影响铝合金真空钎焊质量的关键因素

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空空导弹研究院 作者:李伟

  通过钎剂、钎料、真空度、工装夹具和钎焊工艺等对铝合金真空钎焊质量的影响实验研究,明确了这些关键因素的影响机理,归纳出了钎焊工艺设计的关键点。工作压强≤1 ×10-3 Pa 是铝真空钎焊的必要条件,尽可能减少工装的热容量是基本的设计原则。

  某零件的型腔结构复杂需要钎焊成型。该零件需要多层叠焊,在多条棱上和多个圆环上形成钎焊缝。要求焊缝的焊接圆角R ≤0.2mm ,不得有钎料漫流, 要求多层0.6mm 厚的板叠焊后平面度≤0.05mm。另一种零件是要把5 个组件焊接起来,要求两个矩形面对接焊接形成垂直的两个型腔,钎焊缝在型腔内表面要齐平,不得凸起或凹陷,两个型腔要对接平整,不得有错位。这些零件钎焊的特点是在窄而长的棱上形成焊缝,要求较高的焊接强度。

  这类对焊接圆角和型位公差、焊缝及型腔的粗糙度要求极其严格的铝合金硬钎焊,影响钎焊质量的工艺因素很多,工艺设计较复杂。

  对于精密零件的钎焊,真空钎焊是较合适的工艺,它不需要钎焊后清除钎剂工序。真空钎焊就是将钎料、钎焊组件用工装夹具装夹调试好后,放入真空钎焊炉中整体加热、保温、冷却而实现钎焊的一种焊接方法。真空钎焊具有尺寸变形小、焊后不需要清洗、可以实现多条焊缝、多个零件同时焊接、绿色环保的优点,复杂精密的铝合金硬钎焊零件可以选用真空钎焊方法。为制定这类复杂精密铝合金零件的真空钎焊工艺和检验规则,我们对影响铝合金真空钎焊质量的因素进行了系统地实验研究,本文对这些影响因素进行归纳总结。

1、钎焊材料

1.1、钎剂

  铝的化学活性强,通常表面有一层极为致密的氧化膜,氧化膜的性质非常稳定,在旧膜被破坏时,能迅速形成新膜。钎焊时需要钎剂破坏这层膜,否则熔化的钎料不能与母材润湿。铝真空钎焊使用适量镁粉作钎剂,利用镁蒸汽对铝氧化膜的置换与破坏作用来改善钎料的润湿性。镁蒸汽的渗入还会降低钎料与母材间的界面张力,从而增强了钎料的润湿能力。

  实验表明,母材和钎料表面的氧化膜在入炉前清除不彻底或在加热时又发生了一定的氧化,就会焊接不上;若使用较多的镁粉,又会导致钎料漫流,损害零件的粗糙度,焊缝截面焊接圆角半径也不易控制,镁粉会污染真空系统,需要及时清洁真空系统。而使用Al-Si-Mg 钎料,若在入炉前能够彻底清除母材和钎料表面的氧化膜,适当控制升温速率,在450 ℃左右停留30min 以上,尽可能多地排除空气,在整个升温过程中维持压强≤1 ×10-3Pa ,即使不使用钎剂也能很好的焊接,焊接强度与有无添加镁粉没有区别。采用Al-Si-Mg 系钎料,不再添加钎剂,钎焊效果也很好。

1.2、钎料

  零件的材质是3A21、6063 ,固- 液相线温度分别是643 ℃~654 ℃和615 ℃~655 ℃,选择与母材具有相同的主要相组元的铝- 硅系钎料,添加一定量的镁元素可降低液态钎料的表面张力,实验表明镁元素的含量不能太高,否则会产生漫流,甚至焊缝处形不成液态钎料的毛细现象,形不成焊缝截面圆角。镁在真空环境中快速挥发也改变了钎料的成分,使焊接强度不易控制。钎料的液相线与固相线越接近越好。通过对三种成分(Al-Si-Mg) 的钎料的实验筛选, 钎料的熔点范围在555 ℃~ 580 ℃的Al80Si14Mg6 钎料,焊接强度好,焊缝截面圆角半径也容易控制。与进口钎料钎焊性能的对比试验也进一步证明了该钎料形成的钎焊缝圆角、钎料漫流、颜色、稳定性均比进口的钎料要好。

