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真空钎焊工艺

作者:蔡东俊 人气:675564 日期:2021-04-21 07:34:48

                                

                          

 

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真空钎焊工艺

一、概述 
    真空钎焊属于固相连接,它与熔焊方法不同,真空钎焊时母材不熔化,由于采用比母材熔化温度低的钎料,在真空钎焊炉加热室里加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液粗线的一种连接方法。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化,利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散和在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接。 
     真空钎焊同熔焊方法相比,真空钎焊具有以下优点: 
    1)真空钎焊钎焊加热温度低,对母材组织和性能的影响较小; 
    2)真空钎焊钎焊接头平整光滑,外形美观; 
    3) 真空钎焊焊件变形较小,尤其是采用均匀加热(如真空钎焊炉中钎焊)的钎焊方法,焊件的变形可减小到最低程度,容易保证焊件的尺寸精度; 
    4)某些钎焊方法一次可焊成几十条或成百条钎缝,生产率高; 
    5)真空钎焊可以实现异种金属或合金、金属与非金属的连接。 
    但是,真空钎焊钎焊也有他本身的缺点,首先真空钎焊炉设备投资比较大,真空钎焊前处理也比较关键,需要投入清洗设备。真空钎焊钎焊接头强度比较低、耐热能力比较差,由于母材与钎料成分相差较大而引起的电化学腐蚀致使耐蚀力较差及装配要求比较高等。 
    根据使用钎料的不同,钎焊一般分为: 
    1)软钎焊——钎料液相线温度低于450℃。 
    2)硬钎焊——钎料液相线温度高于450℃。 
    此外,某些国家将钎焊温度超过900℃而又不使用钎剂的钎焊方法(如真空钎焊、气体保护钎焊)称作高温钎焊。 
    二、钎焊方法 
    钎焊方法通常是以所应用的热源来命名的,其主要作用是依靠热源将工件加热到必要的温度,随着新热源的发展和使用,近年来出现了不少新的钎焊方法。按加热方式区分钎焊方法,如图1所示。

 


                     图1 钎焊方法的区分 


     1、火焰钎焊 
    火焰钎焊是利用可燃气体(包括液体燃料的范汽)吹以空气或纯氧点燃后的火焰进行加热。火焰钎焊由于设备简单、燃气来源广、灵活性大,因而应用很广。 
    火焰钎焊所用焊炬可以是通用的气焊炬,也可以是专用的钎焊炬。专用钎焊炬的特点是火焰比较分散,加热集中程度较低,因而加热比较均匀。钎焊比较大的工件或机械化火焰钎焊时可采用装有多焰喷嘴的专门钎焊炬。
    火锅钎焊所用的可燃气体可以是乙炔、丙烷、石油气、雾化汽油、煤气等。助燃气体为氧和压缩气体。加热范围十分广阔,从酒精喷灯的数百度到氧乙炔火焰的超过3000℃。火焰有两层结构,外层淡蓝色的冠状焰是氧化焰、燃烧完全,温度最高,富氧,过度加热容易使工件金属表面氧化:内层深蓝色的焰心是还原焰,温度较低,缺氧,富一氧化碳,能保护金属免于氧化。可燃气体燃烧产物都是CO2和高温水蒸汽(氢氧焰只有水蒸气),无论是钎剂还是钎料,忌讳高温水蒸汽都应考虑这一因素。 
    氧乙炔焰是最常用的火焰,由于火焰温度高,而钎焊温度则低得多。因此常用火焰的外焰来加热,因为该区火焰的温度低而体积大,加热比较均匀。一般使用中性火焰或轻微过乙炔焰。 
    当加热温度不要求太高时,可以用压缩空气代替氧,用丙烷、石油气,雾化汽油代替乙炔。这些火焰的温度较低,而且不用乙炔的火焰又不会污染钎剂,适用于钎焊比较小的工件以及铝和铝合金。 
    火焰钎焊时,将钎剂溶液预先涂在接头表面上或者先将钎料棒加热,沾以钎剂,再带到加热了的接头表面。钎料可预先安装或手工送进。钎焊时应先将工件均匀地加热到钎焊温度,然后再加钎料,否则钎料不能均匀地填充间隙。对于预置钎料的接头,也应先加热工件,避免因火焰与钎料直接接触,使其过早熔化,以软钎料进行钎焊时,还可采用喷灯来加热。 
    火焰钎焊时,除可用单焰钎焊处,还可用多焰焊炬。钎焊方式除手工操作外,还有专门的自动火焰钎焊机。图2表示的即为特种火焰钎焊的设备。


                       

