工装夹具设计不当出现的钎焊缺陷有:零件变形、漫流、漏焊、钎料不全熔、溶蚀、工装螺栓卡死等。零件变形是其尺寸和形状不满足图纸要求。漫流是钎焊时钎料流过接头处在母材上形成的薄的覆盖层。漏焊就是钎料流失, 钎焊件联结缝隙内没有钎料而形成的未焊合的缝隙。钎料不全熔就是钎料部分没有熔化, 依然保持原形状。溶蚀是母材表面被熔化的钎料溶解而形成的凹陷。工装螺栓卡死是指钎焊后螺栓拆卸不下来,严重时甚至拧断, 螺栓也不松动。解决方法：设计采用粗牙螺栓，加工时螺栓以后可进行真空氮化或发黑色处理。在现场拆工装螺栓如发现工装螺栓卡死可以用免洗挥发油润滑下，或在螺纹处涂覆石墨粉。拆卸时用气动扳手稍微振动下。
真空钎焊缺陷产生的原因作如下析:
(1) 零件变形:铝的膨胀系数约是钢铁的两倍, 二者膨胀变形不协调, 导致零件固定部位受压留下压痕。零件形位尺寸变形的机理是钎焊工装热刚度不足, 热应力和重力引起组件松动错位, 钎焊缝隙变大, 这往往伴随着漏焊, 但不会产生工装压痕。工装压片热弹性不足, 钎焊组件装配锁紧力太大, 在加热时超过了材料的屈服强度而使钎焊件变形, 并有工装压痕存在。另外, 钎焊组件材料残余内应力过大、升降温速率过大、组件装配压紧力太大时, 也会使钎焊零件变形, 但这种变形可以通过增加钎焊组装前的去应力热处理或采用在550℃以下缓慢升温、降低升降温速率、减轻组件装配时压紧力等措施来克服, 而真空钎焊工装夹具设计不当引起的变形则不能用此措施消除。
(2) 由于工装的热容量过大, 致使钎焊件升降温速率小, 钎料在固-液相线温度区间停留时间过长, 钎料中大蒸汽压组元挥发过多, 破坏了液态钎料表面张力, 使钎料润湿性能太好而导致漫流。提高钎焊加热功率不能消除工装热容量过大导致的漫流。
真空钎焊工装夹具设计小结
真空炉中钎焊夹具设计要考虑的因素比较复杂，在保证以上要求的条件下，还要考虑到重力影响，焊件加热后，接头因膨胀松弛，钎料会自然出现向下流动的趋势，所以必须注意夹具及焊件的夹持及放置形式；夹具结构要尽可能简单，钎焊是一个封闭进行的过程，具体过程不可见，夹具越简单，不可预见的问题越少，这样夹具可靠性高，可操作性强。总之，钎焊夹具设计应重点保证以下几个方面：保证钎焊件接头间隙，对于铝及铝合金的组装件，接头内有0．05～0．10 mm的间隙，此时钎料流动性最好；重视夹具与组焊件在钎焊温度时的膨胀和收缩，考虑膨胀系数的区别，保证零件相互协调；夹具对零件钎焊过程的影响最小，保证不影响钎焊区的热传导，不妨碍钎料的流动。铝合金真空钎焊根据铝合金钎焊组件结构和焊缝形式及形位公差等, 设计相应的工装夹具。
(1) 真空钎焊的升降温应采用尽量大的升温和降温速率。如果考虑产品变形建议随炉不冲氮气随炉保温冷却。
图1是铝-镁二元合金相图的局部。
以15%镁的合金为例, 若升温速率足够快, 钎料开始熔化温度是e点, 熔化终了是f点。如果升温速率足够低, 根据二元相图的杠杆定律, 在b点的等温停留时间较长时, 就会产生c点成分的液相和a点成分的固相, 而a点成分固相的液相线点即熔化终了温度升高至g点。真空钎焊时升降温速率低, 存在三个方面的问题:一是会升高钎料的熔化终了温度, 导致部分钎料不熔, 甚至母材发生溶蚀时钎料也不全熔;二是先前熔化的低熔点液相与母材作用产生溶蚀;三是高蒸气压元素镁、铋等的挥发产生漫流, 提高了钎料熔化终了温度。分别产生钎料漫流、部分不熔、母材溶蚀。
