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各种材料的真空钎焊

作者:蔡东俊 人气:59368 日期:2020-06-06 14:33:18

      

       各种材料的真空钎焊

一、碳钢和低合金钢的钎焊 
    1、钎焊材料 
   (1)钎料 碳钢和低合金钢的钎焊包括软钎焊和硬钎焊。软钎焊中应用量广的钎料是锡铅钎料,这种钎料对钢的润湿性随含锡量的增加而提高,因而对密封接头宜采用含锡量高的钎料。锡铅钎料中的锡与钢在界面上可能形成FeSn2金属间化合物层,为避免该层化合物的形成,应适当控制钎焊温度和保温时间。几种典型的锡铅钎料钎焊的碳钢接头的抗剪强度如表1所示,其中以w(Sn)为50%的钎料钎焊的接头强度最高,不含锑的钎料所焊的接头强度比含锑的高。 

表1 锡铅钎料钎焊的碳钢接头的抗剪强度


   

   碳钢和低合金钢硬钎焊时,主要采用纯铜、铜锌和银铜锌钎料。纯铜熔点高,钎焊时易使母材氧化,主要用于气体保护钎焊和真空钎焊。但应注意的是钎焊接头间隙宜小于0.05mm,以免产生因铜的流动性好而使接头间隙不能填潢的问题。用纯铜钎焊的碳钢和低合金钢接头具有较高的强度,一般抗剪强度在150~215MPa,而抗拉强度分布在170~340MPa之间。 
    与纯铜相比,铜锌钎料因Zn的加入而使钎料熔点降低。为防止钎焊时Zn的蒸发,一方面可在铜锌钎料中加入少量的Si;另一方面必须采用快速加热的方法,如火焰钎焊、感应钎焊和浸沾钎焊等。采用铜锌钎料钎焊的碳钢和低合金钢接头都具有较好 的强度和塑性。例如用B-Cu62Zn钎料钎焊的碳钢接头抗拉强度达420MPa,抗剪强度达290MPa,银铜站钎料的熔点比铜锌钎料的熔点还低,便于针焊的操作。这种钎料适用于碳钢和低合金钢的火焰钎焊、感应钎焊和炉中钎焊,但在炉中钎焊时应尽量降低Zn的含量,同时应提高加热速度。采用银铜锌钎料钎焊碳钢和低合金钢,可获得强度和塑性均较好的接头,具体数据列于表2中。 

表2 银铜锌钎料钎焊的低碳钢接头的强度



   (2)钎剂 钎焊碳钢和低合金钢时均需使用钎剂或保护气体。钎剂常按所选的钎料和钎焊方法而定。当采用锡铅钎料时,可选用氯化锌与氯化铵的混合液作钎剂或其他专用钎剂。这种钎剂的残渣一般都具有很强的腐蚀性,钎焊后应对接头进行严格清洗。 
    采用铜锌钎料进行硬钎焊时,应选用FB301或FB302钎剂,即硼砂或硼砂与硼酸的混合物;在火焰钎焊中,还可采用硼酸甲酯与甲酸的混合液作钎剂,其中起去膜作用的是B2O3蒸气。 
    当采用银铜锌钎料时,可选择FB102、FB103和FB104钎剂,即硼砂、硼酸和某些氟化物的混合物。这种钎剂的残渣具有一定的腐蚀性,钎焊后应清除干净。 
    2、钎焊技术 
    采用机械或化学方法清理待焊表面、确保氧化膜和有机物彻底清除。清理后的表面不宜过于粗糙,不得粘附金属屑粒或其他污物。 
    采用各种常见的钎焊方法均可进行碳钢和低合金钢的钎焊。火焰钎焊时,宜用中性或稍带还原性的火焰,操作时应尽量避免火焰直接加热钎料和钎剂,感应钎焊和浸沾钎焊等快速加热方法非常适合于调质钢的钎焊,同时宜选择淬火或低于回火的温度进行钎焊,以防母材发生软化。保护气氛中钎焊低合金高强钢时,不但要求气体的纯度高,而且必须配用气体钎剂才能保证钎料在母材表面上的润湿和铺展。 
    钎剂的残渣可以采取化学或机械的方法来清除。有机钎剂的残渣可用汽油、酒精、丙酮等有机溶剂擦拭或清洗;氯化锌和氯化铵等强腐蚀性钎剂的残渣,应先在NaOH水溶液中中和,然后再用热水和冷水清洗;硼酸和硼酸钎剂的残渣不易清除,只能用机械方法或在涨水中长时间浸煮解决。 
    二、工具钢和硬质合金的钎焊 
    1、钎焊材料 
   (1)钎料 钎焊工具钢和硬质合金通常采用纯铜、铜锌和银铜钎料。纯铜对各种硬质合金均有良好的润湿性,但需在氢的还原性气氛中钎焊才能得到最佳效果。同时,由于钎焊温度高,接头中的应力较大,导致裂纹倾向增大。采用纯铜钎焊的接头抗剪强度约为150MPa,接头塑性也较高,但不适用于高温工作。 
    铜锌钎料是钎焊工具钢和硬质合金最常用的钎料。为提高钎料的润湿性和接头的强度,在钎料中常添加Mn、Ni、Fe等合金元素。例如B-Cu58ZnMn中就加有w(Mn)4%,使硬质合金钎焊接头的抗剪强度在室温达到300~320MPa;在320℃时仍能维持220~240MPa。在B-Cu58ZnMn的基础上加入少量的Co,可使钎焊接头的抗剪强度达到350MPa,并且具有较高的冲击韧度和疲劳强度,显著提高了刀具和凿岩工具的使用寿命。 
    银铜钎料的熔点较低,钎焊接头产生的热应力较小,有利于降低硬质合金钎焊时的开裂倾向。为改善钎料的润湿性并提高接头的强度和工作温度,钎料中还常添加Mn、Ni等合金元素。例如B-Ag50CuZnCdNi钎料对硬质合金的润湿性极好,钎焊接头具有良好的综合性能。 
    除上述3种类型的钎料外,对于工作在500℃以上且接头强度要求较高的硬质合金,可以选用Mn基和Ni基钎料,如B-Mn50NiCuCrCo和B-Ni75CrSiB等。对于高速钢的钎焊,应选择钎焊温度与淬火温度相匹配的专用钎料,这种钎料分为两类,一类为锰铁型钎料,主要由锰铁及硼砂组成,所钎焊的接头抗剪强度一般为100MPa左右,但接头易出现裂纹;另一类含Ni、Fe、Mn和Si的特殊铜合金,用它钎焊的接头不易产生裂纹,其抗剪强度能提高到300MPa。 
   (2)钎剂和保护气体 钎剂的选择应与所焊的母材和所选的钎料相配合。工具钢和硬质合金钎焊时,所用的钎剂主要以硼砂和硼酸为主,并加入一些氟化物(KF、NaF、CaF2等)。铜锌钎料配用FB301、FB302和FB105钎剂,银铜钎料配用FB101~FB104钎剂。采用专用钎料钎焊高速钢时,主要配用硼砂钎剂。 
    为了防止工具钢在钎焊加热过程中的氧化和免除钎焊后的清理,可以采用气体保护钎焊。保护气体可以是惰性气体,也可以是还原性气体,要求气体的露点应低于-40℃.硬质合金可在氢所保护下进行钎焊,所需氢气的露点应低于-59℃。 
    2、钎焊技术 
    工具钢在钎焊前必须进行清理,机械加工的表面不必太光滑以便于材料和钎剂的润湿和铺展。硬质合金的表面在钎焊前应经喷砂处理,或用碳化硅或金刚石砂轮打磨,清除表面过多的碳,以便于钎焊时被钎料所润湿。含碳化钛的硬质合金比较难润湿,通过在其表面上新途径敷氧化铜或氧化镍膏状物,并在还原性气氛中烘烤使铜或镍过渡到表面上去,从而增加强钎料的润湿性。 
    碳素工具钢的钎焊最好在淬工序前进行或者同时进行。如果在淬火工序前进行钎焊,所用钎料的固相线温度应高于淬火温度范围,以使焊件在重新加热到淬火温度时仍然具有足够高的强度而不致失效。当钎焊和淬火合并进行时,选用固相线温度接近淬火温度的钎料。 
    合金工具钢的成分范围很宽,应根据具体钢种确定适宜的钎料、热处理工序以及将钎焊和热处理工序合并的技术,从而获得良好的接头性能。 
    高速钢的淬火温度一般高于银铜和铜锌钎料的熔化温度,因此需在钎焊前进行淬火,并在二次回火期间或之后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火,只能选用前述的专用钎料进行钎焊。钎焊高速钢刀具时采用焦炭炉比较合适,当钎料熔化后,取出刃具并立即加压,挤出多余的钎料,再进行油淬,然后在550~570℃回火。 
    硬质合金刀片与钢制刀杆钎焊时,宜采取加大钎缝间隙和在钎缝中施加塑性补偿垫片的方法,并在焊后进行缓冷,以减小钎焊应力,防止裂纹产生,延长硬质合金刀具组件的使用寿命。 
    纤焊后,焊件上的钎剂残渣先用热水冲洗或用一般的除渣混合液清洗,随后用合适的酸洗液酸洗,以清除基体刀杆上的氧化膜。但注意不要使用硝酸溶液,以防腐蚀钎缝金属。 
    三、铸铁的钎焊 
    1、钎焊材料 
   (1)钎料 铸铁钎焊主要采用铜锌钎料和银铜钎料,常用的铜锌钎料牌号为B-Cu62ZnNiMuSiR、B-Cu60ZuSnR和B-Cu58ZnFeR等,所钎焊的铸铁接头抗拉强度一般达到120~150MPa,在铜锌钎料的基础上,添加Mn、Ni、Sn和Ai等元素,可使钎焊接头与母材等强度。 
    银铜钎料的熔化温度低,钎焊铸铁时可避免产生有害的组织,钎焊接头的性能好,尤其是含Ni的钎料,如B-Ag50CuZnCdNi和B-Ag40CuZnSnNi等,增强了钎料与铸铁的结合力,特别适合于球墨铸铁的钎焊,可使接头与母材等强度。 
   (2)钎剂 采用铜锌钎焊铸铁时,主要配用FB301和FB302钎剂,即硼砂或硼砂与硼酸的混合物。此外,采用H3BO340%、Li2CO316%、Na2CO324%、NaF7.4%和NaC112.6%组成的钎剂效果更好。 
    采用银铜钎料钎焊铸铁时,可选择FB101和FB102等钎剂,即硼砂、硼酸、氟化钾和氟硼酸钾的混合物。 
    2、钎焊技术 
    钎焊铸铁前,应仔细清除铸件表面上的石墨、氧化物、砂子及油污等杂物。清除油污可采用有机溶剂擦洗的方法,而石墨、氧化物的清除可采用喷砂或喷丸等机械方法,也可采用电化学方法。此外,还可用氧化火焰灼烧石墨而将其去除。 
    钎焊铸铁可采用火焰、炉中或感应等加热方法、由于铸铁表面上易形成SiO2,使保护气氛中的钎焊效果不好,帮一般都使用钎剂进行钎焊。用铜锌钎料钎焊较大的工件时,应先在清理好的表面上撒一层钎剂,然后把工件放进炉中加热或用焊炬加热。当工件加热到800℃左右时,再加入补充钎剂,并把它加热到钎焊温度,再用针料在接头边缘刮擦,使钎料熔化填入间隙。为了提高钎缝强度,钎焊后要在700~750℃进行20min的退火处理,然后进行缓慢冷却。 
    钎焊后过剩的钎剂及残渣采用温水冲洗即可清除。如果难以去除,则可先用10%的硫酸水溶液或5%~10%的磷酸水溶液清洗,然后再用清水洗净。 
    四、不锈钢的钎焊 
    1、钎焊性 
    不锈钢钎焊中的首要问题是表面存在的氧化膜严重影响钎料的润湿和铺展。各种不锈钢中都含有相当数量的Cr,有的还含有Ni、Ti、Mn、Mo、Nb等元素,它们在表面上能形成多种氧化物甚至复合氧化物。其中,Cr和Ti的氧化物Cr2O3和TiO2相当稳定,较难去除。在空气中钎焊时,必须采用活性强的钎剂才能去除它们;在保护气氛中钎焊时,只有在低露点的高纯气氛和足够高的温度下,才能将氧化膜还原;真空钎焊时,必须有足够高的真空度和足够高的温度才能取得良好的钎焊效果。 
    不锈钢钎焊的另一个问题是加热温度对母材的组织有严重影响。奥氏体不锈钢的钎焊加热温度不应高于1150℃,否则晶粒将严重长大;若奥氏体不锈钢不含稳定元素Ti或Nb而含碳量又较高,还应避免在敏化温度(500~850℃)内钎焊。以防止因碳化铬的析出而降低耐蚀性能。马氏体不锈钢的钎焊温度选择要求更严,一种是要求钎焊温度与淬火温度相匹配,使钎焊工序与热处理工序结合在一起;另一种是要求钎焊温度低于回火温度,以防止母材在钎焊过程中发生软化。沉淀硬化不锈钢的钎焊温度选择原则与马氏体不锈钢相同,即钎焊温度必须与热处理制度相匹配,以获得最佳的力学性能。 
    除上述两个主要问题外,奥氏体不锈钢钎焊时还有应力开裂倾向,尤其是采用铜锌钎料钎焊更为明显。为避免应力开裂发生,工件在钎焊前应进行消除应力退火,且在钎焊过程中应尽量使工件均匀受热。 
    2、钎焊材料 
   (1)钎料 根据不锈钢焊件的使用要求,不锈钢焊件常用的钎料有锡铅钎料、银基钎料、铜基钎料、锰基钎料、镍基钎料及贵金属钎料等。 
    不锈钢软钎焊主要采用锡铅钎料,并以含锡量高为宜。因钎料的含锡量越高,其在不锈钢上的润湿性越好。几种常用锡铅钎料钎焊的1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的抗剪强度列于表3中,由于接头强度低,只用于钎焊承载不大的零件。 

