3.2.1.6真空钎焊
真空钎焊是在真空环境中将温度升至钎料的熔化温度,由高温液态焊料在毛细力作用下填满被焊接的固态基金属(钎焊金属或简称基金属)之间的间隙,而使被钎焊的金属达到结合的一种热连接工艺方法。具体工艺是先把被钎焊的零件用夹具夹持在一起,接头周围加上钎焊焊料,然后在真空炉内加热使焊料熔化流散于缝隙内,利用液相钎料与母材之间的扩散以及钎料的凝固使被钎焊的金属件结合在一起。
A真空钎焊特点与应用
真空钎焊与其他焊接方法相比,具有以下优点:
(1)在全部钎焊过程中,被钎焊零件处于真空条件下(10~10-2Pa范围),不会出现氧化、增碳、脱碳及污染变质等现象,在真空环境中,能够排除被焊接件在钎焊温度下释放出来的挥发性气体和杂质,可以得到光洁度很好的接头,而且焊接接头的清洁度好、强度较高。
(2)钎焊时,钎焊温度低于基体金属的熔点,对基材影响小，零件整体受热均匀,热应力小,可将变形量控制到最小限度,特别适宜于精密产品的钎焊。
(3)因不用钎焊剂,所以不会出现气孔、杂等缺陷,提高了基体金属的抗腐蚀性,避免了污染,可以省掉焊接后清洗残余焊剂的工序,改善了劳动条件,对环境无污染。
(4)可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成。选择适当的钎焊工艺参数,还可将钎焊安排为最终工序,而得到性能符合设计要求的钎焊接头。
(5)可一次钎焊多道邻近的焊缝,或同炉钎焊多个组件,同时完成多个零件的连接,并可连接不同的金属,焊接效率高。
(6)可钎焊的基本金属种类多,可以钎焊用一般方法难以连接的材料和结构,特别适宜钎焊铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、高温合金等,也适宜于钛、锆、铌、钼、钨、钽等同种或异种金属的钎焊连接。对于难熔金属的连接,真空钎焊是产生无疵接头的最佳方法之一。真空钎焊也适用于复合材料、金属封接、石墨、玻璃、金刚石等材料。
(7)由于钎焊钎料的湿润性和流动性良好,可以钎焊带有狭窄沟槽、极小过渡台、盲孔的部件和封闭容器、形状复杂的零部件,而且无需考虑由钎焊剂等引起的腐蚀、清洗、破坏等问题。
真空钎焊的缺点在于:
(1)在真空条件下金属易挥发,因此对含易挥发元素的基本金属和钎料不宜使用真空钎焊。如确需使用,应采用相应比较复杂的工艺措施。
(2)真空钎焊对钎焊前零件表面粗糙度、装配质量、配合公差等的影响比较敏感,对工作环境要求高。
B真空钎焊接头的结构形式
通常在真空钎焊工艺中采用两种接头形式:搭接接头和对接接头。此外,具有T形接头和角接特点的钎焊接头,可以作为对接接头来处理。
a搭接接头
搭接接头是钎焊连接的基本接头形式。在搭接接头中,可借助于搭接面积的改变,使接头的强度与较弱部件的强度相等,即使使用较低强度的钎料,或者在接头中存在少量缺陷时也是如此。通常搭接部分至少要3倍于较弱部件的厚度才能获得最大的接头效率。图3-3所示为低应力状态下的搭接接头。图3-4所示为高应力状态下的搭接接头,零件接头处的圆弧可使载荷均匀分配到基体金属中去,以避免出搭接接头能够获得最大的接头效率,而且它的装配要求也相对地较为简单,容易制造。但是搭接接头形式也存在明显的缺点,一方面,增加了基材的消耗,增大了结构重量;另一方面,接头截面有突然变化,容易产生应力集中现象。
图3-3低应力搭接接头
图3-4高应力搭接接头
b对接接头
对接接头具有均匀的受力状态,并能节省材料、减轻结构重量,成为熔焊连接的基本接头形式。但在钎焊连接中,过去由于钎料等原因,使对接接头常不能保证与焊件有相等的承载能力;加之装配时保持接头的对中和焊缝间隙的尺寸精度均较困难,故一般不推荐使用。现在,由于真空钎焊的发展,有些钎料的强度可以与基材强度相当,因此对接接头形式也时有采用。
一般地,对接接头多用于低应力状态。要求在高应力状态使用时,通过增设肋板补强,也可以设计成如图3-5所示的接头,大幅度增大对接面积,以提高强度;也可以采用分散钎缝应力的方法,在两侧增加肋板,改善在动载荷条件下的承载能力,如图3-6所示。另外,在钎料、钎焊间隙、钎焊方法及工艺过程一定的条件下,为获得高强度接头,也可以设计成如图3-7所示的斜对接形式,增大钎焊积而不增加接头厚度,但这种形式不适于薄板结构。
图3-5高应力状态使用的对接接头
图3-6对接接头用肋板补强
c其他形式接头
板状零件的接头形式见图3-8;棒状零件钎焊结构见图3-9;管状零件钎焊结构见图3-10。
图3-7斜对接接头
图3-8板状零件钎焊结构
