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摘要：根據低膨脹合金多工器主波導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，并根據前期基礎試驗結果對主波導焊接組件釬焊工藝進行了研究。試驗結果表明：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組件的釬焊生產，釬焊質量穩定并且合格交付。
關鍵詞：低膨脹合金；波導；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（質量分數，下同）為32%～36%，還含有微量的S、P、C等，Fe含量約60%。由于Ni是擴大奧氏體元素，故Ni含量高使奧氏體轉化為馬氏體的相變溫度降至室溫以下－100℃～－120℃，因而經退火后，低膨脹合金在室溫及室溫以下一定溫度范圍內具有面心晶格結構的奧氏體組織，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和良好的塑性和韌性，用于制作在一定氣溫變化范圍內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，制作標準量具、微波諧振腔、雙金屬波動層等零件。某多工器零件波導組件均由低膨脹合金4J32（以下簡稱4J32合金）加工而成的，其中主波導組件需要將主波導腔（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，并針對主波導組件結構特點開展零件真空釬焊工藝路線研究，解決多工器主波導焊接組件生產需求。
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，其化學成分見表1，4J32合金的熔化溫度在1430℃左右。根據多工器零件波導組件的使用溫度，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℃，釬料化學成分見表2。釬焊溫度相對較低，釬料熔化沒有結晶間隔，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，只有液態釬料流入并致密地填滿全部釬焊縫間隙，且與母材發生相互作用，才能獲得優質的接頭。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，液態釬料對固態母材的潤濕鋪展以及釬焊接頭間隙的毛細作用是熔化釬料填滿的基本條件。要想使液態釬料填滿釬焊接頭間隙，其前提條件就是液態釬料必須能良好地潤濕母材。采用AgCu28釬料對4J32合金進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行釬焊。
2）釬焊接頭性能試驗
采用AgCu28釬料進行4J32同種合金的釬焊接頭室溫力學性能試驗；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行釬焊。在真空爐內壓力＜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，并起動風機快速冷卻，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準的力學性能試樣（見圖4、圖5）進行釬焊接頭強度測試。
3試驗結果及分析
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），再用環氧樹脂膠進行鑲嵌后，利用金相拋光機拋光焊縫區域至鏡面狀態，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，焊縫內部結合良好、組織較為均勻，焊縫兩側界面已不規則，這是由于高溫下焊縫兩側的母材已向釬料溶解，釬料向母材擴散形成不規則的焊縫界面。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Ag-Cu共晶組織，同時存在少量的焊縫不連續形成的孔洞（深黑色區域），但焊縫孔洞的占比較少。焊縫能譜分析結果如圖9所示。從圖9可看出，區域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工藝研究及生產應用
在前期釬料工藝性試驗和釬焊接頭性能試驗的基礎上，對主波導焊接組件的釬焊工藝路線開展可試驗研究，并結合實際優化釬焊工藝路線和釬焊工藝參數，對主波導焊接組件的釬焊工藝路線包括焊前清洗、裝配定位、釬料預置、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腔（1件）和中間圓腔（3件），清洗后零件表面及腔內無油脂及臟污。
2）裝配定位。使用激光點焊機逐一將圓腔1、圓腔2和圓腔3與主波導腔點焊在一起，激光點焊位置為圓腔外側與主波導腔接觸區域，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腔的相對位置。
3）釬料預置。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，然后套繞在圓腔外側與主波導腔待焊區域，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。將預置好釬料的主波導組件輕輕放置在真空爐的平臺上，并檢查焊料無晃動后關真空爐爐門并開始抽真空加熱。釬焊參數為：真空爐內壓力＜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，并起動風機快速冷卻，待爐溫冷卻到90℃以下出爐。
5）釬焊檢測。釬焊后的主波導組件按照中國空間技術研究院西安分院釬焊專用規范要求檢測，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組件的釬焊并合格交付。
5結束語
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Ag-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焊接組件的釬焊縫外觀連續致密，且釬焊圓角較小，非常符合微波行波產品的釬焊要求。
4）試驗所確定的4J32合金主波導組件的釬焊工藝路線能夠滿足產品的釬焊生產，釬焊質量穩定并且合格交付。
參考文獻：
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作者:張磊先 胡赫 劉云天 蘆李軍 董衛衛 周鵬飛 單位:中國空間技術研究院西安分院制造中心