2真空钎焊的保温时间在保证钎焊缝强度的前提下, 保温时间要短。
3钎焊工装的作用钎焊工装把钎焊组件和钎料固定在一起, 使组件连接处形成适当的间隙, 钎料熔化后毛细吸附在间隙内形成钎焊缝, 并在钎焊过程中保持组件相对位置不变, 保证其尺寸公差。对于铝合金零件的真空钎焊, 铝吸收辐射热效率低, 工装还需承担接受热辐射而加热铝件的功效。
工装夹具设计不当产生的钎焊缺陷
工装夹具设计不当出现的钎焊缺陷有:零件变形、漫流、漏焊、钎料不全熔、溶蚀、工装螺栓卡死等。零件变形是其尺寸和形状不满足图纸要求。漫流是钎焊时钎料流过接头处在母材上形成的薄的覆盖层。漏焊就是钎料流失, 钎焊件联结缝隙内没有钎料而形成的未焊合的缝隙。钎料不全熔就是钎料部分没有熔化, 依然保持原形状。溶蚀是母材表面被熔化的钎料溶解而形成的凹陷。工装螺栓卡死是指钎焊后螺栓拆卸不下来,严重时甚至拧断, 螺栓也不松动。解决方法：设计采用粗牙螺栓，加工时螺栓以后可进行真空氮化或发黑色处理。在现场拆工装螺栓如发现工装螺栓卡死可以用免洗挥发油润滑下，或在螺纹处涂覆石墨粉。拆卸时用气动扳手稍微振动下。
现对这些缺陷产生的原因作如下析:
(1) 零件变形:铝的膨胀系数约是钢铁的两倍, 二者膨胀变形不协调, 导致零件固定部位受压留下压痕。零件形位尺寸变形的机理是钎焊工装热刚度不足, 热应力和重力引起组件松动错位, 钎焊缝隙变大, 这往往伴随着漏焊, 但不会产生工装压痕。工装压片热弹性不足, 钎焊组件装配锁紧力太大, 在加热时超过了材料的屈服强度而使钎焊件变形, 并有工装压痕存在。另外, 钎焊组件材料残余内应力过大、升降温速率过大、组件装配压紧力太大时, 也会使钎焊零件变形, 但这种变形可以通过增加钎焊组装前的去应力热处理或采用在550℃以下缓慢升温、降低升降温速率、减轻组件装配时压紧力等措施来克服, 而工装夹具设计不当引起的变形则不能用此措施消除。
(2) 漫流是由于工装的热容量过大, 致使钎焊件升降温速率小, 钎料在固-液相线温度区间停留时间过长, 钎料中大蒸汽压组元挥发过多, 破坏了液态钎料表面张力, 使钎料润湿性能太好而导致漫流。提高钎焊加热功率不能消除工装热容量过大导致的漫流。
工装设计需要注意事项
1 真空钎焊工装刚度不足引起零组件松动而使钎焊缝隙变大, 导致钎料流失;或工装的热容量过大,减少工装的热容量最简单的方法就是在工装上打孔或者在接触产品的地方采用镂空方式。让接触产品的工装成：万里长城的形状。由以前的线接触变成有间隔的接触。钎料在液态停留时间太长, 钎料中大蒸汽压组元持续挥发导致钎料流失, 二者都产生漏焊。其它原因如钎剂过量也会产生漏焊。
2 钎料不全熔工装的热容量过大, 加热时钎料在固-液相线温度区间停留时间过长, 形成了液-固平衡相,在真空环境中钎料低熔点液相, 导致固相成分的熔点升高而不溶。工装的热容量过大时, 提高加热功率, 钎焊件滞后环境的温度差会加大, 钎焊件的升降温速率提高有限, 漫流、漏焊、钎料不全熔等缺陷不能消除。母材溶蚀工装的热容量过大, 在钎料的固-液相线温度区间加热或冷却时间过长, 钎料中某些组分过多地渗入母材降低了其熔点, 产生溶蚀缺陷。母材溶蚀常常在提高钎焊温度, 努力消除钎料不全熔缺陷时出现。