表3 锡铅钎料钎焊的1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的抗剪强度


   

   银基钎料是钎焊不锈钢最常用的钎料,其中银铜锌及银铜锌镉钎料由于钎焊温度的母材性能影响不大而应用最为广泛。几种常用银基钎料钎焊的iCr18Ni9Ti不锈钢接头的强度列于表4中,银基钎料钎焊的不锈钢接头很少用于强腐蚀性介质中,接头的工作温度一般也不超过300℃。钎焊不含镍的不锈钢时,为防止钎焊接头在潮湿环境中发生腐蚀,应采用含镍多的钎料,如B-Ag50CuZnCdNi。钎焊马氏体不锈钢时,为防止母材发生软化现象,应采用钎焊温度不超过650℃的钎料,如B-Ag40CuZnCd。保护气氛中钎焊不锈钢时,为去除表面上的氧化膜,可采用含锂的自钎剂钎料,如B-Ag92CuLi和B-Ag72CuLi。真空中钎焊不锈钢时,为使钎料在不含易蒸发的Zn、Cd等元素时仍具有较好的润湿性,可选用含Mn、Ni、Rd等元素的银钎料。 

表4 银基钎料钎焊的iCr18Ni9Ti不锈钢接头的强度


   

   用于不同钢钎焊的铜基钎料主要的纯铜、铜镍和铜锰钴钎料。纯铜钎料主要用在气体保护或真空条件下进行钎焊,不锈钢接头工作温度不超过400℃,但接头抗氧化性不好。铜镍钎料主要用于火焰钎焊和感应钎焊,所钎焊的1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的强度如表5所示。可见接头能与母材等强度,且工作温度较高。铜锰钴钎料主要用于保护气氛中钎焊马氏体不锈钢,接头强度和工作温度可与用金基钎料钎焊的接头相匹敌。如采用B-Cu58MnCo钎料钎焊的1Cr13不锈钢接头与用B-Au82Ni钎料钎焊的同种不锈钢接头,二者性能相当(见表6),但生产成本大大降低。 

表5 高温铜基钎料钎焊的1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的抗剪强度

表5 高温铜基钎料钎焊的1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的抗剪强度



表6 1Cr13不锈钢钎焊接头的抗剪强度 



    锰基钎料主要用于气体保护钎焊,且要求气体的纯度较高。为避免母材的晶粒长大,宜选用钎焊温度低于1150℃的相应钎料。用锰基钎料钎焊的不锈钢接头可获得满意的钎焊效果,如表7所示、接头工作温度可达600℃。 

表7 锰基钎料钎焊的lCr18Ni9Fi不锈钢接头的抗剪强度

 

