引言

鈦合金因其具有強(qiáng)度高、密度低、耐高溫、導(dǎo)熱性和抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn),尤其是具有良好的耐腐蝕性能, 被廣泛應(yīng)用于高性能熱交換技術(shù)領(lǐng)域。微通道換熱技術(shù)是一種利用微通道傳熱特性和結(jié)構(gòu)特性,提高工質(zhì)換 熱能力的強(qiáng)化換熱技術(shù).經(jīng)過(guò)近多年的發(fā)展,微通道換熱技術(shù)已經(jīng)成功在航空航天、微電子、汽車工業(yè)、能 源化工等多個(gè)行業(yè)得到推廣和應(yīng)用[1-3],液冷板作為微通道換熱技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)衍生的技術(shù)產(chǎn)品,在上述 領(lǐng)域中的需求也日益增多.因此,開(kāi)展液冷板技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的深入研究,對(duì)微通道換熱技術(shù)的發(fā)展和 應(yīng)用意義重大。

國(guó)內(nèi)外許多研究者在TC4鈦合金的真空釬焊的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究,馬天軍等[４]對(duì)TC4鈦合金真空釬焊的釬焊工藝、釬料的選擇及TC4鈦合金真空釬焊技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了研究,得出工件的表面質(zhì)量、釬料成分及性能、釬料的安放位置以及正確選擇釬焊工藝參數(shù)對(duì)一些精密薄壁及細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金真空釬焊質(zhì)量影響較大.吳欣等[5]對(duì)TC4鈦合金真空釬焊的釬料進(jìn)行了研究,得出銀基釬料有較好的潤(rùn)濕性和一定的機(jī)械性能,是釬焊鈦合金的優(yōu)質(zhì)材料.陳永盛等[６]對(duì)微通道液冷板的焊接進(jìn)行工藝分析,對(duì)釬料加工精度進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)釬料余量的精準(zhǔn)控制,解決了微通道液冷板真空釬焊流道堵 塞等焊接缺陷的問(wèn)題.趙仁祥[７]通過(guò)分析微通道液冷板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求,對(duì)焊接方法、焊接工藝進(jìn) 行研究,采用過(guò)渡材料與接頭設(shè)計(jì)解決了真空釬焊的焊接性能差,一次焊接成功率低的技術(shù)難題,滿足了釬焊 縫密封性要求,又有效避免了釬料流入液冷板的流道中.夏良俊等[８]采用Ag-28Cu釬料對(duì)TC鈦合金進(jìn)行了真空釬焊試驗(yàn),利用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了研究, 得出隨著釬焊溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),擴(kuò)散區(qū)及界面層的厚度增加,過(guò)高的工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致釬料流失從而使釬焊焊縫的寬度降低.Ｊｕｎｇ等[９]通過(guò)采用Ag-Cu合金釬料釬焊鈦合金,研究了其顯微組織和力學(xué)行為,得出銀基釬料具有合適的熔點(diǎn),釬料的流動(dòng)性較好且焊縫有良好的韌性.Ｌｅｅ等[10]采用Zr-Ti-Ｎｉ-Ｃｕ-Ｂｅ合金作為釬料在低溫的情況下對(duì)鈦合金進(jìn)行釬焊,釬焊后的質(zhì)量較好,得出釬料有較好的潤(rùn)濕性和一定的機(jī)械性能,是釬焊鈦合金比較好的材料.Ｇｕｓｓｏｎｅ等[11]采用Ag-28Cu釬料對(duì)鈦合金進(jìn)行了釬焊,釬料充分熔化,與母材釬焊良好,研究其釬焊接頭的界面反應(yīng)和斷裂行為,得出Ag-Cu基釬料在鈦合金真空釬焊過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)良的焊接性能。

