CN111889835A - 一种降低钎焊接头中残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种降低钎焊接头中残余应力的方法。本发明的方法包括以下步骤：将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头；然后将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃；当冷却至800℃时，充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时，保温结束后冷却至室温。采用本发明的方法可大幅降低钎焊接头中的残余应力，提高钎焊接头的质量。

Description

一种降低钎焊接头中残余应力的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种降低钎焊接头中残余应力的方法。

背景技术

钎焊连接技术目前被广泛应用于石油化工、航空航天、核电以及燃料电池等领域。钎焊技术是采用比母材熔点低的材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料液相线但是低于母材固相线的操作温度，通过液态钎料润湿母材，填充钎焊接头间隙并与母材发生相互扩散从而实现连接的一种焊接技术。由于钎焊是利用钎料将基体材料连接，属于异种材料结构，且存在几何不连续性和温度梯度，所以会引起较大的残余应力，严重影响钎焊材料的力学性能，大大降低结构的安全使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低钎焊接头中残余应力的方法，可大幅降低钎焊接头中的残余应力，提高钎焊接头的质量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种降低钎焊接头中残余应力的方法，包括以下步骤：

将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头；然后将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃；当冷却至800℃时，充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时，保温结束后冷却至室温。

优选的，所述母材为不锈钢和/或镍基合金。

优选的，所述钎焊温度为1050～1100℃。

优选的，在所述钎焊温度的保温时间为40分钟。

优选的，所述钎焊在真空条件下进行，真空度在5×10^-3Pa以下。

优选的，所述钎焊和冷却的过程在真空钎焊炉中进行。

优选的，所述保温结束后的冷却方式为氮气冷却。

本发明提供了一种降低钎焊接头中残余应力的方法，包括以下步骤：将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头；然后将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃；当冷却至800℃时，充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时，保温结束后冷却至室温。

本发明钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃，由于自然冷却速率缓慢，可防止降温过快产生过大的应力；然后利用氮气冷却至600～700℃，氮气的冷却速率较快，使钎焊构件迅速穿过敏化温度区间，防止钎焊结构在材料的敏化区间滞留时间过长而引起材料容易腐蚀的现象，最后将钎焊构件在600～700℃保温10～40小时，利用保温过程中焊接接头各材料的蠕变塑性变形引起的应力松弛及应力重分布，达到降低残余应力的目的。

附图说明

图1为实施例1和对比例1钎焊接头表面残余应力分布图；

图2为实施例2和对比例2钎焊接头表面残余应力分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种降低钎焊接头中残余应力的方法，包括以下步骤：

将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头；然后将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃；当冷却至800℃时，充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时，保温结束后冷却至室温。

本发明将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头。在本发明中，所述母材优选为不锈钢和/或镍基合金，进一步优选为不锈钢。本发明对所述不锈钢的种类没有特殊要求，采用本领域熟知的不锈钢即可，具体的可以为但不局限于316L不锈钢、304不锈钢。本发明对所述镍基合金的种类没有特殊要求，采用本领域熟知的用于钎焊的镍基合金即可。在本发明中，所述母材可以为同种材料，也可以为异种材料。在本发明的实施例中，具体是316L不锈钢之间、316L不锈钢与304不锈钢之间进行的钎焊。

本发明对所述钎料的种类没有特殊要求，根据母材的种类选择合适的钎料即可，此为本领域熟知的技术知识，这里不做特殊限定。在本发明中，当钎焊接头母材均为316L不锈钢时，所述钎料优选为BNi-2；当钎焊接头母材分别为316L和304不锈钢时，所述钎料优选为BNi-2。

本发明对所述母材和钎料的装配方式没有特殊要求，采用本领域熟知的装配方式即可。在本发明的实施例中，具体为：将钎料箔片预置在两块母材之间，在钎料箔片与母材的接触面涂抹粘合剂，并用专用夹具夹持牢固，整个钎焊过程中施加的夹持力为3～5MPa。本发明对所述夹具和粘合剂没有特殊的限定，采用本领域熟知的夹具和粘合剂即可。本发明通过在接触面涂抹粘合剂，并用专用夹具施加3～5MPa的夹持力，防止装配件在搬运以及钎焊过程中的错位，同时促进焊接过程中的界面扩散融合，提高钎焊质量。在本发明中，所述夹具上下夹板和母材的接触面涂阻焊剂，防止其在高温下熔为一体。本发明对所述阻焊剂没有特殊的限定，采用本领域熟知的阻焊剂即可。