     采用镍基钎料钎焊不锈钢时,接头具有相当好的高温性能。这种钎料一般用于气体保护钎焊或真空钎焊。为了克服在接头形成过程中钎缝内产生较多脆性化合物而使接头强度和塑性严重降低的问题,应尽量减小接头间隙,保证钎料中易形成脆性相的元素充分扩散到母材中去。为防止钎焊温度下因保温时间过长而使母材晶粒长大现象的发生,可采取短时保温并在焊后进行较低温度(与钎焊温度相比)扩散处理的工艺措施。 
    钎焊不锈钢所用的贵金属钎料主要有金基钎料和含钯钎料,其中最典型的是B-Au82Ni和B-Ag54CuPd、B-Au82Ni具有很好的润湿性。所钎焊的不锈钢接头具有很高的高温强度和抗氧化性,最高工作温度可达800℃。B-Ag54CuPd具有与B-Au82Ni相似的特性,且价格较低,因而有取代B-Au82Ni的趋向。 
   (2)钎剂和炉中气氛 不锈钢的表面含有Cr2O3和TiO2等氧化物,必须采用活性强的钎剂才能将其去除。采用锡铅钎料钎焊不锈钢时,可配用的钎剂为磷酸水溶液或氧化锌盐酸溶液。磷酸水溶液的活性时间短,必须采用快速加热的钎焊方法。采用银基钎料钎焊不锈钢时,可配用FB102、FB103或FB104钎剂。采用铜基钎料钎焊不锈钢时,由于钎焊温度较高,故采用FB105钎剂。 
    炉中钎焊不锈钢时,常采用真空气氛或氢气、氩气、分解氨等保护气氛。真空钎焊时,要求真空压力低于10-2Pa。保护气氛中钎焊时,要求气体的露点不高于-40℃.如果气体纯度不够或钎焊温度不高,还可在气氛中掺加少量的气体钎剂,如三氟化硼等。 
    2、钎焊技术 
    不锈钢在钎焊前必须进行更为严格的清理,以去除任何油脂和油膜,清理后最好立即进行钎焊。 
    不锈钢钎焊可以采用火焰、感应和炉中等加热方法。炉中钎焊用的炉子必须具有良好的温度控制系统(钎焊温度的偏差要求±6℃),并能快速冷却。用氢气作为保护气体进行钎焊时,对氢气的要求视钎焊温度和母材成分而定,即钎焊温度越低,母材越含有稳定剂,要求氢气的露点越低。例如对于1Cr13和Cr17Ni2t等马氏体不锈钢,在1000℃下钎焊时要求氢气的露点低于-40℃;对于不含稳定剂的18-8型铬镍不锈钢,在1150℃钎焊时要求氢气的露点低于25℃;但对含钛稳定剂的1Cr18Ni9Ti不锈钢,在1150℃钎焊时的氢气露点必须低于-40℃。采用氩气保护进行钎焊时,要求氩气的纯度更高。若在不锈钢表面上度铜或镀镍,则可降低对保护气体纯度的要求。为了保证去除不锈钢表面上的氧化膜,还可添加BF3气体钎剂,也可采用含锂或硼的自钎剂钎料。真空钎焊不锈钢时,对真空度的要求视钎焊温度而定。随着钎焊温度的提高,所需要的真空度可以降低。 
    不锈钢钎焊后的主要工序是清理残余钎剂和残余阻流剂,必要时进行钎焊后的热处理。根据所采用的钎剂和钎焊方法,残余钎剂可以用水冲洗、机械清理或化学清理。如果采用研磨剂来清洗残余钎剂或接头附近加热区域的氧化膜时,应使用砂子或其他非金属细颗粒。马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢制造的零件,钎焊后需要按材料的特殊要求进行热处理。用镍铬硼和镍铬硅钎料钎焊的不锈钢接头,钎焊后常常进行扩散热处理,以降低对钎缝间隙的要求和改善接头的组织与性能。 

    五、铝及铝合金的钎焊 
    1、钎焊性 
    铝及铝合金的钎焊性是较差的,首要原因在于其表面上的氧化膜很难去除。铝对氧的亲和力很大,在表面上很容易形成一层致密而稳定且熔点很高的氧化膜Al2O2,同时含镁的铝合金也会生成非常稳定的氧化膜Mgo。它们会严重阻碍钎料的润湿和铺展。而且很难去除。钎焊中,只有采用合适的钎剂才能使钎焊过程得以进行。 
    其次,铝及铝合金钎焊的操作难度大。铝及铝合金的熔点与所用的硬钎料的熔点相差不大,钎焊时可选择的温度范围很窄,温度控制稍有不当就容易造成母材过热甚至熔化,使钎焊过程难予进行。一些热处理强化的铝合金还会因钎焊加热而引起过时效或退火等软化现象,导致钎焊接头性能降低。火焰钎焊时,因铝合金在加热中颜色不改变而不易判断温度的高低,这也增加了对操作者操作水平的要求。 
    再者,铝及铝合金钎焊接头的耐蚀性易受钎料和钎剂的影响。铝及铝合金的电极电位与钎料相差较大,使接头的耐蚀性降低,尤其是对软钎焊接头的影响更为明显。此外,铝及铝合金钎焊中采用的大部分钎剂都具有强烈的腐蚀性,即使钎焊后进行了清理,也不会完全消除钎剂对接头耐蚀性的影响。 
    2、钎焊材料 
   (1)钎料 铝及铝合金的软钎焊是不常应用的方法,因为软钎焊中钎料与母材的成分及电极电位相差很大,易使接头产生电化学腐蚀。软钎焊主要采用锌基钎料和锡铅钎料,按使用温度范围可分为低温软钎料(150~260℃)、中温软钎料(260~370℃)和高温软钎料(370~430℃)。当采用锡铅钎料并在铝表面预先镀铜或镀镍进行钎焊时,可防止接头界面处产生腐蚀,从而提高接头的耐蚀性。 
    铝及铝合金的硬钎焊方法应用很广,如滤波导、蒸发器、散热器等部件大量采用硬钎焊方法。铝及铝合金的硬钎焊只能采用铝基钎料,其中铝硅钎料应用最广,其具体采用范围和所钎焊的接头抗剪强度分别如表8和表9所示。但这种钎料的熔点都接近于母材,因此钎焊时应严格而精确地控制加热温度,以免母材过热甚至熔化。 

表8 铝及铝合金用硬钎料的适用范围

表9 铝硅系钎料钎焊的铝及铝合金接头的抗剪强度

   