图2 特种火焰钎焊设备 
a)、b)一特种多孔喷嘴 c)、d)一多头固定式钎焊装置 

    2、浸渍钎焊 
    浸渍钎焊是将工件局部或整体投入熔态的盐混合物(称盐浴)或钎料(称金属浴)中而实现加热和钎焊的方法。他的优点是加热迅速,生产率高,液态介质保护零件不受氧化,有时还能同时完成淬火等热处理过程,特别适用于大量生产。 
    浸渍钎焊可分为盐浴钎焊和金属浴钎焊。 
    (1)盐浴钎焊 盐浴钎焊主要用于硬钎焊。盐液由于是加热和保护的介质,故必须予以正确选择。
盐液成分应满足,具有合适的熔化温度;成分和性能稳定;对工件起保护作用。盐液的组分通常分以下几类:①中性氧盐,他可以防止工件表面氧化。除了用铜钎焊低碳铜外,用铜基钎料和银基钎料钎焊时,应在工件上施加钎剂。钎剂可以在组装前,组装过程中或组装后通过刷、浸沾或喷洒等方式加到工件上。②在中性氯盐中加入少量钎剂,台硼砂,以提高盐浴的去氧化能力。这时,在工件上不必再施加钎剂。为了保持盐液的去氧化能力,需要周期性地加入补充钎剂;③渗碳和氯化盐,这些盐本身具有钎剂。此外,在钎焊钢时,尚可对钢表面起渗碳和渗氮作用。④钎焊铝和铝合合金用的盐液既是导热的介质,又是钎焊过程中的钎剂。为了保证钎焊质量,必须定期检查盐液的组分及杂质含量并加以调整。 
    盐浴浸渍钎焊的主要设备是盐浴槽。加热方式有两种。一种是外热式的,盐浴槽实质是一个坩埚,坩埚可用碳钢,不锈钢制造;用于铝钎焊时,坩埚底部还应砌上石墨砖,外部用电阻丝加热。另一种是内热式的,盐浴槽的内壁由能耐盐液腐蚀的材料制成,通常为不锈钢或高铝砖;而铝钎焊盐浴槽材料系碳钢或纯铜;而钎焊铝用的盐浴槽的电极材料则采用石墨或不锈钢。为了操作安全,均用低电压(10~15V)大电流加热。当电流通过盐液时,由于电磁场的搅拌作用。整个盐液温度比较均匀,可控制在±3℃范围内。但盐液的电磁循环作用可能使零件或钎料发生错位,因此必须对组件进行可靠的固定。 
    放入盐浴前,为了去除水分及均匀加热,装配好的工件要进行预热。如为了去除工作及钎剂的水分,以防止盐液飞溅,则预热热到120~150℃即可。如为了减小工件进入时盐浴温度的下降,缩短钎焊时间,并保持均匀加热,预热温度可提高。 
    钎焊时,工件通常以某一角度倾斜浸入盐浴,以免空气被堵塞而阻碍盐液流入,造成漏钎。钎焊结束后,工件也应以一定角度取出,以便盐液流出,但倾角不能过大,以免前未凝固的钎料流积或流失。 
    盐浴浸渍钎焊的优点是生产率高,容易实现机械化,适宜于批量生产。不足之处是这种方法不适宜于间歇操作,工件的形状必须便于盐液能完全充满和流出。而且盐浴钎焊成本高,污染严重,现已不太采用这种钎焊方式。 
    (2)金属浴钎焊这种钎焊方法是将装配好的工件浸入熔态钎料中,依靠熔态钎料的热量使工件加热到规定温度。与此同时,钎料渗入接头间隙,完成钎焊过程。 
    施加钎剂的方式有两种,一种是先将工件浸入钎剂溶液中,取出干燥后再浸入熔态钎料;另一种是在熔态钎料表面加一层熔态钎剂,工件通过熔态钎剂时就沾上了钎剂。为了防止熔态钎剂的失效,必须不断更换或补充新熔态钎料的氧化。 
    这种方法的优点是装配比较容易(不必安放钎料),生产率高。特别适合于钎缝多而复杂的工件,如散热器等,其缺点是工件表面沾潢钎料,增加了钎料的消耗量,必要时还须清除表面不应沾留的钎料。又由于钎料表面的氧化和母材的溶解,熔态钎料成分容易发生变化,需要不断的精炼和进行必要的更新。 
    金属浴钎焊由于熔态钎料表面容易氧化,主要用于软钎焊。 
    (3)波峰钎焊 波峰钎焊是金属浴钎焊的一种变种,主要用于印刷电路板的钎焊。在熔化钎料的底部安放一泵,依靠泵的作用使钎料不断地向上涌动,印刷电路板在与钎料的波峰接触的同时随传送带向前移动,从而实现元器件引线与焊盘的连接。 
    波峰钎焊又可分为单波峰钎焊、双波峰钎焊以及喷射空心波钎焊等等。图3所示的是双波峰焊的示意图。

 


      图3 双波峰焊示意图 
  

    波峰钎焊的特点是钎料波峰上没有氧化膜,能使钎料与电路板保持良好地接触,可大大加快钎焊速度,提高生产率。因钎料在液态不断流动,容易氧化,为此在表面常施加覆盖剂,或采用抗氧化锡铅钎料。

3、电阻钎焊
    电阻钎焊又称为接触钎焊。他是依靠电流通过钎焊处电阻产生的热量来加热工件和熔化钎料的。电阻钎焊分直接加热和间接加热两种方式,如图4所示。

 


                  图4 电阻钎焊原理图 
               a)直接加热图 b)间接加热图 
                 1-电极 2-焊件 3-钎料 
    直接加热电阻钎焊,钎焊处由通过的电流直接加热,加热很快,但要求钎焊面紧密贴合、加热程度视电流大小和压力而定,加热电流在6000~15000A、压力在100~2000N之间。电板材料可选用铜、铬铜、钼、钨、石墨和铜钨烧结合金。图5是几种电极形式示意图。


                 图5 几种电极形式 
    直接加热的电阻钎焊由于只有工件的钎焊区域被加热,因此加热迅速,但对工件形状及接触配合的要求高。图6、图7为电阻钎焊时的部分加工示意图,包括在电子工艺中的应用。

 


                      图6 电阻钎焊实例


               图7 电阻钎焊在电子产品中的应用 
    间接加热电阻钎焊,电流可只通过一个工件,而另一个工件的加热和钎料的熔化是依靠被通电加热的工件的热传导来实现的。也可以将电流通过一个较大的石墨板,工件放在此板上,依靠由电流加热的石墨板的传热实行加热。直接加热电阻钎焊的加热电流介于100~3000A之间,电极压力为50~500N。间接加热电阻钎焊灵活性较大,对工件接触面配合的要求较低,但因不是依靠电流直接通过加热的,整个工件被加热,加热速度慢。适宜于钎焊热物理性能差别大和厚度相差悬殊的工件,而且对钎焊面的配合要求可适当降低。 
    电阻钎焊广泛使用铜基和银基钎料。钎料常以片状放在接头处。在某些情况下,工件表面可电镀或包覆一层金属做钎料用。为使钎焊处导电,钎料以水溶液或酒精溶液除于钎焊处。 
    电阻钎焊可在通常的电阴焊机上进行,也可采用专门的电阻钎焊设备和手焊钳。 
    电阻钎焊的优点是加热极快,生产率高,但适于钎焊接头尺寸不大、形状不太复杂的工件,如刀具、带据、导线端头、电触点、电动机的定子线圈以及集成电路块元器件的连接等。 

4、感应钎焊 
    感应钎焊是依靠工件在交流电的交变磁场中产生感应电流的电阻热来加热的钎焊方法。由于热量由工件本身产生,因此加热迅速,工件表面的氧化比炉中钎焊少,并可防止母材的晶粒长大和再结晶的发展。此外,还可实现对工件的局部加热。 
    感应钎焊时,工件放在感应器内(或附近),当交变电流通过感应器时,在其周围产生了交变磁场,由于电磁感应作用,使工件内产生感应电流,将工件迅速加热。 
    感应电流和其他交流电一样,电流通过导体时,沿导体表面电流密度最大,愈往中心,电流密度愈小,这就是所谓的“集肤效应”。 
    显然,感应加热的厚度取决于电流的参透深度,频度愈高,加热厚度愈小,表面加热愈迅速;相对磁导率愈小,加热厚度愈大,加热厚度也愈大。 
    必须指出,对含有铁磁材料的零件(如可伐),在低温时其相对磁导率很大,而加热至磁性转变温度(居里点)以上时,其相对磁导率(ur)降低为I。由于相对磁导率的显著变化,使加热厚度也相应改变,故钎焊时可采用较高的频率,一般使用不低于10KHZ的高频感应电流。而非磁性材料(如铜)的磁导率较小,与温度无关,集肤效应较小,因而电流分布较均匀,加热也较均匀,故感应钎焊时应采用较低的频率和较大的功率。感应钎焊的设备主要由感应电流发生器和感应器组成。 
    感应圈(如图8)是传递感应电流的部件,感应圈设计的好坏对加热影响极大。单匝感应圈的加热宽度小,多匝感应圈的加热宽度大。对多匝感应圈来说,改变节距可使加热形态发生变化。节距小时,加热宽度小,加热深度大;节距小时,加热宽度小,加热尝试大;节距大时,正好相反,但节距不能过大。感应圈与工件的耦合对加热的影响也比较明显。原则上说,感应圈与工件的耦合,愈紧愈好,这时加热效率最高,加热均匀程度也比较好;当感应圈与工件距离较大,即属于松耦合时,加热均匀程度进一步下降。当感应圈与工件的距离较大时,改变感应圈的形状与节距,也能改善加热形态,如增加感应圈中间圈的直径或采用不等的节距。对于多匝内热式感应圈,为改善加热形态,也可用直径变化的感应圈。对于单匝外热式感应圈,可采用改变感应圈面积的方法来达到较均匀加热的目的。


