羅志強(qiáng)，徐芳菲，陳 旭，彭赫力，馬平義，李細(xì)鋒*

(1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 210600；2. 上海交通大學(xué)材料學(xué)院塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

0 引言

金屬膜盒作為多層結(jié)構(gòu)的代表件，可以作為彈性敏感元件、熱膨脹器、介質(zhì)隔離器、密封元件等[1-3]。在制作高速旋轉(zhuǎn)的密封元件時(shí)，由于轉(zhuǎn)速、壓力和工作溫度的提高，普通非金屬密封元件已不能滿足設(shè)計(jì)要求。金屬膜盒在這方面卻顯示了其優(yōu)越性，已用于宇航工業(yè)的旋轉(zhuǎn)軸端面密封和伺服裝置的補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合[4-6]。

對(duì)于層數(shù)大于或等于20層的超多層結(jié)構(gòu)件，已有研究成果中大多采用釬焊或電子束焊接等方式制造[6]。隨著結(jié)構(gòu)件層數(shù)的增加，制造時(shí)會(huì)面臨環(huán)焊縫數(shù)量急劇增多，生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。例如用于真空管路補(bǔ)償?shù)哪ず懈哌_(dá)165層，這將使得生產(chǎn)周期顯著增加。相比之下，能夠使各層焊縫同時(shí)焊合的擴(kuò)散連接工藝被認(rèn)為是更加可行的方法，通過(guò)多層結(jié)構(gòu)件層間局部高效擴(kuò)散連接，能夠使得加工道次顯著減少，從而大幅提高制造效率。

楊建國(guó)等[7]在專利中報(bào)道了擴(kuò)散連接制作正方形膜盒的過(guò)程，將100層0.1 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼膜片和20 mm厚的30Cr3MoA結(jié)構(gòu)鋼上下法蘭組裝后，整體進(jìn)行擴(kuò)散連接，一次性完成所有焊縫的連接，再把半成品膜盒通過(guò)較厚的上下法蘭裝夾到拉伸機(jī)上，將膜片組拉伸成膜盒的形狀。但拉伸機(jī)夾頭對(duì)法蘭最小厚度有一定的要求，因此該方法只適用于厚法蘭膜盒的制作。劉兵[8]先將膜片旋壓成型，再進(jìn)行擴(kuò)散連接，經(jīng)過(guò)兩道次焊接，將16層0.2 mm厚的GH4169膜片焊成一體后再與上下法蘭連接。在焊接時(shí)把涂有阻焊劑的石墨墊塊墊在膜片之間，以保護(hù)旋壓成型的部分不變形。該方法能夠嚴(yán)格控制膜盒高度方向的尺寸，所制結(jié)構(gòu)件具有較高的形狀精度，但需要配置專門的旋壓成型裝備。

另外，制作膜盒等局部擴(kuò)散連接工件時(shí)常常面臨待焊區(qū)無(wú)法有效接觸的難題。造成這種困難的原因在于，當(dāng)非焊接區(qū)域噴涂阻焊劑后，由于阻焊劑層本身具有一定厚度，將使需要被焊合的區(qū)域懸空，擴(kuò)散連接壓力僅作用于非焊接區(qū)域，失去了壓力參數(shù)設(shè)置的意義。通常情況下，當(dāng)升溫引起材料軟化之后，金屬在自身重力作用下發(fā)生軟化變形，能夠使待焊區(qū)逐步焊合。然而，部分多層結(jié)構(gòu)件具有焊縫窄，待焊區(qū)面積小的特點(diǎn)，包括不銹鋼在內(nèi)的諸多材料在擴(kuò)散連接溫度下都無(wú)法依靠自身重力發(fā)生足以實(shí)現(xiàn)良好焊合的變形[9]。因此，已有的研究中通常采用增大焊接面積或升高擴(kuò)散連接溫度的方法[10-11]，即通過(guò)增加待焊區(qū)自重或降低待焊材料屈服強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)待焊區(qū)材料的軟化變形。然而，采用以上方法時(shí)，擴(kuò)散焊壓力仍然無(wú)法傳遞至待焊區(qū)，因此界面得不到可靠連接。同時(shí)，高溫引起擴(kuò)散連接界面內(nèi)晶粒顯著長(zhǎng)大，降低了焊縫的強(qiáng)度。