2、真空钎焊炉

  铝的化学活性高,易氧化,压强≥6 ×10-3 Pa 时,在升温过程中,母材和钎料被氧化变为灰色,钎料不能润湿母材。只有在压强≤5 ×10 - 3 Pa 时,并且在500 ℃前缓慢升温,在450 ℃停留30min ,以保证在升温过程中压强保持在≤5 ×10-3 Pa ,才能实现钎焊。

  真空钎焊炉的压升率是保证钎焊质量的重要指标,压升率就是把真空炉的压强抽至工作压强,关闭真空系统停止抽气后,单位时间内炉子压强的回升速率,它是体现钎焊炉密封漏气性能的一个技术指标,也称为泄漏率,真空钎焊炉的压升率< 0.3Pa·h - 1可以焊接出质量较高的铝合金零件。如果压升率较大,即使工作压强维持在≤1 ×10-3Pa ,铝合金零件钎焊质量也不易保证。因为大功率的抽气系统可以掩盖密封漏气指标,泄漏进炉内的气体虽然被迅速抽出,但钎焊件还是被氧化。

  在500 ℃~600 ℃升温阶段升温速率对焊接质量有重要影响,升温速率低,在真空环境中钎料低熔点成分快速挥发,留下高熔点组元不熔,甚至形成漫流。保温结束后的冷却速率同样很重要,过慢的冷却,相当于延长了保温时间,会产生漫流、漏焊、熔蚀等缺陷。

  真空钎焊炉的极限压强应≤10 - 4 Pa ,工作压强满足≤1 ×10 -3 Pa ,压升率< 0.3Pa·h - 1 。应有足够的加热功率, 能够快速升温, 升温速率≥12 ℃·min -1 。真空钎焊炉应配备气冷系统,能够快速冷却。在保证零件形位公差的前提下应用最快的速率冷却。铝合金钎焊质量对钎焊炉的控温精度、炉温均匀性要求较高, ±5 ℃可以满足小型零件的真空钎焊,现在市场上±1 ℃控温精度、±3 ℃炉温均匀性的铝真空钎焊炉可以钎焊出质量很高的零件。

3、钎焊工装夹具

  工装夹具应设计成装配位置尺寸精度高和具备装夹力可以调整的功能,工装夹具使用1Cr18Ni9Ti较好,在钎焊温度时夹具有一定的弹性,使焊缝连接处有合适的间隙,形成毛细现象吸附住熔化钎料,缝隙太大就保持不住钎料。

  挥发的钎料在螺纹牙间会形成毛细吸附最后凝固在牙间,拆卸不下来。螺栓应使用粗牙螺纹。工装夹具在第一次使用前还应在空气炉中先加热氧化一次,以减少钎料对其的润湿性,降低对辐射热的反射率。

  我们攻关前期用的钎焊实验的工装夹具的热容量大,钎料不熔、漫流、漏焊、熔蚀等缺陷不断出现,即使调整其它工艺参数也无法避免。经观察分析,原因为真空钎焊是辐射传热,零件的升温和降温速率受工装夹具热容量的影响较大,升温和降温速率小,这相当于升温速率慢和保温时间长,相对应的钎焊缺陷就不可避免。后镂空该工装、开设减重孔,使其重量降低了50 %多,经实验钎焊缺陷消除,钎焊效果良好。在不损害刚度的前提下应尽量减少工装的热容量,可以靠减轻工装重量和使用密度小、比热容小的材料来实现,比如石墨。

4、钎焊工艺

4.1、铝合金真空钎焊的工艺流程

  铝合金真空钎焊的工艺流程:

  钎料裁剪→钎焊件母材和钎料表面的氧化膜去除→钎料固定→装配→真空钎焊→检验。

4.2、表面氧化膜的清除

  用氢氧化钠水溶液腐蚀钎料和母材的氧化膜,在室温下碱腐蚀反应缓慢,需要较高的浓度,腐蚀速度快不易控制,易出现麻点。腐蚀时间长,钎料减薄较严重。通过对比实验筛选出容易控制的腐蚀工艺:温度80 ℃~85 ℃,腐蚀时间45s~50s ,碱洗后用清水冲洗掉碱液和碎屑,用稀硝酸除掉腐蚀产物,用水冲净酸液,用酒精或丙酮脱水。关键参数是碱液的成分、浓度、腐蚀温度、腐蚀时间、硝酸溶液的浓度和腐蚀时间长短等。如果碱液的成分和浓度选择不当,容易造成氧化膜清除不彻底或过腐蚀。氧化膜清除不彻底,液态钎料将无法很好地润湿母材。零件和钎料的过度腐蚀,可能会使其成分比例发生一定程度的变化,甚至使钎料的成分发生某种程度的变化,影响二者的润湿性能和焊接强度。除了碱液的成分和浓度外,腐蚀温度和腐蚀时间也对清除效果有重要影响,合适的氧化膜清除工艺参数需要通过试验优化。钎料和母材的腐蚀速率不一样,钎料和母材的腐蚀应分开进行。

