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铜与不锈钢的真空钎焊


武汉理工大学 硕士学位论文 铜与不锈钢的真空钎焊 姓名:郭红 申请学位级别:硕士 专业:材料学 指导教师:陈先咏 2003.5.1

摘要
在航空航天、机械、化工、冶金等工业制造中,常可见到不锈钢与铜合 金之间所形成的复合零部件结构。这样的复合结构不仅能节省大量的有色金 属,而且能显著降低成本。焊接是各种金属结构的主要制造工艺之一。由于焊

>
接热过程和焊接冶金的特殊性,加上不锈钢与铜的导热系数、热膨胀系数等 存在较大的差异,往往使焊接结构的使用性能有所降低,甚至成为结构损坏 的直接或间接原因。因此对于这两种材料焊接工艺的改进是极为重要的课 题。基于钎焊的特点,尤其是1.4.1节中所述真空钎焊的优点,我们尝试用
真空钎焊铜与不锈钢,以期得到有实用意义的、性能优良的钎焊接头。 文中详细叙述了异种金属材料1Crl8Ni9Ti不锈钢与紫铜的真空钎焊方 法。根据理论分析和实际经验,进行了钎料的设计、接头设计和工艺参数设

定,并分析了影响这两种材料真空钎焊的因素,着重通过实验分析了钎焊装 配间隙对钎焊结果的影响。通过对接头的组织分析和性能测试,结果表明采 用本文推荐的工艺,真空钎焊这两种材料所能达到的性能指标,能满足散热 器中铜与不锈钢焊接的使用要求。 本文共分五章,第一章为绪论,介绍了真空钎焊方法及其优缺点、铜与
不锈钢焊接性及焊接国内外现状。第二章介绍了真空钎焊接头的形成机理。 第三章给出了实验所用的设备和采用的工艺路线,具体分析了各个工艺参数 对钎焊结果的影响及参数设计原则。第四章是实验结果和分析,分析了不同

工艺参数下得到不同结果的原因。第五章为结束语。

关键词:

铜、不锈钢、真空钎焊

ABSTRACTS
During the industrial manufacturing process ofaviation,mechanism,chemical engineering and metallurgy,complex construction made of stainless steel and copper alloy were always used.It
one carl save

many nonferrous metals and reduce the costs obviously

as

well.Welding is

of the main manufacturing techniques of metallic construction.But in some occasions,
are

applied performance of welded construction
reasons

low,and

even

become direct and indirect

of construction destroy;because of the particularity of welding heat process and

welding

metallurgy,and the remarkable difference of heat conduction and heat expansion
between stainless steel and

COgfficients
techniques

copper.Therefore,improvement of welding

between

stainless steel and copper has been

an important topic.According
to

to

the

characterization of brazing,especially the merits of vacuum brazing mentioned in section 1.4.1.these two welding techniques were both employed in this paper with practical value obtain

brazedjoint

and favorable performance.



Vacuum brazing of heterologous metallic materials?1Crl8Ni 9,ri stainless steel and pure copper Was introduced in details.Design of solder parameters were developed according affecting the vacuum the affect of According
tO to

and joints,and seaing of technical
the analysis of

theoretical

analysis and practical experience.Factors
on

brazing were analyzed.And the em【phasis was laid
on

brazing assembled clearance

brazing results through the experiments. Can
meet the

the construction analysis and property testing ofthejoints,results show that the of vacuum brazing in this paper

performance

demand of welding between

stainless steel and copper in radiators. 5 chapters were included in this paper.Vacuum between stainless steel and copper,and
recent

brazing and its properties,weldability

research situation of welding technique were

introduced in the l。chapter.The 2“o chapter included the formation mechanisms of vacuum

joints.In

the 3”chapter,the equipments
on

and technical

routes involved were

described.The

effects of each technical parameter

results of brazing and design rule of parameters were

also involved in this chapter.Experimental results

and analysis were included in the 4“ analyzed.The

chapter.Reasons why different parameters lead to different results were also

last chapte'r Was conclusion parts.

Key

Words:Copper,Stainless Steel,Vacuum braze

武汉理l‘人学硕十学位论文

第l章绪论

1.1引言
真空钎焊是在真空气氛中不用施加任何钎剂而连接零件的一种先进的

工艺方法,可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构,而得到光洁致 密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头【l】。目前这种工艺不仅在航 空、航天、原子能、电气仪表等尖端工业中成为必不可出的生产手段,而且 在石油、化工、汽车、家电等有关机械制造中得NT推广和普及。 真空钎焊技术的发展:
最初的钎焊都是在普通大气条件下进行的,不采用任何保护措施,工件 材料在加热过程中,必然会遭受周围大气的侵入,发生氧化或污染,钎焊接 头质量得不到保证。

为了防止氧化污染,去除工件表面的氧化膜和改善钎缝形成过程,使用 银基钎料或铜基钎料并配合使用硼酸和硼砂等化合物作为钎剂12】,使接头质 量得到了极大的提高,钎焊工艺的应用范围也得到较大的扩展。 随着现代科技与生产的迅猛发展和航空航天等尖端工业的兴起,新的铝
合金、钛合金和高温合金等特殊材料的不断涌现和使用,对钎焊技术提出了

越来越高的要求,仅只依靠钎剂提高钎焊质量已不可能满足要求。这时一种
不用焊剂而向钎焊区通入受控保护气体的炉中钎焊工艺出现了,气体一般选

用氮气、氢气或惰性气体氩气,取得了很好的效果,解决了不少生产难题。 但是,这类工艺消耗气体多,经济效益差,对环境会造成污染,而且使用氢 气时,还可能会有爆炸危险,使这种工艺的推广受到了一定的限制。为了克 服这些不足,随着真空技术的发展,真空钎焊技术便应运而生。 最早的真空钎焊使用热壁真空炉,炉室较小,容纳零件有限,使用温度 也受限制,冷却周期长,适应被钎焊材料的范围也较窄,加之用于高温、高
强部件的钎料为金基钎料或贵金属钎料,钎焊成本高,致使真空钎焊技术在 这时期的应用仅限于少数尖端产品,得不到普遍的推广。

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1948年,美国WALL COLONOMONY公司首先研制出可用于高温部件

的、具有高强性的镍基钎料AMS4775,使钎料的成本降低了80%左右,对
真空钎焊技术的发展起到了极大的促进作用。 1958年,美国IPSEN公司首先研制成功真空密封高速风扇电机惰性气 体循环真空炉,具有强制对流冷却机能。这种新型真空炉的使用,为真空钎

焊技术在各个工业领域内的广泛应用奠定了基础。。 在我国,真空钎焊技术应用较晚,但自70年代后期开始,在研究、使 用和发展真空钎焊方面取得了很大的发展,相信在不远的将来,必将会使这 一先进生产技术应用更为广泛。

1.2铜与不锈钢的应用发展及其焊接性
1.2.1铜与不锈钢的发展概况
铜是在远古时代就已被人类广泛使用的金属【羽。而且至今仍是利用率很 高的金属之一。特别是纯铜,由于它是电和热的良导体,被作为优良电气材 料而广泛应用。铜及铜合金对于大气、海水或者各种药品、食品等有良好的 耐腐蚀性能,被广泛应用在化学容器、酿造设备、食品加工装置以及船舶部 件等方面。铜合金比铜的传热导电性能差,但是强度高,因此可以用它作各
种构件材料。 铜无磁性,具有很高的导电性、导热性和耐蚀性,塑性变形能力高,易

于热压或冷压成各种板材和型材,广泛用作导电器材、电缆,电器开关等电
气器材和冷凝器、散热器、热交换器等制品。但纯铜(即紫铜)强度不高,

为进一步提高其强度,保持塑性,加入锌、铝、锡、镍等固溶强化元素而分 别组成黄铜、青铜和白铜。 黄铜是铜与锌的合金,力学性能和耐蚀性能均高于紫铜,能很好地进行
压力加工,成本也较低,多用于各种结构部件。为了提高黄铜的耐蚀性能、 力学性能或者切削性能,在其中加入少量锡、铝、锰、硅等元素,即得到锡

黄铜、铝黄铜、锰黄铜等多元黄铜。 铜合金中主要加入元素不是锌而是锡、铝、硅、铍等元素时,通称青铜, 如锡青铜、铝青铜、或铍青铜等。青铜具有较高的耐磨性及良好的力学性能,

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铸造性能和耐蚀性能也很好。常用于制造各种耐磨零件及与酸、碱、蒸气等
腐蚀介质接触的零件。

以镍为主要合金元素的铜基合金称为白铜,若再加入锰、铁、锌、铝等
元素,则分别称为锰白铜、铁白铜等。白铜按用途分为结构白铜和电工白铜。

结构白铜的特点是具有高的力学性能和极高的抗蚀性,并具有耐热和耐寒的 性能。常用以制造在高温和强腐蚀介质中工作的零件。电工白铜具有特殊的
热电性质,即电阻率大,电阻温度系数小和热电动势大,在电工技术及仪器 仪表制造中获得广泛应用。

不锈钢通常是指含铬量在12%--30%的铁基耐蚀合金。
不锈钢的发明已有约九十年的历史。早在1913年英国的Brearly报道了 一种含铬12%.13%的铁基合金具有良好的耐蚀性,并称这类马氏体Fe—cr合 金为不锈钢。几乎在同一时期美国的C.Dantsizen开发了含铬14%.16%,含 碳O.07%.O.15%的铁索体不锈钢。德国也用不锈钢来称呼Strauss和Maurer

共同开发的奥氏体Fe.cr-Ni合金,这种合金中含碳量小于1%,含铬
15%.40%,含镍量小于20%。法国在1917年根据Chevenard的工作研制了
含Cr、Ni的专用钢。1929年,Strauss取得了低碳18.8不锈钢的专利权。为 了解决18.8钢的敏化态晶间腐蚀,1931年,德国的E.Houdreuot发明了含

Ti的18.8不锈钢(相当于现在的lcrl8Ni9Ti)。几乎与此同时,在法国的 Unieux实验室发现了当奥氏体不锈钢中含有铁索体时,钢的耐晶间腐蚀性能 会得到明显的改善,从而开发了y+口双相不锈钢。1946年美国的R.Smithetal 研制了马氏体沉淀硬化型不锈钢17-4PH;随后既具有高强度又可进行冷加 工成形的半奥氏体沉淀硬化不锈钢17-7PH和PHl5.7Mo等相继问世。至此, 不锈钢家族中的主要钢种,即马氏体不锈钢(包括沉淀硬化不锈钢)、铁素
体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体+铁素体双相不锈钢,便基本齐全了。在

