设为首页 加入收藏 联系我们 ENGLISH
 
 
站内新闻 产品搜索
 
 
真空钎焊工艺
真空炉工艺人员的培训
真空炉配件
真空炉维修

  首页→新闻中心

真空钎焊工装夹具设计

作者:蔡东俊 人气:253070 日期:2020-09-26 19:04:22

      

     真空钎焊装配、钎焊工装夹具设计

引 言

   真空钎焊能够获得精密光亮的接头、钎缝,而且接头具备优良的机械性能和抗腐蚀性能,真空钎焊与其它钎焊方法相比,在零件氧化和零件变形的控制方面具有明显的优势,这些特点对于平板天线、风冷散热器,水冷冷板和有特殊要求的箱体、盒体都非常适合,直接可以获得高精度的零件,质量也易于控制,现在真空铝钎焊在电子产品冷却系统中的应用已十分广泛。真空钎焊的主要工序包括:零件加加工、真空钎焊前清洗处理、零件装配和固定、钎焊、钎焊后处理及质量检验等,每道工序均会影响最终的钎焊质量,下面主要讨论真空铝钎焊夹具设计和选择时必须考虑的因素。

1 真空钎焊夹具装配夹具及进炉真空钎焊夹具一般设计原则

   真空钎焊时钎焊零件应装配定位,以确保零件之问的相互位置和钎焊要求的接头问隙。钎焊夹具要涉及到钎焊零件的固定、装配、进炉、钎焊、出炉整个过程.真空钎焊进炉钎焊夹具是否合理和实用直接影响到产品的钎焊质量。普通夹具设计的原则和要求同样适用于钎焊夹具的设计,如夹具系统要具有一定的精度;夹具系统要具有一定的刚度以克服加工过程中的变形;夹具系统要具有结构紧凑、形状简单、装卸方便的特点 除了要考虑以上的原则,钎焊夹具还有它自身的特点,一般来说装配钎焊夹具和进炉真空钎焊夹具设计有比较大的区别。进炉真空钎焊还要考虑如下因素:

(1)真空钎焊随炉夹具材料要可以经受钎焊温度,而不丧失强度,不变形和放出气体,不易与组焊件产生合金反应、不粘;

(2)重视夹具和零件的温度膨胀和收缩,在钎焊温度下,要保证钎焊零件具有合适的接头间隙;

(3)夹具要保证钎焊区的热传导,引起的热量转移对零件的稳定加热降温产生干扰最小,并且不妨碍钎料的流动。

2 真空钎焊夹具设计

2.1 真空钎焊夹具材料的选择夹具材料选用,最根本就是要保证:在钎焊温度下,夹具材料的刚性要大于钎焊零件材料,这样在钎焊过程中,焊件的变形始终受夹具的限制,焊件及其配合尺寸可以依靠夹具装配得到保证。真空铝钎焊工作温度在600 ℃左右,钎焊时间3~6小时,一般情况选择1Crl8Ni9Ti可以满足使用要求,1Crl8Ni9Ti属奥氏体不锈钢,抗氧化性达到700℃以上,重要的是在钎焊温度时还有足够的热强性,刚性远大于铝合金,组织稳定,长期旋用不会脆化,故而,钎焊夹具基本框架及主要工作部件采用1Crl8Ni9Ti是非常合适的;对于一些配合尺寸及精度要求高的零件,夹具设计必须要涉及螺纹副以及定位孔轴配合,材料选择不合适,组织接近,热稳定性差,钎焊温度下夹具零件之间会有“咬死”现象,而选用铸铁与lCrl8Ni9 Fi配合交替使用就可以较好地解决这个问题。

2.2 要考虑热变形的影响

   真空钎焊夹具及零件在钎焊温度下产生热变形对钎焊过程的影响应该着重予以考虑。由于夹具和钎焊零件的材料不同,热膨胀系数不同,在加热的情况下,会产生膨胀量差,钎焊零件会产生变形,夹具的目的就是让钎焊件随夹具的变形而变形,一般来说,主要对钎焊件平面度、垂直度、焊缝间隙有要求.其它要求不十分严格的零件,采用强制变形夹具可以满足使用要求;但是对于某些外形尺寸、配合尺寸精度要求比较高的零件,采用强制变形夹具就不能满足使用要求了,必须考虑在强制变形夹具的基础上,设计部分弹性元件组成柔性夹具系统,弹性元件一般采用高温弹簧或弹性夹头,经过膨胀量差的计算,控制弹性元件的变形范围,这样既可以对钎焊件保持必要的压力,又解决了膨胀量差的问题。

如图1所示,

 

    零件为箱式真空钎焊件,上下导轨板与前后支撑框组成一个可拔插插件的箱体,上下盖板与上下导轨板之间放置波纹板起到散热作用。总体而言此零件有一个显著地要求,尺寸精度及装配精度要求高,成型后不经过加工,上下导轨板之间插槽定位精度不超过0.15mm,上下间距尺寸精度不超过0.2 mm,插件需拔插自如。在实际生产中经过对夹具及焊件材料热膨胀量精确地分析计算,设计弹性不锈钢垫和钢性C形夹配合使用,消除了热膨胀差对钎焊的影响。如图1夹具系统所示,箱体周边上下依靠小的刚性C形夹(图件6)及垫板夹紧,箱体上下四个角在整个高度上用C形夹及弹性元件整体夹紧(图件9、10)。按照两种材料热膨胀系数计算产生的膨胀量差。

真空钎焊工装夹具变形量计算公式为:

△L=L× △T× △ =L× △T×( a2 a1)

