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摘要：根據(jù)低膨脹合金多工器主波導(dǎo)焊接組件的使用條件，選取Ag-Cu28釬料對低膨脹合金4J32開展了釬料性能試驗、釬焊接頭試驗，并根據(jù)前期基礎(chǔ)試驗結(jié)果對主波導(dǎo)焊接組件釬焊工藝進(jìn)行了研究。試驗結(jié)果表明：Ag-Cu28釬料對低膨脹合金4J32具有良好的釬焊性能，釬焊接頭強度性能滿足多工器主波導(dǎo)焊接組件的使用要求，所確定的釬焊工藝路線能夠滿足主波導(dǎo)組件的釬焊生產(chǎn)，釬焊質(zhì)量穩(wěn)定并且合格交付。

關(guān)鍵詞：低膨脹合金；波導(dǎo)；Ag-Cu28釬料；真空釬焊

1序言

低膨脹合金（又稱殷鋼）屬于鐵基高溫合金，通常Ni含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為32%～36%，還含有微量的S、P、C等，F(xiàn)e含量約60%。由于Ni是擴(kuò)大奧氏體元素，故Ni含量高使奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的相變溫度降至室溫以下－100℃～－120℃，因而經(jīng)退火后，低膨脹合金在室溫及室溫以下一定溫度范圍內(nèi)具有面心晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體組織，也就是鎳溶于γ-Fe形成的固溶體，因而低膨脹合金（殷鋼）在－80℃～100℃之間具有極低的熱膨脹系數(shù)和良好的塑性和韌性，用于制作在一定氣溫變化范圍內(nèi)尺寸近于恒定的元件，廣泛用于無線電、精密儀表儀器等行業(yè)，制作標(biāo)準(zhǔn)量具、微波諧振腔、雙金屬波動層等零件。某多工器零件波導(dǎo)組件均由低膨脹合金4J32（以下簡稱4J32合金）加工而成的，其中主波導(dǎo)組件需要將主波導(dǎo)腔（1個）和中間圓腔（多個）通過釬焊連接形式形成一體，組件模型如圖1所示。本文主要針對4J32合金開展真空釬焊工藝研究，并針對主波導(dǎo)組件結(jié)構(gòu)特點開展零件真空釬焊工藝路線研究，解決多工器主波導(dǎo)焊接組件生產(chǎn)需求。

2試驗材料和方法

2.1試驗材料

試驗所用的材料是4J32合金，其化學(xué)成分見表1，4J32合金的熔化溫度在1430℃左右。根據(jù)多工器零件波導(dǎo)組件的使用溫度，并考慮4J32合金母材的熱處理制度，釬焊試驗選取最典型的銀基釬料AgCu28共晶釬料（絲狀），共晶點為779℃，釬料化學(xué)成分見表2。釬焊溫度相對較低，釬料熔化沒有結(jié)晶間隔，具有較好的鋪展性和工藝性，廣泛用于電真空器件。另外，AgCu28釬料不含高蒸汽壓元素，比較適合保護(hù)氣氛爐中釬焊或真空釬焊。

2.2試驗方法

1）AgCu28釬料試驗

釬焊時，只有液態(tài)釬料流入并致密地填滿全部釬焊縫間隙，且與母材發(fā)生相互作用，才能獲得優(yōu)質(zhì)的接頭。但并不是任何熔化的釬料都能順利地填入接頭的間隙中，也就是說填縫必須具備一定的條件，液態(tài)釬料對固態(tài)母材的潤濕鋪展以及釬焊接頭間隙的毛細(xì)作用是熔化釬料填滿的基本條件。要想使液態(tài)釬料填滿釬焊接頭間隙，其前提條件就是液態(tài)釬料必須能良好地潤濕母材。采用AgCu28釬料對4J32合金進(jìn)行潤濕性和填縫性試驗。潤濕性試樣的尺寸為40mm×40mm×2mm，在試樣上分別放置直徑為1mm、長度為6mm的兩段絲狀釬料，如圖2所示。填縫性試樣的底板和立板的尺寸為80mm×30mm×2mm，立板的一端與底板接觸，另一端用0.5mm厚的不銹鋼片墊起，并用激光點焊組合固定，這樣在立板和底板之間形成0～0.5mm的楔形間隙。在試樣的零間隙一端兩側(cè)分別放置直徑為1mm、長度為6mm的兩段絲狀釬料，如圖3所示。然后將潤濕性試樣和填縫性試樣放置在真空爐中進(jìn)行釬焊。

2）釬焊接頭性能試驗

采用AgCu28釬料進(jìn)行4J32同種合金的釬焊接頭室溫力學(xué)性能試驗；釬焊性能試樣的尺寸為45mm×25mm×2mm，將兩個試片對接（或搭接）用激光點焊定位，在對接（或搭接）處的一側(cè)放置絲狀釬料，然后將釬焊接頭性能試樣放置在真空爐中托盤上進(jìn)行釬焊。在真空爐內(nèi)壓力＜4×10－2Pa時開始升溫，釬焊試樣隨爐升溫至830℃保溫15min，然后隨爐冷卻到600℃以下充入高純氮氣，并起動風(fēng)機(jī)快速冷卻，待爐溫冷卻到90℃以下時釬焊試樣出爐。釬焊目視檢查合格后加工成標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能試樣（見圖4、圖5）進(jìn)行釬焊接頭強度測試。

3試驗結(jié)果及分析

3.1釬料潤濕性和填縫性

釬焊后的潤濕性和填縫性試樣如圖6、圖7所示。從圖6可看出，AgCu28釬料能夠潤濕4J32合金，具有良好的鋪展性和潤濕性，釬料無殘留物，表面光亮；從圖7可看出，AgCu28釬料對4J32合金具有良好的填縫能力，T形試樣的最大填充間隙約為0.4mm。

