304不锈钢的钎焊工艺研究

摘要银基钎料是当前国际上最具代表性的钎焊材料之一，其具有熔点低、化学稳定性好、耐腐蚀性好等优点。在低碳钢、不锈钢、铜和铜合金、高温合金焊接方面有着广泛的应用。本文采用HL303对304奥氏体不锈钢进行钎焊工艺试验。利用SEM、EDS、拉伸试验等测试方法，研究不同钎焊工艺参数对304不锈钢钎焊接头的显微组织和力学性能的影响。根据正交试验设计选出的最优工艺参数为：保温时间为50min，加热温度为780℃，钎焊接头抗剪力最高达到30.04KN；随着保温时间增加，钎焊接头的力学性能呈先上升后下降的趋势；钎缝显微组织由铜基固溶体、银基固溶体和共晶组织组成，钎焊时钎料在毛细作用下与母材发生良好的冶金结合；最优参数所得钎焊接头的拉伸断口上分布着均匀的韧窝，表现为典型的韧性断裂特征。关键词：Ag基钎料；奥氏体不锈钢；钎焊接头；力学性能；显微组织AbstractSilver-basedsoldermetalisoneofthemostrepresentativebrazingmaterialsintheworld,Ithastheadvantagesoflowmeltingpoint,goodchemicalstabilityandgoodcorrosionresistance.Ithasawiderangeofapplicationsinlowcarbonsteel,stainlesssteel,copperandcopperalloys,andsuperalloywelding.Inthispaper,HL303wasusedtotestthebrazingprocessof304austeniticstainlesssteel.TestmethodssuchasSEM,EDS,andtensiletestingareused,Theinfluenceofdifferentbrazingprocessparametersonthemicrostructureandmechanicalpropertiesof304stainlesssteelbrazingjointwasstudied.Theoptimalprocessparametersselectedaccordingtotheorthogonalexperimentaldesignare:Theholdingtimeis50min,theheatingtemperatureis780℃,andtheshearresistanceofthebrazingjointreachesupto30.04KN;Withtheincreaseofholdingtime,themechanicalpropertiesofthebrazingjointshowatrendoffirstincreasingandthendecreasing;Thebrazingmicrostructureiscomposedofcopper-basedsolidsolution,silver-basedsolidsolutionandeutecticstructure,andthebrazingmetalhasagoodmetallurgicalcombinationwiththebasemetalundertheactionofcapillaryduringbrazing;Thetensilefractureofthebrazingjointobtainedbytheoptimalparametersisdistributedwithuniformtenacitysockets,whichshowstypicalductilefracturecharacteristics.KeyWords:Ag-basedFillerMetal;AusteniticStainlessSteel;BrazingJoints;MechanicalProperties;MicroscopicStructureThesisType:EngineeringDesign目录TOC\o"1-3"\h\u31262摘要 IV1绪论1.1立题的背景及意义奥氏体不锈钢由于其出色的耐热性、抗氧化性以及良好的耐腐蚀性能，已经被广泛应用于油化工设备、压力容器、机械设备、核电工业等领域。在实际工程应用中，奥氏体不锈钢结构件的焊接技术已经取得了长足的进步，在它们的机械性能和使用寿命都得到了显著的改善。