4.3、真空钎焊加热

  真空钎焊加热速率对钎焊质量有重要影响。加热速率快,零件的表面颜色暗,平面度差,对比实验发现分阶段升温效果较好。在加热时铝的活性增强,极少量的空气也能使其氧化,同时气体受热膨胀,降低升温速率,可以把热空气尽量多的抽出;升温速率快,另一个不利影响是零件易变形,零件靠辐射传热,升温快导致温度不均匀,产生热应力或分区域释放应力而变形。在接近钎焊保温温度时又需要快速升温。升温速度慢,在钎料的固- 液相线温度区间停留时间长,在真空环境下钎料低熔点组分和蒸汽压大的组元挥发严重,余下的钎料组分的熔点升高保持固态不熔,钎焊不上。这与钎焊工装热容量大时出现的情况是一样的。而对于零件的平面度,在这个阶段快速升温也是允许的。在500 ℃时应力已经释放完毕, 铝合金的再结晶温度低于500 ℃,500 ℃以上时铝合金的塑性好,热应力容易释放。在模拟试件钎焊实验时,在400 ℃保温30min 而后快速升温至600 ℃保温25min ,比直接升至600 ℃的钎焊效果好。进一步的实验结果是仅在450 ℃停留30min ,而后10 ℃·min -1升至620 ℃钎焊的某零件完全合格。

4.4、铝合金真空钎焊保温

  一般将保温温度控制在低于母材固相线温度而高于钎料液相线温度,温度过高,易产生母材熔蚀缺陷,温度过低易出现钎焊强度低,甚至钎料不全熔。钎焊保温时间以工件达到钎料液相线温度以后2min 左右为宜,保温时间过短,钎焊缝不饱满圆滑甚至钎料不完全熔化;保温时间过长,则出现钎料漫流或漏焊。保温时间的长短受零件和工装的热容量的影响,热容量大保温时间长些。不同的零件和装炉量的真空钎焊需要实验筛选出钎焊保温时间。

4.5、铝合金真空钎焊冷却

  钎焊保温时间不宜太长,保温结束后需要快速冷却,采用保护气体强制均匀冷却,以零件的变形程度满足要求为冷却速率最佳值。冷却慢与延长保温时间一样,会产生钎料漫流或漏焊缺陷,对于尺寸较大的零件,快速冷却非常重要,零件和工装热容量太大时即使气体强制冷却也无法消除此类缺陷,需要减少装炉量。

5、结论

(1) 钎料的选择

  注意事项:钎料的主组元应和母材相同,钎料的液相线温度要低于母材固相线温度至少30 ℃,温差越小对钎焊炉的控温精度、炉温均匀性要求越高;钎料的固相线与液相线之温度差要尽可能的小;在钎焊温度下,钎料的主要成分应具有较高的化学稳定性,即具有较低的氧化性,并具有较低的蒸汽压;钎料的主要成分元素与母材的主要成分元素在元素周期表中的位置应当尽量靠近,这样钎缝的抗腐蚀性能好。

(2) 钎焊工艺

  由于铝合金和钎料牌号、零件的形状和大小、对钎焊质量的不同要求等的差异,表面氧化膜清除碱液的成分、浓度、腐蚀温度和腐蚀时间,真空钎焊的真空度、升温速率、保温时间、冷却速率等工艺参数会略有差异,应根据不同的情况通过实验筛选优化,最终确定最佳的工艺参数组合。

(3) 铝合金真空钎焊炉

  真空钎焊炉的性能指标:

  工作压强≤1 ×10 - 3 Pa ,压升率< 0.3Pa·h -1 ,控温精度±1 ℃,炉温均匀性±3 ℃,具备气冷功能。

(4) 工装夹具

  工装夹具在保证刚度满足钎焊要求的前提下,尽量的简单、质轻。

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