相当长的一段时期内,大量的研究与开发主要集中于奥氏体不锈钢。后来由 于石油、化工、能源及原子能、宇航、海洋开发等尖端技术的迅速发展,对 不锈钢提出了更高的综合性能要求。不仅要求不锈钢具有良好的耐蚀性,还 要求其有高强度、耐高温高压、防辐照和耐低温等性能,使不锈钢的品种类 型得到进一步的开拓。特别是从70年代以来,不锈钢的工业精炼技术普遍 采用AOD(氩氧脱碳)法和VOD(真空氧脱碳)法,为新型钢种的开发提 供了工艺条件【5】。广泛使用的含钛(铌)稳定化奥氏体不锈钢被超低碳奥氏

堕坚堡!!查堂堡主堂堡堡苎



体不锈钢所取代。高性能的铁素体不锈钢得到很大发展。不锈钢的使用范围

近十几年来向轻工和家庭生活方面迅速扩展忡J。 我国于1952年开始生产不锈钢,以奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti为主。此 后三十年不锈钢的研制和生产有很大发展,纳入国家标准的钢号约五十种。 近十几年来不锈钢的发展更为迅速。1987年不锈钢的产量比1980年提高了
2.6倍。为满足军工和化学等工业的需要,研制了多种特殊用途的奥氏体不 锈钢和双相不锈钢,使用效果良好。高性能的铁索体不锈钢正在开发应用。 随着AOD、VOD二次精炼装备的陆续建成,低碳和超低碳不锈钢得到了相 当的发展【71。今后在发展不锈钢生产的同时,应着力改善产品结构,提高产

品质量,并进一步加快实现由1Crl8Ni9Ti不锈钢向超低碳不锈钢的过渡。

1.2.2铜与不锈钢的物理特性及焊接性
奥氏体不锈钢的膨胀系数大,约是低碳钢的1.3倍。焊接加热使结构膨

胀,冷却时则会产生较大的收缩变形和拉应力,容易引起热裂纹,所以奥氏 体钢有较大的热裂纹敏感性。铁索体钢、马氏体钢和双相钢的膨胀系数与低 碳钢相近或略小,因此在焊接中,热裂纹不是主要问题。而各种不锈钢的导 热系数都比较小,使焊接区的热量不易向远离焊缝的金属传递,造成焊缝和 热影响区过热,引起铁素体钢、马氏体钢和双相钢热影响区晶粒粗大和奥氏 体钢的热裂纹。本文实验中选用的是奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti,其主要成分
见表1.1所示,焊接热裂纹是最主要的问题。 表1.1不锈钢1Crl8Ni9Ti的主要化学成分(%)



Si

Mn
≤2.O

Cr

Ni





Ti

≤O.12

≤1.O

17~19

8~ll

≤0.03

≤0.035

5(c?0.02卜0.8

注:其余为Fe。

lCrl8Ni9Ti不锈钢热膨胀系数较大(如表1.2所示),熔化温度高,且
熔池流动性差‘14l,成形较差,特别在全位置焊接时更突出。这种情况下钎焊

的优越性就充分显示出来了。钎焊时,不存在熔池流动性差的问题,因其母
材金属不熔化,只有钎料熔化,所以不存在熔池。这样无论是在什么位置施

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焊,都能得到成形较好的焊缝。 表1-2铜与不锈钢的物理特性130l

\带拦

密度 (∥cm5)
8.94

熔化温度
(℃)
1083 1399~1454

热膨胀系数(O~100。C)
10‘6(mm/mm'C)
5.4 4.4

导热系数
W(m?K1’1
339 16

材藉\
紫铜
不锈钢

8.03

对铜来讲,直接影响到可焊性的是它的物理性质,如表l-2所示。同时, 氧、氢等气体成分对可焊性也有较显著的危害,因此在施焊前首先弄清铜及

铜合金的组成成分及特性是十分必要的。以下几方面因素尾影响到其焊接性
的主要因素:
1)导热性能良好,铜的导热性能是工业用金属中最好的,它的导热系数

为339w/m?K。铜的导热性能比低碳钢高8倒m】,一般的熔化焊焊接方法
为了防止热量从母材迅速失散掉,并可得到充分的熔深,必须用高温进行预 热。真空钎焊不存在这样的问题,因为熔化焊一般是局部加热,而钎焊是整
体加热。

2)线膨胀系数大,铜的线膨胀系数约是低碳钢的1.5倍,在冷却凝固时, 由于它的收缩应力,容易产生裂纹。但实验中采用的是铜与奥氏体不锈钢钎 焊。奥氏体不锈钢的热膨胀系数与铜的热膨胀系数相差不太大191,故焊接时
因应力而产生裂纹的敏感性会降低。

3)熔化温度高,铜及铜合金的熔点约是900--1100"C[361。对熔化焊来讲, 这确实是不利于焊接。但对钎焊来讲,只需要选择比铜的熔点低的钎料就可 以,不必达到母材铜的熔点,这大大降低了焊接温度。 4)焊接处容易析出气泡和氧化物【峙】,氢和氧在铜溶液中溶解度很高, 而在凝固时放出大量氢气,形成气7L。氧由于在Cu.Cu20形成的共晶体中析 出,而使机械性能降低,如果存在氢,即成水蒸气(I-120)并形成气孑L。这
些气孔使晶界产生许多裂纹,特别对于含氧量多的铜更要注意。

5)晶粒容易粗化,~般铜及铜合金不发生固相间的变态,所以晶粒容 易粗大”们,这也是机械性能降低和产生裂纹的原因。故各焊缝应进行锤击, 使其再结晶,随着晶粒微细化则能减少残余应力。

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6)黄铜焊接时锌会蒸发,故焊接处的锌含量大大减少,而且挥发的锌 变成了氧化锌,容易覆盖在焊接处,给施焊作业造成困难。真空钎焊时,锌 的蒸发会造成真空度降低等不良后果。 实验中采用的是钎焊,各类铜及铜合金的钎焊焊接性好坏,主要由其表

面形成的氧化物的稳定性而决定。紫铜可能形成CuO和Cu20两种氧化物。 室温下铜表面为Cu20所覆盖,而高温下的氧化皮为两层,外层为CuO,内 层为Cu20。对黄铜来说,当锌含量低于15%时,其氧化物由Cu20组成,其 中还有ZnO的微粒;当含锌量大于20%时,其氧化皮主要由ZnO组成。锡 青铜表面生成两种氧化物,内层有Sn02,外层为铜的氧化物。硅青铜表面
有硅的氧化物生成,铍青铜表面生成稳定的BeO,在铝青铜表面上可能会生

成AL203,铜镍合金氧化皮内层有NiO。这些氧化物中GuO的稳定性最小, 最容易还原:其他氧化物的稳定性则比较大一些。 黄铜由于含锌量较高,而锌的蒸气压则较高(907℃时达105Pa),一般 不推荐在真空下进行钎焊;如果由于结构特殊必须在真空下钎焊,则应先在 黄铜零件表面喷涂一层铜或电镀一层镍,以防止锌的挥发。但应注意,用这 种工艺措施连接的构件强度较低,只能用于静载接头或电气元件。 通常,紫铜和绝大多数青铜、白铜都能直接进行真空钎焊,获得优质的
接头。实验中采用的是紫铜。

铜的导热率高,线膨胀系数大,为了防止铜部件的变形或软化,钎焊时 应尽量选择低熔点的钎料,在尽可能低的温度下进行钎焊。

我们知道,铁与铜的原子半径、晶格类型、常数及原子外层电子数目都
比较接近,这对原子之间的扩散非常有利(1 9】。另外,铜与铁属于在液态时无 限互溶,在固态时是有限互溶的二元合金。这对铜与不锈钢钎焊来讲都是非
常有利于形成良好接头的因素。

1.3铜与不锈钢焊接的意义及国内外现状
焊接是各种金属结构的主要制造工艺之一。由于焊接热过程和焊接冶金 的特殊性,往往使焊接结构的使用性能有所降低,甚至成为结构损坏的直接 或间接原因。对不锈钢来说,因焊接区的裂纹、脆化、晶间腐蚀、刀状(线) 腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀等引起的结构损坏、报废的事例时有发生。因此对


●————__H_●--_——————————_—————-————__——————————_—————_—————————一一

堕坚堡!!查兰堡:!堂垡丝茎

一一

于不锈钢焊接性的研究和提高、优良的焊接材料的选择和开发及焊接工艺的 改进等都是极为重要的课题。许多结构利用钢与铜或铜合金进行焊接,不仅能 节省大量的有色金属,而且能显著降低成本,因此,合适的焊接工艺显得非常重
要。

经试验发现,填充硅青铜焊丝,利用氩弧作为焊接热源,可使铜与不锈铜异
种材料产生良好的结合,即硅青铜焊丝熔化时,与铜一侧进行熔化焊的同时,也

与不锈钢一侧进行氩弧钎焊㈦。对硅青铜焊丝与不锈钢板的氩弧钎焊焊缝的
结合机理进行了初步的分析,并认为到目前为止,该焊接方法是解决不锈钢与

铜或铜合金焊接的最有效的方法。但是,该方法不利于全位置焊接,尤其是 一些比较复杂和精细的结构。基于钎焊的特点,尤其是1.4.1节中所述真空 钎焊的以下优点,我们尝试用真空钎焊铜与不锈钢.以期得到有实用意义的、

性能优良的钎焊接头。

1.4真空钎焊的优缺点
I 04.1真空钎焊的优越性

1.在全部钎焊过程中,被钎焊零件处于真空条件下,不会出现氧化、

增碳、脱碳及污染变质等现象。
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 程度,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。能够排除金属在钎焊温度下释

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。 4。因不用钎剂,所以不会出现气孔、夹杂等缺陷,可以省掉钎焊后 清洗残余钎剂的工序,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钎缝,或可以根据炉子的容量,同炉钎焊
多个组件,提高钎焊效率。
7.