   铝硅钎料通常以粉末、膏状、丝材或薄片等形式供应。在某些场合下,采用以铝为芯体、以铝硅钎料为复层的钎料复合板。这种钎料复合板通过液压方法制成,并常作为钎焊组件的一个部件。钎焊时,复合板上的钎料熔化后,受毛细作用和重力作用而流布,填满接头间隙。 
   (2)钎剂和保护气体 铝及铝合金软钎焊时常以专用的软钎剂进行去膜。与低温软钎料配用的是以三乙醇胺为基的有机钎剂,如FS204等。这种钎剂的优点是对母材的腐蚀作用很小,但钎剂作用时会产生大量的气体,影响钎料的润湿和填缝。与中温和高温软钎料配用的是以氯化锌为基的反应钎剂,如FS203、FS220A等。反应钎剂具有强烈的腐蚀性,其残渣必须在钎焊后清除干净。 
    铝及铝合金的硬钎焊目前仍然以钎剂去膜为主,所采用的钎剂包括氯化物基钎剂和氟化物基钎剂。氯化物基钎剂去氧化膜能力强,流动性好,但对母材的腐蚀作用大,钎焊后必须彻底清除其残渣。氟化物基钎剂是一种新型钎剂,其去膜效果好,而且对母材无腐蚀作用:但其熔点高,热稳定性差,只能配合铝硅钎料使用。 
    铝及铝合金硬钎焊时,常采用真空、中性或惰性气氛。当采用真空钎焊时,真空度一般应达到10-3Pa的数量级。当采用氮气或氩气保护时,其纯度要很高,露点必须低于-40℃. 
    3、钎焊技术 
    铝及铝合金的钎焊对工件表面的清洁有较高的要求。要获得良好的质量,必须在钎焊前去除表面的油污和氧化膜。去除表面油污可用温度为60~70℃的Na2CO3水溶液清洗5~10min,再用清水漂净;去除表面氧化膜可用温度为20~40℃的NaOH水溶液浸蚀2~4min,再用热水洗净;去除表面油污和氧化膜后的工件,再用HNO3水溶液光泽处理2~5min,再在流水中洗净并最后风干。以过这些方法处理后的工件勿用手摸或沾染其他污物,并在6~8h内进行钎焊,在可能的条件下最好立即钎焊。 
    铝及铝合金的软钎焊方法主要用火焰钎焊、烙铁钎焊和炉中钎焊等。这些方法在钎焊时一般都采用钎剂,并对加热温度和保温时间有严格要求。火焰钎焊和烙铁钎焊时,应避免热源直接加热钎剂以防钎剂过热失效。由于铝能溶于含锌量高的软钎料中,因而接头一旦形成就应停止加热,以免发生母材溶蚀。在某些情况下,铝及铝合金的软钎焊有时不采用钎剂,而是借助超声波或刮擦方法进行去膜。利用刮擦去膜进行钎焊时,先将工件加热到钎焊温度,然后用钎料棒的端部(或刮擦工具)刮擦工件的钎焊部位,在破除表面氧化膜的同时,钎料端部熔化并润湿母材。 
    铝及铝合金的硬钎焊方法主要有火焰钎烛、炉中钎焊、浸沾钎焊、真空钎焊及气体保护钎焊等。火焰钎焊多用于小型工件和单件生产。为避免使用氧乙炔焰时因乙炔中的杂质同钎剂接触使钎剂失效,以使用汽油压缩空气火焰为宜,并使火焰具有轻微的还原性,以防母材氧化。具体钎焊时,可预先将钎剂、钎料放置于被钎焊处,与工件同时加热;也可先将工件加热到钎焊温度,然后将蘸有钎剂的钎料送到钎焊部位;待钎剂与钎料熔化后,视钎料均匀填缝后,慢慢撤去加热火焰。 
    空气炉中钎焊铝及铝合金时,一般应预置钎料,并将钎剂熔解在蒸馏水中,配成浓度为50%~75%的稠溶液,再涂覆或喷射在钎焊面上,也可将适量的粉末钎剂覆盖于钎料及钎焊面处,然后将装配好的焊件放到炉中再进行加热钎焊。为防止母材过热甚至熔化,必须严格控制加热温度。 
    铝及铝合金的浸沾钎焊一般采用膏状或箔状钎料。装配好的工件就在钎焊前进行预热,使其温度接近钎焊温度,然后浸入钎剂中钎焊,钎焊时,要严格控制钎焊温度及钎焊时间。温度过高,母材易于溶蚀,钎料易于流失;温度过低,钎料熔化不够,钎着率降低。钎焊温度应根据母材的种类和尺寸、钎料的成分和熔点等具体情况而定,一般介于钎料液相线温度和母材固相线温度之间。工件在钎剂槽中的浸沾时间必须保证钎料能充分熔化和流动,担时间不宜过长。否则,钎料中的硅元素可能扩散到母材金属中去,使近缝区的母材变脆。 
    铝及铝合金的真空钎焊常采用金属操作活性剂,以使铝的表面氧化膜变质,保证钎料的润湿和铺展。镁可以以颗粒形式直接放在工件上使用,或以蒸气形式引入到钎焊区内,也可以将镁作为合金元素加入到铝硅钎料中。对于结构复杂的工件,为了保证镁蒸气对母材的充分作用以改善钎焊质量,常采取局部屏蔽的工艺措施,即先将工件放入不锈钢盒(通称工艺盒)内,然后置于真空炉中加热钎焊。真空钎焊的铝及铝合金接头,表面光洁,钎缝致密,钎焊后不需进行清洗;但真空钎焊设备费用高,镁蒸气对炉子污染严重,需要经常清理维护。 
    在中性或惰性气氛中钎焊铝及铝合金时,可采用镁活化剂去膜,也可采用钎剂去膜。采用镁活化剂去膜时,所需的镁量远比真空钎焊低,一般w(Mg)在0.2%~0.5%左右,含镁量高时反而使接头质量降低。采用氟化物钎剂配合氮气保护的Nocolok钎焊法是近年来迅速发展的一种新方法。由于氟化物钎剂的残渣不吸潮,对铝没有腐蚀性,因此可省略钎焊后清除钎剂残渣的工序。在氮气保护下,只需涂敷较少数量的氟化物钎剂,钎料就能很好地润湿母材,易于获得高质量的钎焊接头。目前,这种Nocolok钎焊法已用于铝散热器等组件的批量生产中。 
    采用除氟化物钎剂之外的钎剂钎焊的铝及铝合金,钎焊后必须彻底清除钎剂残渣。铝用有机钎剂的残渣,可用甲醇、三氯乙烯之类的有机溶液洗涤,再用氢氧化钠水溶液中和处理,最后用热水和冷水洗净。氯化物是铝用硬钎剂残渣的清除可按下述方法进行;先在60~80℃的热水中浸泡10min,用毛刷仔细清洗钎缝上的残渣,并用冷水清洗;再在体积分数为15%的硝酸水溶液中浸泡30min,最后用冷水冲洗干净。 

 六、铜及铜合金的钎焊 
    1、钎焊材料 
   (1)几种常用软钎料用于铜及黄铜软钎焊的接着强度如表10所示。 

表10 铜及黄铜软钎焊接头的强度


   

   用锡铅钎料钎焊铜时,可选松香酒精溶液或活性松香和ZnCl2+Nh4Cl水溶液等无腐蚀性钎剂,后者还可用于黄铜、青铜和铍青铜的钎焊。钎焊铝黄铜、铝青铜和硅黄铜时,钎剂可为氯化锌盐酸溶液。钎焊锰白铜时,针剂可选磷酸溶液。用铅基钎料钎焊时可用氯化锌水溶液作为钎剂,用镉基钎料钎焊时可采用FS205钎剂。 
   (2)硬钎焊用钎料及钎剂 硬钎焊铜时,可以采用银基钎料和铜磷钎料。银基钎料的熔点适中,工艺性好,并具有良好的力学性能和导电导热性能,是应用最广的硬钎料。对于要求导电性能高的工件,应选含银量高的B-Ag70CuZn钎料。真空钎焊或保护气氛炉中钎焊,应选用不含挥发元素的B-Ag50Cu、B-Ag60CuSn等钎料。含银量较低的钎料,价格便宜,钎焊温度高,钎焊接头的韧性较差,主要用于钎焊要求较低的铜及铜合金。铜磷和铜磷银钎料只能用于铜及其铜合金的硬钎焊,其中B-Cu93P具有良好的流动性,用于机电、仪表和制造工业中不受冲击载荷零件的钎焊,最适宜的间隙为0.003~0.005mm,铜磷银钎料(如B-Cu70Pag)的韧性和导电性能都比铜磷钎料好,主要用于高导电要求的电气接头。几种常用硬钎料用于铜及黄铜硬钎焊的接头性能如表11所示。 

表11 铜及黄铜硬钎焊接头的性能

    七、活性金属的钎焊 
    1、钎焊材料 
   (1)钛及基合金很少用软钎料钎焊,硬钎焊所用的钎料主要有银基、铝基、钛基或钛锆基3大类。 
    银基钎料主要用于工作温度小于540℃的构件。使用纯银钎料的接头强度低,容易产生裂纹,接头的抗腐蚀性及抗氧化性较差。Ag-Cu钎料的钎焊温度比银低,但润湿性随Cu含量的增加而下降。含有少量Li的Ag-Cu钎料,可以改善润湿性和提高钎料与母材的合金化程度。Ag-Li钎料具有熔点低、还原性强等特点,适用于保护气氛中钎焊钛及钛合金,但真空钎焊会因Li的蒸发而对炉子造成污染。Ag-5Al-(0.5~1.0)Mn钎料是钛合金薄壁构件的优选钎料,钎焊接头的抗氧化和抗腐蚀性能好。采用银基钎料钎焊的钛及钛合金接头的抗剪强度如表12所示。 

表12 钛及钛合金的钎焊工艺参数及接头强度


   

   铝基钎料的钎焊温度低,不会引起钛合金发生β相转变,降低了对钎焊类夹具材料和结构的选择要求。这种钎料与母材的相互作用程度低,溶解和扩散也不明显,但钎料的塑性好,容易将钎料和母材轧制在一起,故非常适宜钎焊钛合金散热器、蜂窝结构和层板结构。 
    钛基或钛锆基钎剂一般都含有Cu、Ni等元素,它们在钎焊时能快速扩散到基体中而与钛反应,造成基体的溶蚀和形成脆性层,因此钎焊时应严格控制钎焊温度和保温时间,尽可能不用于薄壁结构的钎焊。B-Ti48Zr48Be是典型的钛锆钎料。它对钛有良好的润湿性,钎焊时母材无晶粒长大倾向。 
   (2)锆及基合金钎焊用钎料 锆及基合金用钎焊主要有B-Zr50Ag50、B-Zr76Sn24、B-Zr95Be5等,广泛地应用于核动力反应堆的锆合金管道的钎焊。 
   (3)钎剂和保护气氛 钛、锆及基合金在真空和惰性气氛(氦、氩)中可获得满意的结果。氩气保护钎焊应使用高纯氩,露点必须是-54℃或更低。火焰钎焊时必须采用含有金属Na、K、Li的氟化物和氯化物的特殊钎剂。 
    2、钎焊技术 
    钎焊前必须彻底清理表面,进行脱脂和去除氧化膜。厚氧化膜应当采用机械法、喷砂法或熔融盐浴法去除。薄氧化膜可在含20%~40%硝酸和2%氢氟酸溶液中消除。 
    Ti、Zr及其合金在钎焊加热时不允许接头表面同空气接触,可在真空或惰性气体保护下进行钎焊,可以采用高频感应加热或保护中加热等方法。小型对称零件最好采用感应加热的方法,而对于大型复杂组件,则采用炉中钎焊比较有利。 
    用于Ti、Zr及其合金钎焊的加热元件最好选择Ni-Cr、W、Mo、Ta等材料,不能使用以祼露石墨为加热元件的设备,以免造成碳污染。钎焊夹具应选用高温强度好、热膨胀系数与Ti或Zr相近、并与基体金属反应性小的材料。

