Ag-Cu-Ti 钎料下20Cr低合金钢真空钎焊工艺研究

蒋和跃，周长征，陈科仲

(陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻重庆地区第六军事代表室，重庆 400052)

0 引言

由于人们越来越关注强度较高的合金钢应用，同时，随着制造业的快速发展，各种金属材料在工业生产、工程应用方面得到大量的运用。中国目前钢铁工业最大的问题已经不是产量的问题，而是工程应用产品结构的问题[1]。采用更高强度的低合金钢来代替传统钢材是目前金属材料工程应用的发展方向。高强度低合金由于具有强度较高、使用性能好、同工件尺寸条件下的使用量更少等优点，在航海、航天、汽车、化工、军事装备等行业得到越来越多的应用[2]。

Ag-Cu-Ti钎料熔点相对较低，流动性能好且力学性能优异。Ti元素的加入能够提高钎料的活性，提高钎料的铺展润湿能力，从而提高接头性能。

1 试验方法

试验采用的焊接母材为 20Cr低合金钢，钎料为自制的Ag- 29%Cu- 2%Ti，焊前将焊接母材尺寸加工为20 mm×20 m×3 mm，钎料经轧制后制成尺寸为20 mm×20 m×0.3 mm的箔片。焊前先用120#砂纸打磨去除20Cr低合金钢待焊表面杂质，之后将母材与钎料片分别放入无水乙醇中进行超声波清洗去除待焊表面油污、颗粒。此后将母材与钎料呈“三明治”状放入石墨夹具。在多功能真空扩散焊机中进行真空钎焊，当真空度达到1×10-2Pa时开始以15℃/min的升温速率进行加热 。焊后垂直于钎缝制取金相试样，使用光学金相显微镜观察试样的组织。

将钎焊接头切割成适合放进剪切夹具的长条状，并放置在自制的剪切夹具中。使用WD.100 KE型万能力学性能试验机以1 mm/min的加载速度进行剪切试验，测试接头的抗剪强度。相同焊接参数下3个试样的剪切强度的平均值作为该参数下的钎焊接头剪切强度。

2 试验结果与讨论

2.1 钎焊温度对20Cr合金钢接头形貌的影响

当钎焊温度为835℃时，钎料在此温度下元素的扩散能力较差，焊缝表面上部分位置出现未焊合。当钎焊温度为860℃时，钎料的铺展润湿性增强，钎料向外浸润的区域增加。焊缝的成型美观，并且没有钎料溢出的现象出现，当钎焊温度为880℃时，钎料在此温度下的黏度较低，扩散能力最强，熔化的钎料极易在母材挤压下溢出钎缝，造成钎料流失、钎缝减薄。

当焊接温度为850℃ 时，20Cr合金钢焊接接头界面的钎缝较厚，孔洞较多，随着焊接温度不断升高，钎缝厚度逐渐减小，孔洞消失。

当焊接的温度为835℃时，当在此较低的钎焊焊接温度下，可以看到在钎缝层金属/钢界面出现少量的细微孔洞以及未润湿区域。当钎焊温度为865℃与 880℃时，此时的钎焊焊缝界面的成型良好。

2.2 钎焊温度对20Cr合金钢接头力学性能的影响分析

随着钎焊温度由835℃增加到880℃，钎焊接头的抗剪切强度呈现先上升然后大幅下降的趋势。钎焊接头抗剪切强度的最大值出现在焊接温度865℃时，其抗剪切强度峰值能够达到227.6 MPa。

2.3 保温时间对20Cr合金钢接头形貌的影响

采用不同的钎焊焊接保温时间所得到的钎焊接头宏观形貌如图1所示。焊接时间分别为20 min、30 min、40 min时，焊缝外部的形貌没有太明显的差别，厚度比较均匀，试样边缘的铺展润湿比较优良，没有明显的孔洞与钎料的溢出。

在不同保温时间下获得接头的横截面组织形貌如图1所示，当钎焊保温时间分别为20 min、30 min、40 min时，钎缝的厚度基本没有明显的变化。随着保温时间的延长，钎缝的厚度没有出现较大变化，当采用的钎焊温度相同，但在不同的保温时间下，其连接界面没有明显和较大的缩孔裂纹等缺陷；温度相同，但在不同的保温时间下，其连接界面没有明显的较大的缩孔裂纹等缺陷。

图1 不同保温时间焊缝横截面形貌

2.4 钎焊温度对20Cr合金钢接头力学性能的影响分析

随着焊接保温时间从20 min增加到40 min。钎焊接头的抗剪切强度表现出先增大、后减小的变化特点，从数据整体变化上看，钎焊保温时间对接头剪切强度的影响十分明显，当焊接保温时间为30 min时，钎焊接头的剪切强度达到峰值227.6 MPa。而钎焊保温时间过长或者过短，焊缝的强度都会有一定的下降。

通过综合分析认为，当钎焊时焊接保温时间较短时，由于液态钎料与母材金属界面的作用时间较短，液态金属能在母材金属表面铺展润湿，但液态钎料与母材产生冶金反应的时间较短，钎料与母材原子的相互扩散时间较短，焊缝的元素扩散与冶金反应不充分导致焊接接头的强度降低，力学性能下降，焊缝的剪切强度也会相应下降。当钎焊的保温时间较长时，液态钎料与母材金属表面的作用时间长，同时焊缝接头长时间在高温环境中，钎料金属与母材金属此条件下的界面反应产生裂纹及孔洞，导致焊接接头的力学性能不高。

3 结论

1)在对真空钎焊焊接温度对钎焊接头力学性能影响的规律的研究中发现：随着真空钎焊温度由835℃增加到880℃，钎焊接头的抗剪切强度呈现出先增加、后下降的变化趋势。当钎焊温度为865℃时可以得到成型良好的接头，在该钎焊参数下得到的接头的抗剪切强度可达到227.6 MPa。

2)在研究钎焊保温时间对钎焊接头性能影响的工艺规律中发现：随着钎焊保温时间从20 min 增加到40 min的过程中，钎焊接头的力学性能便呈现出先增加、后下降的变化。当保温时间为30 min时，钎料/钢界面结合良好，无明显的缺陷。