              图8 真空钎焊产品示意图 
    感应圈大部分由铜管制成,工作时内部通以冷却水。为了提高热效率,又防止感应圈与工件发生短路,感应圈与工件的距离为3~6mm。感应圈的匝距一般为1.5~2.2mm。必要时可根据工件的加热状态来进行适当的调整。 
    感应钎焊可使用各种钎料。由于钎焊加热及冷却速度很快,钎料和钎剂都在装配时预先放好。感应钎焊除可在空气中进行外(这时一定要加钎剂),也可在真空或保护气体中进行。在这种情况下,可同时将工件和感应圈放入容器内,也可将装有工件的容器放在感应圈内,而容器抽以真空或通保护气体。 
    感应钎焊广泛地用于钎焊钢、不锈钢、铜和铜合金等,即可用于软钎焊,也可用于硬钎焊,主要用来钎焊比较小的工件,特别适用于对称形状的工件,如管状接头、管与法兰、轴和盘的连接等。 

5、炉中钎焊 
    炉中钎焊可广泛地用于可以预先将钎料放于接头附近或内部的工件。该法特别适用于高生产率的钎焊。预放置的钎料有丝、箔片、屑块、棒、粉末、软膏和带等形状。 
    炉中钎焊可分为空气炉中钎焊、保护气氛炉中钎焊和真空钎焊炉中钎焊。炉中钎焊的特点是工件系整体加热,加热均匀,工件变形小,但加热慢。高温真空钎焊一炉加热到冷却一般需要8小时,铝合金真空钎焊一般加热到冷却需要6小时,生产效率低。但由于真空钎焊可以一炉可以同时钎焊多件,以弥补加热慢的不足,对批量生产尤为合适。
   (1)空气炉中钎焊 将装有钎料和钎剂的工件放入一般的工业炉中加热到规定的钎焊温度,钎剂熔化后先去除钎焊处的氧化膜,熔化的钎料然后流入接头间隙,冷凝后即形成接头。 
    炉中钎焊因加热速度低,在空气中加热时工件容易氧化,尤其在钎焊温度高时更为显著,不利于钎剂去除氧化物,故应用受到限制,已逐渐为保护气氛钎焊和真空钎焊所取代。空气炉中钎焊目前较多地用于钎焊铝和铝合金。这时要求炉膛温度均匀,近代温精度不低于±5℃。 
   (2)保护气氛炉中钎焊 保护气氛炉中钎焊根据所用气氛的不同,可分为还原性气氛炉中钎焊和惰性气体炉中钎焊。还原性气体的主要组分是氢和一氧化碳,他不仅能防止空气侵入,还能还原工件表面的氧化物,有助于钎料润湿母材。 
    还原性气体的还原能力不但同氢所和一氧化碳的含量有关,而且取决气体的含水量和二氧化碳的含量。气体的含水量以露点来表示。含水量越小,露点越低。钎焊钢和铜等金属时,由于这些金属的氧化物容易还原,允许气体的二氧化碳含量和露点高些;钎焊含铬、锰量较多的合金,如不锈钢时,由于这些元素的氧化物难以还原,应选用露点低和氧化碳含量小的气体。还原性气氛炉中钎焊示意图如图9所示。在高温下,氢气是许多金属氧化物的一种最好的活性还原剂。在干燥氢气中,硬钎焊时特别需要注意露点的控制,并且在整个钎焊过程中都必须仔细地控制。由于氢气会使铜、钛、锆、铌、钽等金属脆化,因此在考虑采用氢气作为一种钎焊保护气氛时应慎重。此外,空气中Φ(H)高于4%时,会成为一种易爆气体。应将废气烧掉或排到户外。


 图9 还原性气氛炉中钎焊示意图 
    推荐用于硬钎焊的气氛范围很广泛,其中一些列于表1中,这些数据不是全部气氛与金属的组合表,而只能作为比较广泛采用的一些组合的一般性概述。稀有金属或比较复杂的异种金属必须进行硬钎焊时,由于气氛和热处理会对金属力学性能和治金特性产生各种各样的影响,所以必须寻求适宜的治金措施。 
表1 美国焊接学会推荐硬钎焊使用的气氛


   注:美国焊接学会分类号6、7和9包括压力降到266Pa。 
   ①当采用含有挥发性元素的合金时,气氛中应加入钎剂。 
   ②铜必须完全脱氧或无氧。 
   ③加热时间要保持最短,以防止有害的脱碳。 
   ④如果铝、钛、硅或铍含量显著,气氛中应加入钎剂。 
   (3)真空炉中钎焊 在抽出空气的炉中或焊接室中硬钎焊,是连接许多同种或异种金属接头的一种经济方法,真空钎焊过程中不使用钎剂。真空条件特别适合于钎焊面积很大而而连续的接头,这种接头;①在钎焊时难以彻底清除钎焊界面的固态或液态钎剂;②保护气体不完全有效,因为气氛不能排尽藏在紧贴钎焊界面中的气体。真空硬钎焊也适用于连接许多同种和异种金属,包括钛、锆、铌、钼和钽。这些金属的特点是,甚至很少量的大气中的气体也会使其脆化,有时在钎焊温度下就会碎裂。如果惰性气体有足够高的纯度,能防止金属的污染及性能的降低,那么这些金属及其合金也可以采用惰性气体做保护气氛进行钎焊。但是,值得注意的是,真空系统应抽气达到0.0013Pa而只含有10-5×0.1%的残余气体(体积分数),真空钎焊炉示意图如图10所示。与其他高纯度钎焊气氛相比,真空钎焊有如下优点和缺点:

 