可钎焊的基本金属种类多,特别适宜钎焊铝几铝合金、钛及钛合

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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。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、形状复杂的零组件均可采用,无需考虑由钎剂等引起的 腐蚀、清洗、破坏等问题。

1.4.2真空钎焊的缺点‘4】
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,则应采用相应的复杂的工艺措施。 “
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,对工作环境和工人理论水平要求较高,应用受到一定的限制。 真空设备复杂,一次性投资大,维修费用高。

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第2章真空钎焊接头的形成机理

真空钎烨时,为了获褥谯质的钎缝,关键豹袈{孛怒使液态镑奉毒能够充分

蟪流入势致密地填满金部钎姆间隙,势与母材鏊体金属很好羹红进行糟互的物 理栊学佟照,彤戏耨含金,在冷凝结龋焘,得到含乎黉求的钎焊接慕。
在钎焊离滠作用下,母牵葶綦体金满和锊料本身的表磷都可能很快蛾生成 一屡薄氧亿膜,阻鼹:者的巍接接触与姻互作用。为了实现钎焊过程,必缓 襁底滂除势防止继续生成这静氧化薄膜。不同的锊焊方法采用不阍的涂氧他 膜衣防止戴纯接麓。崔一般锊焊方法中,主耍是通过钎剂的化学作用或介质

气俸蟾还缀佟用去除氧健膜的。两龚空钎焊慰。不馒翅镑赉l酾奔矮气体,去 除鬣化膜鑫q作耀,是通过囊空状态本身来实现的。 滕此,真空钎焊接头的形成,包含三个秘互有关的过稷。~怒囊空条孛}
下氟优膜豹去除遭摇;=是钎斟填满钎烨间稼的避疆;三是锊料与母榜基体 金属榴互进行物瑗化学作用的过程。

2.1真空钎焊时氯化膜的去除视埋
锋焊对金属表露的氧亿睽影响液态钎辩对綦体金属约润澄憔。钎焊时如 果不能有效迪去除基体佥属表厩豹氧亿膜,就难以形成优质的钎焊接头。真 空锋焊虽然没霄锤髑的化学作用和还服气氛豹还原作用,但是,真空霹隧降 低褥焊区的氧努压,去除焊件表面氧凭滕,保护焊件不被氧亿。这梯在衷空
气氛中钎焊就锈够获褥高强度、光亮致密的接头。在真空话弹避援巾,不同 弱蹲率孝基体金属其有不浏的氧化膜去豫极瑗;潮使越同一粪母粉,在不『霹钎 焊温度下,去除氧化艨豹过程也可能不同。蒽结蘸入的经验,应该说囊空条 徉下裁亿膜豹去除梳理是下述各种{乍罔褪点促进每制约的结果,搿不建其中

之一单独作髑能够充分宪成的。 l,氯佬膜在搿滠、赢真空中霹自行分解 囊空状态降低了烊接嚣的氧分孤,导致了氧仡物的分解。根据物理亿学
理论,侄侮氧他物鼹分解,将会使它的分解压增离,遮议霄当它周豳气氛中

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氧的实际分压低于氧化物的分解压时才有可能。而真空状态的实现,正是造
成实际氧分压下降的有力措施。 表2.1某些金属氧化物在738"(2时的分解压【2 金属氧化物
CuO NiO

分解压(Pa)
480
10。3 10‘7 】0‘7

金属氧化物
Si02 Cr203

分解压(pa)
10‘ll
10‘17 10"17

M002
Fe203

MnO
Ti02

10.22

但是,由表2-1所列各种氧化物分解需要的真空条件可以看出,按照理 论计算,一般金属氧化物分解所需的真空度是极高的,而钎焊时实际采用的 真空度远远低于这些数值。因此,这一过程显然不是主要的去膜途径,不能 仅只依靠氧化物自行分解而去除。 2.金属元素和金属氧化物的挥发破坏了金属表面的氧化膜。很多元素
在真空中显著挥发的温度低与其在大气中的熔点【201。在钎焊温度作用下,一

些金属氧化物就会挥发而去除。 3.表面氧化膜被母材金属中的合金元素还原而去除或者被母材溶解而 去除。例如,真空钎焊1Crl8Ni9Nb不锈钢时,不锈钢表面的氧化膜可被碳 还原而去除【l”。真空钎焊钛及钛合金时,当温度高于200"(2时,钛的氧化膜 就强烈溶解于钛中而被去除。 4.有些金属氧化膜的热膨胀系数比基体金属的热膨胀系数小得多,加
热时,基体金属急剧膨胀,使表面氧化膜开裂,液态钎料Eh开裂处流入氧化

膜层下,.把氧化膜揭起并进一步挤碎【18l。 总之,真空不但能避免因使用钎剂防止氧化及去除氧化膜而带来的夹 渣、焊后清洗残渣、产品腐蚀、污染环境等问题,而且能促成采用中性气体 所没有的去膜过程的进行,得到更好的去膜效果,消除其它气体介质钎焊时 在焊缝中形成气孔的可能性。因此,真空钎焊往往能比其他钎焊方法获得更 好的接头质量。

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2.2液态钎料对基体金属fl,O N湿
液态钎料润湿基体金属表面是形成钎焊接头的必要条件。衡量液态钎料 对基体金属润湿性的标准是润湿系数。它是液态钎料、固体金属和钎焊气氛
三者之间相互作用的结果‘41。可通过公式计算:

cos:垒△
o渣气

(2.1)

式中p一润湿角,如图2-1所示; cos口一润湿系数: o'ra气一固体金属与钎焊气氛之间的界面张力; D_嗣渣一固体金属与液态钎料之间的界面张力; 盯渍气~液态钎料与钎焊气氛之间的界面张力。

t’、.一,

_‰
图2一l气一液一固态界面张力示意图

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显然,在式(2.1)中润湿角口和润湿系数cos8的大小与各界面张力的数值
有关。臼角大于还是小于90”,须视19"附t与D|词液的大小而定。若盯固气>drN液, 则cos8>0,即0。<目<90。,此时,我们认为液体能润湿固体;若drN气.<盯固涟, 则cos8<0,即90。<口<180。,这种情况称为液体不润湿固体。这两种状态的 极限情况是:8=0。,称为完全润湿;8=180。,称为完全不润湿。因此,润

湿角是液体对固体润湿程度的量度。钎焊时,cos8值越大表示润湿性能越好, 一般要求cos口值不少于0.94(即曰牛20”),提高cos8值的措施有: I.提高盯。, 在一定的真空度下钎焊某种材料时,盯圈气是一个定值,

主要由基体金属的性质来决定。但是,基体金属的表面情况对盯。^的影响极

大。表面的油污、锈蚀会大大降低dr。值。因此,真空钎焊前清除零件表面
的油、锈等污物,提高盯。,值。对于母材金属与钎料作用较弱的情况,粗糙

的表面能提高润湿效果,这是因为母材表面存在有方向性的微毛细槽,利于 液体钎料的铺展,能有效提高dr。,。但是,如果母材金属与液态钎料作用较 强烈,表面粗糙度的特殊毛细作用不能表现出来,因为这些细槽已迅速被液 态钎料溶解而不复存在。
2.减小D,圈涟

在固体金属和液态钎料界面上,如存在氧化膜,由于氧化

物的表面张力比金属本身低,液态钎料往往凝聚成球状,这样就会妨碍液态

钎料与基体金属的接触,削弱它们之间的附着力,使得液态钎料内部原子的 内聚力和界面附着力的比值发生变化,使口-圈浦增大,润湿系数减小,液态钎 料润湿性变差。因此,保证钎焊时炉内的真空度要求,有效地去除金属氧化 膜,可以提高钎料的润湿性。 3.降低仃澶气 在钎料中加入少量表面活性元素(Li、Si、B等)是降低

盯渣气的有效途径。而且真空钎焊时,气相为压力极低的真空气氛,提高真空
度能有效地降低dr。。,改善钎料的润湿性。

4.提高钎焊温度提高钎焊温度,使金属原子活动能力增强,既可降低
dr泣气,又可以降低口.田液,能提高钎料的润湿性。但是,温度太高,会发生钎

料流散现象,同时,钎料对母材金属的溶蚀加重,母材金属的晶粒长大。因 此,钎焊温度的选择,首先应考虑对基体金属性能的影响,不能单考虑润湿
性能。

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2.3钎料的毛细流动作用
钎焊时,对液态钎料的要求主要是填满钎缝的全部间隙,而不是沿固态 母材表面的自由铺展。一般情况下,钎焊间隙很小,如同毛细管一样,钎料
是依靠毛细作用在钎缝间隙内流动的。因此,钎料能否填满钎焊间隙,取决 于它在母材间隙中的毛细流动特性。 液体在固体间隙中的毛细流动特性表现为如下的现象:当把间隙很小的

两平行板插入液体中时,液体在平行板的间隙内会自动上升到高于液面的一 定高度;但也可能会下降到低于液面,如图2.2所示【l】。液面上升或者下降










: :

.扛一


一i

i ;



二l




高度西可.由下式(2.2)确定:
^= apg


2c7液气cos8—2(cr固气一盯圊液)
apg



图2-2两平行板间钎料的毛细作用

(2-2)

式中口一平行板的间隙(钎焊时即为钎缝间隙)
P一液态钎料的密度;

g一重力加速度;

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盯呵气一固体金属与钎焊真空气氛之阳J的界面张力;

a.固液一固态金属与液态钎料之间的界面张力; 盯液气一液态钎料与钎焊真空气氛之间的界面张力。
当h为正值时,表示液体上升;h为负值时,表示液体下降。由此式可
以看出:
当0<90 o、cos0>0时,h>0,液体沿间隙上升;当0>90 o、cosO<0

时,则h<O,液体沿间隙下降。因此,钎料填充间隙的好坏,取决于它对母

材的润湿性。另外,还可以看出:液体沿间隙上升的高度^与间隙大小口成
反比,随着间隙的减小,液体上升的高度增大。因此,钎焊时为了使钎料能 填满间隙,必须在接头设计和装配时保证较小的间隙。 本论文的实验中,钎料是预先安放在钎焊间隙内的,润湿性和毛细作用 仍具有重要意义。当润湿性良好时,钎料能填满间隙,并在钎缝四周形成圆 滑的钎角:若润湿性不好,钎缝填充不良,外部不能形成良好的钎角;在不 润湿的情况下,液态钎料甚至会流出间隙,聚集成球状钎料珠。 液态钎料在毛细作用下的流动速度V可用式(2-3)表示:

v:—atY淮,,t—cos0(2-3)
4r/h

式中r/—液态钎料的粘度;其它参数意义同式(2-2)
应当指出,上述规律是在液态钎料与固态母体金属之间没有互相反应的

条件下得到的,而在钎焊的过程中,液态钎料与母材金属之间总会发生互相 扩散等作用,致使液态钎料的成分、密度、粘度和熔点等发生变化,从而使 毛细填缝作用复杂化,不能一概认为M隙越小越好。而且间隙过小使装配操 作难以完成。