焊接技术是将同种或不同材料连接在一起，为了获得特殊的构造和用途的技术手段，是现代工业生产中一种十分重要的方法。焊接技术是一种重要的工业加工方法，它可以将不同材料连接在一起，以实现特定的结构和功能。它已经被广泛应用于各行各业，包括微电子产业、石油、化工、机械、交通运输、航空航天和建筑工程等领域。它不仅可以提高产品的质量和性能，还可以降低生产成本，提高产品的使用寿命。工业上常用的焊接方法包括熔化焊、压力焊和钎焊。钎焊在电子产品的制造过程中得到广泛认可。钎焊是指将比母材熔点更低的金属或者合金用作钎料，经过高温加热使钎料熔化温度而母材不熔，熔融的钎料在母材表面铺展开来，并通过毛细作用将其填充，最终冷凝结晶得到原子间结合的钎焊接头REF_Ref30528\w\h[3]。到目前为止银基钎料在国际上广泛应用于除了Al、Mg等低熔点金属之外所有有色金属和黑色金属，是家用电器、仪表、电动工具、眼镜制造、冷冻等工业领域不可或缺的一种钎料REF_Ref30368\w\h[4]。目前国内所用银基料中Ag、Cu和Zn的含量都达到了国家规定的标准，但由于钎料中所含的大量杂质元素，使得其在制造过程中容易产生焊接缺陷，其钎焊性能也达不到焊接要求，表现为润湿性铺展性差、填缝性能低、加工性能差等REF_Ref14507\w\h[5]。特别是在焊接过程中，由于掺杂了S、P等元素，导致焊接接头出现了气孔、晶间腐蚀、热应力裂纹等缺陷。针对以上问题，本文采用HL303对304奥氏体不锈钢进行钎焊工艺试验。利用拉伸试验、扫描电子显微镜、能谱分析等测试方法，研究304奥氏体不锈钢钎缝的显微组织和力学性能，明确钎料组分、钎缝显微组织与力学性能之间的关系，确定最优钎焊工艺。1.2银基钎料研究现状及发展银基钎料是由银或银基固溶体组成的钎料合金，是使用最为广泛的一种硬钎料，它具有较低的熔点、较高的抗腐蚀性、良好的流动性及润湿性，可以对铜、镍、可伐合金、不锈钢等进行焊接，在电子真空设备、航空发动机等关键部件上有很大作用，因此在航空、电子等领域有很好的应用前景REF_Ref15013\w\h[6]。目前对于银基钎料的研究重点集中在Ag-Cu二元合金、Ag-Cu-Zn三元合金与Ag-Cu-Zn-Sn四元合金。1.2.1银基二元钎料在银基二元合金钎料中，Ag-Cu二元合金钎料的使用最为普遍。Ag-Cu二元合金因其优良的导电性而被广泛用于电子工业，尤其适合焊接真空装置和电子器件REF_Ref15052\w\h[7]。Ag-Cu二元合金钎料具有固液相线温区较小、熔点较低、可焊接性好等优点，广泛应用于真空器件。特别是在母材Cu和Ni上表现出了出色的铺展性和填缝性，但是它在合金钢、高温合金、不锈钢等母材上的铺展效果却非常差，因此，就需要在被焊表面事先镀上一层铺展性更好的金属层（例如Cu或Ni)，来提高它的质量REF_Ref15457\w\h[8]。此外，这种钎料的力学性能较差，银含量高，制造成本高。银基二元合金钎料还包括Ag-Mn钎料和Ag-Al钎料等。Ag-Mn钎料中BAg85Mn钎料有较高的熔点，可用于喷气式发动机的滑轮导向叶片、燃烧室等工作于高温环境下的部件REF_Ref15483\w\h[9]。Ag-Al钎料中BAg95Al钎料具有高温接头强度高，因此适用于航空、航天等领域的不锈钢、耐高温材料的焊接。1.2.2银基三元及以上合金钎料随着工业不断发展，人们对钎料的要求也在不断地提高，单纯的二元合金钎料已经无法满足钎焊性能的需求，因此，在二元合金钎料的基础上出现了三元合金钎料。三元合金钎料包括Ag-Cu-Zn系、Ag-Cu-Cd系、Ag-Cu-Li系、Ag-Cu-Ti系等。AgCuZn三元合金是综合性能较好的银钎料，熔化温度是700~800℃，AgCuZn三元合金相图如图1.1所示。该三元合金存在Cu-Zn和Ag-Zn固溶体且分布均匀，因此焊接性能良好。图1.1AgCuZn三元合金相图在使用Ag-Cu-Zn钎料钎焊时，发现这种钎料具有较低的熔点和良好的润湿性及铺展性，能够很好的将母材连接，同时形成的焊接接头不仅拥有优异力学性能，而且还具备良好的抗疲劳性能，钎焊接头具有更高的抗冲击性，但该合金焊接接头也具有一定的缺点，在观察其微观形貌时发现合金组织虽然均匀但较为粗大，出现这一缺陷的原因是Zn的存在，随着Zn含量的提高，晶粒尺寸逐渐增大REF_Ref11765\w\h[10]，为了克服钎焊接头所出现的问题，在其加入其他合金元素来减少Zn元素的含量以达到细化晶粒的作用。