Co-Cr-W活门组件焊接技术

李 强，陈小勇，刘海汉，杜 娜，董树勋

（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安710077）

0 前言

超转限制活门组件是某燃油泵-调节器中重要的安全控制部件，其转速限制精度及使用寿命均已达到国内领先水平，目前不仅装配于某发动机，还可装备于我国民用航空，具有重要的应用价值和推广意义。基于其工作特性，超转限制活门组件结构和选材须同时具备高耐磨性、高强度、高可靠性等特性，由GH4169（活门芯）和高硬度的Co-Cr-W（活门套）两种不同材料真空钎焊而成。高温合金和硬质合金异种金属采用金基钎料BAu70NiPd1005/1045钎焊属于新领域，现场生产过程中产品的一次交检合格率不足10%，严重影响中国航发西安动力控制科技有限公司的生产任务交付。因此研究和解决某超转限制活门组件的真空钎焊对提高公司的科研及焊接技术水平以及完成生产任务都有非常重要的意义。

通过对某超转限制活门组件钎料的选择装填、专用夹具的设计制造、真空钎焊及补焊参数等工艺方案的确定等进行试验研究，最终使得某超转限制活门组件真空钎焊一次交检合格率达80%以上，并且满足生产加工及焊接质量要求。

1 活门组件的结构特点

超转限制活门组件由活门芯和5段活门套真空钎焊[1]而成，如图1所示。活门套采用高硬度、高耐磨性的Co-Cr-W合金新材料，活门芯选用GH4169材料；两部分选用润浸性强的高含金量BAu70NiPd1005/1045焊料焊接为一体，超转限制活门的结构和选材同时具备高耐磨性、高强度等特性，能够在某液压机械装置的复杂工作环境中使用。

图1 超转限制活门组件示意

1.1 活门芯

活门芯选用GH4169高温合金材料[2]。GH4169合金是以体心四方的γ′′与面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金首位，且具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能以及加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，广泛用于制造燃气涡轮发动机的高温工作构件。GH4169的化学成分和机械性能分别如表1、表2所示。

表1 GH4169材料化学成分%

表2 GH4169材料机械性能

1.2 活门套

活门套采用高硬度、高耐磨性的Co-Cr-W合金新材料。该材料为粉末冶金制品，具有较高的强度、硬度和优良的耐磨、耐蚀性能，以及较好的红硬性，常用于零件表面堆焊。其化学成分如表3所示，机械性能如表4所示。

表3 Co-Cr-W合金材料化学成分%

表4 Co-Cr-W合金材料机械性能

1.3 焊料

焊料采用金基钎料[3]BAu70NiPd1005/1045，其化学成分及焊接参考温度如表5所示。

表5 BAu70NiPb1004/1045钎料化学成分及温度

2 工艺分析及具体方案

2.1 结构分析

由图1可知，超转限制活门组件由活门芯和5段活门套真空钎焊而成，且5段活门套在活门芯上的位置均不相同。为了保证超转限制活门套在活门芯上的位置尺寸，设计制造了专用焊接夹具。同时5段活门套中最长一段的尺寸仅为φ5.9×6mm，且活门套与活门芯之间的间隙仅1.5mm，要在圆周方向装满钎料难度很大。为了装填钎料，分别在5段支撑环的两端开φ4.8×1mm的槽，如图2所示。

图2 超转限制活门组件焊接夹具示意

装钎料时，先将钎料按片状环（宽1.2mm、厚0.055mm）、丝状环（焊丝直径φ0.45mm）、丝状环（焊丝直径φ0.6mm）在φ3.8mm的芯棒上绕制成相应环状。然后将清洗干净的工装、零件、钎料依次装在活门芯上，再套上套筒。为保证焊料、工装及零件在焊接过程中位置不发生变化，钎料需填满并卡住工装和零件，且每段活门台阶钎料的添加量均不相同，因此需在φ4.8mm的槽内分别添加不同数量的片状环与丝状环。

2.2 具体方案

超转限制活门组件的焊接（即高温合金与硬质合金异种金属的焊接）技术的研究尚属新领域，且高温合金和Co-Cr-W[4]硬质合金的导热系数差距很大，焊接加热过程中在两种材料受热不均的情况下零件很容易产生裂纹。查阅大量关于金基钎料BAu70NiPd1005/1045、高温合金GH4169及Co-Cr-W硬质合金的资料[5]，制定了初步试验方案。金基钎料的焊接温度1 070～1 090℃，试验方案及结果见表6。

根据零件结构及钎料参数对活门组件的焊接参数进行研究，如表7所示。按表7中方案的参数焊接后经X光检查发现，零件焊缝内部存在焊接缺陷，焊后零件焊缝钎透率未达到要求，如图3所示。进一步调整钎焊温度至1 076℃，并将920℃和1 076℃时的保温时间分别延长至20min和25min，X光检查发现焊缝内部质量合格，但外观检查发现焊缝不饱满，需进行调整。随后制定了补焊参数对零件进行焊接（见表7），焊后零件满足焊接加工质量要求及性能使用要求。

由上述结果可知，超转限制活门组件经补焊后虽达到焊接加工质量要求及使用性能，但一次交检合格率低，仍需进一步试验研究获得最优工艺参数。制定了表7中方案三参数，但焊后钎透率仍未达到焊接质量要求。将钎焊温度升高至1 090℃后，焊缝钎透率和外观质量均合格，一次焊接合格，零件满足焊接加工要求及使用性能要求。

表6 金基钎料BAu70NiPd1005/1045真空钎焊试验方案及结果

表7 超转限制活门组件真空钎焊试验方案

图3 超转限制活门组件剖切后的焊缝

3 工艺流程及参数确定

在查阅大量资料并经过多次试验后，最终确定XX-1411超转限制活门组件真空钎焊的焊接流程及参数如表8所示。

4 结论

（1）合理的装填钎料及工装是超转限制活门组件焊接成功的关键之一。通过完善钎料装填方式及专用焊接夹具，最终得出合理的焊接方案。

焊接工艺参数：抽真空至3×10-2Pa，以10℃/min的升温速率加热至920℃，保温20 min；以15℃/min的速率加热至1 090℃，保温20 min；随炉冷却，钎焊完成。补焊工艺参数：抽真空至3×10-2Pa，90 min加热至920℃，保温10 min；以15℃/min的速率加热至1070℃，保温5min；随炉冷却，补焊完成。

（2）高温合金GH4169与Co-Cr-W硬质合金可采用金基钎料BAu70NiPd1005/1045进行真空钎焊焊接。钎料对两种母材有良好的润湿性，当钎焊温度及保温时间适中时，钎缝与母材之间的冶金结合良好，基本无夹渣或孔洞等缺陷。

（3）采用金基钎料BAu70NiPd1005/1045钎焊的活门组件，钎缝连续、光滑、均匀，钎焊接头的力学性能较好，具有高耐磨性、高强度、高可靠性，能够满足XX-13液压机械装置的复杂环境。

表8 超转限制活门组件真空钎焊流程及参数

参考文献：

[1]任耀文.真空钎焊工艺[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]郭建亭.高温合金材料学[M].北京：科学出版社，2010.

[3]庄鸿寿.钎焊手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4]傅祖明，宋科匠.粉末冶金Co-Cr-W-C合金的组织与性能[J].科学通报，1987（5）：[页码不详].

[5]粟祜.真空钎焊[M].北京：国防工业出版社，1984.