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2.4液态钎料与基体金属间的相互作用
液态钎料如果能够润湿基体金属,则在毛细作用下填满接头间隙,形成 钎焊接头。此时,能否形成优质的钎焊接头,还要根据液态钎料与基体金属
之间的作用来决定。 1.钎料元素向母材基体金属的扩散 钎焊时,当钎料中某合余元素组分的含量比母材中的含量高时,由于存 在浓度梯度,合金元素会向母材金属中扩散,即合金元素会从高浓度向低浓

度扩散。扩散量和扩散速度不仅与元素的浓度梯度有关,还与扩散面积和扩 散时间成正比。钎料中合金元素组分向母材金属的扩散量可按照扩散定律1311
确定:
d。=一Dsd。Cdt
‘Ⅱ

(2.4)

式中d。一钎料合金元素组分的扩散量:
D—扩散系数; S—扩散面积;

宰一在扩散方向上扩散组分的浓度梯度; 出
出一扩散时间。
一般扩散系数与晶体结构有关,而对同中类型的材料,影响最大的是温
度,随着温度的升高扩散系数增大。扩散系数方程:
D2Doexp(-Q/RT)
(2—5)

式中D——温度为T时的扩散系数; D0——扩散常数,主要取决于晶体点阵类型; R——气体常数,为8.3lJ/m01.K; Q——扩散激活能(J/m01); T——进行扩散时的绝对温度。
扩散的结果,在靠近基体金属的钎缝附近形成固溶体【2舢。这是钎焊时希
望得到的钎焊接头组织。


当钎料元素能与基体金属形成共晶体时,钎料组元会向基体金属的晶界

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扩散。其扩散量随着元素在基体金属中溶解度的减小而增大。随着钎料元素 扩散量的增加,在基体晶界处形成低熔共晶体,这种渗入叫做晶间渗入。低 熔共晶体较脆,往往使钎焊接头的强度、塑性及其它性能变差,对接头性能
有不良影响。

2.母材基体金属在液态钎料中的溶解 如果母材基体金属和钎料在液态下是互溶的,在钎焊过程中,一部分基 体金属有可能溶解于液态钎料中。只要溶解量在适当的范围内,对于接头性

能是有利的。例如,适当的母材表层溶解于钎料中,可以使母材金属以纯净 的表面与钎料直接接触,不仅有利于改善润湿性,而且母材中有些元素溶解 于钎料中,对钎料成分起合金化作用,可提高钎焊接头的强度。但溶解量不

适当时。易使钎料的熔点提高,从而产生焊不透等缺陷。有时,母材金属溶
于钎料后,使液态钎料粘度增大,流动性变差,造成钎料的填缝性能大大变 差。基体金属如过多地溶解到钎料中,则在基体金属上就会出现凹陷,甚至 溶穿的现象。这种缺陷叫做溶蚀,必须避免。影响基体金属在钎料中溶解的
因素有:

(1)钎焊温度 温度对原子的扩散有十分重要的影响,随着钎焊温度的升高,原子的 扩散系数增大,一般基体金属向液态钎料的溶解量也增大。
(2)钎焊保温时间

钎焊保温时间越长,基体金属的溶解量就越多。延长保温时间会使钎料 充分地扩散至基体内。当溶解度达到饱和后,基体金属即在钎料中溶解。
(3)与合金状态图有关

钎料与基体金属之间的熔合量,大多数取决于由相图所给定的相互溶解 度。钎料的粘度和钎焊的温度则是次要因素。如果溶解度是有限的,就可见
到毛细现象在开始时只有轻微的浸蚀,直至使钎料达到饱和。如果相互溶解

度非常大,就会出现猛烈的浸蚀。因此,最好选择一种有限的溶解度。基体
金属在钎料中的溶解量随着钎料在基体金属中的溶解度的减小而增大。 3.钎缝组织

(1)在合金状态图上,如果基体金属能与钎料形成固溶体,或者基体 金属与钎料合金得基体元素相同,则可得到固溶体组织的钎焊缝。这些钎焊 接头塑性好,强度高,是理想的钎焊接头组织。

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(2)金属间化合物组织 金属间化合物一般硬而脆,会降低接头的塑性和强度。特别是当化合物 形成连续层时,影响更大。因此,应尽量避免钎缝中出现金属间化合物。如 果接头间隙很小,硼、硅等化合物形成元素就容易扩散到基体金属中,但由

于结晶时间较短,就会减少或避免金属间化合物的形成。当间隙一定时,提 高钎焊温度或延长钎焊保温时间,增加硼、硅等元素的扩散量,也可减少或
避免形成金属间化合物。 当使用单元素钎料钎焊单一金属时,也会产生金属间化合物,这是由于 基体金属溶于钎料金属之中而形成化合物。因此,应降低钎焊温度或缩短钎 焊保温时间,以减少基体金属的溶解量,从而避免金属间化合物的形成。

t真空钎焊中冶金损伤机理



氧化物、氮化物和氢化物的释气和分解,会引起钎焊缺陷和损伤。忽略 热膨胀系数的差异,同样是引起损伤的一种机理。然而,几乎所有的钎焊合

金都易产生“热脆性”一这是钎焊损伤最普通的冶金原因。 “热脆性”的条件,是由于钎料在液相线和固相线之间缓慢冷却,从外
表看出现了一种极粗劣的混合状态的单相合金o”。虽然,单相合金通常是一 种极良好的混合材料,但是在该温度范围内,若缓慢冷却,从钎焊开始到结 束,由于固相析出而导致分离。在各晶粒的中心,高熔点的组分浓度较高, 使这种分离非常严重。而晶粒边界,则由百分比较高的低熔点组分组成,因 而比较薄弱。除了这种组成和从晶核到末端的强度梯度以外,由于冷却而首 先形成晶核。此后,随着冷却和收缩而成为坚固的材料,而在晶粒周围的晶 界处形成了较脆弱的热材料。这种晶粒收缩的最后结果,就是晶界处应力较

高一为了.使晶界维持不至破裂,应力往往非常高。
把热脆性问题降到最低程度的一般方法,就是从该部件的任何变形开始

确定最小的钎焊温度,尽可能采用最快的冷却速度。快速冷却在真空钎焊操 作中,虽然是非常困难的,但用强制循环的回充气体,将有助于在真空钎焊 中获得较高的冷却速率。正如任何清洗或部分真空钎焊系统的情况一样,这 种气体应当是高纯和干燥的,甚至也可以是高度还原性的氢气:并且氩或氮
都是合用的(对许多操作,甚至干燥的氮也可以胜任)。

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第3章试验条件及工艺方案

3.1试样制备
真空钎焊前对工件的清理是十分必要的,通常包含除氧化膜和除油两道 工序。铜的氧化膜比较容易去除,真空钎焊前不需要特殊处理,只要认真实 施除油工序即可【12】。对不锈钢,一般亦不需要进行特殊的清洗,在实验中, 先用粗砂纸后用细砂纸进行打磨,最后认真实施除油工序。 真空钎焊工艺对零件表面的除油要求十分严格,即使光洁的表面,如果
存在油污进行真空钎焊时,这些油污经过加热后残留在金属表面,会起阻钎

剂的作用,破坏液态钎料对母材的润湿铺展和良好的钎缝成形。 单件或小批生产时,除油方法可采用汽油或丙酮等有机溶剂擦洗法。批 量生产或需多次除油的场合中,一般采用在三氯乙烯蒸气中除油,即把要除 油的工件置于三氯乙烯蒸气中,借蒸气与冷的工件接触时凝聚成的液体溶解 工件上的油污。本实验中,严格实施了除油工序,除油方法如下: 实验中直接使用有机溶剂擦洗除油,先将不锈钢和铜放在丙酮内浸渍, 并用毛刷刷洗。然后用酒精进行彻底除油及清洗。
表3.1列出了实验材料的尺寸,每次焊接时采用的试样尺寸是相同的。 表3-1实验材料尺寸

\\只寸
不锈钢
紫铜

材料、、\

长度(ram)
70 52

宽度(mm)
18 18

厚度(ⅡlIll)
2 4

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3.2实验设备
本实验采用IUzs—24一16真空炉,其主要参数见表3—2。
表3-2

RJzs一24—16真空炉技术指标t37l
指标
24 1600

主要技术指标

单位
Kw

主要技术指标

单位
Pa
Pa

指标
8×104

额定功率
额定温度

极限真空度
工作真空度



(2“)×10之
30

额度定装炉量

Kg

20

抽真空时间

mln

、(不含扩散泵加 热)

空炉升温时间

hr

堇l 士5 380
士1 1.8

压升率

Pa/hr T

6.5×10‘l 2 巾200×300 2×1.2×2.4


炉温均匀性 额定电压
控温精度 冷却水消耗量




重量 工作室尺寸
外型尺寸 占地面积

mm
m m2




lUzs—24~16型真空烧结炉属内热式高温真空电阻炉,主要由加热炉
体、真空系统、充气系统、水冷系统和电控系统等几部分所组成。 1.加热炉炉体 加热炉炉体外型为圆筒双壁水冷型立式单室结构,如图3.1所示,包括 有:炉身、炉底、炉盖、炉盖提升机构、炉胆、电热元件、电热元件引出棒 和测温装置等。炉身为圆筒双壁结构,内层、外层均由不锈钢连续焊接而成,
并与双层炉底焊接成一体,共用一个进水口,炉盖为双层带密封槽结构,炉

盖提升机构为手动链轮机构,由于该炉工作温度高达1600"12,因此,炉胆是 炉体的一个很关键的部件,故采用多层铝和不锈钢薄板组成隔热屏式的结 构,电热元件采用纯钼丝,绕制在高温陶瓷管上,根据钼材料的电阻特性, 为保证炉子的输入功率,将18根电热元件串联、并联成三组元件,采用三

壅坚型!!查堂堡主兰垡堡苎

一一

相△供电方式,电热元件引出棒,即:铜电极,采用水冷式结构,通过炉底 引出炉外,测温装置通过高温热电偶(双铂铑)与智能仪表相连接,通过仪 表进行测控炉温。











4.炉底5.炉体支撑 1.炉盖启闭机构2.炉盏3.炉身 图3.1真空炉炉体

2.真空系统 真空系统抽测真空之功能,由真空机组和真空仪表组成,包括有:复合

真空计、热偶规管、电离规管、机械泵、油扩散泵、三通阀、电磁阀、高真
空蝶阀、储气筒等元器件。
3.充气系统 充气系统提供保护气氛的功能,由充气阀、储气罐、压力表及管道等组
成。

