奥氏体不锈钢-铜钎料钎焊界面反应行为分析.pdf

第38卷第3期
焊接学报
Vol 38 No
2 3 A TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION March 2017
奥氏体不锈钢一铜钎料钎焊界面反应行为分析
张青科,钟素娟,张雷,龙伟民,王德智
(1.郑州机槭研究所新型钎焊材料j技术国家重点实验室,郑州45000;2.2休斯顿大学自然科学与数学学院,休斯顿7204
摘要:针对电弧钎焊奥氏体不锈钢时,易产生裂纹的问题,采用316IN不锈钢母材和多种铜基钎料,研究了电弧
钎焊、炉中钎焊和真空钎焊316l.N不锈钢和铜基钎料时的界而反应行为.结果表明,电弧钎焊条件下钎料对母材
的润混性随着电流的加大而提高,钎料沿母材晶界的扩散不明显,在电流较高时母材局部熔化,且易形成沿晶界裂
纹.炉中钎焊过程中钎料沿母材晶界扩散明显,但不易形成裂纹;真空钎焊过程中钎料沿母材晶界扩散显者,形成
铰厚的界层,但无裂纹出现.较大的焊接热应力以及钎料沿母材晶界扩散造成的晶界弱化是形成界面裂纹的必
要条件.
关键词:电弧钎焊;奥氏体不锈钢;铜基钎料;界面反应;裂纹
中图分类号:TVG454文献标识码:A文章编号:0253-360X(2017)03-0075-04
0序
生机制,也未提出有效的抑制方法
为开发抑制裂纹出现的钎焊工艺,研究中选用
奥氏体不锈钢具有优良的耐高温、抗氧化和抗316LN奥氏体不锈钢母材和多种铜基钎料,采用不
腐蚀能力,是制造在高真空、超低温、强辐照环境下同的工艺制备钎焊接头,研究了钎焊界面反应行为
使用构件的常用材料.大型装备中的不锈钢构件尺及温度、反应时间等因素对界面反应的影响,分析了
寸较大且对尺寸精度要求较高,采用熔焊往往导致钎焊界面裂纹发生机制和条件,希望研究结果能为
焊接变形过大.钎焊技术由于热输入较小、母材不解决奥氏体不锈钢钎焊开裂问题提供依据
熔化,易控制焊接变形,用于不锈钢的焊接与熔焊相
比优势明显.然而,工程应用中发现电弧钎焊1试验方法
3161N不锈钢时易在钎焊界面处形成裂纹,导致泄
漏.使用铜基钎料钎焊奧氏体不锈钢时开裂现象尤
试验所用母材为退火态的316LN奥氏体不锈钢
其严重2-,致使可靠性不足,限制了电弧钎焊在奥板,ば化学成分(质量分数,%)为:C0.03,Si1.0
氏体不锈钢连接中的应用.
Mn2.0,Ni10.013.0.Cr16.08.0.Mo2.0)
针对奥氏体不锈钢电弧钎焊的开裂问题,国内3.0,N0.1-0.16,Fe余量,试验所用钢板尺寸为
外进行了大量研究. Sanyasi等人“研究了电弧焊接100m×100mmx2mm.所用钎料包括紫铜
T316L奥氏体不锈钢管道时的开裂现象,在裂纹中 CUMNNI合金与 Cusi合金,其中, CUMNNI化学成分
发现了Cm元素,认为Cu元素的“污染”是造成製纹(质量分数,%)为Cu52,Mn28,Ni10,熔化温度范
的原因. Shanka等人3研究了奥氏体不锈钢弧焊同855~915℃;CuSi为含3%Si(质量分数)的合
时的凝固裂纹(热裂纹),发现奥氏体不锈钢的焊接金,熔化温度范围855~915℃.三种钎料均制成直
开裂行为与其成分,组织及S,P,N等非金属元素径1mm的焊丝.
