一种锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法与流程

本发明涉及一种异种材料的扩散焊接，特别是一种锡青铜QSn10-2-3与钢焊接结构的扩散焊接方法。

背景技术：

我国航空航天装备的液压泵/马达，转子和滑履等零件摩擦副材料一般使用铜合金，即在零件工况下摩擦磨损严重处附着一层抗磨性能优良的铜合金作为抗磨层，这个抗磨层与零件基体(优质结构钢)的连接一般采用扩散焊接实现。随着航空航天装备的不断升级，对与之配套的液压泵/马达性能也提出了更高要求，其中摩擦副材料的抗磨性能决定着产品的使用寿命，抗磨性能越高产品寿命越长，反之越短。选用抗磨性能优良的锡青铜QSn10-2-3替代原有铜合金作为摩擦副材料可满足装备使用要求，但锡青铜QSn10-2-3与钢采用现有扩散焊接方法存在成分流失和焊后热处理铜基体开裂的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法。本发明能实现锡青铜QSn10-2-3的成分不流失，保证其材质稳定；在一定程度上可以消除锡青铜QSn10-2-3的铸造缺陷，保证焊件热处理后铜基体不开裂。

本发明的技术方案：一种锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①根据图纸加工多个部件，将多个部件的焊接面进行除油去锈处理后进行装配形成焊接组合件，多个部件包括钢基体、锡青铜板和封闭端盖；

②将焊接组合件放入真空扩散焊接设备炉膛中的下支撑板中间，焊接组合件与支撑板之间用石墨纸隔开；

③将真空扩散焊接设备内的真空度控制在1.0×10^-3～1.0×10^-4Pa，通过升温和加压处理；

④降温，取件。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述步骤①中的装配方法是，将锡青铜板放入钢基体的凹槽中，焊接面之间添加纯镍箔作为焊接过渡层，将带凹槽的封闭端盖盖在锡青铜板上，得到装配好的焊接组合件。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述钢基体的凹槽的底面为圆形平面的待焊接面，周边为圆锥面，封闭端盖的内部底面和侧壁与锡青铜板配合，外部侧壁是与钢基体周边配合的圆锥面，且在底部沿径向设有排气孔。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述升温和加压处理方法是按下述步骤进行：

P1：在15～20min内将真空扩散焊接设备内的温度从室温均匀升温至410℃，再对焊接组合件加载压力，压力控制在0.5～0.7Kgf/mm²，保持5～10分钟；

P2：在20～25min内将真空扩散焊接设备内的温度从410℃均匀升温至820℃，再对焊接组合件加载压力，压力控制在1.2～1.5Kgf/mm²，保持70～90分钟。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述的步骤④是：填充高纯氮气使真空扩散焊接设备炉内温度下降，降温到150℃卸去上压板载荷并提升上压板；温度下降到60℃开启降压阀，打开炉门取出焊接组合件即成。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述钢基体的材料与封闭端盖的材料一致。

前述的锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法中，所述锡青铜板材料为QSn10-2-3,钢基体和封闭端盖的材料为40CrNiMoA。

与现有技术相比，本发明能实现锡青铜QSn10-2-3与钢的扩散焊接；本发明的焊接结构使得整个焊接过程中，铜基体处于密闭空间中，从而能实现锡青铜QSn10-2-3的成分不流失，保证其材质稳定；本发明的焊接结构可以使得在焊接过程中铜基体产生径向压应力，由于存在径向预压应力，在焊后热处理的过程中可以削弱热应力的作用，避免铜基体沿晶开裂；本发明在一定程度上可以消除锡青铜QSn10-2-3的铸造缺陷。

附图说明

图1是本发明的焊件装配图；

图2是本发明装配状态示意图；

图3是本发明的焊接后示意图；

图4是调质热处理后接头金相显微图片200X(未腐蚀处理)效果对比示意图；

图5是调质热处理后铜基体金相显微图片50X(腐蚀处理)效果对比示意图；

图6是常规扩散焊接机构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种锡青铜与钢焊接结构的扩散焊接方法，其特征在于，按下述步骤进行：

①根据图纸加工多个部件，将多个部件的焊接面进行除油去锈处理后进行装配形成焊接组合件，多个部件包括钢基体、锡青铜板和封闭端盖；

②将焊接组合件放入真空扩散焊接设备炉膛中的下支撑板中间，焊接组合件与支撑板之间用石墨纸隔开；

③将真空扩散焊接设备内的真空度控制在1.0×10^-3～1.0×10^-4Pa，通过升温和加压处理；

④降温，取件。

所述钢基体的凹槽的底面为圆形平面的待焊接面，周边为圆锥面，封闭端盖的内部底面和侧壁与锡青铜板配合，外部侧壁是与钢基体周边配合的圆锥面，且在底部沿径向设有一排气孔。

锡青铜板采用(QSn10-2-3)；钢基体和封闭端盖为40CrNiMoA。

所述步骤①中的装配方法是，将锡青铜板放入钢基体的凹槽中，焊接面之间添加纯镍箔作为焊接过渡层，将带凹槽的封闭端盖盖在锡青铜板上，得到装配好的焊接组合件。

所述升温和加压处理方法是按下述步骤进行：

P1：在15～20min内将真空扩散焊接设备内的温度从室温均匀升温至410℃，再对焊接组合件加载压力，压力控制在0.5～0.7Kgf/mm²，保持5～10分钟；

P2：在20～25min内将真空扩散焊接设备内的温度从410℃均匀升温至820℃，再对焊接组合件加载压力，压力控制在1.2～1.5Kgf/mm²，保持70～90分钟。

