不锈钢真空钎焊的工艺要点

发表时间：2019-11-14 20:24:41  浏览次数：588

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不锈钢真空钎焊的工艺要点包括：钎焊接头设计、连接方式、定位、间隙、钎料的置放，另外在钎焊前需要对工件表面进行处理。详情如下：


1钎焊接头的设计


设计钎焊接头时，应考虑接头的强度、组合件的定位方法、钎料置放的位置、接头间隙等诸多因素


1.1钎焊接头连接方式：


钎焊接头有对接和搭接两种方式。


采用对接接头，由于钎料和钎缝的强度一般比母材低，因而对接接头不能保证接头具有与母材相等的承载能力，因此钎焊接头大多采用搭接形式。通过改变搭接长度提高钎焊接头的强度。


对于采用高强度铜基、镍基钎料钎焊的搭接接头，搭接长度通常取为薄壁件厚度的2～3倍。由于工件的形状不同，搭接接头的具体形状也各不相同。对于薄壁件而言，常采用锁边形式的搭接方式，提高钎焊接头的强度。


1.2接头的定位


组合件的定位是影响钎焊质量的重要因素。


定位的方法主要有依靠自重、紧配合、毛刺定位、点焊定位、（氩弧焊）涨口定位、夹具定位等。


列管式EGR冷却器将采用涨口定位、点焊定位、焊接变位器等多种定位方法


1.3钎料的置放


钎料置放的原则是应尽可能利用钎料的重力作用和钎缝的毛细作用来促进钎料填满间隙。


EGR冷却器的钎焊将使用镍基钎料膏状和非晶态薄带两种。膏状钎料应直接涂在钎缝处，而非晶态薄带钎料标准有0.0254mm 0.0381mm等不同的厚度。


按工件要求加工成不同的形状，置于钎缝处。


总之镍基钎料合理的使用对我们来说还要做很多工作，比如钎料表面处理、膏剂的涂覆方法、钎料用量等诸多方面，根据实际要求进一步完善。


1.4接头的间隙：


钎焊时是依靠毛细作用使钎料填满间隙。


正确地选择接头间隙很大程度上影响钎缝的致密性和强度。不同的钎料对接头间隙的要求也有所不同。镍基钎料要求接头间隙为0.02~0.10mm，比其它钎料相比，这种钎料要求接头间隙小的特点应引起足够的关注。


由于BNi-2镍基钎料含有硼（3.2％），硅（4.5％）可以形成脆性相的元素，为保证接头的性能，应尽量使这些元素在钎缝内通过扩散作用而降低到最低程度。


当间隙小时，这些脆性相的元素数量少，向母材扩散的距离短，可以通过扩散使这些元素在钎缝中的浓度降低。从而避免产生脆性相，提高钎焊的强度。反之这些脆性相的元素将滞留在钎缝中形成脆性相。


资料表明，当间隙为“零间隙”、0.05mm、0.1mm时。脆性相随着间隙的变化而增大。间隙在0.1mm时，脆性相不仅增多，而且形成明显的连续层。钎缝的强度严重降低，危害极大。因此钎缝最佳间隙应控制小于＜0.08mm。


2工件表面处理


钎焊前彻底清除工件表面的氧化物，油污，脏物是钎料和母材相互润湿、扩散填充焊缝的前提条件。


工件表面净化处理的方法主要有以下几种：


2.1清除油污


有机溶剂，金属洗涤剂，碱溶液：


2.2清除氧化物


机械方法，化学清洗，电化学清洗


根据观察国外样件表面的光亮度的程度，其表面处理应有去油和化学清洗两道工序。EGR冷却器列管式结构，属薄壁件钎焊，焊点多达200多个，还要满足气密性，耐腐蚀性，及强度的要求，难度较大。因此彻底清除工件表面的油污，氧化物尤为重要。