八、难熔金属的钎焊 
    1、钎料 
    凡温度低于3000℃的各种钎料均可用于W的钎焊,其中400℃以下使用的构件可选用铜基或银基钎料;在400~900℃之间使用的构件通常选用金基、锰基、猛基、钯基或钻基钎料;高于1000℃使用的构件,多采用纯金属Nb、Ta、Ni、Pt、Pd、Mo等钎料。铂基钎料钎焊后的构件,基工作温度已经达到2150℃。如果在钎焊后进行1080℃的扩散处理,则最高工作温度可达3038℃。 
    钎焊W的钎料大多数都可以用于Mo的钎焊,其中400℃以下工作的Mo构件可选用铜基或银基钎料;400~650℃之间工作的电子器件及非结构件,可以使用Cu-Ag、Au-Ni、Pd-Ni或Cu-Ni等钎料;更高温度下工作的构件可采用钛基或其他高熔点的纯金属钎料,应注意的是,一般不推荐使用锰基、钴基和镍基钎料,以避免在钎缝中形成脆性金属间化合物。 
    Ta或Nb构件在1000℃以下使用时,可以选用铜基、锰基、钴基、钛基、镍基、金基及钯基针剂,其中Cu-Au、Au-Ni、Pd-Ni、Pt-Au_Ni、Cu-Sn钎料对Ta和Nb的润湿性及钎缝成型好,接头强度也比较高。由于银基钎料有使钎焊金属变脆的倾向,应尽可能避免使用。在1000~1300℃之间使用的构件,钎料应选用与它们形成无限固液体的纯金属Ti、V、Zr或以这些金属为基的合金。使用温度更高时,可选用含Hf的钎料。
W、Mo、Ta、Nb高温钎焊用钎料见表13。 

表13 难熔金属高温钎焊用钎料


   

  2、钎焊技术 
    钎焊前要求特别仔细地消除难熔金属表面的氧化物,可以采用机械打磨、喷砂、超声波清洗,也可以进行化学清洗。完成清理工序之后要立即进行钎焊。 
    由于W的固有脆性,在构件组装操作中应小心处理W零件以免碰断。为了防止形成脆性的碳化钨,应避免W与石墨直接接触。由于焊前加工或焊接而产生的预应力,应在焊前予以消除。W在温度升高时极易氧化,钎焊时要求真空度要足够高,在1000~1400℃的温度范围内进行钎焊时,真空度不能低于8×10-3Pa。为了提高接头的再熔化温度和使用温度可把钎焊过程和焊后的扩散处理结合起来,例如用B-Ni68Cr20Si10Fel钎料在1180℃下钎焊W,焊后经1070℃/4h、1200℃/3.5h和1300℃/2h的三次扩散处理后,钎焊接头的使用温度可达2200℃以上。
Mo在钎焊接头装配时,应考虑热膨胀系数小这一特点,接头间隙选在0.05~0.13mm范围内为宜。如果使用夹具,要选择热膨胀系数小的材料。火焰钎焊、受控气氛炉、真空炉、感应加热炉和电阻加热超过再结晶温度或由于钎料元素的扩散使再结晶温度降低,都会Mo民生再结晶。因此,钎焊温度接近再结盟晶温度时,钎焊时间越短越好。在Mo的再结晶温度以上钎焊时,一定要控制钎焊时间和冷却速率,避免冷却过快引起开裂。用氧乙炔火焰钎焊时,使用混合钎剂较理想,即工业硼酸盐或银钎焊用钎剂加含有氟化钙的高温钎剂,可以获得良好的保护。其方法是首先在Mo表面涂覆一层银钎焊用钎剂,然后涂覆高温钎剂,银钎焊用钎剂在较低的温度范围内具有活性,而高温钎剂的活性温度可达到1427℃。 
    Ta或Nb构件最好在真空下进行钎焊,且真空度不低于1.33×10-2Pa.如果在惰性气体保护下进行钎焊,必须严格清除一氧化碳、氨、氮和二氧化碳等气体杂质。在空气中进行钎焊或电阻钎焊时,应采用特种钎料,配以合适的钎剂。为防止高温下Ta或Nb与氧接触,可在表面镀一层金属铜或镍,并进行相应的扩散退火处理。 
    九、陶瓷和金属的钎焊 
    1、钎焊性 
    陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属构件的钎焊比较困难,大多数钎料在陶瓷表面形成球状,很少或根本不产生润湿。能够润湿陶瓷的钎料,钎焊时接合界面易形成多种脆性化合物(如碳化物、硅化物及三元或多元化合物),这些化合物的存在影响了接头的力学性能。此外,由于陶瓷、金属与钎料三者之间的热膨胀系数差异大,从钎焊温度冷却到室温后,接头会存在残余应力并有可能引起接头开裂。
    在普通钎料的基础上添加活性金属元素制成活性钎料,可以改善钎料在陶瓷表面的润湿;采用低温、短时钎焊可以减轻界面反应的影响;设计合适的接头形式,使用单层或多层金属作中间层,可以减小接头的热应力。 
    2、钎料 
    陶瓷与金属连接多在真空炉或氢气、氩气炉中进行。真空电子器件封接用钎料除具有一般特性外,还应有一些特殊要求。例如钎料不宜含有产生高蒸气压的元素,以免引起器件电介质漏电和阴极中毒等现象发生。一般规定器件工作时,钎料的蒸气压不超过10-3Pa,所含高蒸气压杂质不超过0.002%~0.005%;钎料的W(o)不超过0.001%,以免在氢气中钎焊时生成水气,引起熔融钎料金属的飞溅;此外,还要求钎料必须清洁,不得有表面氧化物。 
    陶瓷金属化后再进行钎焊时,可使用铜、基、银-铜、金-铜等合金钎料。 
    陶瓷与金属直接钎焊时,应选含有活性元素Ti、Zr的钎料。其中二元系钎料以Ti-Cu、Ti-Ni为主,可在1100℃范围内使用。在三元系钎料中,最常用的是Ag-Cu-Ti(W)(Ti)低于5%)钎料,可用于各类陶瓷与金属的直接钎焊。该三元系钎料可以采用箔片、粉状或Ag-Cu共晶钎料片配合Ti粉使用。B-Ti49Be2钎料具有与不锈钢相近的耐腐蚀性,并且蒸气压较低,在防氧化、防泄漏的真空密封接头中可优先选用。在Ti-V-Cr系钎料中,W(V)为30%时熔化温度最低(1620℃),Cr的加入能有效缩小熔化温度范围。不含Cr的B-Ti47.5Ta5钎料,已用于氧化铝和氧化镁的直接钎焊,其接头可在1000℃的环境温度下工作。陶瓷与金属直接连接的活性钎剂如表14所示。 