所述的步骤④是：填充高纯氮气使真空扩散焊接设备炉内温度下降，降温到150℃卸去上压板载荷并提升上压板；温度下降到60℃开启降压阀，打开炉门取出焊接组合件即成。

本发明原理可如下：如图1-3所述，本发明是解决锡青铜(QSn10-2-3)与钢(40CrNiMoA)焊后热处理铜基开裂的方法，依赖于一种焊接结构，其零件结构设计如图2所示，焊接过程中设备对封闭端盖A上表面施加一个垂直的压力，在温度和力的作用下A向下移位，因C(带凹槽的钢基体)对A有限位作用，两者之间产生挤压，该挤压产生一定的变形使得A对B(锡青铜板)的圆柱面首先产生径向力的作用，该作用又使得B基体内部产生压应力，而铜基体内部压应力的产生，是设计该焊接结构的初衷，因为该压应力的存在，在焊后热处理的过程中可以削弱热应力的作用，避免铜基体沿晶开裂。

本发明是通过设计焊接结构来解决锡青铜(QSn10-2-3)与钢(40CrNiMoA)焊后热处理铜基开裂的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、图1所示的焊接结构件，并按照图纸要求分别加工各个部件，包括封闭端盖A(防止铜材暴露使成分流失同时实现对铜基体产生径向挤压作用)、锡青铜板B和带凹槽钢基体C，带凹槽的钢基体C凹面底部为圆形平面，是待焊接面，周边为圆锥面，其锥面角度与封闭端盖A的外圆锥面角度一致，在封闭端盖底部沿径向设有一排气小孔，以便焊接过程中A、B之间的气体排出。

再按照图2所示结构进行装配，及先在带凹槽钢基体C底面加一层纯镍箔和放入锡青铜板B，再在锡青铜板上放一层纯镍箔后将封闭端盖盖在其上，用手旋转封闭端盖A，使其上表面与带凹槽钢基体的下表面尽量平行。

步骤2、装炉：将步骤1装配好的结构组件放入真空扩散焊接炉内，为防止焊件与设备压板焊接粘连，必须用石墨纸隔开。

步骤3、焊接：利用控制系统设置相应的真空扩散焊接参数，始终保持焊接炉内的真空度控制在1.0×10^-3～1.0×10^-4Pa之间，并按照以下两个阶段进行真空焊接的升温、加压过程控制：

3.1)在15分钟内使得焊接炉温从室温均匀升高到410℃，同时加载使焊接设备对试件的压力达到0.7Kgf/mm²，保持8分钟；

3.2)在25分钟内使得焊接炉温从410℃均匀升高到820℃，同时焊接设备对试件的压力达到1.5Kgf/mm²，保温75分钟。

或

3.1)在20分钟内使得焊接炉温从室温均匀升高到410℃，同时加载使焊接设备对试件的压力达到0.5Kgf/mm²，保持10分钟；

3.2)在20分钟内使得焊接炉温从410℃均匀升高到820℃，同时焊接设备对试件的压力达到1.2Kgf/mm²，保温85分钟。

步骤4、向炉内填充高纯氮气降温到150℃卸去上压板载荷并提升上压板；降温到60℃，将焊接好的焊接件取出真空焊接炉，然后空冷到室温，去掉试件上粘连的石墨纸即成。

将焊接组合件沿锡青铜板中部进行线切割，即可得到两件扩散焊接好的工件。

采用板材焊接的传统结构(构成如图6所示)，该结构焊接锡青铜(QSn10-2-3)与钢(40CrNiMoA)，存在锡青铜成分在温度和高真空作用下严重流失的现象，使得材质性能因成分流失而遭到破坏，作为使用工况存在往复作用力的零件，必须对钢基体进行调整处理，以提高其强度和韧性，而常规焊接结构所得焊件在热处理过程中因热应力的产生，铜基体无法避免沿晶开裂现象，图4和5为本发明与传统焊接结构焊件热处理后的接头和铜基体金相图片效果对比图，可以发现裂纹产生于晶界。

图2为本发明的焊接结构，该结构铜在整个焊接过程中被钢基封闭起来，与外界隔绝，这样可以确保其成分不流失，使其材质性能得以保持，其中封闭端盖凹槽底部侧面加工一排气孔，该孔主要作用为在焊接时气体排出，避免气体憋在铜板与封闭端盖之间，影响铜板上端面与封闭端盖凹槽底部的扩散焊接。同时由于封闭端盖外侧壁与钢基体之间是圆锥面配合，该结构使得焊接过程铜基体内部产生压应力，该应力状态在后续作调质热处理时，可以对热应力起到抵消降低的作用，使得热处理产生的应力不足以使铜基晶界开裂。图4和5为本发明与传统焊接结构焊件热处理后的接头和铜基体金相图片效果对比图，本发明未发现铜基体沿晶开裂。

利用本发明的焊接结构，可以确保锡青铜(QSn10-2-3)的材质成分不流失，使其性能在整个加工流程中得以保持，且对钢热处理时铜基不开裂，最终实现锡青铜(QSn10-2-3)作为摩擦副材料在液压柱塞泵/马达相关零件上的应用。经过各种试验和实际使用，证明锡青铜(QSn10-2-3)材料在满足液压泵/马达在高压、高转速的工作条件上具有更好的应用前景和非常广阔的推广应用价值。