扩压器真空钎焊工艺

中国人民解放军驻一二〇厂军事代表室 刘新强

中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司 郑 欣 李 佳 王广海

某型号扩压器由盖板和带若干叶片的底座组成，其材料为锻件GH4169，其结构示意图如图1所示。扩压器的盖板、底座和叶片经真空钎焊后形成气流通道，对气流进行整流、扩压。扩压器底座上数控加工出的若干个叶片是气流的整流叶片，其中流道高度尺寸是影响产品性能的一个重要指标，因此质量必须得到保证[1-2]。

从图1可知，扩压器是回转体焊接件，叶片数量多，装配精度高。焊前对产品加工质量和装配间隙的控制，焊后对焊缝质量的检验及流道尺寸的测量等问题，都需要进行工艺研究加以分析解决。

1 扩压器真空钎焊的试验材料、方法和技术要求

1.1 试验材料和方法

本研究中的扩压器基体材料为GH4169，采用粘带状BNi-2钎料连接叶片处，在美国VFS公司生产的HJ26EQ真空钎焊炉中进行真空钎焊。

GH4169是以体心四方γ"相和面心立方γ′相作为沉淀强化析出相的镍基高温合金，在700℃以下温度范围内具有良好的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀性等综合性能。其化学成分如表1所示。

图1 扩压器的结构示意图Fig.1 Sketch of the diffuser structure

BNi-2镍基钎料具有优良的抗氧化性和耐腐蚀性，并具有较好的钎焊工艺性能，其熔点易与多数高温合金的热处理制度相匹配，经钎焊热循环不会产生开裂。另外，该钎料的流动性好，可在较低温度下焊接，钎料与母材作用较弱，适用于钎焊较薄的零部件。其化学成分如表2所示。

表1 GH4169的化学成分 %

表2 BNi-2钎料的化学成分 %

图2 大、小叶片上钎料形状Fig.2 Brazing filler shape on the large and small vanes

在进行真空钎焊时，将钎料用剪刀剪成大、小叶形横截面形状，如图2所示。由于粘带钎料的正反面都具有粘性，可依次粘在叶片的焊接面上，并在非焊接部位涂焊接阻流剂，然后将盖板盖在钎料上。

1.2 扩压器真空钎焊的技术要求

（1）焊缝符合Q/1BnYJ66 Ⅱ级要求，钎料采用粘带状BNi-2。钎焊后叶片根部焊缝的过渡圆角R≤1°，内流道及叶片表面不允许钎料飞溅和漫流。

（2）焊后采用超声波检验焊缝的钎透率，要求达到90%以上。

（3）钎焊后保证流道高度尺寸为（7.7±0.1）mm。

2 扩压器试件的焊接试验过程

将扩压器结构进行简化，采用GH4169板料加工出4组叶片及1个盖板，并配合适当配重进行试验研究。

2.1 试件钎焊参数的确定及焊接结果

真空钎焊工艺参数包括真空度、升温速率、钎焊温度、钎焊保温时间和冷却速率等。钎焊温度的选择主要依据钎料（BNi-2）熔点和母材（GH4169）热处理而确定。BNi-2钎料的熔点为970～1000℃，钎焊温度为1010～1175℃；母材GH4169为镍基高温合金，其熔点为1260～1320℃，焊后热处理制度为960℃/1h淬火，720℃/8h回火[3]。经综合考虑，将真空钎焊温度选为（1080±20）℃，保温时间应根据扩压器和配重的质量、钎料填满深度及合金化作用时间综合而定。按照工艺试验的经验结果，将保温时间定为30min比较合适，这样既能保证钎料在毛细作用下填满间隙，又能保证扩压器组件与母材有足够的合金化作用时间[4]。根据钎料的特点及零件结构与材料的要求，参照相关标准，选用图3所示温度制度。

图3 扩压器真空钎焊温度制度曲线Fig.3 Vacuum brazing temperature schedule of the diffuser

图4 试件焊后的外观Fig.4 Specimen appearance after brazing

图5 扩压器试件的超声波检测图Fig.5 Ultrasonic inspection photo of the diffuser specimen

将试件超声波清洗和手工清理后，按大、小叶片的形状裁剪钎料进行装配。焊后的试件外观如图4所示。

2.2 超声波检测结果

图6 叶片端部的焊缝金相照片Fig.6 Metallographic photos of the end of vane

对焊后的扩压器试件采用LS-200LP型探伤设备超声波检测，方法为纵波水浸C扫描，采用频率为15MHz，灵敏度为35dB。检测结果显示，试件的真空钎焊钎透率为90%以上。图5为超声波检测结果图像。

2.3 金相检查结果

将焊接后试件进行分段解剖，分别在叶片的端部和中间部位进行金相观察，如图6和图7所示。结果表明：叶片焊接部位的整体焊接质量良好，焊缝圆角适中；钎料与母材的过渡期组织清晰，金相组织无异常长大现象，说明钎料和母材的冶金反应适当，该钎焊工艺参数比较合理。