綜上所述,很多研究者針對(duì)TC4鈦合金的真空釬焊技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了研究,然而對(duì)于微通道技術(shù)領(lǐng)域的薄壁細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金真空釬焊技術(shù)鮮有報(bào)道.為此,本研究對(duì)薄壁細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金真空釬焊進(jìn)行了研究,主要探討高、低溫Ag-Cu基釬料在薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件真空釬焊過(guò)程中的焊接性能,揭示高溫釬料和低溫釬料對(duì)真空釬焊焊接質(zhì)量的影響,以期為微通道技術(shù)領(lǐng)域薄壁細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的真空釬焊技術(shù)提供參考依據(jù)。

1、材料與方法

1.1尺寸參數(shù)

TC4鈦合金薄壁液冷板、流槽結(jié)構(gòu)件和釬料的尺寸參數(shù)如表1所示.其中:ｄ₁為TC4鈦合金液冷板厚度；l₁為TC4鈦合金液冷板長(zhǎng)度；d₂為金屬箔片式釬料厚度；l₂為金屬箔片式釬料長(zhǎng)度；w₁為流槽結(jié)構(gòu)件寬度；l₃為流槽結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度；s為流槽結(jié)構(gòu)件內(nèi)部槽間距.流槽結(jié)構(gòu)件主要是控制液冷板內(nèi)介質(zhì)的流入流出。

1.2真空釬焊的工藝方法

考慮到薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),且釬料結(jié)構(gòu)是根據(jù)流槽結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征剪裁,真空釬焊的過(guò)程中容易產(chǎn)生釬焊焊縫填充不好、一次焊接成功率低的問(wèn)題,采用高、低溫Ag-Cu基釬料以及加石墨塊配重的工藝方案進(jìn)行真空釬焊.高溫Ag-Cu基釬料化學(xué)成分如表2所示.高溫Ag-Cu基釬料采用箔片式的銀銅鈦釬料.低溫Ag-Cu基釬料化學(xué)成分如表3所示,低溫Ag-Cu基釬料采用箔片式的銀銅銦鈦釬料.通過(guò)采用兩種不同化學(xué)成分的金屬箔片式釬料加石墨塊的方式對(duì)液冷板和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行真空釬焊,并結(jié)合其釬焊后的焊縫對(duì)比查看,對(duì)比其焊接后的焊縫質(zhì)量,從而分析出Ag-Cu基的銀銅鈦釬料和銀銅銦鈦釬料對(duì)焊縫質(zhì)量的影響,進(jìn)而獲得最適合的釬料。

1.3真空釬焊前處理

薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件都需要進(jìn)行除油和酸洗,以保證液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件表面干凈,有利于后續(xù)真空釬焊過(guò)程中釬料達(dá)到熔融狀態(tài)的流動(dòng),進(jìn)而保證真空釬焊焊縫的質(zhì)量,通過(guò)定位銷將液冷板、釬料片和結(jié)構(gòu)件固定、裝配好。

1.4真空釬焊

考慮到金屬箔片式釬料比較薄,容易發(fā)生變形翹曲,影響釬焊焊接質(zhì)量,采用加裝石墨塊進(jìn)行配重的工藝方案進(jìn)行真空釬焊,真空釬焊爐采用沈陽(yáng)真空技術(shù)研究所的臥式釬焊真空爐,型號(hào)為ＶＡＦ350－350-６00,極限真空度≤８×10^-４Ｐａ。

1.5真空釬焊后的焊縫對(duì)比

采用高溫箔片式銀銅鈦加石墨配重的工藝方案真空釬焊后的薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊縫,如圖２ａ所示,采用低溫箔片式銀銅銦鈦加石墨配重的工藝方案真空釬焊后的薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊縫,如圖２ｂ所示。

從圖2可以看出,采用高溫箔片式銀銅鈦釬料加石墨配重真空釬焊的工藝方案的薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊縫均勻,釬料的流動(dòng)穩(wěn)定性好,而采用低溫箔片式銀銅銦鈦釬料加石墨配重真空釬焊的工藝方案的薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊縫不均勻,釬料的流動(dòng)穩(wěn)定性較差,存在漏焊現(xiàn)象.根據(jù)真空釬焊后的焊縫對(duì)比可以得出,高溫Ag-Cu基釬料即銀銅鈦釬料的流動(dòng)、填充性能明顯優(yōu)于低溫Ag-Cu基釬料銀銅銦鈦釬料,且焊接穩(wěn)定性更好。

