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涨知识:真空钎焊缺陷及其解决办法
发布时间:2017-05-31:17-29-46     浏览次数:295

转自微信公众号“钎焊”

真空钎焊是在真空状态下,对结构件进行加热和保温,使钎料在适宜的温度和时间范围内熔化,在毛细力作用下与固态金属充分浸润、溶解、扩散、焊合,从而达到焊接目的的一种先进焊接方法。

真空钎焊的突出优点是可连接不同的金属、实现复杂结构的同时焊接,焊接后的焊接头光洁致密、变形小且具有优良的力学性能和抗腐蚀性能。 

1.钎料层厚度  

当钎料层厚度过薄时,易造成焊接强度低、焊接不牢、承压不达标等焊接缺陷;过厚时,则会造成芯层合金厚度过薄、承压不达标、甚至出现熔蚀现象导致泄漏。因此,钎料层厚度及其均匀性是衡量其质量的重要指标,也是影响钎焊质量的重要因素之一。  

2.其它质量要求  

内在缺陷如芯层合金的气孔、夹渣、与钎料层的焊合不良等;外在缺陷除表面处理不洁净外,还有在加工过程中的磕碰伤、划伤。当其深度超过钎料层厚度时,会直接破坏金属的连续性,导致承压能力下降。 

3.真空钎焊工艺制度      

在真空钎焊炉中,工件主要靠热辐射进行加热。而辐射传热有其特有的规律,即斯蒂芬玻尔兹曼定律: 1879年,J.斯蒂芬经实验求出黑体总发射本领和温度之间关系的定律。1884年L.玻尔兹曼又由热力学定律加以证实。定律表明:黑体的总发射本领E0(T)和黑体热力学温度T的4次方成正比。即E0(T)=σT4,式中σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。其数值由下式给出:σ=5.672×10-8。式中K为玻尔兹曼常数;A为普朗克常数;c为真空中的光速。上式说明,高温时即使是很小的温度差也需要很高的热能传导,即真空加热温度越高,需要传递的热量越大。说明在相同情况下真空炉内升温速度要较其他加热方式慢很多。真空加热所需时间大约是空气炉的3倍、盐浴炉的6倍。因此,制定真空钎焊炉加热工艺制度时,不能照搬空气炉、盐浴炉和气氛炉的加热工艺制度。上式同时说明:真空钎焊过程中,应尽可能缓慢加热,以使待钎焊产品内外温度保持一致,否则直接影响钎焊质量。

对工业化生产中的预热定温、保温、蓄能定温、保温、钎焊定温、保温以及停电降温,是既能实现上述目的又能提高生产效率的行之有效的工艺流程,其中真空钎焊温度及保温时间是影响钎焊质量的关键。 

1.真空钎焊温度

温度低时,钎料尚未达到必需的温度,钎料的流动性、浸润性均较差,易产生钎缝内部气孔、钎缝不连续、虚焊等缺陷,使钎焊接头强度降低,承压能力不达标而产生泄漏,严重时甚至会撕裂;温度高时,钎料完全熔化且流动性过大,易产生钎料氧化形成气孔和对焊缝的毛细力作用变差,造成钎料流失、熔蚀、产品弯曲等缺陷。适宜的定温应注重焊料的流点,通常焊料的熔点应比被焊金属熔点低60左右。此时,液态焊料对被焊金属具有良好的浸润性和流散性,能在毛细力作用下较好地填充钎焊间隙,并能与被焊金属产生良好的合金化作用,形成高强度接头。  

2.真空保温时间

钎焊时钎料的润湿和接头形成约需要1s-2s,因此保温时间主要由待钎焊产品心部温度达到钎焊温度所需的时间及氧化膜层消散所需时间决定。如果保温时间过短,待钎焊产品中心部温度没有达到钎焊温度;时间过长,液态钎料容易使被焊金属熔蚀。  

