铝合金气体保护炉中钎焊研究

铝合金气体保护炉中钎焊研究

[摘要]在探讨了铝合金气体保护钎焊可能性的前提下，对接头形成机理及影响接头质量的因素进行了论述。从钎焊夹具对钎焊产生的重要影响入手,论述了钎焊夹具设计应重点考虑的因素。

[关键词]Noclok；炉中钎焊；钎焊夹具；热膨胀；

1.前言

钎焊是一种用于材料连接或材料涂层的热连接方法，在连接处是通过钎料的熔化或接触面的扩散作用实现焊接，母材没有达到熔化温度。

目前常用的钎焊方法有两种：（1）保护气体炉中钎焊，主要特点是能精确控制温度，加热均匀，变形小。适合大、小件的批量生产，多钎缝工件的钎焊。(2)真空炉中钎焊，主要特点是能精确控制温度，加热均匀，变形小，能针焊难焊的高温合金，不用钎剂，钎焊质量好。但费用高，适合小批量的重要工件。

下面主要讨论保护气体炉中钎焊必须考虑的因素。

2.钎焊工艺过程

2.1钎焊机理

铝制散热器的焊接采用Noclok钎剂必须采取高纯氮气保护，氮气的纯度为99.9995%露点为-40℃。Noclok钎剂钎焊是通过对钎剂的成分连续控制，使其能达到一个接近点(565℃)的熔点，钎剂的熔点范围约为565℃～572℃,一旦液态钎剂熔融，熔解部件表面便产生氧化膜。随后钎焊层合金(也称复合层)熔融(577℃),熔融的钎焊层金属利用毛细管作用自由地流入到接头，当部件冷却后，熔融的钎焊层金属凝结并形成金相接头。

2.2钎焊工艺流程

汽车热交换器的钎焊是在精确控制温度的保护气氛生产线中连续进行的。一台钎剂喷淋装置把钎剂喷涂到工件上，通过烘干炉将工件加热到150℃～250℃进行干燥，在通入保护气氛的钎焊炉内温度达到610℃左右时对工件进行钎焊，再经水冷和风冷冷却后，工件由卸料台卸下。流程如下：

被焊工件→钎剂喷涂→传送装置→干燥炉→传送装置→加热炉→钎焊炉→水冷室→气冷室→传送装置

2.3钎焊接头的形成

钎焊是完成材料连接的一种重要方法，它与压焊和熔焊一起构成了现代焊接技术的三个重要组成部分。常规钎焊是采用比母材融化温度低的钎料，操作温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种焊接技术。钎焊时钎料融化为液态而母材保持固态，液态钎料在母材的间隙中或表面润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用(溶解、扩散或产生金属间化合物)、冷却凝固形成牢固的接头，从而将母材连接在一起。

要使液态钎料填充到钎缝的毛细间隙中去，其前提条件是液态钎料必须能够良好地润湿母材，从化学热力学的角度来看，所谓润湿，是指由固－液相界面来取代固－气相界面，从而使体系的自由能降低的过程。也就是液态钎料与固态母材接触时，钎料将母材表面表面处的气体排开，沿着母材表面铺展形成新的固体与液体界面的过程。

液态钎料可以润湿母材仅仅是完成钎焊连接的一个最基本的条件，要获得优质的钎焊接头，需要保证液态钎料能够进入钎缝间隙中去，这样才能完成两构件

之间的连接。液态钎料自动填充间隙的件用力来源于毛细作用，毛细作用是液体在狭窄间隙中流动时所表现出来的固有特性。毛细能力与钎缝的类型和钎缝间隙的大小有关。当钎料对母材润湿良好，并且钎缝间隙适宜的情况下，熔融钎料可以填满钎缝间隙并在钎缝周围形成圆角。