4.水冷系统

水冷系统用于炉身、炉盖、炉底、电极、油扩散泵等部位的冷却,包括
出水、进水两部分,由管子和阀采用并联、串联方式组成。
5.电控系统

电控系统由主电路、SWP智能温度控制仪、功率控制电路、输出变压器

20

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等部份组成。详见图3-2所示。由专用仪表电源给智能仪表4~20MA的电

流信号,温控仪表将根据设定的控制参数输出。






图3-2测控系统框图 该测控系统主电路提供给智能温度控制仪、功率控制电路、真空机组、 复合真空计所需电压,380伏或220伏。 智能温度控制仪是由信号输入与适配传感器模块,数字线性化模块,冷 端温度自动补偿模块,比例、积分、微分数字算法模块及输出控制模块等构 成;信号输入与信号相配,可以设定多种模块,在本系统中采用热电偶信号 输入,根据不同的热电偶分度可以设定不同的分度值;本系采用双铂铑材料 的热电偶,分度值为B型,数字线性化和冷端温度补偿是根据其特性设定的: 比例、积分、微分算法模块是根据所控制的一个点的温度目标值按PID的规 律进行调节,使温度平稳上升达到目标温度值,并稳定在所设定的目标值上, 输出模块根据所配用的执行机构可以设定为多种形式的输出,本系统采用模 拟量0~20mA输出至功率控制电路。 控制仪采用微处理器,具有自动数字调校功能,各种参数可根据要求任 意设定、修改和锁定,采用数字或数码显示,并可同时显示炉温和输出功率 数;控制输出能根据炉子的升温过程,自动调整PID参数;具有报警功能; 在进行炉温测控时,具有手动/自动无扰切换或自动/手动无扰切换功能。同
时,还能实施联机通讯,工艺参数储存及打印功能。

功率控制电路采用三相控制,由控制电路、主电路、保护电路、反馈电 路和辅助电路组成。其系统详见图3.3所示。

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图3.3功率控制电路框图

控制电路采用移相触发的形式,对电流或电压进行无级调节,其电路形 式采用功能模块组合方式【3扪,有线性校正、给定、移相、功率放大及PI等
电路。

主电路主要由功率器件及相关的散热器件组成,承受主电路的全部电流, 并控制主电路的输出电压,本电路可输出0~380伏电压给变压器输入端, 为了限制功率器件的温升,采用散热片和冷却风机的冷却方式。 保护电路包括有功率器件的阻容保护、输出端的阻容保护、主电路的过 流保护、功率器件的温度监测保护所组成。当功率器件出现过电压、过电流、 或超出额定温度等故障时,其保护电路能自动迅速截止功率控制器件的输 出,以达到保护功率器件和其它设备的目的。 反馈电路包括电压反馈和电流反馈,由于采用了电阻温度系数很大的发 热元件,故在本系统中功率控制电路主要使用电流反馈,使用单电流环调节,
实现恒流控制。 功率控制电路具有对输出电压无级调节的功能,从而达到控制功率的目

的,输出电压的调节范围为输入电压的0~98%p9】。具有软起动、软关断、 恒流,叵压、限流,以及过热的保护功能。同时还具有过流、过热的报警功能。

该真空炉的操作规程中要求首先要做好以下准备工作:
1.检查进出水管是否接好; 2.检查密封处是否密封完好,包括有:抽真空管路结合处、炉盖与炉

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身处、铜电极法兰处和热电偶法兰处;

3.确保充气阀、三通阀及高真空蝶阀是关闭; 4.检查电路是否有短路现象;

5.检查机械泵内油是否在油的标准位(红线处);
6.检查复合真空计上的指针和旋钮位置是否正确; 7.检查面板上的各种按钮或开关位置是否正确; 8.检查炉内的电热元件及隔热屏是否完好。 准备工作完成以后,就可以按照下面的步骤进行实验操作: 1.将准备好的待焊工件放置炉内,盖上炉盖,压紧螺丝(不充气时可 不上螺丝); 2.开总水阀; 3.合上总电源开关; 4.合上电控柜内电源总闸; 5.开复合真空计上的电源开关; 6.关低真空阀(三通阀往里推),行扩散泵上的高真空阀; 7.开真空低,即:开机械泵: 8.将波段开关S2放在Vl“加热”位置,调节“电流调节旋钮”使电
..

流达94mA标定值,将“加热一测量”开关放在“测量”位置,从 表中第二行刻度读取压强值,达6.7Pa以上即可: 9.开高真空阀,关抽气管上的蝶阀:
10.将S2放在V2的“加热”位置,调节“电流调节旋钮”使电流达98mA

标定值,将开关放在“测量”位置,从表中第二行刻度读取压强值,
达6.7Pa即可; 11.关高真空阀,开低真空阀(--通阀往外拉),开抽气管上的蝶阀;

12.开真空高,即对扩散泵加热;加热时间为40分钟:关低真空阀(三 通阀往里推),l~2分钟后,开抽气管上的蝶阀; 13.开高真空阀,2~3分钟后,观察V2强值是否满偏,若满偏,才可
开复合真空计上的灯丝开关;

14.按复合真空计说明书所示方法进行高真空测量;
15.按智能仪表操作说明书进行炉温预置; 16.开电炉电源开关:

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17.将智能仪表下手动旋钮(最低位置)向右缓慢旋转,并观察电流表 指示,当读数达所需的电流值时,停止旋转,电炉在加热过程中, 电流将不断下降,不调节手动旋钮,保持电流值不变; 18.当炉温升至900"C时,将智能仪表手动操作转换成自动操作,由智能
仪表进行测控炉温:当炉温达到预置温度并按工艺的时间参数完成
后,关电炉电源开关:

19.关复合真空计上的灯丝开关,并将量程开关移到10.1位置,将S2 旋至断开的位置,关复合真空计上的电源开关;

20.待炉温下降至100℃以下时,关真空高,关高真空阀; 21.待炉子及扩散泵冷却后,关真空低,切断冷却水; 22.关电柜内电源总闸,关室内电源总开关;


23.开充气阀给真空室充气,充气完毕,打开炉盖,取出被焊工件。

为了保证安全及实验的有效性,嘻毳作时应认真按照上述操作步骤进行, 并遵守以下注意事项: 1.不连续工作时,应将真空系统(含炉子)保持一定的真空度; 2.不得将水、油、灰尘等杂质带进炉内; 3.炉子与油扩散泵不通冷却水不得进行加热,工作完后不冷却,不得停
止供水: 4.机械泵油应在红刻度线时,才能开机; 5.油扩散泵必须加热40分钟后才能正常工作: 6.机械泵和油扩散泵按其说明书进行维护保养: 7.复合真空计按其说明书进行维护保养;

8.注意观察电流指示表,本炉采用三角形接线,若某相电流比其他两相 电流兰50%时,应切断加热电源,查找原因; 9.防止断相烧毁设备。如果某相断路时,机械泵电机将出现声音低沉的 现象,并且电流表指示三相严重不平衡。遇到这种情况应迅速关闭真
空低和加热炉电源; 10.注意过流与过热保护。当输出的工作电流大于等于额定电流的1.5

倍时,过流指示灯亮;或可控硅散热器环境温度高于85+2"C时,过热 指示灯亮;功率控制器均会出现截止输出。前者只有重新启动,才能恢 复正常工作,后者只有散热器环境温度低于85±2℃时,才能重新启动

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恢复正常工作:

11鹿详细阅读KT功率控制器、SWP温度控制仪、复合真空计、jK型
真空机组、2X系列旋片真空泵等说明书,方能进行该设备操作。

3.3钎料设计
正确地选择钎料,是保证获得优质钎焊接头的关键因素之一。应从钎料
和母材的相互匹配、钎焊件的使用工况要求、现有的设备条件以及经济角度 等方面进行综合考虑来确定。 要全面考虑钎料与母材的匹配,不但要考虑润湿性,而且必须考虑钎料

与母材的冶金相容性和钎焊温度对母材性能的影响。表;.3列出了实践经验 得到的部分硬钎料与母材的匹配及选用顺序(通常熔化温度在427℃以上的 钎料称为硬钎料,熔化温度低于427℃的钎料称为软钎料【32】。)。 根据表3-3,钎焊不锈钢时选用镍基钎料与母材的匹配最佳。但是,铜 与镍能形成无限固溶体,选用的钎料中镍含量较多时,难以形成光滑的钎缝
表面。 表3.3钎料与母材的匹配及选用顺序Ⅲ

\掣
铜及铜 合金 奥氏体

铝基

铜基 钎料


银基

镍基 钎料


钴基 钎料


金基 钎料


钯基

锰基 钎料


钛基

合金\\ 钎料


钎料


钎料


钎料




不锈钢.

















注:表中l—7表示由先到后的匹配及选用顺序。

银的室温强度高,塑性和加工性能好,导热、导电性能优良,有良好的 抗腐蚀性能。银铜合金的金相组织由固溶体和共晶体组成,钎焊接头的性能

良好,所以银钎料在钎焊铜及铜合金中得到广泛应用。但是对于不锈钢来讲, 如果选用银基钎料,该钎料对铁的溶解度极小,很难与铁发生合金化作用, 导致钎料难以润湿,所以在钎焊前必须在不锈钢件钎焊处镀镍。为了保证镀 层的质量,镀层须进行高温处理和剥离试验。这就增加了多道工序,提高了
加工成本。

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近年来研制的铜基钎料,用以钎焊铜及铜合鑫时,形成的钎缝金属电性

能接近予铜,钎缝赛温抗拉强度可这150MPa。而不锈铜钎焊时,使用铜钎 辩蹇能满足实骣要袋。 根据以上的讨论,本着节省开支、降低加工成本的原则,考虑使用无银
钎料来钎焊不锈钢和铜,初步选定用对铜和不锈钢都能润泓的钢基钎料。所 选的铜基钎料的牌号为H62,型号为BCu54Zn。其主簧成分、熔化温度范阐 及撬控强瘦毪戆燕袭3-4。 表3.4钎料H62的主要成分及性能p3l




cu


Zn

其它元素总爨
0.15

熔化温度(℃)
900^母05

抗拉强度(MPa)