图10 真空钎焊示意图 
   1)抽真空从根本上清除了钎焊区所有的气体,因此不再需要去提纯所供给的气氛。工业上真空钎焊采用的压力一般为0.065Pa或更高些。实际采用的压力取决于所要钎焊的材料、所用的钎料、钎焊界面的面积和钎焊循环中从母材中排除气体的程度。 
   2)母材的某些氧化物在真空钎焊温度下会分解。采用特殊技术,可将真空广泛地用于钎焊不锈钢、超级合金、铝合金以及难熔金属。 
   3)钎焊界面由于母材排气而有时受到污染的困难问题,可以认为不再存在。母材一旦排气,就会直接从界面将裹入气体排除出来。 
   4)高温下,在母材和钎料周围存在低的压力,可使金属中的挥发性杂质和气体排除出去。
这种特性也是一个缺点,由于周围压力低,钎料、母材以及其中的元素在钎焊温度下要发生蒸发,但是,采用合适的真空钎焊技术可以防止这种倾向。 
    真空硬钎焊有高真空钎焊和局部真空钎焊两种。 
    高真空钎焊特别适合于那些氧化物难以分解的母材。在硬钎焊温度下,母材或钎料在高真空条件下易于挥发时,则常采用局部真空。在硬钎焊温度下,金属能保持固相或液相的最低压力是由计算或经验确定的。钎焊室抽气达到高真空状态。在高真空中钎焊加热循环始终要使温度刚好低于汽化开始的温度。逐渐地送进足量的高纯度氩气、氦气,或有时送进氢气,以便平衡在硬钎焊温度不挥发金属的范汽压力。采用这种技术,可以大大地扩大真空硬钎焊可焊的材料范围。 
    常常在进行高纯度干燥氢气硬钎焊前进行抽真空除气,这是应特别注意的,要除去即使是少量外来的或污染的气体,以确保气氛的高纯度。同样地,在抽真空前通以干燥氢气或惰性气体来驱气,对于在高真空气氛中获得更好的硬钎焊结果有时是有好处的。 
    有时,有计划在将锆、钛和其他氧气及其他气体亲和力高的元素接近要进行高真空硬钎焊的部件,但并不接触,这些元素称为“吸气剂”,他们能够迅速地吸收存在的很少量的氧气,氮气和其他硬钎焊时从母材中放出来的气体,从而改善了钎焊气氛质量。 
    由于某些元素在真空中易挥发,因此,真空炉钎焊不适用于含锌、镉、锰、磷等元素含量高的钎料,也不适用于含大量这些元素的母材。

6、特种方法 
   (1)气相钎焊 气相钎焊是利用非活性有机溶剂(氟化物)被加热沸腾产生的饱和范汽与工件表面接触时凝结放出的潜热而进行加热的。气相钎焊设备示意图如图11所示。

 


图11 气相钎焊设备示意图 
    用加热器将工件液体加热,挥发,使饱和范汽充满容器。工作液体主要是(C3F11)3N,其沸点为215℃,可满足锡铅共晶钎料钎焊温度的要求。当工件进入工作液体饱和范汽时,由于工件温度低,范汽在其表面沉积后冷凝,释放出潜热,进行钎焊加热。为了防止其范汽逸出大气,可使用辅助范汽(三氯二氟乙烷,沸点为47.5℃)。辅助范汽的密度介于工作阻挡层。容器上方装有凝聚用的冷却螺旋管,以防止进入大气。 
    这种钎焊方法的优点是加热均匀,能精确控制温度,生产率高,钎焊质量高。缺点是氟液价格昂贵。这种钎焊方法可用于钎焊印刷电路板的上的接线柱,在陶瓷基片上钎焊陶瓷片或钎焊芯片基座外部的引线等。 
   (2)放热反应钎焊 放热反应钎焊是另一种特殊硬钎焊方法。使钎料熔化和流动所需的热量是由放热化学反应产生的。放热化学反应是两个或多个反应物之间的任何反应,并且反应中热量是由于系统的自由能变化而释放的。虽然自然界为我们提供了无数的这类反应,但只有固态或接近于固态的金属与金属氧化物之间的反应才适应于放热反应钎焊装置。 
    放热反应钎焊,利用很简易的工具和设备。该法利用反应热使邻近或靠近的金属连接而达到一定温度,以致预先放在接头中的钎料熔化并润湿金属交接面的表面。放热反应的特点是不需要专门的绝热装置。故适用于难以加热的部位,或在野外钎焊的场合。目前已存在宇宙空间条件下实现钢管放热反应钎焊的实例。 
   (3)机械热脉冲劈刀钎焊法 这种方法依靠劈刀来传递热量,加热焊接点。预成型的钎料旋转在两个被焊物(母材)之间,劈刀以一定的压力压在其中一被焊物上,停留片刻使钎料熔化。他能够十分精确地控制由劈刀传给被焊物的热量和焊区的加热时间。劈刀的形状根据被焊物的形状而定,可以是契形、圆柱形或凹槽形。所用的钎料多半是低熔点的软钎料。如果配置适当的自动化设备,可以进行半自动或全自动的焊接。目前这种方法应用在梁式引线晶体管焊接和混合电路中的元件引线焊接及集成电路封盖。 
   (4)超声波钎焊法 超声波钎焊法是利用超声波振动传入熔化钎料,利用钎料内发生的空化现象破坏和去除母材表面的氧化物,使熔化钎料润湿纯净的母材表面而实现钎焊。其特点是钎焊时不需使用钎剂。
    超声波钎焊法常应用于低温软钎焊工艺。随着温度升高,空化破坏加剧。当零件受热超过400℃,则超声波振动不仅使钎料的氧化膜微料脱落,而且钎料本身也会小块小块地脱落。因此,通常先将零件搪上钎料,再利用超声波烙铁进行钎焊。 
   (5)光学及激光钎焊法 光学钎焊是利用光的能量使焊点处发热,将钎料熔化、浸润被焊零件,填充连接的空隙。目前常用的光学钎焊法有两种。一种是红外灯直接照射,使钎料熔化,他一般用于集成电路封盖。另一种是利用透镜和反射镜等光学系统,将点光源的射线经聚光透镜成平行光束。光束的大小也由一组透镜聚焦调节,光线与被焊物的作用时间长短靠一个特殊的快门来控制。根据不同的设备可以应用在微电子器件内引线焊接和管壳的封装。他所用的钎剂一般是预成型的环形、圆形、矩形、球形的钎料。 
    激光钎焊法与光学钎焊法的基本原理相同,不同点是光源运用了光量子振荡器。 

激光钎焊法技术原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现,激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105 W/cm2为热传导焊,此时熔深浅、焊接速度慢;功率密度大于105~107W/cm2时,金属表面受热作用下凹成“孔穴”,形成深熔焊,具有焊接速度快、深宽比大的特点。

  其中热传导型激光焊接原理为:激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

  用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。

      激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接,其冶金物理过程与电子束焊接极为相似,即能量转换机制是通过“小孔”(Key-hole)结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下,材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎吸收全部的入射光束能量,孔腔内平衡温度达2500 0C左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中,能量首先沉积于工件表面,然后靠传递输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外的材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。

工作设备

由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时,开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射,形成光电的串结效应,将光波放大,并获得足够能量而开始发射出激光。

激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频(紫外光、可见光或红外光)的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发,便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-激光。由于具同相位及单一波长,差异角均非常小,在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。