钎缝间隙是两待焊零件的钎焊面之间的距离，钎缝间隙值对钎焊接头的性能有极大的影响，间隙对接头性能影响是对以下诸过程影响的综合结果：①钎料的毛细填缝过过程；②钎料从间隙中排出气体的过过程；③母材与填缝钎料的相互扩散过程；④母材对钎缝合金层受力时塑性流动的机械约束作用。正确的确定钎缝间隙值是获得优质接头的重要前提。

钎焊过程不可避免产生液态钎料对固体母材的溶解，溶解是钎料与母材之间重要的冶金作用方式之一，溶解过程具有利弊双重性。有益的是母材的适量溶解促使钎缝合金化，提高钎焊接头性能，且钎料可部分溶解母材表面氧化膜，促进钎料润湿与铺展；不利之处是，母材被溶解后，钎料粘度增大，流动性变差，填缝能力降低，另处，溶解过度时将造溶蚀，严重时发生溶穿。造成致命缺陷而使产品报废。

随着钎焊温度的升高，母材在钎料中的溶解速度将增加；一般来说，在达到极限溶解度之前，溶解量是随着保温时间的延长而增加的，钎料量的增加将导致溶解量的增加。

母材的溶解与钎料的成分及其与母材的组配情况和与钎焊工艺参数之间存在着密切的关系，因此要控制母材的溶解，就要选择适当的钎料并选择合理的工艺参数。

3.钎焊夹具的设计

3.1材料的选择

因氮气炉的特殊性，使用材料要有良好的热稳定性和耐腐蚀性及较好的传热性和耐磨性。因为夹具经常在高温状态下使用，时冷时热，容易氧化和变形；钎剂残渣影响装配精度，需经常清除，它与产品紧密结合，传热性不好时会影响产品的升温；一般采用1Cr18Ni9Ti可以满足使用要求，1Cr18Ni9Ti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，长期使用不会脆化。

3.2 结构设计

钎焊夹具除了要满足常规夹具的要求处，还应该满足如下要求：

①材料形状

由于钎料的焊接温度范围小，夹具的热传导和热损耗对钎焊温度影响大，夹具与产品接触的部位热容量小，局部热容量过大时，会产生局部虚焊，经常采用的方法是使用空心材料和将接触面挖空，以减少夹具与产品的接触面积和降低夹具的热容量。

②结构设计

由于铝合金的线胀系数与夹具的线胀系数相差较大，因此加热时会有较大的内部应力，因此夹具应有较好的稳定性，最好将夹具设计成整体结构，尽量避免使用单个夹紧杆；为了释放因加热产生的热胀，夹具还应有一定的弹性，因为翅片在较高的温度下，强度降低较严重，刚性太大时，在夹紧力的作用下，翅片会弯曲变形，影响外观质量。另外，夹紧螺钉与螺母之间的间隙，容易被钎剂残留物堵塞，加工时可将间隙适当加大，最好选用梯形螺纹。③热变形的影响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。

④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, 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铝钎焊热循环温度曲线为基准, 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。

⑤其它因素影响

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。

4.小结

⑴NOCOLOK钎焊是汽车铝热交换器无腐蚀性钎焊的主要方法，只有严格控制影响钎焊质量的各种因素，才能保证获得稳定的产品质量。

⑵空气炉中钎焊铝合金的工艺要点是防止被焊面在加热过程中的氧化。因此，具备平滑的被焊面，焊前钎料片表面及被焊面的充分清理，适当的装夹力保持钎焊面的密切贴合，涂钎剂保护以及快速加热升温等工艺措施对获取良好接头十分必要。

⑶在钎缝周围预涂钎剂可以有效防止熔化钎料的氧化并有利于形成圆滑过渡的钎角，但必须严格控制加热温度和保温时间，避免熔蚀缺陷。

参考文献:

[1]张启运，庄鸿寿.钎焊手册［M］.北京：机械工业出版社，1999

[2]徐胜，徐道荣.铝及铝合金钎焊技术的研究现状.轻合金加工技术［J］，2004,(1):1-4.

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