62+1,5

余量

313.8

对于异种材料冉勺钎焊,成考虑不同材料的热膨胀系数的差别会产生应
力,而引起的钎缝汗裂等现象。作为减小应力的方法,除了在工艺上采取相

应懿措施辨,在选撵锌誊季瓣庭器霹缝豹选择熔点低静许瓣。基予魏,同时途 用低熔点的软镑料一锡瑟钎料进彳亍试验。所选的锡基锘料牌号先HL613(即 HLSnPb50),既能润湿铜又能润湿不锈钢。其主要成分、熔化温度范围及抗 拉强度性能见袭3.5。 表3-5钎辩1tL613的主鼗成分及缝能【33l



Sn

Sb

Pb

熔纯温度(℃)
210,--240

抗拉强澄(MPa)
37

|49.-51

≤O.8

余量

银黪导热搴裹,线膨账系数大,为了茨业键器终黪变形或款纯,钎焊孵 应尽量选择低熔点的钎料,在尽可携低的温度下谶行钎焊,这就是选择锡蒸 钎料的另一原因。

3。4接头设计
3.4.I接头型式设计

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钎焊接头是组成钎焊结构的关键之一,它的性能与钎焊结构的性能和安 全等方面有着直接的关系。因此,为了保证产品的质量,提高钎焊结构的安
全可靠性,特别是在要求采用真空钎焊技术制造重要并复杂结构的情况下, 研究掌握钎焊接头的设计原则,提高接头和结构的性能,就成为一项具有重 大实用价值和理论意义的任务。 在真空钎焊生产中,通常采用两种接头型式:对接接头和搭接接头。象

其它的钎焊接头型式,如:T型接头和角接头,可以当作对接接头来看待。 对接接头具有均匀的受力状态,并能节省材料、减轻结构重量,一般作 为熔化焊连接的主要接头型式。但在钎焊连接中,过去由于钎料等原因,使
对接接头常常不能保证与焊件有相同的承载能力,加上装配时,保持对中和

间隙大小均有较大困难,故一般不推荐使用。即使使甩,对接接头一般用于
低应力状态下。要求高应力时,可以通过增设肋板补强。 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的缺陷时也能使接头的强度与较弱部件的强度相等。
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。如图
3.2所示。

图3-2低应力搭接接头 当接头处于高应力状态时,可以通过在接头零件中加工圆弧。使载荷 均匀地分配到母材基体金属中去,以避免应力集中。如图3.3所示。

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图3-3高应力搭接接头

本实验采用搭接接头,受到钎焊之前零件制造条件的限制,无法加工圆


弧来消除应力集中,只采用普通搭接接头。在实际应用中,要避免在接头边 缘产生过大的应力集中,只有把接头布置在焊接件上形状或截面没有发生急 剧变化的部位。

3.4.2接头间隙设计
钎焊接头设计中另一个重要的部分就是钎焊间隙的选择。钎焊间隙是指

在钎焊温度时焊件表面间的装配间隙。钎焊间隙的大小不仅在很大程度上决 定着钎焊接头的性能,而且也直接影响着钎焊工艺实施的难易程度。当铜与 不锈钢真空钎焊时,由于两种材料的热容及线膨胀系数不同,钎焊间隙较难 确定。除选用使二者均能润湿的铜基钎料和锡基钎料之外,要认真考虑接头 间隙对钎焊质量的影响,制定合适的钎焊间隙。 钎焊过程中,钎焊间隙的大小影响着钎料的毛细填缝过程,钎料与母材 金属的相互作用程度,以及钎缝合金层受力时塑性流动的过程等。这些因素 共同作用的结果,必然极大地影响着钎焊接头的质量和性能,甚至直接决定
着钎焊工艺的成败。

钎焊间隙太大,毛细作用减弱甚至消失,钎料难以填满间隙,钎料与母 材金属的合金化作用降低,或者产生硬脆的金属间化合物相,导致接头的力 学性能下降。尤其是对接头的两端开阔而且钎缝位于竖直方向的工件,当钎 料与零件表面间的张力小于钎料的重力时,液态钎料无法在间隙中自持而流

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失,无法形成焊缝。钎焊间隙太小,会妨碍钎料填充,尤其是对于共晶型或

单元素钎料影响更大,甚至难以形成焊透率高的钎焊接头。 真空钎焊过程是自动进行的,钎焊间隙的影响更大,要求在不妨碍钎料 填充的前提下,钎焊间隙越小越好。间隙较小时,所得钎缝致密,主要是固 溶体组织;间隙增大,钎缝中间有金属间化合物形成。
另外,保持较小的钎焊间隙不仅有利于钎料的流布,而且能使钎料凝固 时形成的空洞或缩孔减少,还有利于钎料与母材金属的合金化作用。更重要 的是处于窄间隙中的钎料在受热发生塑性变形时,受到周围母材金属的限

制,接头中形成复杂的体应力,结果会使接头强度大大提高。 由于金属的受热膨胀,钎焊温度下实际的钎焊间隙值与装配时大小可能 不一样。在设计钎焊接头时,必须预计钎焊加热中可能发生的膨胀现象,在 确定装配间隙时应加以补偿。 钎焊时影响钎焊间隙变化的主要因素是母材的热膨胀系数和加热方法。
当钎焊同种材料时,均匀加热被焊工件,间隙一般情况下不会有明显变化。

对材料不同、截面不等的零件,在加热过程中钎焊间隙可能发生较大变化。 特别是套接型接头,母材金属热膨胀系数的差异影响最大。如果是热膨胀系 数大的材料从外部包围着热膨胀系数小的材料,在钎焊温度下,原来的装配 间隙就会变大;如果热膨胀系数小的材料包围着热膨胀系数大的材料,则在 钎焊温度下,原来的装配间隙就会变小。本实验中这一点影响不大,因为被 焊工件采用的是板状母材金属搭接接头,而不是柱状或环状的母材金属套接
接头。 由于铜和不锈钢的定位工装最好选用同质材料,也可以使用碳钢、不锈

钢或高温合金等14】。实验中采用碳钢夹具。 本实验中采用的虽然不是套装接头,但是由于铜和不锈钢的热膨胀系数 都比较大,而且实验中所采取的碳钢夹具的热膨胀系数远小于两种母材金属 的热膨胀系数。所以,在钎焊温度下,间隙会比装配时变小。所以根据钎焊 温度下所需的钎焊间隙值,确定了如表3-6所示的实际装配间隙。由于缺乏 钎焊温度下的母材金属的膨胀系数的准确数值,无法精确计算所需补偿的装 配间隙量,只有根据母材金属O~100。C时的热膨胀系数和温度升高热膨胀系 数亦会相应增大的规律来估计。因此,采取了多组装配间隙值,用实验来弥
补数据的不足。

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表3-6实验中采用的实际装配间隙 试样编号 试样0 试样1 试样2 试样3 选用钎料
H62

装配间隙(nun)
O.3 O.3
O.2

HL613
HL613 HL613

0.35 0.4

试样4

HL613

调整焊接夹具,使得被焊两工件温度均匀。充分考虑铜工件与不锈钢工
件导热系数差异较大,使加热电极靠近不锈钢工件一侧。[291

3.5工艺参数
真空钎焊的工艺参数主要有:真空度,加热速率,稳定温度及时间。钎 焊温度,钎焊保温时间,冷却速率,出炉温度等。它们都直接影响钎料填缝 和钎料与母材金属的相互作用过程,对钎焊接头的质量具有决定性作用。因
此,必须认真选定。

3.5.I真空度的选择
所谓真空并不是绝对的一无所有的空间。1958年首届国际真空会议为真 空下的定义为:充有低于大气压强的气体的给定空间,即参与气体分子密度 小于约2.5X 10”分子/cm3的给定空间【3】。 真空度的选择根据有:母材种类、钎料类型、是否使用夹具以及在整个 钎焊周期中气体从母材金属中排除的程度等。 真空度包括冷态真空度和热态真空度。冷态真空度,是为了防止被钎焊 件及炉内元件(如加热丝等)的氧化,避免热气流直接通过机械泵以获得高 的抽气效率,在加热之前应预先把炉腔抽到所要求的真空度。冷态真空度的

武汉理]:大学硕士学位论文

选择主要根据母材种类,表3-7列出了其选择的参考数据。 表3—7冷念真空度的选择范围。2
序号


母材金属 铝及铝合金
不锈钢

冷态真空度
10"2~10’3 3X 10"2~8X 10。3 5×lOq~3×10-2 lO~~10。2 10"2~10.3
10-2~5×10-3

2 3


铜及铜合金 碳钢、低合金钢 高温合金
钛及钛合金




根据上表3—7,由于我们选用的母材金属为铜和不锈钢,所以在实际设 备能达到的情况下,实验中我们选定冷态真空度为3×10。2。 热态真空度又称工作真空度,是指从开始加热到冷却这段时间的炉内真 空度t这是由于加热时,零件、夹具都要析出气体;使用膏状钎料时粘结剂 要挥发。这些因素都会不同程度的引起真空度的降低。但是在钎焊温度下, 要求炉内真空度基本恢复到冷态真空度,通常采用适当延长稳定时间的办法
来实现?如果钎料中含有蒸气压较高的合金元素,为了防止合金元素大量挥

发而污染炉膛,这时热态真空度与冷态真空度会相差较大。例如用铜基钎料 时,由于铜本身蒸气压较高。900"C时为5×10电Pa,所以当温度达到900"C 时,不允许把炉内压力降到很低的水平。否则,随着温度的进一步升高并保 持一定时间,会出现铜大量蒸发的现象,引起下列恶果: 1)蒸发出的元素会污染焊件表面,并会象钎料一样将相互靠近而不需要 连接的零件或夹具结合起来。 2)过量蒸发会使工件表面粗糙,或是使钎焊焊缝出现空穴缺陷,改变金 属的原有性能。 3)蒸发物附着、沉积在炉内元件上,会造成炉内电气绝缘度降低或短路 等事故。 为了克服这种现象,降低热态真空度,应向炉内填充高纯氩气或氮气,
3l

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以提高炉内压力而防止铜的挥发。因此,在真空钎焊温度下真空度不宜过高,

一般为5'10。2pa以上,以免母材中合金元素挥发而降低材料性能。另外,如 果是在刚焊接完铝及铝合金零件的真空炉中钎焊铜及铜合金,必须对炉子进 行彻底的清理,否则,即使真空度满足要求,也会在零件的表面产生AL2cu 脆性相,影响零件的质量。实验中由于条件所限,无法控制热态真空度。