1.6焊縫微觀金相

為檢驗(yàn)焊縫的焊接質(zhì)量,對(duì)高、低溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫進(jìn)行了微觀金相取樣,檢驗(yàn)面平行于釬焊焊縫長(zhǎng)度方向,試樣經(jīng)研磨、拋光、HF-HNO₃-H₂O溶液侵蝕后,置于金相顯微鏡下觀察。高溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫的試樣低倍形貌如圖3ａ所示,低溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫的試樣低倍形貌如圖3ｂ所示。

從圖3可以看出,高溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫在金相顯微鏡下觀察的低倍形貌中空洞較少,金屬互化物較薄且均勻；低溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫在金相顯微鏡下觀察的低倍形貌中空洞較多,金屬互化物較厚且不均勻,進(jìn)而得出高溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫質(zhì)量明顯優(yōu)于低溫Ag-Cu基釬料真空釬焊焊縫質(zhì)量。

２、試驗(yàn)驗(yàn)證

２.1試驗(yàn)原理

通過(guò)檢測(cè)液冷板的極限疲勞壽命、流動(dòng)阻力和極限耐壓強(qiáng)度,以驗(yàn)證液冷板的焊接質(zhì)量.疲勞測(cè)試件由2條快插軟管接入疲勞試驗(yàn)機(jī),疲勞試驗(yàn)機(jī)由水泵提供壓力源,調(diào)壓閥橋接在進(jìn)出口管線上,用以控制系統(tǒng)壓力,水泵出口端設(shè)有常閉式電磁閥用以控制疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù),進(jìn)口軟管前端設(shè)有壓力變送器和壓力表.阻力試驗(yàn)機(jī)與疲勞試驗(yàn)機(jī)公用一個(gè)水箱,由水泵提供壓力源,流量開(kāi)關(guān)控制流量,調(diào)壓閥橋接在進(jìn)出口管線上,用以控制系統(tǒng)壓力,流量開(kāi)關(guān)出口端設(shè)有壓力變送器和壓力表,阻力測(cè)試件由兩條快插軟管接入阻力試驗(yàn)機(jī),壓差表與阻力測(cè)試件并聯(lián)設(shè)置,檢測(cè)流動(dòng)阻力.極限疲勞、阻力試驗(yàn)原理如圖４所示。

極限耐壓試驗(yàn)的氣壓試驗(yàn)機(jī)需配置外部氣源,由高壓上氣路和低壓下氣路組成.由手動(dòng)三通確定使用上氣路或下氣路,由電磁閥控制氣路的通斷,氣路內(nèi)設(shè)有過(guò)濾器,以提高氣源潔凈度,上氣路設(shè)有增壓器,最高可將氣路壓力調(diào)整至2MPa,下氣路設(shè)有減壓閥,可將氣源壓力調(diào)整到指定值,氣壓試驗(yàn)機(jī)出口處設(shè)有壓力變送器.極限耐壓試驗(yàn)原理如圖5所示。

２.２試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)搭建性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)真空釬焊后的鈦合金液冷板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試,包括極限耐壓能力測(cè)試、極限疲勞強(qiáng)度測(cè)試和流動(dòng)阻力測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證其焊接質(zhì)量,以確保液冷板可以安全使用.性能檢測(cè)如圖６所示。

極限疲勞壽命的測(cè)試過(guò)程為:先清理測(cè)試件表面水漬,將快插接頭連接至零件,并連接好管路；打開(kāi)回水閥后再啟動(dòng)疲勞試驗(yàn)電機(jī),待管路內(nèi)氣泡排凈后,關(guān)閉回水閥；設(shè)定疲勞壓力上限0.5MPa、疲勞次數(shù)2000次、間隔時(shí)間5ｓ,并啟動(dòng)疲勞試驗(yàn)；觀測(cè)零件焊縫處是否有肉眼可見(jiàn)的水滴,如有,則停止試驗(yàn),否則,待已試驗(yàn)次數(shù)增大到2000次后停止試驗(yàn)。