于是逐渐出现了四元合金钎料。四元合金是在Ag-Cu-Zn的基础上添加In、Al、Ni、Zn、Mg、Mn、Ge、Sb等合金元素提高其性能。例如Ag-Cu-Zn-Mn钎焊CuAgZr合金时对其焊接接头进行抗剪强度测试REF_Ref14935\w\h[11]，发现抗剪强度较高。在断口形貌中呈现出韧性和脆性混合断裂特征，其中，粗大的CuZr相脆性破碎CuAg共晶组织的断口则布满剪切型拉长韧窝，呈现了典型的剪切韧性断裂特征，焊接接头强度较高。综合说明Ag-Cu-Zn-Mn钎料在焊接母材时综合性能较好。典型的多元合金钎料有：以Ag-Cu-Zn和Ag-Cu-Sn为基础发展出来的四元或五元合金钎料。常用银钎料特点如表1.1所示。表1.1常用银钎料特点钎料特点用途Ag-Cu系优良的清洁性，极低的溅散性。不含易挥发元素，导电性良好。钎焊电真空器件用。Ag-Cu-Zn系熔点较低，其有良好的润湿性和填缝能力，塑性好，强度高且能承受振动载荷。钎焊要求具有高强度的黄钢、青铜、铜合金、钢及不锈钢等。Ag-Cu-Zn-Cd系加工性能及钎焊工艺性能优良，钎焊接头具有较好的力学性能、耐蚀性。钎焊钢、不锈钢、多种有色金属及合金等。Ag-Cu-Zn-Sn系熔化温度低，结晶温度区间小。具有良好的润湿性、流动铺展性及加工性能。钎焊铜、低碳钢及不锈钢等。1.3银基钎料的应用现状1.3.1Mn-Cu合金与不锈钢钎焊林茂广REF_Ref16136\w\h[12]采用了BAg72Cu钎料对304不锈钢和纯铜进行钎焊，试验结果表明，在不同的焊接温度下，保温时间为10min时，随着钎焊焊接时温度的升高，焊接接头的抗剪切强度先增加后降低，在钎焊温度为865℃时抗剪切强度达到最大值。钎焊过程中，钎焊温度为865℃不同时间下焊接时，保温时间不超过10min，发现提高保温时间，可显著提高焊接接头的力学性能，保温时间10min到45min，钎焊接头的力学性能没有发生较大的变化。研究结果表明：在10~45min的保温时间范围内，钎焊接头具有稳定的性能。在工业制造中发挥着不可替代的作用，具有重要意义。贾志华等人REF_Ref16179\w\h[13]使用Ag37.5Cu48Zn5.6Mn8.7的钎料对不锈钢与3QCr0.8铜合金这种异种金属采用钎焊进行焊接，在这种焊料中，锌元素起到了降低钎料熔点的重要作用，锰元素起到了提高银基焊料与铜基材料的浸润性能的重要作用。在焊接前，对不锈钢材料上进行电镀镀镍处理，使镍镀层厚度达到8~10微米，对铜合金材料也进行电镀镀银处理，使镍镀层厚度达到5~8微米，在焊接温度为900℃和保温时间为10min的情况下，不锈钢和铜合金与钎料发生了良好的结合，焊接接头具有十分良好的力学性能，并且发现钎料与铜合金的界面比与不锈钢一侧的界面发生的反应更加强烈。Voiculescu[14]使用Cu-Ag钎料对304不锈钢进行焊接，研究发现，该钎料具有良好的铺展性能，不会出现开裂问题，但是在焊缝处会存在未熔化的钎剂夹杂物。在钎料和母材之间，发生了元素的扩散现象：Fe、Mn、Ni等元素在钎料中溶解并扩散了20um的距离，而铜则是其中扩散速率最大的，此外，Zn和Ag元素也会以同样的速率向母材中扩散。元素的扩散仅限于界面附近的20至60um范围内，这种扩散对母材的力学性能和抗腐蚀性能没有显著的影响，可以说是不可忽视的。GangadharanREF_Ref16273\w\h[15]采用Ag-27Cu-5Sn作为钎料，在780℃、800℃和820℃下，对不锈钢与纯银进行钎焊。液态钎料在不锈钢基体上的润湿性很差，在不锈钢表面镀Cu后，可显著改善其润湿性能，可与不锈钢形成较好连接。在焊接过程中元素间的相互扩散，使钎料与不锈钢形成了一种冶金连接。在钎焊条件下，银基固溶体，铜基固溶体和Cu3Sn金属间化合物在纯银侧形成。钎焊温度为780℃和800℃，钎焊接头中存在少量的Cu3Sn金属间化合物。钎焊温度为820℃时，焊接接头缺陷很少，不存在Cu3Sn金属间化合物。1.3.2钛合金和不锈钢钎焊利用Ag基钎料钎焊钛/不锈钢，可有效地抑制焊缝中金属间化合物的形成，提高焊接接头的强度REF_Ref16322\w\h[16]。此外，使用Ag基钎料对钛/不锈钢钎焊时，可以选择在830~950℃的钎焊温度下进行焊接，因此该钎料被广泛应用于钛合金与不锈钢的钎焊当中REF_Ref16437\w\h[17]。