激光器分类

用于焊接的主要有两种激光, 即CO2 激光和Nd:YAG激光。CO2 激光和Nd: YAG激光都是肉眼不可见红外光。Nd: YAG激光产生的光束主要是近红外光,波长为1. 06 Lm, 热导体对这种波长的光吸收率较高,对于大部分金属, 它的反射率为20%~ 30%。只要使用标准的光镜就能使近红外波段的光束聚焦为直径0. 25 mm。CO2 激光的光束为远红外光, 波长为10.6Lm, 大部分金属对这种光的反射率达到80% ~ 90%,需要特别的光镜把光束聚焦成直径为0. 75 - 0. 1mm。Nd: YAG激光功率一般能达到4 000~ 6 000W左右, 现在最大功率已达到10 000W。而CO2 激光功率却能轻易达到20 000W甚至更大。

大功率的CO2 激光通过小孔效应来解决高反射率的问题, 当光斑照射的材料表面熔化时形成小孔, 这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体, 几乎全部吸收入射光线的能量, 孔腔内平衡温度达25 000 e 左右, 在几微秒的时间内, 反射率迅速下降。CO2 激光器的发展重点虽然仍集中于设备的开发研制, 但已不在于提高最大的输出功率, 而在于如何提高光束质量及其聚焦性能。另外, CO2 激光10 kW以上大功率焊接时, 若使用氩气保护气体, 常诱发很强的等离子体, 使熔深变浅。因此,CO2 激光大功率焊接时, 常使用不产生等离子体的氦气作为保护气体。

用于激发高功率Nd: YAG晶体的二极管激光组合的应用是一项重要的发展课题, 必将大大提高激光束的质量, 并形成更加有效的激光加工。采用直接二极管阵列激发输出波长在近红外区域的激光, 其平均功率已达1 kW, 光电转换效率接近50% 。二极管还具有更长的使用寿命( 10 000 h), 有利于降低激光设备的维护成本。二极管泵浦固体激光设备(DPSSL)的开发。

工艺参数

(1)功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离焦量,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,激光加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现部分汽化,形成高压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。

(5)焊接速度。焊接速度的快慢会影响单位时间内的热输入量,焊接速度过慢,则热输入量过大,导致工件烧穿,焊接速度过快,则热输入量过小,造成工件焊不透。

焊接特性

属于熔融焊接,以激光束为能源,冲击在焊件接头上。

激光束可由平面光学元件(如镜子)导引,随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。

激光焊接属非接触式焊接,作业过程不需加压,但需使用惰性气体以防熔池氧化,填料金属偶有使用。

激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊,实现大熔深焊接,同时热输入量比MIG焊大为减小。

工艺对比

对比项目

激光焊接

电子束焊接

钨极惰性气体保护电弧焊

熔化极气体保护焊

电阻焊

焊接效率

0

0

-

-

+

大深度比

+

+

-

-

-

小热影响区

+

+

-

-

0

高焊接速率

+

+

-

+

-

焊缝断面形貌

+

+

0

0

0

大气压下施焊

+

-

+

+

+

焊接高反射率材料

-

+

+

+

+

使用填充材料

0

-

+

+

-

自动加工

+

-

+

0

+

成本

-

-

+

+

+

操作成本

0

0

+

+

+

可靠性

+

-

+

+

+

组装

+

-

-

-

-

注:“+”表示优势;“-”表示劣势;“0”表示适中。






传感器密封焊接采用的方法有:电阻焊、氩弧焊、电子束焊、等离子焊等。

1. 电阻焊:它用来焊接薄金属件,在两个电极间夹紧被焊工件通过大的电流熔化电极接触的表面,即通过工件电阻发热来实施焊接。工件易变形,电阻焊通过接头两边焊合,而激光焊只从单边进行,电阻焊所用电极需经常维护以清除氧化物和从工件粘连着的金属,激光焊接薄金属搭接接头时并不接触工件,再者,光束还可进入常规焊难以焊及的区域,焊接速度快。

2. 氩弧焊:使用非消耗电极与保护气体,常用来焊接薄工件,但焊接速度较慢,且热输入比激光焊大很多,易产生变形。

3. 等离子弧焊:与氩弧类似,但其焊炬会产生压缩电弧,以提高弧温和能量密度,它比氩弧焊速度快、熔深大,但逊于激光焊。

4.电子束焊:它靠一束加速高能密度电子流撞击工件,在工件表面很小密积内产生巨大的热,形成"小孔"效应,从而实施深熔焊接。电子束焊的主要缺点是需要高真空环境以防止电子散射,设备复杂,焊件尺寸和形状受到真空室的限制,对焊件装配质量要求严格,非真空电子束焊也可实施,但由于电子散射而聚焦不好影响效果。电子束焊还有磁偏移和X射线问题,由于电子带电,会受磁场偏转影响,故要求电子束焊工件焊前去磁处理。X射线在高压下特别强,需对操作人员实施保护。激光焊则不需真空室和对工件焊前进行去磁处理,它可在大气中进行,也没有防X射线问题,所以可在生产线内联机操作,也可焊接磁性材料。

发展过程

世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒所产生,因受限于晶体的热容量,只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦,但仍属于低能量输出。

使用钕(ND)为激发元素的钇铝石榴石晶棒(Nd:YAG)可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光,波长为1.06uM,可以通过柔性光纤连接到激光加工头,设备布局灵活,适用焊接厚度0.5-6mm

使用CO2为激发物的CO2激光(波长10.6uM),输出能量可达25KW,可做出2mm板厚单道全渗透焊接,工业界已广泛用于金属的加工上。

20世纪80年代中期,激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作,在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。无论实验室还是汽车制造厂的实践经验,均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。

激光拼焊是采用激光能源,将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等,以满足零部件对材料性能的不同要求,用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现装备轻量化。在欧美等发达国家,激光拼焊不仅在交通运输装备制造业中被使用,还在建筑业、桥梁、家电板材焊接生产、轧钢线钢板焊接(连续轧制中的钢板连接)等领域中被大量使用。

世界著名的激光焊接企业有瑞士Soudonic公司、法国阿赛洛钢铁集团、德国蒂森克虏伯集团TWB公司、加拿大Servo-Robot公司、德国Precitec公司等。

中国的激光拼焊板技术应用刚刚起步,20021025日,中国第一条激光拼焊板专业化商业生产线正式投入运行,由武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊从德国蒂森克虏伯集团TWB公司引进。此后上海宝钢阿赛洛激光拼焊公司、一汽宝友激光拼焊有限公司等相继投产。

2003年,国外实现了A318铝合金下壁板结构双光束C02激光填丝焊和YAG激光填丝焊,它代替传统铆结构减轻了飞机机身重量的20%,同时也节约了20%的成本。巩水利认定激光焊接技术将对我国传统航空制造业改造升级产生重大意义。随后他立即申请多项相关预研课题,组织攻关团队,在国内率先将双光束激光焊接技术引入到课题研究中,并且从一开始就酝酿要将这项技术用到飞机制造中。中国专家团队向某飞机设计所交底初步技术,向他们推介双光束激光焊接的优越性和可行性。该设计所经多方考证和评估,毅然决定将该技术用于某飞机带筋壁板的制造,实现了最初要把“双光束激光焊接”技术应用到飞机制造的目标,突破了轻质合金激光焊接填丝精度控制等关键技术,集成创新研制了双光束激光填丝复合焊接装置,建立了国内首个大功率双光束激光填丝焊接平台,实现了大型薄壁结构T型接头双光束双侧同步焊接,并首次成功应用于航空带筋壁板关键结构件的焊接制造中,在我国新型飞机研制中发挥了重要作用。