流動(dòng)阻力的測(cè)試過(guò)程為:先檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)在1.5Ｌ/ｍｉｎ流量下的流動(dòng)阻力,再將零件連入測(cè)試系統(tǒng),在1.5Ｌ/ｍｉｎ流量下測(cè)定阻力,兩次測(cè)定阻力相減后,即為零件流動(dòng)阻力。

極限耐壓能力的測(cè)試過(guò)程為:將快插接頭連接至零件,并連接好管路；將測(cè)試件置于水中,并逐漸進(jìn)行加壓；清理零件在入水過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡,并觀測(cè)水中是否有新的氣泡出現(xiàn),逐漸加壓至1MPa,如加壓過(guò)程中有連續(xù)出現(xiàn)的氣泡,則停止加壓；零件在水中保壓30ｍｉｎ,觀測(cè)零件焊縫處是否出現(xiàn)氣泡；保壓期間,零件上無(wú)連續(xù)出現(xiàn)的漏點(diǎn),且表面未出現(xiàn)無(wú) 法清除的氣泡,則認(rèn)為零件通過(guò)極限耐壓試驗(yàn)。

２.3試驗(yàn)結(jié)果

極限耐壓能力測(cè)試過(guò)程中,高溫Ag-Cu基釬料釬焊的液冷板測(cè)試件在1MPa下,觀測(cè)測(cè)試件焊縫處沒(méi)有出現(xiàn)氣泡,壓力表示數(shù)穩(wěn)定,無(wú)明顯變化；低溫Ag-Cu基釬料釬焊的液冷板測(cè)試件在1MPa壓力下,測(cè)試件焊縫處有出現(xiàn)連續(xù)氣泡,壓力表示數(shù)不穩(wěn)定,明顯變化。

極限疲勞強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程中,高溫Ag-Cu基釬料釬焊的液冷板測(cè)試件經(jīng)歷2000次0.5MPa反復(fù)升壓,測(cè)試件焊縫處沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的水滴,測(cè)試件未發(fā)生損壞；低溫Ag-Cu基釬料釬焊的液冷板測(cè)試件經(jīng)歷2000次0.5MPa反復(fù)升壓,焊縫處出現(xiàn)連續(xù)可見(jiàn)的水滴,測(cè)試件發(fā)生損壞。

流動(dòng)阻力測(cè)試過(guò)程中,高、低溫Ag-Cu基釬料釬焊的液冷板測(cè)試件在1.5Ｌ/ｍｉｎ流量下的流動(dòng)阻力均不大于0.3MPa,均滿足設(shè)計(jì)輸入要求的流阻壓降。

3、結(jié)論

(1)薄壁TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件這類細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)真空釬焊過(guò)程采用釬料以及加石墨塊配重的工藝方案,高溫Ag-Cu基釬料銀銅鈦釬料的真空釬焊后的焊縫質(zhì)量無(wú)論在宏觀還是微觀上都明顯優(yōu)于低溫Ag-Cu基釬料銀銅銦鈦釬料的真空釬焊后的焊縫質(zhì)量。

(２)通過(guò)檢測(cè)其極限耐壓強(qiáng)度、極限疲勞壽命和流動(dòng)阻力,更進(jìn)一步驗(yàn)證了采用高溫Ag-Cu基釬料和低溫Ag-Cu基釬料真空釬焊后的TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量,采用高溫Ag-Cu基釬料銀銅鈦釬料真空焊接的TC4鈦合金液冷板與流槽結(jié)構(gòu)件焊接的焊縫均勻、焊接穩(wěn)定性更好。

(3)本研究對(duì)薄壁細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金真空釬焊進(jìn)行了深入研究,為微通道技術(shù)領(lǐng)域薄壁細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的真空釬焊技術(shù)提供了參考依據(jù)。

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