部分银基钎料钎焊钛/不锈钢成果见表1.2所示。1.2部分银基钎料钎焊钛/钢工艺参数与接头力学性能钎料母材钎焊温度T/℃保温时间Tm/min抗剪强度Rτ/MPaAg-28CuTiQ2358505100Ag-28CuTi304L83510112Ag-28CuTi30486015230Ag-35.2Cu-1.8TiTiAl/AlSl43408300.5320Ag-35.2Cu-1.8TiTiAl/35CrMo8705320Ag-33Cu-4.5TiTiAl/42CrMo9005347Noda等人REF_Ref16486\w\h[18]采用63Ag-35.2Cu-l.8Ti钎焊TiAl合金/AISI4340钢，钎焊温度为830℃保温时间为30s。研究结果表明，钎缝中有两种相生成，在钢一侧生成了Ag、Cu、Fe三元共晶体，在钛一侧生成了AlCu2Ti金属间化合物。在室温下焊接接头抗拉强度相较于500℃条件下的抗拉强度相差无几，因此在高温状态下强度仍保持良好。He等人REF_Ref16558\w\h[19]采用同样的钎料对TiAl合金/35CrMo钢进行焊接，在870℃下保温5min得到的焊接接头抗拉强度达到最大。在TiAl一侧同样产生了AlCu2Ti化合物，该化合物硬度较大，对缺陷比较敏感，因此在进行抗拉强度试验时经常断裂于钢侧。为了控制AlCu2Ti的生成量，进而提高接头强度，Li等人REF_Ref16610\w\h[20]采用Ag-28Cu合金中间夹Ti箔为钎料焊接TiAl合金/42CrMo钢。钎焊温度为900℃，保温时间为5min，对该焊接头的拉伸和剪切性能进行了测试。结果表明，接头的抗拉强度抗剪强度都有较大提升。当焊接温度和焊接时间增加时，脆硬相TiC和Al-Cu-Ti会大量生成和长大，接头强度被削弱，随着焊接温度降低和焊接时间的减少，焊缝中出现了残留的Ti中间层，此处极易产生裂纹并向外扩展REF_Ref16688\w\h[21]。总之，采用银基钎料进行钛/钢的焊接，可以有效地抑制焊接接头中的脆性成分的形成，从而提高焊接接头的机械强度；然而由于其高温性能较差，钎焊接头耐腐蚀性能差，且制造成本高昂，在一定程度上限制了银基钎料的使用。范宇洪和闫君REF_Ref5808\w\h[22]采用LAgCd26-16.7-17钎料和QJ102钎剂，对T2紫铜与1Cr17Ni2不锈钢火焰钎焊工艺技术进行研究，结果表明：无钎剂时，钎料对母材的润湿性能很差，有钎剂时，钎料对母材有较好的润湿性；对原来的“T”型焊接接头结构工艺进行改进，增加径向环形槽，加大了钎缝面积，增加钎焊接头的承载能力。杨杰等REF_Ref5850\w\h[23]采用BAg45CuZn钎料和镀锡后的钎料对黄铜钎焊工艺技术进行了研究，结果表明：钎料与镀锡层界面紧密结合，没有气孔夹杂等缺陷。随着化学镀锡含量的增加，钎焊接头的抗拉强度逐渐提升，在锡含量达到2.5%时钎焊接头的抗拉强度最高。1.4304不锈钢焊接研究现状1.4.1304不锈钢的焊接方法304不锈钢优异的塑性、抗腐蚀和耐高温性，使它成为各种焊接结构的理想材料，如密封容器、建筑、厨房和医疗器械等。目前钨极氩弧焊（TIG）是焊接304不锈钢最常见的焊接方法，它的优点是热输入少、能量密度高、电弧稳定，并且保护气体还有冷却焊缝，增加表面张力的作用，可获得焊接质量高的焊接接头。但304不锈钢具有较小的导热性和大的膨胀系数，这就导致了焊缝中存在残余应力，并且容易在焊缝中产生晶界侵蚀和热裂纹等缺陷。激光焊因其热输入小、能量密度集中、焊缝成形优良、焊接生产效率高等优点，被广泛应用于工业领域，理论上激光焊特别适用于304不锈钢的焊接，但在实际应用中也存在一些问题。研究结果表明，激光功率、焊接速度、焊缝宽度、焊缝间距、保护气体、是影响焊接质量的因素。其中，焊接速度对焊接质量起着至关重要的作用，但是激光功率的大小要与焊缝的材质和厚度相匹配，一般在1000W-6000W之间选择。焊接速度和焊缝宽度也是影响焊接质量的重要因素，需要根据具体焊接要求来进行调整。激光聚焦距离和气体保护可以减少氧化和污染，提高焊接质量。为了保证焊缝的质量和强度，应针对不同的工件来设定焊角。1.4.2304不锈钢的焊接性304不锈钢具有出色的抗腐蚀性能，是因为它含有大量的铬元素，能够形成高密度的铬氧化膜。当铬含量达到18%或Ni含量达到8%时，就会形成单一的奥氏体组织。