表14 陶瓷与金属钎焊用活性钎料


    2、钎焊技术 
    经过预先金属化处理的陶瓷可以在高纯度的惰性气体、氢气或真空环境中进行钎焊。不经过金属化的陶瓷直接钎焊时,一般应选用真空钎焊。 
   (1)通用钎焊工艺 陶瓷与金属钎焊的通用工艺可分为表面清洗、涂膏、陶瓷表面金属化、镀镍、钎焊及焊后检验7个工艺过程。 
    表面清洗是为了除去母材表面的油污、汗迹和氧化膜等。金属零件和钎料先去油,再酸洗或碱洗去氧化膜,经流动水冲洗并烘干。对要求高的零件应在真空炉或氢气炉中(也可用离子轰击的方法)用适当的温度和时间进行热处理,以净化零件表面。清洗后的零件不得再与有油污的物体或祼手接触,应立即进入下道工序或放入干燥器内,不能长时间暴露在空气中。陶瓷件应采用丙酮加超声清洗,再用流动水冲洗,最后用去离子水煮沸2次,每次煮沸15min. 
    涂膏是陶瓷金属化的一个重要工序,涂敷时用毛笔或涂膏机涂于需要金属化的陶瓷表面上,涂层厚度一般为30~60mm,膏剂一般由粒度约为1~5um的纯金属粉末(有时还添加适当的金属氧化物)和有机粘接剂调成。
将涂好膏的陶瓷件送入氢气炉中,用湿氢或裂化氨在1300~1500℃温度下烧结30~60min。对于涂氢化物的陶瓷件,应加热到900℃左右,使氢化物分解,与纯金属或残留在陶瓷表面的钛(或锆)发生反应在陶瓷表面上获得金属涂层。 
    对于Mo-Mn金属化层,为了使其与钎料润湿,还必须电镀1.4~5um的镍层或涂一层镍粉,如果钎焊温度低于1000℃,则镍层还需经在氢气炉中进行预烧结,烧结温度和时间为1000℃/15~20min。 
    处理好的陶瓷是金属件,用不锈钢或石墨、陶瓷模具装配成整体、在接缝处装上钎料,并在整个操作过程中保持工件清洁,不得用祼手触摸。 
    在通氩气、氢气炉或者真空炉中进行钎焊,钎焊温度视钎料而定,为防止陶瓷件开裂,降温速度不得过快。此外,钎焊还可以施加一定的压力(约0.49~0.98MPa)。 
    钎焊后的焊件除进行表面质量检验外,还应进行热冲击及力学性能检验,真空器件用的封接件还必须按有关规定进行检漏试验。 
   (2)直接钎焊 直接(活性金属法)钎焊时,首先将陶瓷及金属被焊件进行表面清洗,然后进行装配。为避免构件材料因热膨胀系数不同而产生裂纹,可在焊件之间旋转缓冲层(一层或多层金属片),应尽可能将钎料夹置在两个被焊件之间或放置在利用钎料填充间隙的位置,然后象普通真空钎焊一样进行钎焊。 
    使用Ag-Cu-Ti钎料进行直接钎焊的,应采用真空钎焊的方法。当炉内的真空度达2.7×10-3Pa时开始加热,此时可快速升温;当温度接近钎料熔点时应缓慢升温,以使焊件各部分的温度趋于一致;待钎料熔化时,快速升温到钎焊温度,保温时间3~5min;冷却时,在700℃以前应缓慢降温,700℃以后可随炉自然冷却。 
    Ti-Cu活性钎料直接钎焊时,钎料的形式可以采用Cu箔加Ti粉或Cu零件加Ti箔,也可以在陶瓷表面涂上Ti粉再加Cu箔。钎焊前所有的金属零件都要真空除气,无氧铜除气的温度为750~800℃,Ti,Nb,Ta等要求在900℃除气15min,此时真空度应不低于6.7×10-3Pa。钎焊时将待焊组件装配在夹具内,在真空炉中加热到900~1120℃之间,保温时间为2~5min。在整个钎焊过程中,真空度不得低于6.7×10-3Pa。 
    Ti-Ni法的钎焊工艺与Ti-Cu法相似,钎焊温度为900±10℃。 
   (3)氧化物钎焊法 氧化物钎焊法是利用氧化物钎料熔化后形成玻璃相,向陶瓷渗透并润湿金属表面而实现可靠连接的方法,可以进行陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属的连接。氧化物钎料的成分主要是Al2O3、CaO、BaO、MgO,加入B2O3、Y2O3、Ta2O3等可以得到各种熔点和线膨胀系数的钎料,此外,以CaF2和NaF为主要成分的氟化物钎料也可以用来连接陶瓷和金属,能获得高强度、高耐热性的接头。

十、其他材料的钎焊 
    1、贵金属触点的钎焊 
    贵金属主要是指Au、Ag、Pd、Pt等材料,它们具有良好的导电性、导热性、抗腐蚀性和高的熔化温度,在电器设备中广泛用于制造开启与闭合电路元件。 
   (1)钎焊特点 贵金属作为触点材料,其共同特点是钎焊面积小,要求钎缝金属抗冲击性能好、强度高、具有一定的抗氧化性能,并能经受电弧侵袭,但又不改变触头材料的特性和元件的电性能。由于触点钎焊面积受限制,不允许钎料溢流,应严格控制钎焊工艺参数。 
    大多数的加热方法都可以用来钎焊贵金属及其贵金属触点。火焰钎焊常用于较大的触点组件;感应钎焊适用于大批量生产,用普通的电阻焊机可以进行电阻钎焊,但应选用较小的电流和较长的钎焊时间,可以使用碳块作电极。当同时需要钎焊大量的触点组件或者在一个组件上钎焊多个触点时,可采用炉中钎焊。贵金属在大气中用普通方法进行钎焊,获得的接头质量较差,真空钎焊则能获得高质量的接头,而且材料本身性能不会受到任何影响。 
   (2)钎料选择 钎焊金及其合金触头主要使用银基和铜基钎料,既保证了钎缝的导电性能,又易于润湿。如果能满足接头导电性要求,可以使用含Ni、Pd、Pt等元素的钎料,也可以使用钎焊镍、钻合金并有良好抗氧化性能的钎料,如选用Ag-Cu-Ti钎料,钎焊温度不得高于1000℃. 
    银表面生成的氧化银不大稳定,很容易进行钎焊。银的软钎焊可采用锡铅钎料配以氯化锌水溶液或松香作钎剂。硬钎焊时,常采用银钎料,以硼砂、硼酸或它们的混合物作钎剂。真空钎焊银及其银合金触头时,主要选用银基钎料,如B-Ag61Culn、B-Ag59Cu5n、B-Ag72Cu等。 
    钎焊钯触头,可选用容易形成固溶体的金基、镍基钎料,也可以用银基、铜基或锰基钎料。钎焊铂及其铂合金触头,广泛使用银基。铜基、金基或钯基钎料。选用B-An70Pt30钎料,即不改变铂的颜色,又能有效地提高钎缝重熔温度,增加钎缝的强度和硬度。如果要将铂触头直接钎焊在可伐合金上,可选用B-Ti49Cu49Be2钎料。在非腐蚀介质中工作温度不超过400℃的铂触头,应优先选用成本低、工艺性能好的无氧纯铜钎料。 
   (3)钎焊工艺 钎焊前,应对焊件特别是触点组件进行检查,从薄板上冲出或从板条上剪下的触点不得因冲、剪而变形。用顶锻、精压、锻造成形的触点的钎焊表面必须平直,以保证与支座的平直表面接触良好。待焊件的曲面或任意半径的表面必须配合一致,以保证钎焊时有适当的毛细作用。 
    各种触头钎焊前都要采用化学或机械方法去除焊件表面的氧化膜,并用汽油或酒精仔细清洗焊件表面,以清除表面油污、油脂、灰尘以及妨碍润湿和流动的污物。 
    对于小型焊件,选用粘接剂预定位,保证在装炉、装钎料等搬运过程中不移位,所使用的粘接剂不应对钎焊带来危害。对于大型焊件或专用触头,装配定位一定通过带有凸台或凹槽的夹具,使焊件处于稳定状态。 
    由于贵金属材料导热性好,加热速率应根据材料类型而定,冷却时要适当控制速率,以使钎焊接头应力均匀;加热方法应能使被焊零件同时达到钎焊温度。对于较小的贵金属触点,应避免直接加热,可利用其他零件进行传导加热。触点上应施加一定的压力,使钎料在熔化和流动时触点固定不变。为了保持触点支座或支承件应有的刚性,应避免它们退火,可把加热局限在钎焊面区域内,例如调节火焰钎焊、感应钎焊或电阻钎焊时的位置。此外,为了避免钎料溶解贵金属,可采取控制钎料的数量、避免过分加热、限制钎焊温度下的钎焊时间、以及使热量均匀分布等措施。 
    2、高温合金的钎焊 
   (1)钎焊特点 高温合金可分为镍基、铁基和钴基3大类,它们在高温下具有较好的力学性能、抗氧化性和抗腐蚀性。实际生产中应用最多的是镍基合金。 
    高温合金含有较多的Cr,加热时表面形成难以去除的Cr2O3氧化膜。镍基高温合金均含有Al和Ti,加热时极易氧化。因此,防止或减少高温合金加热时的氧化及去除其氧化膜是钎焊时的首要问题。由于钎剂中的硼砂或硼酸在钎焊温度下能使母材产生溶蚀,发生反应后析出的硼能渗入母材造成晶间渗入。对于Al、Ti含量高的铸造镍基合金,钎焊时要保证热态的真空度不低于10-2~10-3Pa,以免合金表面在加热时发生氧化。 
    对固溶强化和沉淀强化的镍基合金,钎焊温度应尽量选择与固溶处理的加热温度相一致,以保证合金元素的充分溶解。钎焊温度过低,合金元素不能完全溶解;钎焊温度过高,母材晶粒长大,即使焊后进行热处理也无法恢复材料的性能。铸造基合金的固溶温度都较高,一般不会因钎焊温度过高而影响材料性能。 
    一些镍基高温合金,特别是沉淀强化合金有应力开裂的倾向,钎焊前必须充分去除加工过程中形成的应力,钎焊时应尽量减小热应力。 
   (2)钎焊材料 镍基合金可采用银基、纯铜、镍基及活性钎料进行钎焊。当接头的我作温度不高时,可采用银基材料。银基钎料的种类很多,为减小钎焊加热时的内应力,最好选用熔化温度低的钎料。用银基钎料钎焊时可选用FB101钎剂,钎焊含铝最高的沉淀强化高温合金时,应用FB102钎剂,并添加10%~20%的硅氟酸钠或铝用钎剂(如FB201等)。当钎焊温度超过900℃时,应选用FB105钎剂。 
    在真空或保护气氛中钎焊时,可选用纯铜作钎料,钎焊温度为1100~1150℃,接头不会产生应力开裂现象,但工作温度不能超过400℃。 
    镍基钎料具有很好的高温性能,钎焊时不发生应力开裂现象,是高温合金最常用的钎料。镍基钎料中主要的合金元素是Cr、Si、B,少量钎料还含有Fe、W等。B-Ni68CrWB钎料与Ni-Cr-Si-B相比,可减少B对母材的晶间渗出入,增大熔化温度间隔,是钎焊高温工作部件和涡轮叶片的钎料。但含W钎料的流动性变差,接头间隙不易控制。 
    活性扩散钎焊钎料不含有Si元素,具有极好的抗氧化性和抗硫化性。钎焊温度可在1150~1218℃之间根据钎料种类进行选择,钎焊后经1066℃扩散处理,可获得与母材性能一致的钎焊接头。 
   (3)钎焊工艺 镍基合金可采用保护气氛炉中钎焊、真空钎焊和瞬态液相连接。钎焊前都必须采用砂纸打磨、毡轮抛光、丙酮擦洗及化学清洗等方法脱脂及去除表面的氧化物。选择钎焊工艺参数时,应注意加热温度不宜过高,钎焊时间要短,以免钎剂与母材发生强烈的化学反应。为防止母材列裂,经冷加工的零件焊前应进行去应力处理,焊接加热应尽可能均匀,对沉淀强化的高温合金,应先将零件进行固溶化处理,然后在稍高于时效强化处理的温度下进行钎焊,最后再进行时效处理。 
   1)保护气氛炉中钎焊 保护气氛炉中钎焊对保护气体的纯度要求很高,对于W(Al)、W(Ti)小于0.5%的高温合金,使用氢气或氩气时,要求其露点低于-54℃。当Al、Ti含量增多时,合金表面加热时仍发生氧化,必须采取如下措施;加入少量钎剂(如FB105),利用钎剂去除氧化膜;零件表面镀0.025~0.038mm厚的镀层;将钎料预先喷涂在待钎焊材料表面;附加少量气体钎剂,如三氟化硼。 
   2)真空钎焊 真空钎焊应用的比较广,能获得更好的保护效果和钎焊质量,典型镍基高温合金接头的力学性能见表15。对于w(Al)、w(Ti)小于4%的高温合金,虽然表面不进行特殊预处理也能保证钎料的润湿,但最好在表面电镀一层0.01~0.015mm的镍。当w(Al)、W(Ti)超过4%时,镀镍层的厚度应为0.020.03mm。镀层太薄不起保护作用,镀层太厚将降低接头强度。也可将待焊零件放在盒内进行真空钎焊,盒中应放吸气剂,如Zr在高温下吸收气体,可使盒内形成一个局部真空,从而起到防止合金表面氧化的作用。 