2003由华工激光提供的国内首台大型带材在线式焊接成套设备通过离线验收。该设备集激光切割、焊接和热处理于一身,使我国华工激光成为世界上第四家能够生产此类设备的企业。

2004华工激光法利莱高功率激光切割,焊接及切焊组合加工技术与设备项目获得国家科学技术进步二等奖,成为国内唯一具备该项技术与设备研制能力的激光企业。

随着工业激光产业的快速发展,市场对激光加工技术的要求越来越高,激光技术已从单一应用逐渐转向多元化应用,激光加工方面不再是单一的切割或者焊接,市场对激光加工要求切割和焊接一体化的需求也越来越多,激光切割和激光焊接的切焊一体化激光加工设备应运而生。

华工激光法利莱研究开发Walc9030切焊一体机,9×3米超大幅面,是目前世界最大幅面的激光切焊一体化设备。Walc9030是集成了激光切割与激光焊接功能于一体的大幅面切焊设备,设备具有专业的切割头和焊接头,两个加工头共用一个横梁,用数控技术保证其不会互相干涉,设备能够完成同时需要切割与焊接两道工序。先切后焊,先焊后切,激光切割、焊接轻松进行切换,一台设备,两种功能,而不用另外添置新的设备,为应用厂家节约了设备成本,提高了加工效率和加工范围,而且由于切焊一体,加工精度得到了完全的保障,设备性能高效稳定。此外,它攻克了超大板材拼焊过程中板材易产生热变形和如何保持超长飞行光路稳定实现的难关,可以将两块长6米宽1.5米的平面板材一次性焊接完成,焊后表面光滑平整,无需其他后续加工。同时可以切割宽3米长度6米以上的20mm以下的板材,一次成型,无需二次位。

中科院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工株式会社进行国际合作,遵循国家引进消化后再创新的科技发展战略,攻克激光拼焊若干个关键技术,于20069月开发出国内第一套激光拼焊成套生产线,并成功开发了机器人激光焊接系统,实现了平面和空间曲线的激光焊接。

201310月,中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖。英国焊接研究所(TWI)每年从来自120多个国家的4000余会员单位中推荐提名,最终将该奖项授予一位专家,以表彰其在焊接或连接科学技术与工业应用领域做出的卓越贡献。这次获奖不仅是对巩水利及其团队的认可,也是对中航工业推动材料连接技术进步的肯定。

优缺点

优点

1)可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦最低;

232mm板厚单道焊接的焊接工艺参数已经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用;

3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形皆可降至最低;

4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥;

5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下);

6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件;

7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料;

8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制;

9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰;

10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的对准焊件;

11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属;

12)不需真空,亦不需做X射线防护;

13)若以穿孔式焊接,焊道深与宽比可达10:1

14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

缺点

1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内;

2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准;

3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接;

4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变;

5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现;

6)能量转换效率太低,通常低于10%

7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑;

8)设备昂贵。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施,如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护氮气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

应用领域

制造业

激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用,据统计,2000年全球范围内剪裁坯板激光拼焊生产线超过100条,年产轿车构件拼焊坯板7000万件,并继续以较高速度增长。国内生产的引进车型PassatBuickAudi等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接,在超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,无法熔焊,但通过有特殊输出功率波形的YAG激光焊得以成功,显示了激光焊的广阔前途。日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等,在国内苏宝蓉等还进行了齿轮的激光焊接技术。

粉末冶金

随着科学技术的不断发展,许多工业技术上对材料特殊要求,应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点,在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料,随着粉末冶金材料的日益发展,它与其它零件的连接问题显得日益突出,使粉末冶金材料的应用受到限制。在八十年代初期,激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域,为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景,如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石,由于结合强度低,热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。

汽车工业

20世纪80年代后期,千瓦级激光成功应用于工业生产,而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业,成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多,根据美国金属市场统计,至2002年底,激光焊接钢结构的消耗将达到70000t1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点,激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究,德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究,认为在焊缝中添加填充金属有助于消除热裂纹,提高焊接速度,解决公差问题,开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。

电子工业

激光焊接在电子工业中,特别是微电子工业中得到了广泛的应用。由于激光焊接热影响区小、加热集中迅速、热应力低,因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示出独特的优越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。传感器或温控器中的弹性薄壁波纹片其厚度在0.05-0.1mm,采用传统焊接方法难以解决,TIG焊容易焊穿,等离子稳定性差,影响因素多而采用激光焊接效果很好,得到广泛的应用。

近年来激光焊接又逐渐应用到印制电路板的装联过程中。随着电路的集成度越来越高,零件尺寸越来越小,引脚间距也变得更小,以往的工具已经很难在细小的空间操作。激光由于不需要接触到零件即可实现焊接,很好的解决了这个问题,受到电路板制造商的重视。

生物医学

生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Klink等及jain[13]用激光焊接输卵管和血管的成功焊接及显示出来的优越性,使更多研究者尝试焊接各种生物组织,并推广到其他组织的焊接。有关激光焊接神经方面国内外的研究主要集中在激光波长、剂量及其对功能恢复以及激光焊料的选择等方面的研究,刘铜军进行了激光焊接小血管及皮肤等基础研究的基础上又对大白鼠胆总管进行了焊接研究。激光焊接方法与传统的缝合方法比较,激光焊接具有吻合速度快,愈合过程中没有异物反应,保持焊接部位的机械性质,被修复组织按其原生物力学性状生长等优点将在以后的生物医学中得到更广泛的应用。

其他

在其他行业中,激光焊接也逐渐增加特别是在特种材料焊接中国内进行了许多研究,如对BT20钛合金、HEl30合金、Li-ion电池等激光焊接,德国玻璃机械制造商GlamacoCoswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。
   (6)扩散钎焊法 扩散钎焊法是把互相接触的固态异质金属或合金加热到他们的熔点以下,利用相互的扩散作用,在接触处产生一定深度的熔化而实现连接。当加热金属能形成共晶或一系列具有低熔点的固溶体时,就能实现这样的扩散钎焊。接触处所形成的液态合金在冷却时是连接两种材料的钎料,这种钎焊方法也称“接触一反应钎焊”或“自身钎焊”。当两种金属或合金不能形成共晶时,可在工件间放置垫圈状的其他金属或合金,以同时与两种金属形成共晶,实现扩散钎焊。 
    扩散钎焊过程可分成三个阶段。首先是接触处在固态下进行扩散。合金接触处附近的合金元素饱和,但未达到共晶的浓度。接着,接触处达到共晶成分的地方形成液相,促进合金元素的继续扩散,共晶的合金层将随时间增加。最后停止加热,接触处合金凝固。 
    7、各种焊接方法的比较 
    钎焊方法种类很多,合理选择钎焊方法的依据是工件的材料和尺寸、钎料和钎剂、生产批量、成本、各种钎焊方法的特点等。表2综合了各种钎焊方法的优缺点及适用范围。 
表2 各种焊接方法的优缺点及适用范围