奥氏体结构具有出色的塑性和耐热性，并且能够有效地解决焊接过程中出现的各种缺陷，从而确保焊接接头的质量。（1）晶间腐蚀晶间腐蚀是指在450~850℃中,钢中过饱和的C沿奥氏体晶粒边缘进行扩散，同时C与奥氏体晶界中的Cr化合形成了碳化铬(CrC)。因为Cr在C中的扩散速率超过了在奥氏体中的扩散速率，因此导致了奥氏体边界贫Cr，从而使得单晶中的Cr不能有效地补充。不锈钢的w（Cr）含量必须不低于12%，否则就会降低其耐腐蚀性，从而导致晶间腐蚀的发生。晶间腐蚀会使不锈钢的强度几乎完全丧失，即使表面看不出任何痕迹，但在受到应力时，它也会沿着晶界断裂。为了有效减少和防止晶间腐蚀，我们采取了以下措施：①控制碳含量；②对不锈钢进行固溶处理，使其中的各种元素充分溶解，增强固溶体的强度，提高其韧性和抗蚀性；③添加稳定剂；④改变焊缝组织形态，利用Cr在奥氏体和铁素体中的不同扩散速度，减轻奥氏体晶界的贫铬现象；⑤焊后快速冷却。（2）刀状腐蚀焊接接头上出现的刀状腐蚀是由于Cr23C6析出后形成的贫铬层所致，这种腐蚀会导致晶间腐蚀，其特征是表现为刀刃状，这种腐蚀通常发生在含有稳定剂钛、铌的奥氏体不锈钢（如0Cr18NilITi）的焊接接头上，而且在焊接过程中，由于过热区的峰值温度高达1200℃以上，钢中的TiC会溶入奥氏体，分解出的碳会在冷却过程中偏聚在晶界形成过饱和状态，从而导致接头刀状腐蚀的发生。钛的扩散能力远远低于碳，因此它会留在晶体内。当接头在敏化温度区间再次加热时，过饱和的碳会以Cr23C6的形式析出，在晶界形成贫铬层，从而降低了它的耐腐蚀能力，为了防止刀状腐蚀，应采取以下措施：①采用超低碳不锈钢，以降低碳含量；②尽量减少近缝区的过热，采用低温输入，以缩短过热区在高温下的停留时间；③合理安排焊接顺序，双面焊接时，最后焊接与腐蚀介质接触的焊缝；④焊后稳定化处理，将焊件加热至1050~1100℃。将过热区的碳与稳定剂结合，形成稳定的碳化物。（3）焊接热裂纹由于304不锈钢的组织主要为奥氏体，导热大约只有刚的一半，但线膨胀系数却大得多，因此在焊接后可能会产生较大的内应力。此外，它还含有许多其他合金元素，如S、P和Fe，这些元素会形成低熔点的共晶体，从而使得它的奥氏体结晶时间更长，结晶凝固区间更大，从而导致杂质偏析更加严重。为了防止焊接热裂纹的产生，我们采取了以下措施：①改变焊缝的组成，使其呈双相结构。根据研究，当铁素体的含量在5%左右时，会扰乱奥氏体的晶体结构，从而降低杂质的偏析；②严格控制有害杂质S和P的含量；③为了避免出现热裂纹，我们在焊接304不锈钢时会选择低电流和快速的碱性焊条。1.4.3304不锈钢钎焊研究现状近年来，钎焊技术受到了国内外研究者的广泛关注，它具有设备简单、操作方便、生产率高等一系列优势，而且它的反应只限于母材表面的微米级厚度，不会影响到母材的深层结构，因此，它特别适用于各种金属之间，甚至是金属与非金属、非金属与非金属之间的连接，这是其他焊接方法所无法比拟的，焊接不锈钢时，母材需要进行整体加热，或者是在钎缝周围大面积加热，热裂纹敏感性大；此外由于碳化铬沉淀析出，使得接头的耐蚀性显著降低；而且接头中铁素体含量较高时，也会导致脆化。蒋文春等REF_Ref602\w\h[24]人利用BNi2镍基钎料钎焊304不锈钢板翅结构。研究发现：随着保温时间的延长，它们的组织和性能也将受到不同程度的影响。若保温时间不当，元素将无法有效地扩散，从而形成性能较差的化合物，进而降低钎焊接头的强度；若保温时间过长，则可能会导致母材的原子运动异常激烈，从而导致焊接缺陷不断增加。通过调整保温时间，使其达到25分钟可以获得更优质的钎焊结构。N.K.Mukhopadhyay等REF_Ref30793\w\h[25]研究了不锈钢低压蒸汽管的破裂情况，通过扫描电镜和能谱分析发现晶界处Cr的存在，导致晶界两侧出现贫Cr区，产生晶间腐蚀裂纹，成为腐蚀疲劳的裂纹源，再加上管道中蒸汽的不规则流动引起的振动导致了钎焊的不锈钢管道的疲劳腐蚀断裂。A.RabinkinREF_Ref30829\w\h[26]通过对新型非晶态镍基料的研究，发现钎焊接头在海水中浸泡216小时后，在母材湿润与未湿润的分界处出现腐蚀坑，并研究了钎焊工艺对接头腐蚀的影响。国内也出现了焊部件断裂失效案例，通过对钎焊接头裂纹的分析，发现裂纹较多沿晶界裂开。甘肃工业大学的陈学定、俞伟元等REF_Ref7745\w\h[27]采用非晶态和晶态镍基钎料真空钎焊1Cr18NigTi奥氏体不锈钢，并将焊接头试样置于10%硫酸及5%的盐酸中沸腾6h，进行钎焊接头腐蚀试验，研究了真空钎焊接头的腐蚀状况。