表15 典型镍基高温合金真空钎焊接头的力学性能



    高温合金钎焊接头组织和强度随钎焊间隙而变化,钎焊后扩散处理将进一步增大接头间隙的最大允许值。以Inconel合金为例,采用B-Ni82CrSiB钎焊的Inconel接头,经1000℃扩散处理1h后最大间隙值可达90um;而采用B-Ni71CrSiB钎焊的接头,以1000℃扩散处理1h后最大间隙值为50um左右。 
   3)瞬态液相连接 瞬态液相连接是将熔点低于母材的中间层合金(厚度约2.5~100um)作为钎料,在较小的压力(0~0.007MPa)和合适的温度(1100~1250℃)下,中间层材料首先熔化并润湿母材,由于元素的迅速扩散,接头部位发生等温凝固而形成接头。该方法大大降低了对母材表面的配合要求和减少了焊接压力。瞬态液相连接的主要参数有压力、温度、保温时间和中间层成分。加较小的压力是为了保持焊件配合面的良好接触。加热温度和时间对接头性能有很大的影响,如果要求接头与母材等强,并且不影响母材的性能,则应采用高温(如≥1150℃)和长时间(如8~24h)的连接工艺参数;如果对接头的连接质量有所降低或母材不能经受高的温度,则应采用较低的温度(1100~1150℃)和较短的时间(1~8h)。中间层应以被连接的母材成分为基本成分,加入不同的降温元素,如B、Si、Mn、Nb等。例如Udimet合金的成分为Ni-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Mo,作为瞬态液相连接用中间层的成分为B-Ni62.5Cr15Co15Mo5B2.5。这些添加元素都能使Ni-Cr或Ni-Cr-Co合金的熔化温度降到最低,但B的降熔作用最明显。此外,B的扩散速度高,可使中间层合金和母材迅速达到均质化。 
    3、石墨和金刚石聚晶的钎焊 
   (1)钎焊特点 石墨及金刚石聚晶钎焊所涉及的问题与陶瓷钎焊所碰到的问题十分相似。与金属相比,钎料对石墨及金刚石聚晶材料很难润湿,且与一般结构材料的热膨胀系数相差很大。二者直接在空气中加热,超过400℃会出现氧化或碳化,因此应采用真空钎焊,且要求真空度不应低于10-1Pa。因二者的强度都不高,钎焊时如果热应力存在,则有可能产生裂纹,要尽量选用热膨胀系数小的钎料和严格控制冷却速度。由于这类材料的表面不易被普通钎料润湿,钎焊前可通过表面改性(真空镀膜、离子溅射、等离子喷镀等方法)在石墨及金刚石聚晶材料表面沉积一层厚2.5~12.5um的W、Mo等元素并与之形成相应的碳化物,或者使用高活性钎料。 
    石墨和金刚石有多种品级,这些品级在颗粒度、密度、纯度和其他方面都有差别,且具有不同的钎焊特性。此外,金刚石聚晶材料在真空环境下,若温度超过1000℃,聚晶磨耗比开始下降,超过1200℃,磨耗比降低50%以上。因此,真空钎焊金刚石时,钎焊温度一定要控制在1200℃以下,真空度不低于5×10-2Pa. 
   (2)钎料选择 钎料的选择主要根据用途和表面加工情况而定,作为耐热材料使用时,选择钎焊温度高,耐热性好的钎料;而用于化工耐蚀材料则选择钎焊温度低、耐蚀性好的钎料。对于经过表面金属化处理后的石墨,可采用延性高、抗腐蚀性好的纯铜钎料,银基及铜基活性钎料对石墨和金刚石均有良好的润湿性和流动性,但钎焊接头的使用温度难以超过400℃。对于400~800℃之间使用的石墨构件及金刚石工具,通常选用金基、钯基、锰基或钛基钎料。800~1000℃之间使用的接头,则选用镍基或钻基钎料,石墨构件在1000℃以上使用时,可选用纯金属钎料(Ni、Pd、Ti)或含有能与碳形成碳化物的钼Mo、Ta等元素的合金钎料。 
    对于不进行表面处理的石墨或金刚石,可采用表16的活性钎料进行直接钎焊,这些钎料大多是钛基二元或三元合金。纯钛与石墨反应强烈抗议,可生成很厚的碳化物层,且与石墨的线胀系数差别较大,易产生裂纹,故不能做钎料使用。Ti中加入Cr、Ni可以降低熔点及改善与陶瓷的润湿性。Ti是三元合金以Ti-Zr为主,加入Ta、Nb等元素,具有低的线膨胀系数,可以降低钎焊应力,以Ti-Cu为主的三元合金适合于石墨与钢的钎焊,接头具有较高的抗腐蚀性能。 

表16 石墨和金刚石直接钎焊用钎料

   