3.5.2加热速率和稳定温度及保持时间
钎焊加热速率应能保证零件析出的气体被充分抽出,同时要使组件受热 均匀,以减小或防止组件骤热产生的应力而引起变形。确定加热速率应考虑 的主要因素有: 1)组件的材料、形状、结构和尺寸

对于形状复杂及装配预应力较大的构件,要缓慢加热;对于厚大的零件,
加热速率也不宜过快。 2)使用钎料的类型及其结晶温度范围 对于纯金属钎料,不论形状如何,加热速率可以快一些;使用合金钎料

时,在熔化温度范围内要较快加热,以免钎料偏析而使液相线温度提高;使 用膏状钎料时,在500℃以下加热速率应该慢些,以免粘结剂剧烈挥发而引 起钎料飞溅。但是,无论使用何种钎料,在钎料固相线温度以下50~100'C温 度范围内,加热速率不宜过快,以保证钎料熔化时组件内外温度基本一致, 使毛细作用能够很好地发挥。当使用固液相线间隔较宽的钎料时,加热到熔 融状态,停留时间过长会使液相从固相中分离出来。为防止和避免这种情况 发生,在此阶段内应使加热速率尽可能快些。在钎焊薄壁零件时,为了防止 母材金属被钎料溶蚀,在控制产生变形的前提下,加热速率也应该尽可能快
一些。

对母材金属来讲,在组件变形许可的前提下,加热速率越快越好,以防 止元素偏析及碳化物相析出。对于奥氏体不锈钢;加热速率及冷却方式均无 特殊限制。实验中采用的是1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢,故可以根据其它因 素来确定加热速率和冷却方式。对于铜及铜合金,在工件属于中小组件且低
应力装配的情况下,用不含粘结剂的钎料焊接,加热速率要求在5~10"C/min 范围内川,同样条件下的不锈钢母材,加热速率一般推荐在8~15"C/min范围

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内。实验中采用的加热速率可由工艺参数曲线图看出,见图3-4。 稳定温度和保持时间魑指钎焊时加热到接近钎料圈相线附近的温度,井 在此时蟹停擞热、像持这一温度一段时阙。其爨的是为了减小缀件驰遗发撵 度,使组件各部分的温度得以均匀。在钎焊不锈钢、耐热合盒等导热性较差 豹鳃秘瓣,热莱一蠢把炉瀑跌室滋翱熬雾《钎海滋度,虢会在缀{孛各部垃内静 层之间造成较大的温度差。此温度差大小与组件材料种类、结构和楚厚等有 关系。送时,矫层钎料熔纯后都沿着较高温度带流散;而接缝内部融于温度 较低,不可能得到凫好的填充。虽然随聪还要猩钎焊濑度下保温,但是因锊 料已经有流失,无法继续填充,必然造成未钎焊透等缺陷,降低接头质量。 因此,必须根据组掺的具体情况,正确蟪选择稳定湿嶷和媒持时溺。 由于实验中被钎焊的母材金属是铜和不锈钢,两种金属的导热系数差别 嚣豢大,教奁这爨锈焊遗瘦之菸裔一定鹣稳定缣温露阙是嚣裙耋要豹。所选 的稳定温度和保持时间如图3-4、3-5所涿。

3.5.3钎焊温度与钎焊保温时间
钎焊温度是钎焊过程中最主要的工慧参数之~。在钎焊滠度下,一方藤 钎料要熔化,在毛细作用下填满接头问隙,并匈母材j{}行冶众作用;另一方 灏§§够完成母麓的热处理稳廖中瓣禁一工序,如淬火、因溶处理等,提裹锊 焊接头的性能。 确定镑浑瀑度戆主要袄据蓄巍是掰选臻话摹霉静熔悫。锋辫湿度藏适当鹣 高于钎料的熔点,阱减小液态钎料的表面张力,改善润湿和填缝作用。并使 钎辩与母材金满能充分相互作用,有乖j予提高接头强波。但怒,钎辉温度过 黼是有寤的,寂可能母l起钎料中沸点较低的组嚣蒸发、母材菇粒的长大以及 钎料与母材金满过分的相互作用而导致溶蚀、晶间渗入等,使接头强度下降。 邋常,姆钎焊滠度选必裹予镑料渡楣漫度线30~100"C之闯效聚较好。毽是, 不同的钎料,需要高出其熔点的温度范围也是不同的。钎料的结晶范围越大, 镑霹滠凌离崮锊辩熔赢应越多。露举元素钎辩,廷要离密熔点30~70"C,都 可使钎料的流幼性处于最佳状念;对多元合金的钎料,则钎焊温度必须高如 液褶线约60.-100℃,才能饿钎科处于最佳流动状态。 钎焊保温时间是锈料填兖闽隙和控制会金他终思的重要除段,对于接头

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强度的影响与钎焊温度有类似的特性。一定的保温时间是钎料与母材相互扩 散、形成牢固结合所必需的。但过长的保温时间同样会导致某些过程的过分
发展而走向反面。

选择钎焊保温时间主要决定于钎料与母材的相互作用性。当钎料与母材
具有强烈溶解、生成脆性相、引起晶间渗透等不良倾向的相互作用时,要尽

量缩短钎焊保温时间。相反,如果通过二者的相互作用能消除钎缝中的脆性 相或组织时,则应适当延长钎焊保温时间。一般情况下,在保证填充良好的 前提下,钎焊保温时间应尽可能地短些,以防止母材过热溶蚀或软化等不良
现象的产生。

钎焊保温时间与焊件的大小、厚度和间隙值也有关。对大的工件、厚的 工件来讲,保温时间应当比小的工件和薄的工件长,以保证加热均匀。钎焊
问隙大的时候,为了保证钎料和母材金属必要的相互作用,应该有较长的保 温时间。有些组件厚度并不大,但是钎焊接头被部分地或全部遮蔽,不能直

接受到辐射加热,应适当延长保温时间,以尽可能缩小被加热工件的表里温


差。

此外,也应当考虑母材金属的热处理要求。奥氏体不锈钢,当加热至9

00

℃以上时,碳化物很快固洲。”,钎焊保温时间不需太长。马氏体不锈钢则需
要充分固溶后,才能在随后的淬火时得到完全的马氏体,所以钎焊保温时间
要相应地长一些。耐热合金则必须使合金元素充分固溶后才能为固溶强化、

弥散强化提供条件,因此,其钎焊保温时间应更长一些。本实验中采用的是 奥氏体不锈钢,保温时间不需太长。 应当指出,对钎焊温度和钎焊保温时间不应孤立地来确定,它们之间存 在一定的互补关系,可以相应地在一定范围内变化。因此,选择时可以根据 上述原则通过试验进行确定。本实验中选择的钎焊温度和保温时间如图3-4、 3.5的工艺参数曲线所示。 用铜基钎料时,钎焊温度一般为900~1100"C之间;用锡基钎料时,钎焊 温度一般为240,--430"C之间;保温时间也根据所选用钎料种类而定,一般不
超过30分钟。

3.5.4冷却速率与出炉温度

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焊件的冷却虽然是在钎焊保温结束之后进行的,但是它的冷却速率对接
头的质量也有很大影响【27】。过度缓慢的冷却速度可能引起母材的晶粒长大,

强化相析出或出现残余奥氏体。如对于马氏体、铁素体不锈钢,要求钎焊后 快速冷却,以防止产生残留奥氏体。而且钎焊后一定要根据材料技术条件进 行热处理,以恢复材料的性能。加快冷却速度,有利于细化钎缝组织,减小 枝晶偏析,从而提高接头的强度。但是,过高的冷却速度,可能使焊件因形
成过大的热应力而产生裂纹,或因钎缝迅速凝固使气体来不及逸出形成气
孔。

焊件在较高温度下出炉,会引起表面氧化,特别是使用风扇冷却时,组

件表面温度较低,停炉后由于组件内部的温度较高,会使整个焊件温度回升。 因此,出炉温度应比额定值低一些,确定时要根据母材种类而定。一般不锈 钢及耐热合金的出炉温度为150"C以下:铝及铝合金的出炉温度为300"C以 下;铜的导热系数很大,出炉温度可以比铝合金的更高。对铜和不锈钢的钎 焊,出炉温度只要满足不锈钢的要求即可。 在实验中,由于设备条件的限制,冷却方式只能采用炉冷,所以无法改 变冷却速度;出炉温度一般为室温。这是因为实验所用的真空炉没有钎焊铜
的过程中所需的充入氩气的装置,而且还要防止在较高温度下开炉造成电阻 丝的氧化。 以下的图3-4、3-5是实验中所采用的工艺参数曲线。

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A一预抽真空时间;B、D、F一升温时间:C、E—稳定时间;嘣焊保温
时间;H.一真空冷却时间
..

l一真空度变化曲线

2—温度变化曲线

图3.4铜基钎料钎焊铜和不锈钢的工艺参数曲线

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60C








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50C
40C
30C
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l一真空度变化曲线 —~一预抽真空时间;B、D--"升温时间 F一真空冷却时间

2—温度变化曲线

C一稳定时间;E—钎焊保温时间

图3-5锡基钎料钎焊铜和不锈钢的工艺参数曲线 以上的工艺参数曲线是在经过多次实验后,选择其中钎焊结果比较好的参 数绘制而成的。

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第4章实验结果及分析

1.钎料铺展实验

先进行铺展实验,将锡钎料和铜钎料分别在母材不锈钢和铜上做铺展实
验。并分别测试两种钎料对两种母材的润湿角的大小。所得润湿角数据如表 4.1所示。 表4-1钎料对母材的润湿角 钎料 母材 铜
H62

润湿角曰
19。

补充说明
_

钎料铺展开后,钎料表面比较平滑 钎料铺展开后,钎料表面稍有些不平滑
’、钎料铺展开后,钎料表面平滑 钎料铺展开后,钎料表面平滑

不锈钢 不锈钢
HL613

25。

20。 18”



由表4-1可以看出,钎料H62和钎料HL613对铜的润湿性都比对不锈 钢的润湿性稍好,而且,都能较好得润湿母材。只是用H62钎料时,由于热

态真空度较高,钎料有合金元素挥发引起得飞溅现象,导致钎料铺展表面稍
微不平滑。

2.采用钎料1-162钎焊铜与不锈钢 实验中采用的试样编号为试样0,钎料为铜基钎料,采取搭接接头方式,
搭接长度为铜的厚度的三倍,即12mm。装配间隙按照表3-6中试样0的装 配间隙确定,为0.3mm。采用如图3-4所示的真空钎焊工艺参数进行焊接, 所得实验结果如下: 钎缝能够成形,但是由于母材铜和钎料都有挥发现象,所以导致钎缝的 抗剪强度很低,稍用切向力即可以使焊件由钎缝处被破坏。