3.2釬焊接頭力學(xué)性能

在試樣裝配方法相同和釬料添加量相等的條件下，采用相同的釬焊溫度和釬焊保溫時間完成4J32同種合金的剪切性能試樣和拉伸性能試樣焊接，焊后兩種釬焊性能試樣焊縫圓角成形飽滿、均勻且表面光滑。4J32同種合金釬焊后焊縫的抗剪強度平均值為250.2MPa，焊縫的抗拉強度平均值為338.1MPa，焊縫抗拉強度為4J32母材抗拉強度（470MPa）的80%左右，能夠滿足產(chǎn)品的強度需求。

3.3焊縫微觀組織分析

將釬焊后試樣的釬焊縫橫截面用慢線切割方式截取金相試樣（10mm×10mm），再用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行鑲嵌后，利用金相拋光機(jī)拋光焊縫區(qū)域至鏡面狀態(tài)，用掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對釬焊縫的微觀組織及成分進(jìn)行分析。釬焊接頭掃描電鏡照片如圖8所示。從圖8可看出，焊縫內(nèi)部結(jié)合良好、組織較為均勻，焊縫兩側(cè)界面已不規(guī)則，這是由于高溫下焊縫兩側(cè)的母材已向釬料溶解，釬料向母材擴(kuò)散形成不規(guī)則的焊縫界面。焊縫中間的組織是以Ag為主的固溶體（淺色相）和以Cu為主的固溶體（深色相），以及彌散分布的點狀A(yù)g-Cu共晶組織，同時存在少量的焊縫不連續(xù)形成的孔洞（深黑色區(qū)域），但焊縫孔洞的占比較少。焊縫能譜分析結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，區(qū)域1為Ag為主的固溶體，其中Ag含量為90.53%、Cu含量為7.41%、Fe含量為2.06%；區(qū)域2為Cu為主的固溶體，其中Cu含量為93.04%、Ag含量為3.43%、Fe含量為3.54%；區(qū)域3是母材4J32合金，其中Fe含量為66.35%，Ni含量為33.65%。從焊縫能譜分析上來看，焊縫的成分主要是以Ag、Cu為主的固溶體，同時還存在溶解到焊縫中少量的母材中的Fe，焊縫成分相對簡單，焊縫無有害元素。

4工藝研究及生產(chǎn)應(yīng)用

在前期釬料工藝性試驗和釬焊接頭性能試驗的基礎(chǔ)上，對主波導(dǎo)焊接組件的釬焊工藝路線開展可試驗研究，并結(jié)合實際優(yōu)化釬焊工藝路線和釬焊工藝參數(shù)，對主波導(dǎo)焊接組件的釬焊工藝路線包括焊前清洗、裝配定位、釬料預(yù)置、真空釬焊和釬焊檢驗等，具體的釬焊工藝如下。

1）焊前清洗。使用無水乙醇清洗主波導(dǎo)腔（1件）和中間圓腔（3件），清洗后零件表面及腔內(nèi)無油脂及臟污。

2）裝配定位。使用激光點焊機(jī)逐一將圓腔1、圓腔2和圓腔3與主波導(dǎo)腔點焊在一起，激光點焊位置為圓腔外側(cè)與主波導(dǎo)腔接觸區(qū)域，要求對稱點焊2處，焊點直徑≤1mm。裝配定位過程注意每個圓腔與主波導(dǎo)腔的相對位置。

3）釬料預(yù)置。將直徑為1mm的Ag-Cu28釬料制作成與圓腔外徑大小匹配的釬料圓環(huán)，然后套繞在圓腔外側(cè)與主波導(dǎo)腔待焊區(qū)域，套繞后的焊料保證完全與待焊位置接觸且不晃動。

4）真空釬焊。將預(yù)置好釬料的主波導(dǎo)組件輕輕放置在真空爐的平臺上，并檢查焊料無晃動后關(guān)真空爐爐門并開始抽真空加熱。釬焊參數(shù)為：真空爐內(nèi)壓力＜4×10－2Pa，然后以10℃/min的升溫速度升溫到700℃，保溫20min，再以12℃/min的升溫速度快速升溫到釬焊溫度830℃保溫15min，最后隨爐冷卻到600℃以下充入高純氮氣，并起動風(fēng)機(jī)快速冷卻，待爐溫冷卻到90℃以下出爐。

5）釬焊檢測。釬焊后的主波導(dǎo)組件按照中國空間技術(shù)研究院西安分院釬焊專用規(guī)范要求檢測，焊縫飽滿且光滑，滿足釬焊驗收要求，按照確定的釬焊工藝完成了首批主波導(dǎo)組件的釬焊并合格交付。

5結(jié)束語

1）AgCu28釬料為共晶合金，熔點較低（779℃）且釬料漫流性較好，釬料的填縫能力較強，釬焊過程易控制，比較適合4J32合金的釬焊。

2）使用AgCu28釬焊4J32合金的焊縫組織主要是以Ag和Cu為主的固溶體，以及彌散分布的點狀A(yù)g-Cu共晶相，焊縫成分相對簡單。

3）使用AgCu28釬料釬焊的多工器主波導(dǎo)焊接組件的釬焊縫外觀連續(xù)致密，且釬焊圓角較小，非常符合微波行波產(chǎn)品的釬焊要求。

4）試驗所確定的4J32合金主波導(dǎo)組件的釬焊工藝路線能夠滿足產(chǎn)品的釬焊生產(chǎn)，釬焊質(zhì)量穩(wěn)定并且合格交付。

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作者:張磊先 胡赫 劉云天 蘆李軍 董衛(wèi)衛(wèi) 周鵬飛 單位:中國空間技術(shù)研究院西安分院制造中心