  (3)钎焊工艺 石墨的钎焊方法可分为两大类,一类是表面金属化后进行钎焊,另一类是表面不处理直接进行钎焊。不论哪种方法,焊件装配前,应先对焊件进行预处理,用酒精或丙酮将石墨材料的表面污染物擦拭干净。表面金属化法钎焊时,应先在石墨表面电镀一层Ni、Cu或用等离子喷镀一层Ti、Zr或二硅化钼,然后采用铜基钎料或银基钎料进行钎焊。采用活性钎料直接钎焊,是目前应用最多的方法,可根据表16中提供的钎料选择钎焊温度。可将钎料夹置在钎焊接头中间或靠近一头。当与热膨胀系数大的金属钎焊时,可利用一定厚度的Mo或Ti作中间缓冲层,该过渡层在钎焊加热时可发生塑性变形,吸收热应力,避免石墨开裂。例如用Mo做过渡接头真空钎焊石墨和耐蚀镍基合余(HastelloyN)组件,采用有良好抗熔盐腐蚀性能和抗辐射性能的B-Pd60Ni35Cr5钎料,钎焊温度1260℃,保温10min。 
    天然金刚石可以选用B-Ag68.8Cu16.7Ti4.5和B-Ag66Cu26Ti8等活性钎料直接钎焊,钎焊应在真空或低氩气保护下进行。钎焊温度不宜超过850℃,应选择较快的加热速度,在钎焊温度下的保温时间不能过长(一般选10s左右),以免在界面形成连续的TiC层。金刚石和合金钢钎焊时,应加塑性中间层或低膨胀合金层进行过渡,以防止热应力过大造成金刚石晶粒的破坏。超精密加工用的车刀或镗刀采用钎焊工艺制造,是将20~100mg的小颗粒金刚石钎焊到钢体上,钎缝的接头强度达到了200~250MPa.
    聚晶金刚石可以采用火焰钎焊、高频钎焊或真空钎焊。切削金属或石材的金刚石圆锯片,应采用高频钎焊或火焰钎焊,选用熔点较低的Ag-Cu-Ti活性钎料,钎焊温度控制在850℃以下,加热时间不宜过长,并采取较慢的冷却速度。用于石油、地质钻探的聚晶金刚石钻头,工作条件恶劣,承受巨大的冲击载荷,可选用镍基钎料,用纯铜箔做中间层进行真空钎焊。例如将350~400粒Ф4.5~4.5mm的柱状聚晶金刚石钎焊到35CrMo或40CrNiMo钢的齿孔中构成切削齿,采用真空钎焊,真空度不低于5×10-2Pa,钎焊温度为1020±5℃,保温时间20±2min,钎缝的抗剪强度大于200MPa.
    钎焊时应尽可能利用焊件的自重进行装配定位,使金属件处于上部压住石墨或聚晶材料。使用夹具定位时,夹具材料应选用热膨胀系数与被焊件相近的材料。 
    4、铝基复合材料的钎焊 
   (1)钎焊特点 铝基复合材料主要有颗粒(包括晶须)增强和纤维增强两大类,用于增强的材料主要有B、CB、SiC等。 
    铝基复合材料钎焊加热时,基体Al容易和增强相之间发生化学反应,如钎料中的Si向母材快速扩散,生成脆性倾倒物层。使材料性能降低,又由于Al与增强相之间的线膨胀系数差别非常大,不适当的钎焊加热会使界面产生热应力,容易导致接头开裂。此外,钎料和增强相之间润湿性差,必须对复合材料的钎焊表面进行处理或采用活性钎料,应尽可能采用真空钎焊。 
   (2)钎焊材料及工艺 B或SiC颗粒增强铝基复合材料可采用软钎焊,焊前表面处理可采用砂纸打磨、钢丝刷清理、碱洗或化学镀镍(镀层厚0.05mm)等方法。钎料采用S-Cd95Ag、S-Zn95Al和S-Cd83Zn,利用柔和的氧乙炔火焰进行加热。此外,采用S-Zn95Al钎料进行刮擦钎焊可获得高的连接强度。 
    短纤维增强6061铝基复合材料的连接可采用真空钎焊。钎焊前表面要经磨削加工后再用800号砂纸研磨,在丙酮中经超声波清洗后入炉钎焊。钎料主要采用Al-Si系钎料,为防止Si向母材内的扩散,可在复合材料的钎焊表面上包覆一层纯铝箔的屏障层,或选择具有更低钎焊强度的B-Al64SiMgBi(11.65i-15Mg-0.5Bi)钎料,该钎料的熔化温度区间为554~572℃,钎焊温度可选580~590℃,钎焊时间为5min,接头抗剪强度大于80MPa. 
    对石墨颗粒增强铝基复合材料,保护气氛炉中钎焊是目前最成功的方法。为了提高润湿性,必须采用含Mg的Al-Si钎料。 
    同铝真空钎焊一样,铝基复合材料的真空钎焊引入Mg蒸汽或Ti吸气,以及加入一定量的Mg,可以明显改善钎料的润湿性。

 

各种材料的钎焊性

 

 

钎焊性

 

 

 

硬钎焊

软钎焊

 

 

 

 

 

 

 

 

碳钢、低合金结构钢

铜锌钎料HL-104
紫铜
银基钎料
锡铅钎料

硼砂或硼砂、硼酸混合物
硼砂或保护气体钎焊
OJ102 OJ104
氯化锌或氯化锌加氯化铵

 

 

碳素工具钢

-

HL-104
紫铜
银基钎料

硼砂或硼砂、硼酸混合物
硼砂或保护气体钎焊
OJ102 OJ104

 

 

高速钢和碳钢

-

高碳锰铁

硼砂

 

 

硬质合金

-

HL-104
HL-301

硼砂或硼砂、硼酸混合物
OJ102

 

 

铸铁

-

HL-104
银基钎料

硼砂或硼砂、硼酸混合物
OJ102

 

不锈钢

1Cr18Ni9Ti

铜镍钎料

银基钎料
镍基钎料
锰基钎料
锡铅钎料

OJ104
OJ104,
气体保护焊
OJ102,OJ104
201
,气体保护或真空钎焊
保护气体或真空钎焊
磷酸水溶液、氯化锌盐酸水溶液

 

不锈钢

1Cr3

-

铜镍钎料

银基钎料
镍基钎料
锰基钎料
锡铅钎料

OJ104
OJ104,
气体保护焊
OJ102,OJ104
201
,气体保护或真空钎焊
保护气体或真空钎焊
磷酸水溶液、氯化锌盐酸水溶液

 

 

高温合金

-

银基钎料

镍基钎料

OJ102
保护气体或真空钎焊
保护气体或真空钎焊

 

 

银基钎料
锡铅钎料

OJ102,OJ104
松香酒精溶液

 

 

铜、黄铜、青铜

铜磷钎料
铜锌钎料
银基钎料
镉基钎料
铅基钎料
锡铅钎料

焊铜不用钎剂。焊铜合金用硼砂或硼砂、硼酸混合物
硼砂或硼砂、硼酸混合物
OJ102 OJ104
OJ205
氯化锌水溶液
松香酒精溶液、氯化锌或氯化锌、氯化铵水溶液

 

铝和铝合金

L2,LF21

铝基钎料
HJ501
锌锡钎料
HJ502
锌镉钎料
HJ607
铝软钎料
HJ607
铝软钎料
铝钎焊板

OJ201, OJ206
刮擦法
OJ203
OJ204
OJ202
浸沾钎焊用钎剂1,2



真空钎焊时不用钎剂

铝和铝合金

LF1,LF1-2

 

 

 

铝和铝合金

LF5,LF6

 

 

 

铝和铝合金

LD2

-

铝基钎料

OJ201, OJ206

注意防止过烧

铝和铝合金

LD5,LD6

困难

-

HL402铝基钎料

浸沾钎焊用钎剂1,2

易过烧,建议用浸沾钎焊

铝和铝合金

LY12,LC4

-

 

 

极易过烧,不宜钎焊

铸铝合金

Al-Cu

困难

-

HL505

OJ202

容易过烧

铸铝合金

Al-Si

困难

-

HL401, HL505

OJ201, OJ202

润湿性差

铸铝合金

Al-Mg

-

 

 

表面氧化物难除、难焊

铸铝合金

Al-Zn

-

铝基钎料

OJ201, OJ206

 

铸铝合金

压铸件

-

 

 

母材表面起泡

 

钛和钛合金

-

Ag-5Al-0.5Mn Ti-15Cu-15Ni

真空或气体保护钎焊

接头塑性较低

 

金刚石和钢

-

-

HL104

硼砂

注意防止裂纹

 

铝和铜

-

-

90Sn-10Zn
99Zn-1Pb

OJ203
松香酒精浸沾钎焊

也可以铝表面镀铜后进行钎焊

 

钛和钢,钛和不锈钢

-

-

HL308
Ag-5Al-0.5Mn

真空或气体保护钎焊

接头较脆

 

铝和铁

-

-

HL502
90Sn-10Zn

OJ205
OJ203

也可以铝表面镀铜后进行钎焊

 

陶瓷-陶瓷,陶瓷-金属

-

-

72Ag-28Cu+Ti

真空或气体保护钎焊

或在陶瓷表面金属化后,再钎焊

 

石墨

-

-

72Ag-28Cu+Ti, Ti-Cu, Ti-Ni

真空或气体保护钎焊

 

 

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