針對(duì)超多層膜盒結(jié)構(gòu)件焊接步驟多、操作時(shí)間長(zhǎng)，且焊縫太窄難以實(shí)現(xiàn)有效連接的問(wèn)題，本文提出了一種多層結(jié)構(gòu)高效層間局部擴(kuò)散連接方法，建立了多層結(jié)構(gòu)定向擴(kuò)散焊裝配模型，并詳細(xì)闡述了膜盒件焊后定型的工藝流程，為以金屬膜盒為代表的多層結(jié)構(gòu)件提供了一種高效、高精度、低成本的制作方法。

1 膜盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膜盒零件形狀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由上、下法蘭以及夾在中間的環(huán)形片組成，其中膜盒外徑D為85 mm，法蘭厚度15 mm，焊縫寬度H為3 mm，環(huán)形片內(nèi)徑d為50 mm，上法蘭中心孔徑L為10 mm，環(huán)形片厚度為0.2 mm，墊片厚度為0.1 mm。為解決窄焊縫多層結(jié)構(gòu)件擴(kuò)散連接初期待焊區(qū)無(wú)法有效接觸的問(wèn)題，在環(huán)焊縫區(qū)域添加同種材料(即304不銹鋼)墊片，墊片的上下表面分別與相鄰的兩個(gè)環(huán)形片焊接區(qū)接觸，解決了焊接時(shí)待焊區(qū)懸空的情況。因此，擴(kuò)散連接壓力可直接傳遞至待焊表面，使位于焊縫的材料在擴(kuò)散連接溫度下通過(guò)塑性變形而緊密接觸，提供元素?cái)U(kuò)散遷移的通道，并依靠降低擴(kuò)散連接溫度抑制晶粒長(zhǎng)大，得到組織均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的擴(kuò)散連接界面。

(a) 三維軸測(cè)圖

2 擴(kuò)散連接工藝的制定

開(kāi)展兩層平板擴(kuò)散連接工藝實(shí)驗(yàn)，以選取適合于304不銹鋼的焊接工藝參數(shù)。在擴(kuò)散連接前對(duì)每層不銹鋼薄板進(jìn)行打磨和拋光，每道次砂紙粒度依次為1 000號(hào)，1 200號(hào)和1 500號(hào)，磨拋后的不銹鋼板呈清晰的鏡面，然后用無(wú)水乙醇清洗。擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)在真空熱壓爐中完成，真空爐升溫速度為10℃·min-1，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中真空度維持在5×10-3Pa左右。擴(kuò)散連接溫度變化范圍為925～1 000 ℃，壓力變化范圍為15～30 MPa，保溫時(shí)間變化范圍為30～90 min。焊后測(cè)量擴(kuò)散連接界面的抗剪切強(qiáng)度與試樣厚度變形率

(1)

式中，T為連接前試樣的總厚度，TDB為焊后厚度。對(duì)接頭進(jìn)行金相觀察，以分析其微觀組織結(jié)構(gòu)。觀察前使用VHF∶VHNO3∶VH2O=2∶1∶7的金相腐蝕液，腐蝕打磨光滑的試樣表面。

不同擴(kuò)散連接工藝下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示，兩層304不銹鋼在950℃，30 MPa， 60 min條件下獲得的擴(kuò)散連接接頭強(qiáng)度最高，界面抗剪切強(qiáng)度為580 MPa，未經(jīng)焊接的母材剪切強(qiáng)度為585 MPa，該接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的98.47%，力學(xué)性能優(yōu)異。接頭內(nèi)晶粒直徑約為18.49 μm，小于原始組織中24.04 μm的晶粒直徑，如圖4所示，這種等軸細(xì)晶組織保證了接頭的高抗剪切強(qiáng)度。該工藝下試件厚度變形率為1.287%，能滿足膜盒的尺寸精度要求。

