紫铜与不锈钢真空钎焊组织与力学性能

魏松， 张亚霄， 周晓蕾， 曾如川， 宋炜

(1. 北京卫星制造厂有限公司，北京100094；2. 北京市航天器焊接技术与装备工程技术研究中心，北京100094；3. 北京市智能机械创新设计服务工程技术研究中心，北京 100101；4. 北京联合大学，北京100101；5. 内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024076)

0 前言

铜具有很好的导电性、导热性和耐蚀性，也有良好的塑性变形，易于热压或冷压成各种板材和型材，广泛用于导电器材、电缆、电器开关等电器器材和冷凝器、散热器、热交换器等热控产品中[1]。而奥氏体不锈钢具有优良的耐高温、抗氧化和抗腐蚀能力，是制造在高真空、超低温、强辐照环境下使用的常用材料[2]。所研产品为一种空间用制冷压缩机，由于不同部分在导热和强度的功能需求不同，于是选用了T2铜与316L不锈钢两种材料。

T2铜，熔点为1 083 ℃，表面可能形成Cu2O和CuO两种氧化物，室温下表面为Cu2O所覆盖，高温下的氧化皮分为两层，外层为CuO，内层为Cu2O。铜的氧化物容易去除，所以纯铜的钎焊性很好，但铜不能热处理强化，冷作硬化的铜材在230～815 ℃就会发生软化;温度越高，材料越软;低温下焊接易保证铜的强度。

316L不锈钢，主要含有镍、铬、钼等元素，熔点为1 375～1 450 ℃，氧化物中Cr2O3，比较难去除。在空气中钎焊时必须采用活性强的钎剂以清除这些氧化物。在真空环境钎焊时，要求有良好的真空度(1×10-2Pa以上)和足够高的温度，才能取得良好的效果。

目前，铜与不锈钢的焊接方式主要是钎焊，涉及的钎料主要有镍基钎料、银基钎料、铜基钎料。薛敬凯等人[3]基于BNi76CrP粉末钎料采用真空钎焊焊接1Cr18Ni9Ti与T2，钎焊温度为960～980 ℃,保温时间为5 min，得到良好的钎焊接头。范宇洪等人[4]采用火焰钎焊焊接T2与1Cr17Ni2的三通管路，钎料选用HLAgCd26-16.7-17等银基钎料，钎剂选用QJ102，达到了良好的密封性。郭红也对铜与不锈钢的真空钎焊工艺进行了研究，采用了BCu54Zn钎料，但抗剪强度不理想。

针对T2与316L不锈钢焊接，如果采用镍基钎料，钎焊的温度偏高，约在1 000 ℃左右，铜的软化大，结构强度下降多，于是采用温度偏低的银基钎料，钎焊温度800～900 ℃。又因为产品为密封结构，产品内部不能有钎剂等多余物，适合真空钎焊，真空钎焊不使用钎剂，焊件变形小，容易保证焊件的尺寸精度。因此，针对结合所研产品的结构特点和密封要求，进行了钎料选型和钎料状态的适应性试验，实现了狭小空间插接结构的高精度钎焊。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

产品上有2种接头形式如图1所示，外层圆筒形零件材料为不锈钢(316L)，中心圆柱形零件的材料为铜(T2)，钎料选用BAg72Cu，钎料的熔化温度为779 ℃，粉末粒度为75 μm，钎焊温度为800～900 ℃。成分相同，采用膏状和丝状两种钎料形式。图1a中铜零件上有1 mm×1 mm的钎料槽，用于放置丝状钎料，图1b中在焊脚处放置膏状钎料。

图1 产品接头样式

为了保证焊接质量，铜与不锈钢零件间装配间隙不能过大，模拟件的加工配合间隙控制在0.02～0.06 mm之间。

1.2 试验方法

试验用设备为真空钎焊设备，恒温区尺寸为700 mm×500 mm×500 mm，最高使用温度为900 ℃，温度均匀性小于3 ℃，工作真空度小于5×10-3Pa，压升率小于0.2 Pa/h，可以满足钎焊的使用需求。试验时为先进行钎料润湿试验，准备铜(Cu)、不锈钢(316L)、不锈钢(316L)镀镍三种润湿试件。根据钎焊手册[5]，通过镀镍，可以解决不锈钢表面润湿性差的问题。在不锈钢表面化学镀镍，镍层厚度14～20 μm左右，镀层与主体金属结合应细密、均匀、牢固，镀层能耐800 ℃以上的高温[6]。对焊后试件进行宏观金相检查，观察内部有无裂纹、气孔等缺陷。制作尺寸为50 mm×15 mm×2 mm的铜与不锈钢片，如图2所示，将钎料放置于焊缝处，焊后检查试验件的抗剪强度。对焊后的模拟件进行真空氦质谱检漏，要求焊接模拟件的漏率优于1×10-9Pa/(m3·s)。