进行装配前，本发明优选还包括对钎料和母材进行前处理。在本发明中，所述钎料的前处理优选为清洗，所述清洗采用的清洗液优选为丙酮。在本发明中，所述母材的前处理优选包括依次进行的清洗和钎焊面的预处理。在本发明中，所述母材清洗的过程优选为：先对母材进行酸洗，然后用5％NaOH(质量分数)碱液煮沸，再用热水清洗，最后用丙酮清洗并吹干密封保存。在本发明中，对钎焊面进行预处理的过程优选包括：对母材钎焊面进行打磨、抛光(机械打磨至800#砂纸)，抛光后将母材用5％NaOH(质量分数)碱液煮沸洗，再分别用热水、丙酮清洗后吹干密封待用。本发明通过对母材进行前处理，可以有效去除母材表面氧化膜，提高表面润湿性；减少接头气孔、夹杂等缺陷，通过清洗打磨清除表面的氧化物、油脂、污物或其他外来杂质，消除焊件在高温时受低熔点元素的影响。

将母材和钎料装配好后，本发明将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊。在本发明中，所述钎焊优选在真空钎焊炉中进行，所述钎焊的真空度优选在5×10^-3Pa以下。在本发明中，所述钎焊的温度可根据母材和钎料的种类确定。当母材为不锈钢和/或镍基合金时，所述钎焊温度优选为1050～1100℃，更优选为1060～1090℃；所述钎焊温度的保温时间优选为40分钟。本发明优选自室温以10～15℃/min的速率升温至500℃，保温10分钟，然后以10～15℃/min的速率升温至850℃，保温20分钟，随后以10℃/min的速率升温至钎焊温度，保温40分钟进行钎焊。本发明所述保温过程中，钎料与母材中的成分发生相互扩散，导致钎料熔点逐渐升高，最终完成钎焊接头的等温凝固连接。

完成所述钎焊后，本发明将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃。由于自然冷却速率缓慢，可防止降温过快产生过大的应力。

当冷却至800℃时，本发明充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时。本发明优选继续冷却至630～680℃，更优选继续冷却至650℃；在本发明中，在600～700℃保温的时间优选为15～35小时，更优选为20～30h。氮气的冷却速率较快，本发明利用氮气冷却至600～700℃，使钎焊构件迅速穿过敏化温度区间，防止钎焊结构在材料的敏化区间滞留时间过长而引起材料容易腐蚀的现象，最后将钎焊构件在600～700℃保温10～40小时，利用保温时间中，焊接接头各材料的蠕变塑性变形引起的应力松弛及应力重分布，达到降低残余应力的目的。

此外，由于前期缓慢冷却(指从钎焊温度自然冷却至800℃的过程)和在600～700℃的持续保温处理，使接头元素充分扩散，使接头与母材化学成分均匀化，提高了接头与母材之间力学性能的匹配度，降低了残余应力，提升了钎焊接头高温强度。

完成所述保温处理后，本发明将保温处理后的钎焊构件冷却至室温。在本发明中，所述冷却的方式优选为氮气冷却。

下面结合实施例对本发明提供的降低钎焊接头中残余应力的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例为同种材料钎焊，钎焊接头母材均为316L，钎料为BNi-2。