3.制定温度曲线


空烧净化的目的是将真空炉升温到高于焊接温度80℃的条件下保温1.5小时净化炉内气氛，


使炉内母材和钎料的蒸发物得以挥发出去。


空烧温度高，固然净化效果好。但过高的空烧温度会对炉体热屏、加热体有一定的损害。空烧时炉内应放一些瓷壳，利用瓷壳表面吸附炉内的蒸发物。


实施空烧净化程序的要求：


●批量生产7～10天后


●真空炉停用后恢复生产


●真空度低造成炉体氧化或工件氧化严重


●炉体重大维修以后


4重熔温度


重熔温度对于多级真空钎焊和钎缝有缺陷回炉补焊，提高成品率来说是很重要的。


重熔温度即焊后钎缝的熔点。不锈钢在钎焊过程中熔化的钎料与不锈钢相互作用，使得焊后钎缝的成份不同于所用钎料的成份。


钎缝的重熔温度也不同于钎料的熔点。


通常，一般钎料的重熔温度要高于钎料熔点几十度。


根据钎料的重熔与钎料成份、钎焊工艺之间的关系，确定合适的工艺规范，使钎缝的重熔温度大大高于钎料的熔点。不仅提高钎缝的使用温度，还提高了多级钎焊或补焊时的温度。


资料表明：影响BNi-2镍基钎料重熔温度的因素很多。而影响钎料重熔温度的主要因素是母材与钎缝之间元素硼的扩散。


BNi-2钎料中降低钎料熔点影响最大的化学元素是硼。钎缝中的硼向母材中扩散，使得硼在钎缝中的浓度降低。扩散时间越长，硼的浓度就降得越低。而硼的蒸发量很小，影响可以忽略，母材向钎料中的溶解使BNi-2镍基钎料中的硼的变化量很小。这种变化对钎缝的液相线有一定的影响，对固相线（重熔温度）影响不大。因此，BNi-2镍基钎料的重熔温度比钎焊温度通常要高约100℃。利用钎料的重熔温度比钎焊温度通常要高的特性，可以采用同一温度曲线对有缺陷的焊件进行回炉补焊，不会造成原焊缝融化。


5.氩气分压控制工艺


真空钎焊根据真空条件不同可分为高真空钎焊，局部真空钎焊两种。


高真空钎焊适用于含有易挥发元素较少，及氧化物难以分解的钎料、母材。


如果钎料中含有较多的易挥发元素，为了在钎焊温度下减少钎料、母材中这些元素的蒸气压力，提高钎焊质量，可以采用通入一定分压氩气的局部真空钎焊技术。


钎焊升温过程中，钎料和母材能够保持固相或液相的最低压力是由计算或经验确定的。


钎焊在高真空状态下升温过程始终要是温度刚好低于汽化开始的温度（液相线温度）时通入一定量的高纯度氩气。以便平衡在汽化开始的温度下易挥发金属的蒸汽压力。采用这种技术，可以减少钎料和母材的蒸发，从而大大地扩大真空钎焊可焊的材料范围。尤其含有易挥发元素锰，磷等钎料，效果更明显。


局部真空钎焊工艺可概括为两次充氩。第一次充氩（氩气分压控制），温度接近焊接温度时


充氩10～15分钟，氩气压力为40kPa。第二次充氩（快冷），降温到500℃时启动快冷，氩气压力为70～80kPa。


6.1真空钎焊应用特点


真空钎焊技术能够得到迅速的发展和应用，主要是因为与其它焊接方法相比，具有一系列的优点。


（1）在全部钎焊过程中，被钎焊零件处于真空条件下（10-2Pa～10 Pa范围），不会出现氧化、增联、脱碳及污染变质等现象，焊接接头的清洁度和强度较高。


（2）钎焊时，零件整体受热均匀，热应力小，可将变形量控制到最小限度，特别适宜于精密产品的钎焊。


（3）基体金属和钎料周围存在的低压，能够排除全属在钎焊温度下释放出来的挥发性气体和杂质，可使基体金属的性能得到改善，而且可以得到很光亮的接头。


（4）因不用钎焊剂，所以不会出现气孔、夹杂等缺陷，可以省掉钎焊后清洗残余焊剂的工序，节省时间，改善了劳动条件，对环境无污染。


（5）可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成。选择适当的钎焊工艺参数，还可将钎焊安排为最终工序，而得到性能符合设计要求的钎焊接头。


（6）可一次钎焊多道邻近的焊缝，或同炉钎焊多个组件。焊接效率高。


（7）可钎焊的基本金属种类多，特别适宜钎焊铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、高温合金等。也适宜于钛、锆、铌、钼、钨、钽等同种或异种金属的钎焊连接。对难熔金属的连接，真空钎焊是产生无疵接头的最佳方法之一。对于复合材料、陶瓷、石墨、玻璃、金刚石等材料也适用。


（8）开阔了产品设计途径，对带有狭窄沟槽、极小过渡台、盲孔的部件和封闭容器、形状复杂的零部件均可采用，无需考虑由钎焊剂等引起的腐蚀、清洗、破坏等问题。但是，真空钎焊也不可避免地存在一些缺点：