(a)不受力、不密封结构;(b)~(d)受力结构
图3-9棒状零件钎焊结构
(a)不受力、不气体密封结构;(b)-(d)受力、气体密封结构
薄壁管和法兰的钎焊结构如图3-11所示,其中图3-11(a)、(b)为单边焊料槽的钎焊结构形式,加工简单,但焊料流失的可能性大;图3-11(c)为双边焊料槽,加工较复杂,但焊料不易流失;图3-11(d)、(e)为较高强度的钎焊结构形式。
图3-10管状零件钎焊结构
(a)不易达到真空密封;(b)~(d)可靠的连接形式
图3-11薄壁管和法兰的钎焊结构
在图3-12所示的接头结构形式中,图3-12(a)为薄边叠合结构;图3-12(b)为螺纹连接的钎焊结构;图3-12(c)为具有盲孔的接头形式。可在工件上加工气孔,用来防止焊接时因受盲孔内的气压增高而阻碍焊料填满焊缝。
图3-12其他形式的钎焊结构
C真空钎焊接头设计的依据和原则
钎焊接头是钎焊结构中的关键因素,它与钎焊结构的性能和安全等方面有着直接的关系。与被连接零件具有相等的承受外力的能力任何钎焊接头必须满足的基本要求。接头的承载能力与许多因素关,如接头形式、选用的钎料的强度、钎缝间隙值、钎料和基材间互作用的程度、钎缝的钎着率等,其中接头形式起相当重要的作用。
真空钎焊时,选择或设计所需使用的接头类型,会受到多种因素的影响。这些因素包括所使用的钎焊方法和设备、钎焊前零件的制造技术、钎焊件的数量、施加钎料的方法以及接头最终使用的要求等。
一般地,设计真空钎焊接头主要应考虑以下原则:
(1)防止应力集中。一般基材本身能承受较大的应力和动载负荷,因此,一个优良的钎焊件设计总是不使接头边缘处产生任何过大的应力集中,而应设法将应力转移到基材上去。为此,不应把接头布置在焊件上有形状或截面发生急剧变化的部位,以避免应力集中;也不宜安排在刚度过大的地方,防止在接头中形成很大的内应力。异种材料组成的接头,先要计算不同材料在钎焊温度下的膨胀量,以验证与推荐的钎焊间隙是否一致,同时还要充分考虑整个构件受热带来的不利因素。一般把热膨胀系数较大的材料设计在内部,热膨胀系数较小的材料设计在外部,以保证较小的钎焊间隙。如果二者的热膨胀系数相差很悬殊,则在接头中将引起较大的内应力,甚至导致开裂破坏。这时,在设计中应考虑采用适当的补偿垫片,借助它们在冷却过程中产生的塑性变形来消除应力。焊缝部位在冷却后希望获得压应力,以避免焊缝拉裂。通常均选用热膨胀系数大的基体金属围绕在热膨胀系数小的基金属外部的结构形式。
在设计由厚度不同的零件组成的接头时,为了避免在载荷作用下接头处发生应力集中,有时考虑局部加厚薄件的接头部分。图3-13中列举了在承受箭头所示方向的载荷时,接头的不同设计实例。
(2)满足工件的工况要求。正确选择钎焊接头及钎焊面的结构,以保证真空零部件的气体密封性、导电性及导热性。不同的构件有个同的使用要求和工况条件,设计接头时必须对具体情况采取相应的措施。
对于要求承压密封的钎焊接头,只要可能的话,都应采用搭接形式的接头,因为这种接头形式具有较大的钎焊面积,发生漏泄的可能性比较小。图3-14所示为几种承压密封容器的典型钎焊接头。
图3-13不同厚度零件的接头设计实例
(a)不正确;(b)正确
图3-14承压密封容器的典型钎焊接头
在导电接头的设计中,需考虑的主要因素是导电性。正确的接头设计不应使电路的电阻明显增大。
(3)有利于钎料的合理放置。真空钎焊中的钎料是预先放置的,设计接头时,应考虑钎料的装填方式和位置,限制焊料的流失及使焊料充满焊缝。需要在接头基材上开槽预置钎料,槽应开在截面较厚的零件上或易加工钎料槽的零件上,如图3-15所示。
图3-15开钎料槽示意图
(4)便于检验。设计接头时应考虑将钎料安放在组件的内侧,钎焊时钎料就会向外流,检验者可以直接观察钎料的流动分布情况和整个接头的钎透情况。在一些情况下,钎料不能放入接头中,为了保证使钎料适当地流入接头和便于检验,钎料应放在接头的一侧,并能流入接头,这样就可从接头的另一侧检验钎料的流动分布情况。
(5)确保接头的装配间隙值稳定。接头的装配间隙值对钎焊接头的性能和钎焊工艺都有着极大的影响,它的确定是钎焊接头设计的一个重要内容。
(6)便于组件的定位及夹持。零件装炉准备钎焊时,要求零件彼此之间应能保持正确的相对位置;接头设计时,在不影响组件结构性能的前提下,尽可能为组件自重定位和装配设计凸台、凹槽及工艺台阶等。
(7)有利于控制和消除组件的变形。真空钎焊时,组件要整体受热,接头设计要充分考虑将重、厚、大的零件置于下方;轻、薄小的零件置于上方,以避免高温时重力引起的变形,同时要利于装配应力的释放。