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1、影响铝合金真空钎焊质量的核心因素Quality Improvement of Aluminum Alloy Vacuum Brazing摘要 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，明确了这些核心因素的影响机理，归纳出了钎焊工艺设计的核心点。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措施。工作压强110。3Pa是铝真空钎焊的必要条件，尽量减少工装的热容量是基本的设计原则。核心词 钎剂 钎料 真空度 工装夹具 铝合金 真
2、空钎焊Abstract The impacts of the vacuuln brazing conditions，including the flux type，filler metal，base pressure，thermalproperties of jig and set，and brazing technologies available，on the microstructures，chemical contents and mechanicalproperties of the aluminum alloy parts to be brazed were experimenta
3、lly studiedThe results show that among other things，the working pressure and thermal capacity of the jig-set strongly affect the vaeuuln brazing of aluminum a0yWe suggestthat the working pressure lower than 110-3Pa and a jig-set made of material with low heat capacity be the fundamentalrequirements
4、for the vacuun brazingKeywords Flux；Filler metal；Vacuum degree；Jig and set；Aluminum vacuuln brazing某零件的型腔构造复杂需要钎焊成型。该零件需要多层叠焊，在多条棱上和多种圆环上形成钎焊缝。规定焊缝的焊接圆角R02mm，不得有钎料漫流，规定多层06mm厚的板叠焊后平面度005ram。另一种零件是要把5个组件焊接起来，规定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，规定较高的焊接强度。此类对
5、焊接圆角和型位公差、焊缝及型腔的粗糙度规定极其严格的铝合金硬钎焊，影响钎焊质量的工艺因素诸多，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措施。真空钎焊具有尺变形小、焊后不需要清洗、可以实现多条焊缝、多种零件同步焊接、绿色环保的长处，复杂精密的铝合金硬钎焊零件可以选用真空钎焊措施。为制定此类复杂精密铝合金零件的真空钎焊工艺和检查规则，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11钎剂铝的
6、化学活性强，一般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，运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。镁蒸汽的渗入还会减少钎料与母材间的界面张力，从而增强了钎料的润湿能力。实验表白，母材和钎料表面的氧化膜在人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msiMg钎料，若在入炉前可以彻底清除母材和钎料表面的氧化膜，
7、合适控制升温速率，在4500C左右停留30min以上，尽量多地排除空气，在整个升温过程中维持压强l10Pa，虽然不使用钎剂也能较好的焊接，焊接强度与有无添加镁粉没有区别。采用址siM只系钎料，不再添加钎剂，钎焊效果也较好。12钎料零件的材质是3A21、6063，固一液相线温度分别是643654和615655。选择与母材具有相似的重要相组元的铝一硅系钎料，添加一定量的镁元素可减少液态钎料的表面张力，实验表白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。镁在真空环境中迅速挥发也变化了钎料的成分，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
8、对三种成分(址SiMg)的钎料的实验筛选，钎料的熔点范畴在555一580的A180Sil4M96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实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 X 10。3Pa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510-3Pa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510-1Pa，才干实现钎焊。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
9、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种技术指标，也称为泄漏率，真空钎焊炉的压升率03Pah一1可以焊接出质量较高的铝合金零件。如果压升率较大，虽然工作压强维持在110一Pa，铝合金零件钎焊质量也不易保证。由于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 c12600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迅速挥发，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，相称于延长了保温时间，会产生漫流、漏焊、熔蚀等缺陷。真空钎焊炉的极限压强应10
10、。4Pa，工作压强满足110一Pa，压升率03Pah一10应有足够的加热功率，可以迅速升温，升温速率12rain一10真空钎焊炉应配备气冷系统，可以迅速冷却。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、炉温均匀性规定较高，5可以满足小型零件的真空钎焊，目前市场上l控温精度、3。C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有装夹力可以调节的功能，工装夹具使用1Crl8Ni9Ti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
11、在螺纹牙问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，减少对辐射热的反射率。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、熔蚀等缺陷不断浮现，虽然调节其他工艺参数也无法避免。经观测分析因素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，这相称于升温速率慢和保温时间长，相相应的钎焊缺陷就不可避免。后镂空该工装、开设减重孔，使其重量减少了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
12、用密度小、比热容小的材料来实现，例如石墨。4 钎焊工艺41铝合金真空钎焊的工艺流程铝合金真空钎焊的工艺流程：钎料裁剪一钎焊件母材和钎料表面的氧化膜清除一钎料固定一装配一真空钎焊一检查。42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，在室温下碱腐蚀反映缓慢，需要较高的浓度，腐蚀速度快不易控制，易浮现麻点。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8085，腐蚀时间45s一50s，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。核心参数是碱液的成分、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
13、浓度选择不当，容易导致氧化膜清除不彻底或过腐蚀。氧化膜清除不彻底，液态钎料将无法较好地润湿母材。零件和钎料的过度腐蚀，也许会使其成分比例发生一定限度的变化，甚至使钎料的成分发生某种限度的变化，影响两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实验优化。钎料和母材的腐蚀速率不同样，钎料和母材的腐蚀应分开进行。43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，很少量的空气也能使其氧化，同步气体受热膨胀，减少升温速率，可以把热
14、空气尽量多的抽出；升温速率快，另一种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迅速升温。升温速度慢，在钎料的固一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浮现的状况是同样的。而对于零件的平面度，在这个阶段迅速升温也是容许的。在5000C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。C保温30min而后迅速升温至600。C保温25min，
15、比直接升至600。E的钎焊效果好。进一步的实验成果是仅在45012停留30rain，而后lOmin-1升至620钎焊的某零件完全合格。44 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，温度过低易浮现钎焊强度低，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后来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，则浮现钎料漫流或漏焊。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。45 铝合金真空钎焊冷却钎焊保温时间不适宜太长
16、，保温结束后需要迅速冷却，采用保护气体强制均匀冷却，以零件的变形限度满足规定为冷却速率最佳值。冷却慢与延长保温时间同样，会产生钎料漫流或漏焊缺陷，对于尺寸较大的零件，迅速冷却非常重要，零件和工装热容量太大时虽然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似，钎料的液相线温度要低于母材固相线温度至少30cC，温差越小对钎焊炉的控温精度、炉温均匀性规定越高；钎料的固相线与液相线之温度差要尽量的小；在钎焊温度下，钎料的重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；钎料的重要成分元素与母材的重要成分元素在元素周期表中的位置应当尽量接近，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