圖2 溫度對(duì)接頭抗剪切強(qiáng)度的影響

圖3 溫度對(duì)試件厚度變形率的影響

圖4 304不銹鋼擴(kuò)散連接后的金相組織(950℃， 30 MPa，60 min)

3 膜盒結(jié)構(gòu)擴(kuò)散連接裝配模型

膜盒的擴(kuò)散連接過(guò)程包括以下步驟： (1)加工法蘭；(2)加工環(huán)形片；(3)加工墊片和遮擋板；(4)打磨及清洗；(5)噴涂阻焊劑；(6)在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行裝配；(7)采用真空熱壓爐進(jìn)行擴(kuò)散焊。其中，步驟(1)(2)(3)采用的加工方式為線切割，切割完成并經(jīng)過(guò)步驟(4)打磨清洗的部分板料如圖5所示。需要注意的是，在噴涂阻焊劑時(shí)需要使用遮擋板蓋住待焊區(qū)，因此遮擋板和圖5(b)， 圖5(c)所示焊接墊片的形狀相同。在步驟(3)中加工得到兩倍數(shù)量的焊接墊片，其中一半焊接墊片用作遮擋板，遮擋板可以使用任意厚度的材料進(jìn)行加工。

(a) 環(huán)形片

步驟(5)的具體操作方式為將打磨光滑、清洗干凈的法蘭和薄壁金屬片置于水平臺(tái)上，用遮擋板對(duì)需要擴(kuò)散焊的區(qū)域進(jìn)行封閉，向法蘭和薄壁金屬片的焊接面均勻噴涂阻焊劑，自然風(fēng)干，如圖6所示。

(a) 正面

步驟(6)所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散連接裝配模型如圖7(a)所示，首先將拼合的分瓣套筒6放入真空爐內(nèi)的工作區(qū)，并在分瓣套筒6內(nèi)依次放入下法蘭1、第一層的外圈墊片3和第一層環(huán)形片2。然后將棒芯7插入環(huán)形片2的中心孔中，將第一層內(nèi)圈墊片4穿過(guò)棒芯7放在環(huán)形片2上。在此基礎(chǔ)上依次疊放上第二層環(huán)形片2—第二層外圈墊片3—第三層環(huán)形片2，如此循環(huán)。擺放上最后一層環(huán)形片2后，抽出棒芯，放上最后一層外圈墊片3，并將上法蘭8置于其上。所有片層組裝完成后，放上壓塊9，拆除分瓣套筒6。在后續(xù)擴(kuò)散焊過(guò)程中，連接壓力通過(guò)壓塊9沿軸向方向均勻地向多層結(jié)構(gòu)件傳遞，如圖7(b)所示。

本文改進(jìn)了已有研究中所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散連接裝配卡具[8]，將定位法蘭與環(huán)形片外徑的套筒設(shè)計(jì)為分瓣模的形式，在裝配完成后、擴(kuò)散連接前即可拆除。由于擴(kuò)散連接時(shí)環(huán)形片與法蘭在高溫下受熱膨脹，如果外徑方向受到模具拘束，易使環(huán)形片起皺，因此在擴(kuò)散連接前拆除套筒有利于獲得高形狀精度的連接件。與此同時(shí)，因?yàn)樘淄膊恍枰軣崾軌?，?duì)套筒材料的要求也大幅降低，不再需要尋求高溫下耐變形的高強(qiáng)度合金，可選擇價(jià)格低廉、容易獲得的材料，也可以利用容易加工的廢料制作套筒模具，節(jié)省了膜盒件的制作成本，符合節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的要求。