3工装螺栓卡死在真空环境下钎料低熔点和蒸汽压大的组分和钎剂挥发严重, 螺栓牙与螺母扣间和孔轴间隙内形成毛细缝隙, 吸附钎料或钎剂蒸汽凝固后形成联结。
4铝合金真空钎焊工装夹具要尽量地质轻、热容量小、刚度高、吸热导热性好、热弹性好。
5铝合金真空钎焊需要快速升降温, 真空钎焊靠辐射加热, 铝接收热辐射的效率低, 工件温度滞后炉子温度的大小受工装材料的辐射热反射率、导热性及比热容的影响较大, 应选用导热性好、比热容小、密度小的材料。铬镍铁合金、镍高温合金等在600℃仍具有弹性, 是钎焊工装夹具的理想材料。奥氏体不锈钢在钎焊温度仍有足够的强度, 可以作框架结构部件和弹簧压片, 是较便宜的工装材料。钛合金热强度高, 但导热性差,不易作工装材料。石墨的导热系数、比热容接近1Cr18Ni9Ti钢, 线膨胀系数是1Cr18Ni9Ti钢的四分之一, 石墨密度2.26kg/m3, 单位体积的热容量小;石墨是黑色, 易吸收辐射热, 有利于工件的快速升温。石墨可作为平面度要求高的钎焊组件的底板和压板。较大型的精密零件, 采用0Cr181Ni9和石墨组合工装效果较好。
6工装的刚度在钎焊温度下, 工装夹具应有足够的刚度, 承受一定的夹紧力时不能变形, 钎焊件的重量会引起变形, 与其接触的底版的平面度就是钎焊后零件的平面度。石墨底版和压板的厚度应≥10mm, 否则钎焊温度下易折断。工装夹具应能保证钎焊组件间的缝隙保持在最小的尺寸, 以便缝隙毛细吸附住熔化的钎料。工装夹具刚度不足, 在钎焊温度下夹紧力松驰, 钎焊组件间的缝隙增大, 钎料熔化后不能被吸附进缝隙或缝隙保持不住钎料, 就形不成焊缝。
7工装的热弹性工装与铝钎焊件的膨胀系数不一样, 升降温过程中会产生相对变形, 工装应通过几字形弹簧压片与钎焊组件压板接触。在接近熔点时铝合金的强度很低, 弹簧压片的热弹性太大, 钎焊件组装时合适装夹力的大小难以把握, 加热时弹簧压片不能有效地释放过大的装夹力, 会留下压坑。弹簧压片热弹性不足,在加热时零件的自重力或工件与工装的相对热变形会增大钎焊缝隙, 导致漏焊。实验表明1Cr18Ni9Ti钢的弹簧压片0.6~1mm厚较合适。
8工装的热容量工装的热容量大, 升温速率低, 在真空环境中钎料低熔点成分挥发快, 导致余下组元熔点升高而不溶, 同时形成漫流。同样, 过慢的冷却, 会产生漫流、漏焊、溶蚀等缺陷。工装夹具在保证足够刚度的前提下, 应尽量的简单、质轻, 或镂空减重, 减少工装的热容量最简单的方法就是在工装上打孔或者在接触产品的地方采用镂空方式。让接触产品的工装成：万里长城的形状。由以前的线接触变成有间隔的接触。让其热容量应尽量的小, 可以用质量轻的石墨部分取代不锈钢作衬板压板, 既可保证工装的热钢度, 也可减少其热容量。在长600mm、厚0.8mm的某精密薄壁零件的钎焊攻关中, 先前的钎焊工装较重。每炉只装1件, 在钎焊中也总是有钎料不全熔、钎料漫流等缺陷, 形不成焊缝。虽经不断提高钎焊温度, 甚至于接近母材的固相线, 即使出现了溶蚀, 钎料也没有完全熔化。采用分阶段升温, 在500℃后快速升温, 但钎焊件温度滞后炉温50 min以上, 且升温缓慢, 同样出现钎料不全熔。采取镂空工装减重、削减工装厚度、增加石墨板以保证工装的热刚度等措施后, 则钎焊效果良好。