他们通过已腐蚀试样的宏观观察发现，钎缝腐蚀不显著，焊接接头附近母材腐蚀严重，其表面生成一层黑色的粉末。这些现象表明在钎焊接头处发生了电偶腐蚀。秦建等REF_Ref21372\w\h[28]采用短流程制备了Cu-33Zn-5Ni-3Mn纽扣型钎料，熔化温度在900℃左右，能够较好地润湿母材42CrMo钢和硬质合金。钎焊接头剪切强度能达到260MPa以上。在钢基体与钎料界面结合处，Fe原子与Co原子出现长程扩散，形成Fe基固溶体和Fe-Co-Ni单相固溶体。硬质合金与钎料界面结合处互溶区较少，结合强度主要是依靠钎料向硬质合金内部的扩散与Co元素固溶获得。柴静等REF_Ref21408\w\h[29]经过配比熔炼得到了新型34Cu-16Mn-44Ni-4B-2Si钎料，并且使用该钎料进行真空钎焊，母材为304不锈钢。结果表明该钎料钎焊的接头抗拉强度达到386MPa。不过由于钎料中Ni含量很高，经过EDS能谱分析钎料中实际的Ni含量高达35%，钎料熔点在1200℃左右。1.5本文研究的内容本课题的研究内容主要围绕以下几点展开：（1）查阅文献资料了解银基钎料，304奥氏体不锈钢钎焊的工艺，钎焊接头的微观组织及力学性能；（2）选取熔点和铺展性能较优的HL303钎料进行304不锈钢钎焊工艺试验，将钎料加工成5×7mm片状，在钎焊炉中进行钎焊工艺试验，确定最优钎焊工艺；（3）使用SEM观察钎焊接头微观形貌、断面形貌；使用EDS分析钎焊接头物相组成；使用电子万能试验机测试钎焊接头的抗拉强度。

2试验材料与方法2.1试验材料（1）303钎料试验所用的钎料合金是银钎料HL303，熔化温度745℃，其化学成分见表2.1表2.1303钎料化学成分（wt%）元素AgCuZnP杂质HL30344~4629~31余量—≤0.15（2）304奥氏体不锈钢母材选用304奥氏体不锈钢，板厚为4mm，板宽为14mm。其化学成分、力学性能、物理性能、分别如表2.2表2.3及表2.4所示表2.2304奥氏体不锈钢化学成分化学组成组分/（wt%）C≤0.08Si≤1.00Mn≤2.00P≤0.045S≤0.030Ni8.00~11.00Cr18.00~20.00表2.3304奥氏体不锈钢物理性能牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%硬度/HRB304≥205≥520≥40≤90表2.4304奥氏体不锈钢物理性能牌号密度g/cm³熔化范围/℃热导（W/m·K）热膨胀系数/（µm/m·℃-1）磁性3047.931398~145416.317.2~18.4无2.2试验设备与方法（1）钎焊工艺过程本试验选择炉中钎焊的方法。如图2.1所示，试验设备采用SX2-4-10型钎焊炉。Cr含量高、活性大，使304不锈钢在钎焊过程中极易生成CrO3，进而影响钎料在母材上的浸润和铺展，进而降低钎焊接头的机械强度。因此，在焊接之前必须先对其进行预处理。用砂纸对不锈钢进行抛光，将其表面的氧化层和污渍清除干净，用金属清洁剂对母材表面的油污、钎剂和氧化膜进行清洗，将经过预处理的304不锈钢进行干燥，等待焊接时可使用。图2.1电阻炉在炉中钎焊的过程中，要想确保焊缝的品质，就需要对焊件的加热温度与加热时间等钎焊工艺参数进行控制。在焊接时，应注意对焊接温度的控制：不能太高，否则会产生脆性合金，使焊接头的强度大大降低；又不能太低，否则会影响材料的充分融化和湿润，所以在焊接时应注意炉膛内的钎焊温度。钎焊温度：试验中钎焊温度为780℃、800℃、820℃。加热速度：在焊接过程中，如果加热速率太低，则会造成钎缝组织过度生长，从而影响钎焊接头的性能；如果加热速率太高，则会造成母材受热不均，从而使工件产生较大的内应力，加热速率20℃/min。加热时间：为了得到优质的焊接接头，必须保证一定的热处理时间。然而，随着热处理时间的延长，焊料中的钎缝组织会发生显著的生长，从而使焊料的力学性能下降，从而影响焊料的焊接质量。所以，在测试过程中，钎焊的保温时间设置为40min、50min、60min。接头形式：采用搭接接头连接方式。钎缝间隙：在焊接过程中，若钎缝的间隙太大，则会减弱钎料的毛细作用，但是如果钎缝的间隙太小，又会导致钎料难以填充到空隙中，从而影响到焊接接头的质量。试验时搭接接头选用的钎缝宽度1mm。