4 膜盒結(jié)構(gòu)焊后定型工藝

對(duì)膜片組和法蘭擴(kuò)散連接，得到如圖8所示的半成品膜盒后，各層膜片在擴(kuò)散焊壓力的作用下緊貼在一起，需采用一定手段使膜盒的各“波紋”均勻分散開(kāi)，成為圖1所示的膜盒形狀。具體的工藝流程為：

圖8 擴(kuò)散連接膜盒半成品件結(jié)構(gòu)示意圖

1) 采用線切割將半成品焊件邊緣均勻切掉一定寬度，線切割引起的應(yīng)力使焊件邊緣松動(dòng)，此方法進(jìn)一步保證了膜盒軸向的尺寸精度。注意在加工法蘭、環(huán)形片與焊接墊片時(shí)留出焊后線切割余量;

2) 向外圈的非焊接區(qū)塞入耐高溫墊片，本文采用鎳基合金作為墊片，將膜盒的各個(gè)“波”分開(kāi)，如圖9所示;

圖9 多層結(jié)構(gòu)件的定型方法

3) 將放置了墊片的半成品膜盒放入真空爐中進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為800 ℃保溫90 min，冷卻方式為在真空環(huán)境中隨爐冷卻。該熱處理溫度在304不銹鋼再結(jié)晶溫度之上，可以起到使膜盒定型的作用，且鎳基合金作為一種高溫合金，在800 ℃時(shí)不會(huì)發(fā)生熔化，不與膜盒黏連，熱處理后可完整取下。

5 膜盒的形狀與尺寸特性測(cè)量

熱處理后的多層結(jié)構(gòu)件可以在沒(méi)有鎳基合金墊片支撐的情況下保持自身的形狀，并具有一定的彈性，能夠在軸向方向上被拉伸或壓縮。膜盒成品件包含42層膜片，如圖10所示。多次測(cè)量膜盒中心孔徑，可得直徑最大處為10.02 mm，最小處為10.00 mm，兩者僅相差0.2%。膜盒軸向方向額定尺寸為85.00 mm，實(shí)際尺寸為84.98 mm，尺寸精度誤差為-0.02 mm，誤差率為0.02%。在自然狀態(tài)下高度為53.12 mm，被壓縮至46.38 mm后仍不發(fā)生破裂，壓縮比為12.69%。膜盒壓縮比受法蘭厚度的影響，法蘭越厚壓縮比越低，可通過(guò)改變法蘭厚度制造不同壓縮比的膜盒類結(jié)構(gòu)件。

(a) 軸測(cè)視圖 (b) 主視圖

6 結(jié)論

1) 304不銹鋼在950 ℃，30 MPa， 60 min擴(kuò)散連接工藝下接頭抗剪切強(qiáng)度為580 MPa，達(dá)到母材剪切強(qiáng)度的98.47%，接頭內(nèi)平均直徑18.49 μm的等軸細(xì)晶組織保證了接頭優(yōu)良的力學(xué)性能;

2) 為解決膜盒類零件因焊縫寬度窄、焊接面積小而難以實(shí)現(xiàn)有效連接的問(wèn)題，通過(guò)在擴(kuò)散連接面添加同種材料墊片，實(shí)現(xiàn)了膜盒類零件的可靠擴(kuò)散連接。外圈定位模具設(shè)計(jì)為分瓣模形式，在膜盒各片層材料組裝完成后即可拆卸，有效避免了環(huán)形片高溫?cái)U(kuò)散連接時(shí)起皺等問(wèn)題，相比于整體式套筒模具成本更低;

3) 焊后在膜盒非焊接區(qū)放置高溫合金墊片，800 ℃保溫90 min實(shí)現(xiàn)膜盒定形。膜盒由42層環(huán)形片組成，壓縮比為12.69%，膜盒外徑和中心孔徑誤差分別為0.02%和0.2%，具有很高的尺寸精度。