图2 拉伸试验件

2 试验结果与分析

2.1 润湿试验

根据BAg72Cu的钎料特性，在高真空环境(5×10-3Pa/(m3·s))、820 ℃条件下进行焊接，高温保温时间10 min。如图3所示，钎料在铜表面铺展良好，有很好的润湿性，而在未镀镍的不锈钢表面不铺展，润湿性差。从图中可以看出，膏状钎料熔化位置有灰色的痕迹，正好与焊前膏状钎料的放置位置一致，而丝状钎料没有类似的痕迹，灰色痕迹是膏状钎料使用的粘结剂高温后的残留物。也经过多家钎料厂的BAg72Cu膏状钎料的对比试验，熔化后的痕迹都会有，但残留量不同，如图3b和图3c相对比。在焊接形式允许的情况下最优选用丝状钎料，焊后的表面无残留物。

图3 润湿试验件照片

2.2 钎焊试验

按照润湿试验的结果，在316L不锈钢表面化学镀镍。钎料为BAg72Cu，根据结构形式选用丝状或膏状钎料，如图1a中接头形式选用丝状钎料，图1b种接头形式选用膏状钎料，要求真空室真空度达到5×10-3Pa/(m3·s)后开始加热，钎焊升温曲线如图4所示。为了保证产品温度均匀性，分别在300 ℃,750 ℃保温40 min，820 ℃钎焊温度保温时间设定为10 min，之后随炉降温。钎焊温度低时，未达到必需的温度，钎料流动性、浸润性均较差，容易产生内部气孔、钎缝不连续、虚焊等缺陷，也会使钎焊接头强度降低，承压能力不达标而产生泄漏，严重时甚至会撕裂。温度高时，钎料完全熔化且流动性过大，易产生钎料氧化，形成气孔，造成钎料流失、熔蚀、产品弯曲等缺陷。而钎焊接头形成约需要1～2 s，保温时间与产品厚度等有关，保温时间太短，产品芯部温度未达到熔化温度，保温时间过长，液态钎料容易熔蚀被焊金属。

图4 钎焊温度曲线

2.3 金相检验

对铜与不锈钢试验件进行金相检查，如图5所示，钎料与母材润湿良好，钎料填充饱满，且未见钎焊裂纹、气孔、溶蚀等缺陷，形成了均匀的扩散层。

图5 金相试验件照片

2.4 剪切试验

对随炉钎焊的拉伸试验件进行了剪切试验，剪切试验结果见表1，试验件的抗剪强度均在70 MPa以上。拉伸试件的断裂面如图6所示，试件断在钎焊面，可以看出钎焊面上钎料钎着率大于90%，满足产品使用要求。

表1 剪切试验结果

图6 拉伸试件断裂面

2.5 模拟件焊接

模拟件的结构尺寸、材料与实际产品一致。模拟件焊前进行化学清洗，去除零件表面的油污、氧化膜等物质，按照钎焊试验的结果设置焊接参数，因试件与模拟件厚度不同，适当增加保温时间。钎焊后的模拟件照片如图7所示，焊后的模拟件焊缝处形成了良好的连续焊缝，焊脚圆滑过渡。

图7 钎焊试验件照片

对T2铜与316L不锈钢钎焊试验件进行真空氦质谱检验，然后对试验件组装后的整体零件进行正压氦质谱检验，漏率均优于1×10-9Pa/(m3·s)，说明以这种方式的钎焊试验件具有良好的气密性。

3 结论

(1)BAg72Cu银基钎料在T2铜表面有良好的润湿性，但316L不锈钢表面的润湿性差，需在不锈钢表面镀镍等措施改善表面润湿性。

(2)丝状和膏状钎料均能得到良好的焊接效果，封闭结构选用丝状钎料，开敞式结构选用膏状钎料，膏状钎料中因有粘结剂，易留下灰迹。

(3)在钎焊温度820 ℃、保温时间为10 min的条件下进行真空钎焊，得到良好的T2铜与316L不锈钢的钎焊接头，焊缝连续，具有良好的气密性，未见裂纹、气孔等缺陷，抗剪强度达到70 MPa以上，满足使用要求。