①在真空条件下金属易于挥发，因此对含易挥发元素的基本金属和钎料不宜使用真空钎焊。如确需使用，则应采用相应比较复杂的工艺措施。


②真空钎焊对钎焊前零件表面粗糙度、装配质量、配合公差等的影响比较敏感，对工作环境要求高。


6.2真空钎焊接头设计的依据和原则


钎焊接头是组成钎焊结构的关键，它钎焊结构的性能和安全等方面有着直接的关系。


对于任何钎焊接头，都必须满足的基本要求为，应与被连接零件具有相等的承受外力的能力。接头的承载能力与许多因素有关，如：接头型式、选用的钎料的强度、钎缝间隙值、钎料和基材间相互作用的程度、钎缝的钎着率等，但其中起相当重要作用的是接头型式。真空钎焊时，选择或设计所需使用的接头类型，会受到多种因素的影响。这些因素包括所使用的针焊方法和设备，钎焊前零件的制造技术，钎焊件的数量，施加钎料的方法以及接头最终使用的要求等。


一般，设计真空钎焊接头主要应当考虑以下原则。


6.2.1防止应力集中


一般基材本身能承受较高的应力和动载负荷；因此，一个优良的钎焊件设计总是不使接头边缘处产生任何过大的应力集中，而设法将应力转移到基材上去。为此，不应把接头布置在焊件上有形状或截面发生急剧变化的部位，以避免应力集中；也不宜安排在刚度过大的地方，防止在接头中形成很大的内应力。异种材料组成的接头，先要计算不同材料在钎焊温度下的膨胀量，以验证与推荐的钎焊间隙是否一致，还要充分考虑整个构件受热所带来的不利因素。一般把热膨胀系数较大的材料尽量设计在内部，热膨胀系数较小的材料设计在外部，以保证较小的钎焊间隙。如果二者的热膨胀系数相差很悬殊，则在接头中将引起较大的内应力，甚至导致开裂破坏。这时，在设计中应考虑采用适当的补偿垫片，借助它们在冷却过程中产生的塑性变形来消除应力。焊缝部位在冷却后希望获得压应力，以免焊缝拉裂。常均选用热膨胀系数大的基体金属围绕在热膨胀系数小的基金属外部的结构形式。


在设计由厚度不同的零件组成的接头时，为了避免在载荷作用下接头处发生应力集中，有时应考虑局部地加厚薄件的接头部分。


6.2.2满足工件的工况要求正确选择钎焊接头及钎焊面的结构，以保证真空零部件的气密性、导电性及导热性。


不同的构件有不同的使用要求和工况条件，设计接头时必须对具体情况采取相应的措施。对于要求承压密封的钎焊接头，只要可能的话，都应采用搭接型式的接头，因为这种接头型式具有较大的钎焊面积，发生漏泄的可能性比较小。图4所示为几种承压密封容器的典型钎焊接头。


在导电接头的设计中，要考虑的主要因素是导电性。正确的接头设计不应使电路的电阻有明显增大。


6.2.3有利于钎料的合理放置


从结构上限制焊料的流失及使焊料充满焊缝。真空钎焊中钎料是预先放置的，设计接头时，应考虑钎料的装填方式和位置。需要在接头基材上开槽预置钎料，槽应开在截面较厚的零件上或易加工钎料槽的零件上，如图5所示。


6.2.4便于检验


设计接头时应考虑将钎料安放在组件的内侧，钎焊时钎料就会向外流，检验者可以直接观察钎料的流布情况和整个接头的钎透情况。


在一些情况下，钎料不能放入接头中，为了保证使钎料适当地流入接头和便于检验，


钎料应放在接头的一侧，并能流入接头，这样就可从接头的另一侧检验钎料的流布情况。


6.2.5确保接头的装配间隙值稳定


接头的装配间隙值对钎焊接头的性能和钎焊工艺都有着极大的影响，它的确定是钎焊接头设计的一个重要内容。


6.2.6便于组件的定位及夹持，零件装炉准备钎焊时，要求零件彼此之间应能保持正确的相对位置；接头设计时，在不影响组件结构性能的前提下，尽可能为组件自重定位和装配设计凸台、四槽及工艺台阶等。


6.2.7有利于控制和消除组件的变形


真空钎焊时，组件要整体受热，接头设计要充分考虑重、厚、大的零件应置于下边；轻、薄、小的零件置于上方，以避免高温时重力引起的变形。同时要利于装配应力的释放。


6.3真空钎焊接头基本形式


在真空钎焊生产中，与其它钎焊生产一样，基本上采用两种接头型式：搭接接头和对接接头。此外，具有T型接头和角接特点的钎焊接头，可以当作对接接头来对待。


6.3.1搭接接头


搭接接头是钎焊连接的基本接头型式。


在搭接接头中，可借助于搭接面积的改变，使接头的强度与较弱部件的强度相等，即使使用较低强度的钎料，或者在接头中存在少量缺陷时也是这样。通常，搭接部分至少要3倍于较弱部件的厚度才能获得最大的接头效率。图6为低应力状态下的搭接接头。图7为高应力状态下的搭接接头，接头零件中的圆弧可使载荷均匀分配到基体金属中去，以避免应力集中搭接接头能够获得最大的接头效率，而且它的装配要求也相对地较为简单，容易制造。但是搭接接头型式也存在其固有的明显缺点，一方面，增加了基材的消耗，增大了结构重量；另一方面，接头截面有突然变化，会导致产生应力集中。