（2）钎焊接头的拉伸试验根据国家标准GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》，试验选用的母材为304不锈钢。根据试验方案，在不锈钢表面放置银钎料HL303，在合适的温度下进行钎焊工艺试验，焊后采用SHT4505微机控制电液伺服万能试验机测试不同工艺所得钎焊接头的抗剪强度。图2.2SHT4505微机控制电液伺服万能试验机（3）微观组织分析金相分析是对金属微观结构进行研究的一种重要手段，金相试样的制备过程为：将钎焊样品通过样品切割机和人工锯切将其切成尺寸适当的块状，并确保其上、下两个面的平直，以便进行SEM分析。设备采用AXIOSCOPE型号的金相显微镜，如图2.3所示。镶：在嵌样过程中，将酚醛塑料粉加热到130-150℃，并保持8-10min，待其冷却后，将样品取出。标记：将已嵌好的样品取下后，立即作标记，以避免混淆。打磨与抛光：由于银钎料和焊缝处柔软易刮，所以金相试样的制作比较困难。使用砂纸对样品进行研磨时，要确保样品的表面与砂纸的接触均匀，并在单方向上进行轻柔研磨，用MP-2型金相样品研磨机对样品进行了抛光处理。腐蚀：将试样浸入0.5~1wt%的硝酸酒精溶液中，浸泡10~15s后，吹干，使用光学金相显微镜进行拍照。图2.3金相显微镜（4）SEM及EDS分析用如图2.4为美国FEI公司生产的电子光学仪器Quanta450FEG扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM），来观察样品的表面形貌。EDS（EnergyDispersiveX-RaySpectrometer）即能量分散型X射线谱仪，可以对钎缝表面进行微区成分分析。图2.4Quanta450FEG扫描电子显微镜

3试验结果与分析3.1304奥氏体不锈钢钎焊工艺正交试验设计采用正交试验方法设计304奥氏体不锈钢钎焊工艺，正交试验设计采用三水平三因素，钎焊温度分别取780℃、800℃、820℃三个水平，保温时间取40、50、60min三个水平。根据正交试验方案得到9组数据，见表3.1。表3.1正交试验的因素水平表试验方案温度/℃保温时间/min试验178040试验278050试验378060试验480040试验580050试验680060试验782040试验882050试验982060使用万能试验机对304奥氏体不锈钢钎焊接头进行力学性能测试。试验结果如表3.2所示。表中可以看出，2号试样的抗剪力是最高的，它的钎焊温度为780℃，保温时间为40min；6号试样的抗剪力最低，钎焊温度为800℃，保温时间60min。2、5、8号试样保温时间相同，但其抗剪力不同，说明最优的钎焊温度为780℃。1、2、3号试样钎焊温度相同，抗剪力差距较大，说明最优的保温时间为40min。304不锈钢在钎焊过程中，要对加热温度和保温时间进行有效的控制。加入温度太高会产生脆性合金，使焊接接头强度降低；温度太低则会影响材料的充分熔化和湿润。钎焊保温时间过长会导致钎料的流失，使钎缝中出现空洞，直接影响钎焊接头强度。表3.2钎焊接头力学性能测试结果试验方案试样（搭接）抗剪力/kN断裂位置试验123.33焊缝试验230.04焊缝试验322.93焊缝试验420.25焊缝试验520.14焊缝试验620.03焊缝试验7//试验826.34焊缝试验926.53焊缝3.2钎焊接头的微观组织分析对第二组工艺参数所得钎焊接头的微观组织进行分析，如图3.1可以看到，右边的黑色部分为不锈钢母材，左边的部分为焊缝组织，焊缝组织由白亮色相（A）、黑色块状相（B）和灰色层片状组织（C）组成，并将A、B、C三点进行EDS能谱分析，结果如表3.1所示。结合表3.1和图3.1可知，银基钎料的焊缝组织主要由银基固溶体（A）、铜基固溶体（B）和共晶组织（C）组成。图3.1钎焊接头显微组织表3.3图3.1中三点EDS分析结果（wt%）点CuZnAgA10.4417.6371.92B51.0631.5117.43C25.4726.9247.61在钎焊过程结束后，由于铜基固溶体具有较高的熔点，它们会在不锈钢母材与熔融钎料界面发生凝固，形成黑色固溶体组织。随着冷却的进行，液相中的铜和锌会被固溶于银中，形成银基固溶体。随着温度的下降，被“驱赶”的共晶成分会在固液界面交替形核生长，形成层片状组织。