9工装热反射性、导热性铝的热反射率高, 特别是尺寸要素多的复杂精密钎焊件, 工装几乎包围住了钎焊件, 钎焊件的升温主要靠工装接受的辐射热。若工装的反射率高, 导热性差, 工件升降温速率就低, 钎料不熔、漫流、漏焊、溶蚀等缺陷不易避免。除选用导热性好的材料外, 可部分改用石墨或把工装发黑处理、氧化处理。钎料易湿润工装, 工装表面的氧化铬、氧化铁膜, 也能大大降低钎料对工装的润湿性。
10工装螺纹挥发的钎料和钎剂, 毛细吸附在螺纹牙和螺母螺栓联结处, 工装拆卸困难。使用粗牙螺纹可减少吸附, 或在螺纹处涂覆石墨粉, 抗吸附效果更好, 工装拆卸时先用毛刷刷掉石墨粉。工装夹具的孔轴间隙应尽量大些, 应选择不同牌号的材料, 同种牌号或成分太接近, 易发生互相扩散而导致拆卸困难。
11工装使用前的处理工装夹具在第一次使用前还应在真空钎焊炉中加热处理一次, 温度略高于钎焊温度, 以清除掉黑色氧化处理时带入的易挥发成分, 防止对钎焊零件的污染。
真空钎焊工装设计需要注意事项
1钎焊工装刚度不足引起零组件松动而使钎焊缝隙变大, 导致钎料流失;或工装的热容量过大, 减少工装的热容量最简单的方法就是在工装上打孔或者在接触产品的地方采用镂空方式。让接触产品的工装成：万里长城的形状。由以前的线接触变成有间隔的接触。钎焊工装热容量过大会让钎料在液态停留时间太长, 钎料中大蒸汽压组元持续挥发导致钎料流失, 二者都产生漏焊。其它原因如钎剂过量也会产生漏焊。
2 钎料不全熔工装的热容量过大, 加热时钎料在固-液相线温度区间停留时间过长, 形成了液-固平衡相,在真空环境中钎料低熔点液相, 导致固相成分的熔点升高而不溶。工装的热容量过大时, 提高加热功率, 钎焊件滞后环境的温度差会加大, 钎焊件的升降温速率提高有限, 漫流、漏焊、钎料不全熔等缺陷不能消除。母材溶蚀工装的热容量过大, 在钎料的固-液相线温度区间加热或冷却时间过长, 钎料中某些组分过多地渗入母材降低了其熔点, 产生溶蚀缺陷。母材溶蚀常常在提高钎焊温度, 努力消除钎料不全熔缺陷时出现。
3工装螺栓卡死在真空环境下钎料低熔点和蒸汽压大的组分和钎剂挥发严重, 螺栓牙与螺母扣间和孔轴间隙内形成毛细缝隙, 吸附钎料或钎剂蒸汽凝固后形成联结。
4铝合金真空钎焊工装夹具要尽量地质轻、热容量小、刚度高、吸热导热性好、热弹性好。
5铝合金真空钎焊需要快速升降温, 真空钎焊靠辐射加热, 铝接收热辐射的效率低, 工件温度滞后炉子温度的大小受工装材料的辐射热反射率、导热性及比热容的影响较大, 应选用导热性好、比热容小、密度小的材料。铬镍铁合金、镍高温合金等在600℃仍具有弹性, 是钎焊工装夹具的理想材料。奥氏体不锈钢在钎焊温度仍有足够的强度, 可以作框架结构部件和弹簧压片, 是较便宜的工装材料。钛合金热强度高, 但导热性差,不易作工装材料。石墨的导热系数、比热容接近1Cr18Ni9Ti钢, 线膨胀系数是1Cr18Ni9Ti钢的四分之一, 石墨密度2.26kg/m3, 单位体积的热容量小;石墨是黑色, 易吸收辐射热, 有利于工件的快速升温。石墨可作为平面度要求高的钎焊组件的底板和压板。较大型的精密零件, 采用0Cr181Ni9和石墨组合工装效果较好。