3 扩压器的真空钎焊研究过程

3.1 扩压器真空钎焊前的装配质量控制

3.1.1 零件的质量控制

真空钎焊时，熔化的钎料依靠润湿和毛细作用吸入间隙内，并与固态母材相互扩散形成冶金结合，因此钎焊间隙不能过大或过小，否则会失去毛细作用的能力。影响钎焊间隙的因素是本体叶片与盖板配合尺寸的误差。由于零件之间配合表面为曲面，为了满足间隙要求，扩压器的盖板和底座型面都采用数控加工，严格控制尺寸。底座的叶型面先粗加工，然后消除应力，达到稳定尺寸和精度后再对叶型面进行精磨。要求叶片应全部磨削保证配合尺寸，不合格的叶片则允许反复磨削叶片两侧。同时对扩压器的本体和盖板进行试装、选配，选择配合间隙较好的零件进行装配，保证装配精度。本研究中叶片与盖板接触焊缝处的装配间隙不大于0.10mm。

3.1.2钎料的装配

扩压器产品钎焊时，BNi-2钎料的装配如1.1节所述，与试件焊接的装配方法一致。

3.1.3 零件的配重控制

该扩压器在真空钎焊之前，应选择合适重量的配重物，利用重力作用压在盖板上再进行焊接。配重物的材料一般为不锈钢。本研究中，配重物分内配重环和外配重环，分别放置在扩压器的盖板上，并与扩压器的外形一致，为环形。具体装配示意图如图8所示。

扩压器在钎焊热循环过程中的径向方向不受任何约束限制，只是在垂直方向的轴向利用内、外配重环的重量对流道高度等尺寸进行控制。根据试件焊接时的配重参数，扩压器焊接时外配重环为10.50kg，内配重环为8.50kg。

3.2 扩压器产品的真空钎焊试验过程

第2节对扩压器试件的真空钎焊研究中采用了图3中的焊接工艺参数，超声波检测和金相组织观察证明该焊接参数切实可行，焊接质量符合技术条件要求，因此针对实际的扩压器产品，同样采用图3中焊接工艺参数进行焊接试验。

3.3 扩压器的焊后检验

3.3.1 叶片处钎焊缝的焊接质量检验

由于受扩压器结构的限制，叶片的焊缝处不能采用X光检查，因而采用外观目视检查和超声波检查来判断叶片处钎焊焊缝的质量。

（1）目视检验采用5～10倍放大镜，用内窥镜检查叶片处钎缝的外观。该扩压器的钎缝连续、致密，钎角光滑均匀，钎料无漫流和飞溅。

图8 扩压器真空钎焊示意图Fig.8 Vacuum brazing sketch of the diffuser

图9 超声波检测结果Fig.9 Results of ultrasonic inspection

（2）超声波探伤检验：采用LS-200LP超声检验设备对盖板与叶片连接的钎缝处进行纵波水浸C扫描，超声波频率为15MHz，灵敏度为35dB。利用超声无损检测C扫描图像可以反映出钎焊缺陷及其分布特征，检测结果如图9所示。可以看出扩压器的焊缝质量良好，钎透率同样达到90%以上。

3.3.2 扩压器流道高度的检测

表3中记录了该扩压器真空钎焊前后测得的流道高度数值。焊后的流道高度与焊前相比有减小的趋势，说明焊前的叶片和盖板接触面有局部高点支撑，焊后在配重和钎焊温度作用下整体进行了调整；焊前和焊后的流道高度均满足（7.7±0.1）mm技术条件的要求。这也证明配重环重量和钎焊温度的合理性。

3.4 钎焊缝的补焊

由于有3片叶片未焊上，在需要补焊的部位注射相同成分的膏状钎料（BNi-2），然后重新入炉按照相同的配重和钎焊工艺参数进行钎焊。允许补焊次数为1次。

表3 钎焊前后气体流道的高度

4 结论

（1） 某 型 号 扩 压 器 采 用BNi-2 钎 料 在（1080±20）℃的温度下进行真空钎焊。焊后的钎角合格，钎缝致密均匀。

（2） 真空钎焊过程中的配重重量直接影响扩压器焊后流道高度尺寸。该扩压器采用外配重环为10.50kg，内配重环为8.50kg，比较合理。

（3） 焊后产品的超声无损检测是判断扩压器焊缝钎透率比较合理可靠的无损检测方法。该扩压器采用上述真空钎焊工艺后，钎透率达到90%以上，而且流道高度也满足设计要求，证明该焊接工艺合理可行。

[1] 赵越. 钎焊技术及应用. 北京:化学工业出版社, 2004.

[2] 刘秀芬，蒲一民，首鸿燕. 扩压器钎焊工艺. 航天制造技术，2007(2): 24-26.

[3] 张启运，庄鸿寿. 钎焊手册. 北京：机械工业出版社，2008.

[4] 刘师田，杨凯珍. 保温时间和钎焊温度对真空钎焊304不锈钢接头性能的影响.金属铸锻焊技术，2011(3): 172-174.