3.真空钎焊炉的真空度 

高温状态下的真空度较低时,炉内残留的O2、H2O等氧化性气体易与产品金属起化学反应生成质硬的氧化膜。氧化物组织致密、稳定、熔点高,在普通真空钎焊温度下不易分解,钎料氧化后使其流动性浸润性变坏;被焊金属氧化后变得难以浸润,从而导致焊料与基体间的焊接性能恶化。故需要尽可能提高真空钎焊时的真空度,减少O2、H2O等氧化性气体的含量,控制金属氧化物的生成量。一般要求,真空钎焊炉采用多温区控温,炉温均匀性为±3,工作真空度应保证不大于2.0×10-3 Pa,预抽真空的极限真空度必须在10-4数量级。

4.真空钎焊时环境状况  

环境中的湿度会对散热器钎焊质量造成影响。将高湿度下组装的金属产品放入真空炉中钎焊,水分会蒸发、释放出更多的气体,且散热器内部的水分蒸发、气体释放是个缓慢的过程。水分需要大量蒸发热,影响散热器内部的温度;水分还会影响真空度;水分将加剧金属的氧化,从而影响钎焊质量。所以在进行散热器构件表面处理、组装及钎焊前都应该保持一定的环境湿度,或采取烘箱进行烘干燥加工,控制由于环境湿度造成的散热器构件表面水分含量。  

真空钎焊缺陷的主要现象有:

1.漫流  

漫流是钎焊时钎料流过钎焊接头处在母材上所形成的薄的钎料覆盖层。

(1)漫流原因  

工装夹具在钎焊温度时应有一定的弹性和钢度,使焊缝联接处有合适的间隙,形成毛细现象吸附住熔化钎料。工装装夹不紧,钎焊组件缝隙太大就保持不住钎料,产生漫流缺陷。工装钢度低,加热后热变形和重力作用引起钎焊组件联结缝隙增大,不能形成钎料的毛细现象也导致钎料漫流。  

真空钎焊是辐射传热,工装夹具的热容量大,钎焊零件的升温速率小,在钎料的固—液相温度区间停留时间长,钎料低熔点组分挥发较多,同时钎剂的作用时间也长,两者进一步破坏了液态钎料的表面张力,过度改善了钎料对母材的润湿性。

装炉量大,升降温速率小,保温时间长等和工装夹具热容量大一样,钎料在液态停留时间长,降温速率慢相当于延长了钎料液态的保温时间,也会产生漫流。钎剂的作用是还原表面的氧化膜、降低液态钎料的表面张力,改善钎料对母材的润湿性。

钎剂使用量大,钎料对母材的润湿性太好而导致钎料漫流。保温温度高,液态钎料的表面张力小,钎剂降低表面张力的作用增强等这些因素综合作用的结果引起钎料漫流。工件在钎料的固—液相温度区间停留时间长而导致漫流。

(2)消除措施  

可以增大工装装夹力,缩小钎焊组件连接缝隙。提高工装夹具钢度,保证热状态时连接缝隙不变大。镂空减轻工装重量或者用石墨代替部分钢材,以减少工装的热容量。减少钎剂用量,在连续钎焊时应逐炉减少钎剂用量。采用分阶段升降温,在钎料固一液相温度区间快速升降温,缩短钎焊保温时间,降低钎焊保温温度,减少装炉量。 

2.溶蚀  

溶蚀是母材表面被熔化的钎料熔解而形成的凹陷 。

(1)溶蚀原因

钎料与钎焊母材不匹配,钎料与母材中的某个组元形成低熔点相,降低了母材部分区域的固相线温度。工装热容量大或装炉量大而导致零件升温速率慢,在钎料固—液相温度区间停留时间太长,在某个温度点钎料与母相中的某个组元络合成低熔点的相而导致母相合金部分区域熔点降低而熔化。炉温不均匀,钎焊件局部温度太高,钎焊温度太高导致经钎料扩散区域母材的低熔点组分熔化。在钎料固一液相线区间升降温慢。钎焊保温时间太长。

(2)消除措施  

解决措施一般是更换钎料牌号。或在接近钎料熔点时快速升温,减少装炉量,减轻工装重量,降低钎焊温度,缩短真空钎焊的保温时间。  

3.产品钎焊强度低

(1)原因 

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。

 

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