三、钎焊工艺 
    钎焊生产工艺包括钎焊前工件前表面准备、装配、安置钎料、钎焊、钎后处理等各工序,每一工序均会影响产品的最终质量。 
    1、工件表面准备 
    钎焊前必须仔细地清除工件表面的氧化物、油脂、脏物及油漆等,因为熔化了的钎料不能润湿未经清理的零件表面,也无法填充接头间隙。有时,为了改善母材的钎焊性以及提高钎焊接头的抗腐蚀性,钎焊前还必须将零件预先镀覆某种金属层。 
   (1)清除油污 油污可用有机溶剂去除。常用的有机溶剂有酒精、四氯化碳、汽油、三氯化烯、二氯乙烷及三氯乙烷等。 
    小批生产时可将零件浸在有机溶剂中清洗干净。大批生产中应用最广泛的是在有机溶剂的范汽中脱脂。此外,在热的碱溶液中清洗也可得到满意的效果。例如钢制零件可浸入70~80℃的10%苛性钠溶液中脱脂,铜和铜合金零件可在50g磷酸三钠,50g碳酸氢钠加1L水的溶液内清洗,溶液温度为60~80℃。零件的脱脂也可在洗涤剂中进行。脱脂后用水仔细清洗。当零件表面能完全被水润湿时,表明表面油脂已去除干净。 
    对于形状复杂而数量很大的小零件,也可在专门的槽子中用超声波清洗。超声波去油效率高。 
   (2)清除氧化物 钎焊前,零件表面的氧化物可用机械方法、化学浸蚀法和电化学浸蚀方法进行。 
    机械方法清理时可采用锉刀、金属刷、砂纸、砂轮、喷砂等去除零件表面的氧化膜。其中锉刀和砂纸清理用于单件生产,清理时形成的沟槽还有利于钎料的润湿和铺展。批量生产时用砂轮、金属刷、喷砂等方法。铝和铝合金、钛合金的表面不宜用机械清理法。 
    化学浸蚀法广泛用于清除零件表面的氧化物,特别是批量生产中,因为他的生产率比较高,但要防止表面的过浸蚀。适用于不同金属的化学浸蚀液成分列于表3。对于大批量生产及必须快速清除氧化膜的场合,可采用电化学浸蚀法(表4)。 
表3 化学浸蚀液成分

表4   电化学浸蚀

化学浸蚀和电化学浸蚀后,还应进行光泽处理或中和处理,随后在冷水或热水中洗净,并加以干燥。 
   (3)母材表面镀覆金属 在母材表面镀覆金属,其主要目的是改善一些材料的钎焊性,增加钎料对母材的润湿能力;防止母材与钎料相互作用对接头质量产生不良的影响,如防止产生裂纹,减少界面产生脆性金属间化合物;作为钎料层,以简化装配过程和提高生产率。某些母材的镀覆金属使用的情况列于表5。 
表5 预镀覆的使用情况

在母材表面镀覆金属可用不同的方法进行,常用的有电镀、化学镀、熔化钎料中热浸、轧制包覆等。

 2、装配和固定 
    模锻钎焊零件应装配定位,以确保他们之间的相互位置。固定零件的方法很多。对于尺寸小,结构简单的零件,可采用较简单的固定方法,诸如依靠自重、紧配合、流花、翻过、扩口、旋压、镦粗、收口、咬口、弹簧夹、定位销、螺钉、铆钉、点焊、熔焊等。图12列出了典型的零件定位方法。其中紧配合主要用于以铜钎料钎焊钢,其他场合甚少用。滚花、翻过、扩口、旋压、收口、咬口等方法简单,但间隙难以保证均匀;螺钉、铆钉、定位销定位比较可靠,但比较麻烦;点焊和熔焊固定既简单又迅速,但定位点周围往往发生氧化。故应根据具体情况进行选择。对于结构复杂的零件一般采用专用的夹具来定位。对钎焊夹具的要求是夹具材料应具有良好的耐高温和抗氧化性;夹具与零件材料应具有相近的热膨胀系数;夹具应具有足够的刚度,但结构要尽可能简单,尺寸尽可能小,使夹具既工作可靠,又能保证较高的生产效率。

 

图12 典型的零件定位方法 
a)重力定位 b)紧配合 c)滚花 d)翻边 e)扩口

f)旋压 g)模煅 h)收口 i )咬边 j)开槽和弯边

k)夹紧 l)定位销 m)螺钉 n)铆接 o)点焊 
    3、钎料的放置 
    在各种钎焊方法中,除火焰钎焊和烙铁钎焊外,大多数是将钎料即告安置在接头上的。安置钎料时应尽可能利用钎料的重力作用和间隙的毛细作用来促进钎剂料填潢间隙。图13a、b所示环状钎料的安置方式是合理的。为避免钎料沿平面流失,应将钎料放在稍高于间隙的部位。为了完全防止钎料沿法兰平面流失,可采用图13c、d形式的接头。在图13e、f中工件是水平放置的,必须使钎料紧贴接头,方能依靠毛细作用吸入缝隙。对于紧密配合和搭接长度大的接头可采用图13g、b形式,即在接头上开出钎料安置槽。