6工装的刚度在钎焊温度下, 工装夹具应有足够的刚度, 承受一定的夹紧力时不能变形, 钎焊件的重量会引起变形, 与其接触的底版的平面度就是钎焊后零件的平面度。石墨底版和压板的厚度应≥10mm, 否则钎焊温度下易折断。工装夹具应能保证钎焊组件间的缝隙保持在最小的尺寸, 以便缝隙毛细吸附住熔化的钎料。工装夹具刚度不足, 在钎焊温度下夹紧力松驰, 钎焊组件间的缝隙增大, 钎料熔化后不能被吸附进缝隙或缝隙保持不住钎料, 就形不成焊缝。
7工装的热弹性工装与铝钎焊件的膨胀系数不一样, 升降温过程中会产生相对变形, 工装应通过几字形弹簧压片与钎焊组件压板接触。在接近熔点时铝合金的强度很低, 弹簧压片的热弹性太大, 钎焊件组装时合适装夹力的大小难以把握, 加热时弹簧压片不能有效地释放过大的装夹力, 会留下压坑。弹簧压片热弹性不足,在加热时零件的自重力或工件与工装的相对热变形会增大钎焊缝隙, 导致漏焊。经验表明1Cr18Ni9Ti钢的弹簧压片0.6~1.2mm厚较合适。
8工装的热容量工装的热容量大, 升温速率低, 在真空环境中钎料低熔点成分挥发快, 导致余下组元熔点升高而不溶, 同时形成漫流。同样, 过慢的冷却, 会产生漫流、漏焊、溶蚀等缺陷。工装夹具在保证足够刚度的前提下, 应尽量的简单、质轻, 或镂空减重, 其热容量应尽量的小, 可以用质量轻的石墨部分取代不锈钢作衬板压板, 既可保证工装的热钢度, 也可减少其热容量。在长600mm、厚0.8mm的精密平板天线零件的真空钎焊中, 先前的真空钎焊工装较重。每炉只装1件, 在钎焊中也总是有钎料不全熔、钎料漫流等缺陷, 形不成焊缝。虽经不断提高钎焊温度, 甚至于接近母材的固相线, 即使出现了溶蚀, 钎料也没有完全熔化。采用分阶段升温, 在540℃后快速升温, 但钎焊件温度滞后炉温50 min以上, 且升温缓慢, 同样出现钎料不全熔。采取镂空工装减重、削减工装厚度、增加石墨板以保证工装的热刚度等措施后, 则真空钎焊效果良好。
9真空钎焊工装热反射性、导热性铝的热反射率高, 特别是尺寸要素多的复杂精密钎焊件, 工装几乎包围住了真空钎焊件, 真空钎焊件的升温主要靠工装接受的辐射热。若工装的反射率高, 导热性差, 工件升降温速率就低, 钎料不熔、漫流、漏焊、溶蚀等缺陷不易避免。除选用导热性好的材料外, 可部分改用石墨或把工装发黑处理、氧化处理。钎料易湿润工装, 工装表面的氧化铬、氧化铁膜, 也能大大降低钎料对工装的润湿性。
10工装螺纹挥发的钎料和钎剂, 毛细吸附在螺纹牙和螺母螺栓联结处, 工装拆卸困难。使用粗牙螺纹可减少吸附, 或在螺纹处涂覆石墨粉, 抗吸附效果更好, 工装拆卸时先用毛刷刷掉石墨粉。工装夹具的孔轴间隙应尽量大些, 应选择不同牌号的材料, 同种牌号或成分太接近, 易发生互相扩散而导致拆卸困难。
11工装使用前的处理工装夹具在第一次使用前还应在真空钎焊炉中加热处理一次, 温度略高于钎焊温度, 以清除掉黑色氧化处理时带入的易挥发成分, 防止对钎焊零件的污染。