(1)焊前处理：将钎焊试样进行焊前处理，装配好之后放入真空钎焊炉中，将炉抽真空至5×10^-3Pa之下；具体处理步骤如下：

①清洗母材：将母材进行酸洗，用质量分数为5％的NaOH碱液煮沸，再用热水清洗，最后用丙酮清洗并吹干密封保存。②清洗钎料：将钎料按尺寸裁好后用丙酮清洗密封保存。③钎焊面准备：对母材钎焊面进行打磨、抛光(机械打磨至800#砂纸)，抛光后将钎焊金属基体材料用5％NaOH碱液煮沸洗，再分别用热水、丙酮清洗后吹干密封待用。④预置钎料：装配钎焊件。将钎料箔片预置在两块母材之间，并在接触面涂抹粘合剂，并用专用夹具夹持牢固，整个钎焊过程中施加的夹持力为4MPa，防止装配件在搬运以及钎焊过程中的错位。⑤夹具上下夹板和合金板的接触面须涂阻焊剂，防止其在高温下熔为一体。

(2)等温凝固钎焊：以15℃/min的速率升温至500℃，保温10分钟；然后以15℃/min的升温速率升至850℃，保温20分钟，随后以10℃/min的速率升温至1065℃，保温40分钟。保温过程中，焊缝中B等元素的扩散转移，导致钎料熔点逐渐升高，最终完成钎焊接头的等温凝固连接。

(3)蠕变松弛处理：将试样从钎焊温度真空缓慢冷却至800℃；然后向钎焊炉中充入N₂降温至650℃，将试样在650℃保温30小时。

(4)保温30小时后，继续向钎焊炉中充入N₂降温，直至温度降至室温。

对比例1

与实施例1的不同之处在于未进行步骤(3)的蠕变松弛处理。

利用XRD测试技术，对316L/BNi-2钎焊接头表面的残余应力进行测试，绘制实施例1和对比例1钎焊接头表面残余应力分布曲线，如图1所示。图1中，处理后对应实施例1，未处理对应对比例1，纵坐标值“残余应力(MPa)”表示钎焊接头表面的残余应力值，横坐标“距离(mm)”表示沿钎焊接头表面的距离分布。图中框图表示钎焊接头区域。可以看出，经过蠕变松弛处理后，钎焊接头表面残余应力分布趋势与未进行处理结果类似，均为钎缝区域残余应力值最大，母材区域残余应力值低于钎缝区。但是钎焊接头表面的焊接残余应力明显下降，残余应力最大值由未进行处理时的256MPa降低到处理后的150MPa，降低了106MPa。

本发明通过在钎焊降温阶段温度降至650℃，对试样保温处理30小时，利用蠕变松弛效应降低残余应力，使接头元素充分扩散，使接头与母材化学成分均匀化，提高了接头与母材之间力学性能的匹配度，降低了残余应力，进而提升了钎焊接头高温强度。

实施例2

与实施例1的不同之处在于为异种材料钎焊：钎焊接头母材分别为316L和304不锈钢，钎料为BNi-2。

对比例2

与实施例2的不同之处在于未进行步骤(3)的蠕变松弛处理。

利用XRD测试技术，对316L/BNi-2/304钎焊接头表面的残余应力进行测试，绘制实施例2和对比例2钎焊接头表面残余应力的分布曲线，如图2所示。图2中，处理后对应实施例2，未处理对应对比例2，纵坐标值“残余应力(MPa)”表示钎焊接头表面的残余应力值，横坐标“距离(mm)”表示沿钎焊接头表面的距离分布。图中框图表示钎焊接头区域。可以看出，经过蠕变松弛处理后，钎焊接头表面残余应力分布趋势与未进行处理结果类似，钎焊接头整体残余应力值最大均为钎缝区域，母材区域残余应力值低于钎缝区。经过蠕变松弛处理后，钎焊接头表面各个区域的焊接残余应力明显下降，残余应力最大值由未进行处理时的274MPa降低到处理后的123MPa，降低了151MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种降低钎焊接头中残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将装配好的母材和钎料加热至钎焊温度进行钎焊，形成钎焊接头；然后将钎焊后的构件在真空条件下从钎焊温度自然冷却至800℃；当冷却至800℃时，充入氮气继续冷却至600～700℃，保温10～40小时，保温结束后冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述母材为不锈钢和/或镍基合金。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钎焊温度为1050～1100℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述钎焊温度的保温时间为40分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钎焊在真空条件下进行，真空度在5×10^-3Pa以下。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钎焊和冷却的过程在真空钎焊炉中进行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保温结束后的冷却方式为氮气冷却。

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