钎焊保温时间短，某个组元向母材扩散时间短。在钎料固一液相区间升温时间太长，钎料部分组元挥发多。真空压强太高或真空炉泄漏率大，加热时钎料或母材又部分氧化。


氧化膜清除不彻底。


钎料或母材在碱洗时过腐蚀而改变了钎料的组分。


钎剂用量少，钎料的润湿性不好。


（2）消除措施


延长保温时间，使扩散充分完成。采用分区间升温，在钎料固一液相区间快速升温，减少钎料低熔点组元的挥发。


降低真空压强，防止加热时钎料或母材再度氧化。检查设备的压升率。


增加碱液浓度或温度，或延长碱蚀时间，彻底清除氧化膜。


降低碱液浓度或温度（一般控制在60°C），或缩短碱蚀时间，把钎料或母材分开碱洗，防止碱洗时改变钎料的组分。


增加钎剂用量，改善钎料的润湿性。


4漏焊


漏焊是钎焊件对接处钎缝处无钎料或钎料熔化流失而形成的未焊合的缝隙。


（1）原因


钎料用量不够或连接缝隙大。钎焊升温速率太大导致零件变形大使联结缝隙增大，形


不成毛细现象。


钎剂使用量大，


钎料的润湿性太好导致钎料流失或钎焊缝过宽。


在钎料固一液相线区间升温速率慢，钎料低熔点组元的挥发多改变了钎料组分，提高了余下部分钎料的熔点，降低了钎料和母材间的相互扩散作用。


装炉量大或工装设计不合理。


工装太重吸热量太大，而导致升温速率慢。保温时间长或冷却速率慢等，钎料低熔点组元的挥发多。钎料过腐蚀，改变了其成分进而改变了熔点。


（2）消除措施


增加钎料用量，增大工装的夹紧力缩小连接处缝隙。钎焊前增加钎焊组件的去应力退火工序，或者分阶段升温并设置等温阶段，在500℃以上快速升温。减少钎剂的使用量，连续钎焊时应逐炉减少钎剂的使用量。减少装炉量，减轻工装重量，用石墨取代部分不锈钢。缩短钎料碱腐蚀时间，或调整腐蚀工艺参数，钎料和母材的腐蚀应分开进行。


5针孔（气孔）


钎焊过程中熔化钎料中的气泡在凝固时形成于表面的孔穴，小的称针孔，大的称气孔。


（1）原因


钎焊时真空度达不到要求，正常钎焊真空度要求在2·0×10-3Pa。钎焊炉内压力大，钎料中的气泡逸出阻力大。钎料成分不对，低熔点高蒸气压元素含量过高。


（2）消除措施


在接近钎料熔点处设定保温平台以降低钎焊炉内压力。


减少钎料中大蒸气压元素含量。


6钎料不全熔


钎料不全熔是一部分钎料组分熔化而剩下高熔点的组分未熔，表观看就是钎料的表层熔化而中间没有熔化的缺陷。


（1）原因


产品装炉量大，或者工装太重热容量大，在钎料固—液相线区间升温速率慢，在熔化过程中，在真空环境中，钎料的低熔点组分汽化过多，改变了钎料的成分，使余下的钎料点升高而不熔。


（2）消除措施


分阶段升温，提高最后阶段的升温速率，在500℃设置等温段，消除工件温度的滞后，以提高钎料固一液相线区间升温速率，减少装炉量，减轻工装重量或更换部分不锈钢为石墨，减少工装的热容量以提高工件的升温速率。


7钎焊件变形


（1）原因


升温速率大，释放应力过快或热应力过大，冷却过快也使热应力过大。工装钢度不足或装夹强度不足。


（2）消除措施


钎焊前增加钎焊组件的去应力退火；采用分阶段升温，设置等温平台，在接近钎焊保温温度时快速升温；


分阶段控制降温，在钎料固相线温度以下慢冷。提高工装钢度和装夹精度。


8钎焊不透或透过距离不够，钎焊时间过短，流速未达到。


9通过以上的分析应做好以下工作：


（1）所用原材料应确保产品质量，要从正规、专业厂家购进


（2）严格按照真空钎焊工艺程序进行备料、表面清洗处理、组装、钎焊


（3）要在实践中对真空的钎焊温度、保温时间、真空度等钎焊工艺制度进行优化并严格控制


（4）控制环境湿度或对产品进行预烘：按通用烘干工艺对产品进行烘干，烘干转速200±50r/min，烘干温度200±10℃。