含量有关. Shinoda等人“对304奥氏体不锈钢焊接
紫铜丝与奧氏体不锈钢进行氩气保护钨极电弧
开袈的研究发现,不锈钢受到外部应力或有残余内钎焊润湿试验,选择3种焊接电流,分別为70,110,
应力时,且其内部存在敏感组织(如低熔点相等)140A.焊后首先观察其宏观铺展行为,而后电火花
时,热影响区出现热裂纹.但现有的研究尚未完整线切割界面试样,使用胶本粉热镶,依次对界面进行
揭示研究中观察到的316LN不锈钢电弧钎焊裂纹发机械打磨和抛光,使用15%的FeCl3水溶液对其进行
表面腐蚀.使用 ZEISS Axioscope A1光学显微镜观
察钎焊界面组织.
(2014DFR50820)
CUMNNI与316LN不锈钢钎焊润湿试验采用钨
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第38卷
极氟弧加热和炉中加热两种方式.氟弧加热电流分同时界面平直,铜金属中未发现富铁相,表明电弧破
別为70,100A;炉中钎焊温度1000℃,使用硼砂钎碎并去除了材表面的氧化膜,从而使液态铜可润
剂,钎料熔化后保温时间2min.焊后制甾试样观察湿母材,但未造成不锈钢母材熔化.
界面组织.
图2c为较高电流下电弧钎焊的紫铜/316LN不
CuSi与316LN不锈钢钎焊润混试验采用钨枚锈钢界面形貎.此时界面结构较为复杂,界面处有
氟弧加热和真空加热两种方式.氟弧加热电流为较宽的熔合区,其成分与母材相似,但含有少量的富
100A;真空钎焊温度1100℃,在150min内匀速升铜相,表明焊接过程中忖材局部熔化,实际为熔一钎
温到110℃,保温时间10min,而后随炉冷却.焊焊?.此外,在界面附近的铜金属中可发现弥散分
后制备试样观察界面组织
布的富铁相,表明有少量不锈钢母材的成分溶人铜
金属
2试验结果与分析
2.1316LN不锈钢/紫铜钎焊界面反应行为
三种电流下紫铜在316LN不锈钢上的润湿铺展
形乳如图1所示,图中左側焊缝焊接电流为110A,
中间焊鏠焊接电流为70A,石側焊缝焊接电流为
140A.由于紫铜熔点相对较低,在电流为70A时即
可熔化,但不同电流下铜在不锈钢板上铺展形貌差
316LN不锈钢
别明显.图1中可见,在电流较高(即电弧温度较
200pm
高)时铜在不锈钢板上铺展较好,润湿角较小,而在
(a)较低电流(70A,未腐蚀)
低电流情况下铺展较差,其原因应和不同温度的电
弧在去除氧化膜和熔化母材能力上的差别有关.
316LN不锈钢
200um
(b)中等电流(100A,未腐蚀)
5 mm
图1紫铜在316LN不锈钢上的铺展形貌
熔区
Fig. 1 Spreading morphology of pure Cu on 316LN stain
less steel
图2a为较低电流下电弧钎焊的紫铜/316[N不
316LN不锈钢
200m
锈钢界面形貌.图中可见紫铜熔化完全,但铜与不
锈钢母材之间有大而积的未焊上,表明铜未能很女
()较高电流(140A,未腐蚀
地润湿不锈钢,未形成有效的治金结合.其原因是
图2电弧钎焊的紫铜/316LN不锈钢界面形貌
电弧钎焊时未使用钎剂去膜,而在电弧温度较低时Fig2 Interfacial morphology of arc- brazed Cu/316LN
无法破碎不锈钢表面的氧化膜,因而铜未能润湿不
Joints
锈钢.此外,低电流下铜金属内部有大量的颗粒状
夹杂出现
紫铜焊丝氟弧钎焊316[N不锈钢的结果显示,
图2b为中等电流下电弧钎焊的紫铜/316LN不电流较高时电弧可破碎不锈钢表面的氧化膜,使铜
锈钢界血形滎时与316LN不锈钢结合良好可以润湿不锈钢,进一步加大电流可部分熔化母材,