因此，铜基固溶体首先凝固，随后被银基固溶体包裹，最后形成的层片状共晶结构被挤开，分散地分布在固溶体之间。根据图3.2中的钎焊接头界面线扫描结果，可以清楚地看到钎料中的银、铜和锌元素明显地向母材扩散，而且在焊缝中也发现了铁元素的存在，这表明钎焊过程中，母材会被溶解到熔融钎料中。当母材表层与钎料发生适当的溶解时，会对母材表面有一定的清理作用，使得母材表面更加洁净，从而更有利于钎料的润湿性。在钎焊过程中，钎料与母材之间的溶解和扩散作用会使得它们能够形成良好的冶金结合。图3.2钎焊接头界面线扫描结果3.3断口形貌分析如图3.3（a）为第2组工艺参数所得钎焊接头拉伸断口形貌，断口上存在大量且分布均匀的蜂窝状等轴韧窝，且韧窝较深，表现为典型的韧性断裂特征。如图3.3（b）为第6组工艺参数所得钎焊接头拉伸断口形貌，断口上存在河流状花纹和解理台阶，表现为典型的脆性断裂特征。图3.3钎焊焊缝断口形貌（a）2号工艺（b）6号工艺3.4本章小结（1）通过正交试验设计优化的最优钎焊工艺参数为：钎焊温度为780℃，保温时间为50min，钎焊接头抗剪力为30.04kN。（2）钎焊不锈钢接头焊缝组织由铜基固溶体、银基固溶体和共晶组织组成，钎焊时钎料在毛细作用下与母材发生良好的冶金结合。（3）第2组工艺参数所得钎焊接头的拉伸断口形貌，表现为典型的韧性断裂特征，第6组工艺参数所得钎焊接头的拉伸断口形貌，表现为典型的脆性断裂特征。

结论（1）通过正交试验设计，研究9组钎焊接头的力学性能，以钎焊接头抗剪力为指标，确定304不锈钢的最优钎焊工艺参数，在钎焊温度为780℃，保温时间50min的条件下钎焊接头的抗剪力达到30.04kN。（2）304不锈钢钎焊焊缝组织主要由白色亮相的银基固溶体、黑色块状相的铜基固溶体和灰色层片状共晶组织组成。在钎焊过程中，钎料与304不锈钢母材相互溶解与扩散的协同作用下钎料与母材发生良好的冶金结合。（3）采用第6组工艺参数所得钎焊接头断裂位置靠近钢的一侧，断口表面存在解理台阶，表现为典型的脆性断裂特征，钎焊接头抗剪力为20.03kN。采用第2组工艺参数所得钎焊接头断裂位置在焊缝中央，断口上存在大量且分布均匀的蜂窝状等轴韧窝，且韧窝较深，表现为典型的韧性断裂特征，钎焊接头抗剪力为30.04kN。参考文献项力中.奥氏体不锈钢焊接工艺探讨[J].冶金与材料,2021,41(01):90-91.程艳艳,张海鸣.工程机械焊接工艺现状与发展趋势[J].湖北农机化,2020,(15):153-154.王星星,彭进,李红,等.银基钎料在制造业中的研究进展[J].材料导报,2018,32(09):1477-1485.卢方焱,薛松柏,张亮,等.Ag-Cu-Zn系钎料的研究现状及发展趋势[J].焊接,2008,(10):13-19.李明高,邱小明,孙大谦,等.BAg52Cu22Zn18Sn8银基钎料的研究[C].中国接卸工程学会,中国焊接协会.第十一次全国焊接会议论文集(第1册).2005:77-80.吴春萍,易丹青,许灿辉,等.银基合金研究现状与发展趋势[J].电工材料,2012,(02):1-8.李明高,邱小明,孙大谦,等.BAg52Cu22Zn18Sn8银基钎料的研究[C].中国接卸工程学会,中国焊接协会.第十一次全国焊接会议论文集(第1册).2005:77-80.程芳玲,刘承勃,路浩,等.不同银基钎料对铜管钎焊质量的影响[J].焊接技术,2016,45(04):70-72.郑欣,白润,王东辉,等.航天航空用难熔金属材料的研究进展[J].稀有金属材料与工程,2011,40(10):1871-1875.崔岩,张昕,朱晓刚.试论钎焊质量的影响因素[C].中国机械工程学会,北京机械工程学会.制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集.机械工业出版社,2002:141.雷睿超,操齐高,郑晶,等.AgCuZnMn钎焊CuAgZr合金接头的组织和性能[J].稀有金属材料与工程,2021,50(10):3720-3728.林茂广,王海龙.奥氏体不锈钢与纯铜的真空钎焊工艺研究[J].热加工工艺,2013,42(09):176-178.贾志华,王轶,马光,等.铜合金与不锈钢的真空钎焊研究[J].热加工工艺,2010,39(23):195-196.Voiculescul,GeantaV,VasileIM,etal.Chemicalelementsdiffusioninthestainless