后， 用磨床加工掉钎缝突 #*2*F G "*<0=。 出部分， 使其与母材等厚， 为 )<<。 最后用铣床对 称的加工掉试样两边点焊区， 最终宽度为 #2<<。 所有钎焊接头试样均采用慢速率拉伸方式进 行试验， 在量程为 ,*H 的 ;I E ,* 型万能拉伸试验 机上常温下拉伸， 加载速率约为 *’ 2<< G <0=。 试验 过程中记录拉伸断裂载荷。