分析其挥发原因:由于铜本身蒸气压较高(900℃时为5 X 10’2Pa),而且
钎料中含有锌,锌也是易挥发元素。因此钎焊时,一定要进行分压操作,即 未加热前要将炉内真空度抽到足够高,通常为10’2Pa,随着温度升高到600 ℃时,应向炉内填充高纯氩气或氮气,以提高炉内压力而防止铜的挥发。同

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时还应保持零件处于高纯度状态,即氧含量要低于100ppm(mol/1)。 但是,实验中用到的真空设备没有充氩气或氮气装置,因此,采用熔点 低的锡基钎料进行实验以避免上述现象出现。锡基钎料熔点低于450℃,所 以钎焊温度达不到600 4C,就不用向炉内填充高纯氩气或氮气来提高炉内压 力以防止铜的挥发。 3.采用钎料HL613钎焊铜与不锈钢 实验中采用的试样编号为试样1,钎料为锡基钎料,采取搭接接头方式, 搭接长度也是铜的厚度的三倍,即12mm。装配间隙取表3-6中试样1的装 配间隙0.3mm。按照如图3-5所示的真空钎焊工艺参数进行焊接,所得实验 结果如下:

钎缝成形较好,有光滑圆角形成。钎缝有一定的抗剪强度,用手加切向
力不会使焊件被破坏。 为了在实验中找到一个比较好的装配间隙值,试样2、试样3、试样4 所设定的装配间隙分别比试样0稍大或稍小,都能得到外观成形较好的钎焊 接头。但其金相组织(放大倍数为150倍)却不相同,分别如图4.1、4.2、 4.3和4.4所示:

图舢1试样1的金相组织(×150)

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图4-2试样2的金相组织(×150)

图4-3试样3的金相组织(×150)

图4-4试样4的金相组织(×150)

由上面四张图可以看出,图412的钎缝组织最理想。它的钎缝组织为固 溶体组织,较为细小。而随着装配间隙的增大,钎焊温度下的间隙也变大, 在钎缝当中出现了金属化合物组织,这是我们在钎焊中不希望得到的组织, 因为金属间化合物一般硬而脆,会降低接头的塑性和强度。特别是随着间隙

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增大,化合物形成连续层而且连续层变宽,影响更大。结合表3-6可以知道, 当装配间隙为0.2mm时,所得的钎缝组织中没有金属化合物:当装配间隙为 O.3mm时,有少量金属化合物出现,对接头强度和塑性影响不大。所以 0.2--0.3mm为推荐的接头装配间隙。 将试样1的接头用三氯化铁5克,盐酸10毫升,与水100毫升浸蚀, 观察其金相组织特征,如图4.5所示,放大倍数为100倍。上为紫铜,下为 1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢。由图中可以看出,紫铜与不锈钢之间有连续的金 属中间层形成。

图4-5浸蚀后的接头金相组织(×100)

图4-6钎缝合金组织(×320) 将钎缝放大320倍后观察,钎缝组织如图4-6所示,根据其成分含量推 测图中大块黑色的组织可能为Sn,白色的可能为SnzPb。

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4.力学性能测试 实验中只选用成形较好的几个试样进行力学性能测试,所测的力学性能 为抗拉强度。实验值如表4-2所示:

表4-2接头的力学性能 试样编号 试样1 试样2 试样3 试样4 抗拉强度(MPa)
55 57 47



40

由此表可见,接头的强度一般不低于铜的强度(47 MPa),所以接头并 不是最弱的部分,能够满足要求。而且组织中化合物较少的强度要高一些,
试样2的化合物量最少,接头强度最高。

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第5章结束语

在航空航天、机械、化工、冶金等工业制造中,常可见到不锈钢与铜合 金之间所形成的复合零部件结构。这样的复合结构不仅能节省大量的有色金
属,而且能显著降低成本。焊接是各种金属结构的主要制造工艺之一。由于焊 接热过程和焊接冶金的特殊性,加上不锈钢与铜的导热系数、热膨胀系数等 存在较大的差异,往往使焊接结构的使用性能有所降低,甚至成为结构损坏 的直接或间接原因。基于钎焊的特点,尤其是1.4.1节中所述真空钎焊的优

点,我们尝试用真空钎焊铜与不锈钢,以期得到有实用意义的、性能优良的 钎焊接头。 文中详细叙述了异种金属材料’l_Crl8Ni9Ti不锈钢与紫铜的真空钎焊方 法。根据理论分析和实际经验,进行了钎料的设计、接头设计和工艺参数设 定,并分析了影响这两种材料真空钎焊酌因素,着重通过实验分析了钎焊装
配间隙对钎焊结果的影响。通过对接头的组织分析和性能测试,结果表明采 用本文推荐的工艺,真空钎焊这两种材料所能达到的性能指标,能满足散热

器中铜与不锈钢焊接的使用要求。 由于本人才疏学浅,论文难免有不妥之处,若能得到各位专家、老师的 指导与教诲,则不胜感激。

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在此论文完成之际,我谨向我的导师陈先咏老师致以深深的敬意和感

谢。衷心感谢陈老师在本课题的研究过程中,以其丰富的科研经验指导我顺 利地完成该论文;更要衷心感谢陈老师在我学业选择上的无限宽容、支持和
无私的帮助。在过去的三年中,我深深感受到陈老师慈父般的殷殷关爱之情, 这在我的学习和生活中一直激励着我。

我还要感谢范宏利老师、孙守礼老师。在本课题及论文的完成过程中, 事无巨细,帮助了我很多。另外,机电学院摩擦所的刘佐民老师、王二虎老 师在实验中给予了我热情的帮助。在此,也谨向他们表示诚挚的感谢。 此外,我还要感谢我所有的在学习和生活中互帮互助的朋友们,在我的
人生中他们是我的宝贵财富。

最后,感谢我辛勤劳作的父母和我的男朋友。没有他们的支持和鼓励, 我是不可能坚持到现在,并在学习道路上继续走下去的。

戚仪埋I.人学坝t学位论艾

参考文献

[1】任耀文,真空钎焊工艺,机械工业出版社,1993。

[2】张京新等,特种焊接工基本技术,金盾出版社,1998。
【3】L.Holland.Vacuum Manual.London:E.EN.SpoN,1974.

[4】李培森任耀文燕泽明编著,真空钎焊,国防工业出版社,1984。 【5】王正樵吴幼林等,不锈钢,化学工业出版社,1991。
【6】陆世英等,不锈钢,原子能出版社,1995。

【7】L.柯洛姆比等,赵忠译.不锈钢与热强钢,中国工业出版社.1965。

【8】【日仲部焊接振兴会编,工学博士吉田亨主编,刘知飞,吴广仁译,现场焊接技术,
河北人民出版社,石家庄,1982。
‘、

【9】刘中青邸斌著,异种材料的焊接,科学出版社,1990。

【10】国家机械工业委员会统编,有色金属熔炼工工艺学,机械工业出版社,1988。
【111李箕福王移山等。不锈钢及耐蚀耐热合金焊接100问,化学工业出版社。2000。 【12】邹僖,钎焊.机械工业出版社,1991。 [13】刘中青刘凯著,异种金属焊接技术指南,机械工业出版杜,1997。 【14】张文钺主编,焊接冶金学(基本原理),机械工业出版社,1993。 【15】周振丰主编,焊接冶金学(金属焊接性),机械工业出版杜,1993。 【16】田燕主编,焊接区断口金相分析,机械工业出版社,1990. [17】崔忠圻主编,金属学与热处理.机械工业出版杜,1988。

【18】张健编,工程焊接实用手册,中国计划出版社,1991。
【19]潘春旭著。异种钢及异种金属焊接一显微结构特征及其转变机理,人民交通出版
社,北京,2000.7。 【20】Lin Jia-ming,Welding
Technology,V01.30,No.3。Jun.2001. Science and

【21】H.A.Dran,EB.Picker,Materials 【22】N.Q

Technology,7,176,(1991). ofJapan,38,744,(1998).

T.N.Backer,The Iron and Steel Institute

【231

Man Li-ping,Chinese Journal ofMaterials gearch.V01.16No.1 February 2002.
Journal ofMaterialsRearch。V01.15No.3 Jun.200t.

[24】MoLi—qi,Chinese

[25】Hu Gang,Welding Technology,V01.30,No.2,Apr.2001.
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武汉理工大学硕士学位论文

[26】Yin Gui?quan,Transactions ofthe

China

Welding Institution,19,3(1998).

【27】WDANIEL KAY,Welding Journal,2000.79(9).
【28】He Peng,Transactions ofthe China Welding Institution,23,l(2002).

【29】朱坤龙伟民等。不锈钢一铜眼镜架钎焊工艺的改进,‘焊接》,2002(6) 130]张启运,庄鸿寿,钎焊手册,北京,机械工业出版社,l
998,l l

【3l】袁一,石炎福等译,传递现象,北京,化学工业出版社,1990 【32】康显澄。沈勇将,潘健武合译,列支敦士登0.WINKLER,美国R.BAKISH合编,
真空冶金学,上海科学技术出版}t,1982,1


【33】邹增大主编.李亚江,孙俊生,曲仕尧副主编,焊接材料工艺及设备手册,化学 工艺出版社。北京,2001。

[34I戴永年,赵忠编著,真空冶金,冶金工业出版社,北京,1988,3。 【35】何康生,曹雄夫编著,异种金属焊接,机械工业出版社,北京,1986,10。 【36】【苏】c.M.古列维奇著,邸斌,刘中青译,有色金属焊接手册,中国铁道出版社, 北京,1988,10。 [37】陈先咏廖传书等.外热式空炉.电炉.。1990.第6期(总第98期) f38】阎承沛真空热处理工艺与设备设计. 北京:机械出版社,1998.303.304.

【39】孙士琦,等.真空电阻炉设计.北京:冶金工业出,1978.282.290.

铜与不锈钢的真空钎焊
作者: 学位授予单位: 被引用次数: 郭红 武汉理工大学 2次

引证文献(2条) 1.程东海.魏强.陈益平.胡德安 工艺参数对铜/钢异种材料等离子弧焊的影响[期刊论文]-焊接 2011(11) 2.皮友东.董鹏.杨武雄.肖荣诗 黄铜-低碳钢异种金属激光深熔钎焊[期刊论文]-中国激光 2007(11)

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