其中:△ 是热膨胀产生变化的膨胀量差;L是夹持距离;△T是钎焊温度减去室温,这里取570℃~580℃;a2是夹持件平均热膨胀系数,℃; a1是被夹持件平均热膨胀系数,℃。箱体总高为410 mm,四周小夹头夹持距离为35~ 40 mm。经过计算,箱体总高度方向夹持后受热产生间隙量为一2.38 mm,四周小夹头夹持后受热产生间隙量为一0.19 mm(间隙量为负值说明加热膨胀后被夹持物长度大于夹头夹持间距)。在小C形夹头夹持位置受热后间隙为0.19 mm,分析认为:此处包括两个钎焊面,由于钎焊料填充接头间隙。每一个钎焊面存在0.10 mm的塌陷,两项相抵,采用刚性夹头是可行的;而箱体整体高度上受热后间隙为2.38 mm,减去四个钎焊面塌陷,还存在的间隙为2 mm左右,如果间隙调整太大,受热后夹持物不能有效夹紧,钎焊需要间隙无法保证,易于产生焊接不充分或焊缝明显不均匀的现象;如果间隙调整太小,受热后夹头形变量不能满足焊件的形变要求,箱体会因夹持物限制而变形,即四角支撑柱由于热膨胀空间不足而产生弯曲或扭曲变形,造成零件报废。通过自制不锈钢弹簧垫(图中件10)(弹簧垫的变形量控制在2 mm)的配合使用较好地解决了这个问题,钎焊件焊接充分,包括上下四角部分焊缝均匀一致,符合设计要求。

2.3 真空钎焊夹具要充分考虑到钎焊件加散热均匀性的要求钎焊时零件的加热和冷却速度也是重要的工艺参数,铝的真空钎焊,真空度控制在3×10ˉ3Pa左右,采用辐射加热,就是为了保证在钎焊过程中加热散热是一个均匀的过程,这样焊件的变形可以减少到最低,易于保证焊件的尺寸精度。

如图2所示

 

   为真空钎焊热循环温度曲线 如果加热过快,会使焊件内温度不均匀而产生内应力,加热过慢又会造成例如母材晶粒长大,钎料低沸点组元蒸发以及金属氧化钎剂分解等有害过程的急剧发展,焊件的冷却速度对于接头质量也有直接的影响,过慢的冷却可能引起母材晶粒长大,加快冷却速度有利于细化钎缝组织提高接头强度,但冷却过快可能使焊件因形成过大的热应力而产生裂纹,或钎缝过速凝固使气体不及逸出而产生气孔。在焊件的温度控制方面以上述曲线为基准,在钎焊中都可以取得很好的效果,曲线中加热速率主要由焊件的材料形状及结构尺寸来决定,也与使用钎料的形式及钎料的结晶温度范围有直接关系。但是如果钎焊夹具忽略了散热性要求,限制了零件的热交换,钎焊件焊缝质量就难以保证。

如图3所示

    真空钎焊零件是一个由上下导轨板及左右侧板通过钎焊连接而成的盒体,此零件不仅要求成型后插件拔插方便,而且对于盒体有气密性要求,这样在对钎焊精度有很高要求的同时,也提高了两侧焊缝的焊接标准,在实际钎焊过程中,经检验发现焊件存在气密检验不合格现象,这就是说焊缝的质量不达标准。经过分析,确认是钎焊夹具设计不合理,夹具限制了钎焊区的热传导进而影响了焊缝质量,在夹具设计时没有考虑散热性的因素,焊件处于前后定位板及配重平板的包围之中,影响到盒体内外的热交换,钎焊件的加热及散热过程受到夹具影响,在此过程中,盒体内外的温差可能引起热膨胀、冷收缩时变形不一致,而真空钎焊的作用过程是一个快速的过程,当钎焊件达到钎焊温度时,钎料的润湿和接头的形成大约只需要几秒钟的时间,钎焊件内外温度不一致,极易造成焊缝有气孔、夹渣,甚至是焊缝开裂,焊件报废。为了解决这一问题,在夹具(见图3)的前后定位板和盒体之间设计增加了垫柱(图示9),定位板增加了散热孔,配重平板上设计了散热型腔及散热孔(图示10),此措施解决了钎焊件加热及散热的均匀性问题,提高了焊缝质量,达到了零件气密性的要求。

3 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。
 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。
 
 表1是镁-硅系钎料合金及杂质元素的饱和蒸汽压温度。锌405℃、镁515℃的蒸汽压是10-1 mm Hg, 铋609℃的蒸汽压是10-3mm Hg。在钎料熔化温度550~585℃范围内三个元素的蒸汽压均高于钎焊时的环境压强 (≤5×10-3MPa) 。当钎料开始熔化后,部分锌、镁、铋蒸发逸出, 迅即被抽气系统抽出, 连续蒸发逸出, 持续破坏了液态钎料的张力, 改善了钎料对母材的润湿性能, 保温时间越长, 降低钎料表面张力的作用越强, 钎料的润湿性能越好, 直至产生钎料漫流。
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。

 

东俊真空钎焊工作室
地址:江苏省扬州市维扬路349号
邮政编码:225000
联系人: 蔡东俊
SKYPE:jsyzcdj

联系手机:13905275926

QQ:649200691
SKYPE:
jsyzcdj@126.com
真空钎焊工艺支持E-mail:jsyzcdj@126.com

网 址:http://www.brazing.com.cn

 

新加坡联系地址:10 Anson Road#05-17,Singpore 079903
Singpore 079903
联系人: Feng Guo An
联系电话:+65-6756 3629
手机:+0065-6756 3629
传 真: +0065-6754 8382
电子邮件:
fengga@el.sg
打印 返回
 
版权所有:东俊真空钎焊工作室 电话: 13905275926
Copyright © brazing.com.cn Incorporated.All rights reserved.Email:jsyzcdj@126.com
技术支持:真空钎焊
ICP号:苏ICP备12079306号