图13 环状钎料的安置方法 
    膏状钎料应直接涂在钎焊处;粉末状钎料可用粘结剂调合后粘附在接头上。 
    4、涂阻流剂 
    为了完全防止钎料流失,有时需要涂阻流剂。阻流剂主要是由氧化物,如氧化铝、氧化钛或氧化镁等稳定氧化物与适当的粘接剂组成。钎焊前将糊状阻流剂涂在邻近接头的零件表面上。由于钎料不能润湿这些物质,故被阻止流动。钎焊后再将他去除。阻流剂在保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊中用得很广。 
    5、真空钎焊工艺参数 
    真空钎焊过程的主要工艺参数是钎焊温度和保温时间。真空钎焊温度通常选为高于钎料液相线温度25~60℃,以保证钎料能填潢间隙,但有时也发生例外。例如对某些结晶温度间隙宽的钎料,由于在液相线温度以下已有相当量的液相存在,具有一定的流动性。这时,钎焊温度可以等于或稍低于钎料液相线温度对于某些钎料,如镍基钎料,希望钎料与母材发生充分地反应,钎焊温度可能高于钎料液相线温度100℃以上。 
    真空钎焊保温时间视工件大小,钎料与母材相互作用的剧烈程度而定。大件的保温时间应长些,以保证加热均匀。钎料与母材作用强烈的,保温时间要短。一般说来,一定的保温时间是促使钎料与母材相互扩散,形成牢固结合所必需的,但垞的保温时间将导致溶蚀等缺陷的发生。 
    6、真空钎焊后清洗 
    真空钎焊后一般不需要清洗,氮气保护钎焊以后由于钎剂线渣大多数对钎焊接头起腐蚀作用,也妨碍对钎缝的检查,常需清除干净。 
    软钎剂松香不会起腐蚀作用,不必清除。含松香的活性钎剂残渣不溶于水,可用异丙醇、酒精、汽油、三氯乙烯等有机溶剂除去。 
    由有机酸及盐组成的钎剂,一般都溶于水,可采用热水洗涤。若为由凡士林调制的膏状钎剂,则可用有机溶剂去除。 
    由无机酸组成的软钎剂溶于水,因此可用热水洗涤。含碱金属及碱土金属氯化物的钎剂(例如氯化锌),可用2%盐酸溶液洗涤,其目的是溶解不溶于水的金属氧化物与氯化锌相互作用的产物。为了中和盐酸,再用含少量NaOH的热水洗涤。若为由凡士林调成的含氯化锌的钎剂,则可先用有机溶剂清除残留的油脂,再用上述方法洗涤。 
    硬钎焊用的硼砂和硼酸钎剂残渣基本上不溶于水,很难清除,一般用喷砂去除。比较好的方法是将已钎焊的工件在热态下放入水中,使钎剂残渣开裂而易于去除,但这种方法不适用于所有的工件;也可将工件放在70~90℃的2%~3%重铬酸钾溶液中较长时间清洗。 
    含氟硼酸钾或氟化镓的硬钎剂(如剂102)残渣可用水煮或在10%柠檬酸热水中清除。
铝用软钎剂残渣可用有机溶剂(例如甲醇)清除。铝用硬钎剂残渣对铝具有很大的腐蚀性,钎焊后必须清除干净。下面列出了一些清洗方法,可以得到较好的效果。如有可能,可将热态工件放入冷水中,使钎剂残渣崩裂。 
    1)60~80℃热水中浸泡10min,用毛刷仔细清洗钎缝上的残渣,冷水冲洗,HNO315%水溶液中浸泡约30min,再用冷水冲洗。 
    2)60~80℃流动热水冲洗10~15min。放在65~75℃,CrO32%,H3PO45%水溶液中浸泡5min,再用冷水冲洗,热水煮,冷水浸泡8h。 
    3)60~80℃流动热水冲洗10~15min,流动冷水冲洗30min。放在草酸2%~4%、NaF1%~7%、海鸥牌洗涤剂0.05%溶液中浸泡5~10min,再用流动冷水冲洗20min,然后放在HNO310%~15%硝酸溶液中浸泡5~10min,取出后再用冷水冲洗。 
    对于有氟化物组成的无腐蚀性铝钎剂,可将工件放在7%草酸,7%硝酸组成的水溶液中,先用刷子刷洗耳恭听钎缝,再浸泡1.5h,取出后用冷水冲洗。

四、真空钎焊接头设计 
    设计真空钎焊接头时,首先应考虑接头的强度,其次还要考虑如何保证组合件的尺寸精度,零件的装配定位、钎料的安置、钎焊接头的间隙等工艺问题。 
    1、真空钎焊接头的基本形式 
    用真空钎焊连接时,由于钎料及钎缝的强度一般比母材低,若采用对接的钎焊接头,则接头强度比母材差,因而对接接头不能保证接头具有与母材相等的承载能力,钎焊接头大多采用搭接形式,他可以通过改变搭接长度达到钎焊接头与母材等强度。搭接接头的装配同对接接头相比也比较简单。 
    在生产实践中,对采用银基、铜基、镍基等强度较高的钎料钎焊接头,搭接长度通常取为薄件厚度的2~3倍;对用锡铅等软钎料钎焊的接头,可取为薄件厚度的4~5倍,但不希望搭接长度大于15mm。因为此时钎料很难填满间隙,往往形成大量缺陷。由于工件的形状不同,搭接接头的具体形式各不相同。 
    1)平板钎焊接头如图14所示,其中图14a、b、c是对接形式。当要求两个零件连接后表面平齐,而又能承受一定负载时,可采用图14b、c的形式。这时对零件的加工要求较高。其他接头有形式的是搭接接头,有的是搭接和对接的混合接头。随着钎焊面积的增大,接头承载能力也可提高。图14j是锁边接头,适用于薄件。

图14 平板钎焊接头形式 
    2)管件钎焊接头形式如图15所示。当零件在连接后的内孔径要求相同时,采用图15a形式当两个零件在连接后的外径要求相同时,采用15b形式;当接头的内外径都允许有差别时,可采用图15c形式。

图15 管件钎焊接头形式
     3)T形和斜角钎焊接头如图16所示。对T形接头来说,为增加搭接面积,可将图16a、b改为c、d的形式;对楔角接头可采用图16g、h形式来代替图16e、f形式;图16i、j形式的搭接面积更大;

图16k主要用于薄件的钎焊。

图16 T形和斜角钎焊接头 
    4)端面接头,特别是承压密封接头采用图17形式。这种接头具有较大的钎焊面积,发生漏泄的可能性可减小。


图17 端面密封接头 
    5)管或棒与板的接头形式如图18所示。图18a管板接头形式较少用,常以18b、c、d形接头替代。图18e形接头可用图18f、g、h形接头替代。当板较厚时,可采用图18i、j、k形接头。

 


图18 管或棒与板的接头形式 
    6)线接触接头形式如图19所示。这种接头的间隙有时是可变的,毛细力只在有限的范围内起作用,接头强度不是太高。这种接头主要用于钎缝受压,或受力不大的结构。

 


图19 线接触钎焊接头 
    2、接头的工艺性设计 
    接头的工艺性设计包括接头的装配定位,安置钎料,限制钎料流动等。工艺孔是为满足工艺上的要求而在接头上开的孔。这对于密闭容器尤为重要。因为钎焊时容器内的空气受热膨胀,阻碍钎料的填隙,也可能使已填满间隙的钎料重新排出,形成不致密性缺陷。故密闭容器必须开工艺孔(图20a)。对于其他接头,为使受热膨胀的空气逸出,也应开设类似的工艺孔(图20b、c)。


图20 封闭型接头的工艺孔
    3、接头间隙
    钎焊时是依靠毛细力作用使钎料填满间隙的,因此必须正确地选择接头间隙。间隙的大小在很大程度上影响钎缝的致密性和接头强度。表6列出了在钎焊温度下常用的接头间隙范围。间隙过小,钎料流入困难,在钎缝内形成夹渣或未钎透,导致接头强度下降;接头间隙过大,毛细作用减弱,钎料不能填满间隙,也会使接头的致密性变坏,强度下降。 
表6 钎焊接头间隙

 

 

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