鋁合金真空釬焊的質量工藝指南

鋁合金真空釬焊的質量工藝指南

通過釬劑、釬料、真空度、工裝夾具和釬焊工藝等對鋁合金真空釬焊質量的影響實驗研究,明確了這些關鍵因素的影響機理,歸納出了釬焊工藝設計的關鍵點。工作壓強≤1 ×10-3 Pa 是鋁真空釬焊的必要條件,盡可能減少工裝的熱容量是基本的設計原則。

　　某零件的型腔結構復雜需要釬焊成型。該零件需要多層疊焊,在多條棱上和多個圓環上形成釬焊縫。要求焊縫的焊接圓角R ≤0.2mm ,不得有釬料漫流, 要求多層0.6mm 厚的板疊焊后平面度≤0.05mm。另一種零件是要把5 個組件焊接起來,要求兩個矩形面對接焊接形成垂直的兩個型腔,釬焊縫在型腔內表面要齊平,不得凸起或凹陷,兩個型腔要對接平整,不得有錯位。這些零件釬焊的特點是在窄而長的棱上形成焊縫,要求較高的焊接強度。

　　這類對焊接圓角和型位公差、焊縫及型腔的粗糙度要求極其嚴格的鋁合金硬釬焊,影響釬焊質量的工藝因素很多,工藝設計較復雜。

　　對于精密零件的釬焊,真空釬焊是較合適的工藝,它不需要釬焊后清除釬劑工序。真空釬焊就是將釬料、釬焊組件用工裝夾具裝夾調試好后,放入真空釬焊爐中整體加熱、保溫、冷卻而實現釬焊的一種焊接方法。真空釬焊具有尺寸變形小、焊后不需要清洗、可以實現多條焊縫、多個零件同時焊接、綠色環保的優點,復雜精密的鋁合金硬釬焊零件可以選用真空釬焊方法。為制定這類復雜精密鋁合金零件的真空釬焊工藝和檢驗規則,我們對影響鋁合金真空釬焊質量的因素進行了系統地實驗研究,本文對這些影響因素進行歸納總結。

1、釬焊材料

1.1、釬劑

　　鋁的化學活性強,通常表面有一層極為致密的氧化膜,氧化膜的性質非常穩定,在舊膜被破壞時,能迅速形成新膜。釬焊時需要釬劑破壞這層膜,否則熔化的釬料不能與母材潤濕。鋁真空釬焊使用適量鎂粉作釬劑,利用鎂蒸汽對鋁氧化膜的置換與破壞作用來改善釬料的潤濕性。鎂蒸汽的滲入還會降低釬料與母材間的界面張力,從而增強了釬料的潤濕能力。

　　實驗表明,母材和釬料表面的氧化膜在入爐前清除不徹底或在加熱時又發生了一定的氧化,就會焊接不上;若使用較多的鎂粉,又會導致釬料漫流,損害零件的粗糙度,焊縫截面焊接圓角半徑也不易控制,鎂粉會污染真空系統,需要及時清潔真空系統。而使用Al-Si-Mg 釬料,若在入爐前能夠徹底清除母材和釬料表面的氧化膜,適當控制升溫速率,在450 ℃左右停留30min 以上,盡可能多地排除空氣,在整個升溫過程中維持壓強≤1 ×10-3Pa ,即使不使用釬劑也能很好的焊接,焊接強度與有無添加鎂粉沒有區別。采用Al-Si-Mg 系釬料,不再添加釬劑,釬焊效果也很好。

1.2、釬料

　　零件的材質是3A21、6063 ,固- 液相線溫度分別是643 ℃～654 ℃和615 ℃～655 ℃,選擇與母材具有相同的主要相組元的鋁- 硅系釬料,添加一定量的鎂元素可降低液態釬料的表面張力,實驗表明鎂元素的含量不能太高,否則會產生漫流,甚至焊縫處形不成液態釬料的毛細現象,形不成焊縫截面圓角。鎂在真空環境中快速揮發也改變了釬料的成分,使焊接強度不易控制。釬料的液相線與固相線越接近越好。通過對三種成分(Al-Si-Mg) 的釬料的實驗篩選, 釬料的熔點范圍在555 ℃～ 580 ℃的Al80Si14Mg6 釬料,焊接強度好,焊縫截面圓角半徑也容易控制。與進口釬料釬焊性能的對比試驗也進一步證明了該釬料形成的釬焊縫圓角、釬料漫流、顏色、穩定性均比進口的釬料要好。

2、真空釬焊爐

　　鋁的化學活性高,易氧化,壓強≥6 ×10-3 Pa 時,在升溫過程中,母材和釬料被氧化變為灰色,釬料不能潤濕母材。只有在壓強≤5 ×10 - 3 Pa 時,并且在500 ℃前緩慢升溫,在450 ℃停留30min ,以保證在升溫過程中壓強保持在≤5 ×10-3 Pa ,才能實現釬焊。

　　真空釬焊爐的壓升率是保證釬焊質量的重要指標,壓升率就是把真空爐的壓強抽至工作壓強,關閉真空系統停止抽氣后,單位時間內爐子壓強的回升速率,它是體現釬焊爐密封漏氣性能的一個技術指標,也稱為泄漏率,真空釬焊爐的壓升率< 0.3Pa•h - 1可以焊接出質量較高的鋁合金零件。如果壓升率較大,即使工作壓強維持在≤1 ×10-3Pa ,鋁合金零件釬焊質量也不易保證。因為大功率的抽氣系統可以掩蓋密封漏氣指標,泄漏進爐內的氣體雖然被迅速抽出,但釬焊件還是被氧化。

　　在500 ℃～600 ℃升溫階段升溫速率對焊接質量有重要影響,升溫速率低,在真空環境中釬料低熔點成分快速揮發,留下高熔點組元不熔,甚至形成漫流。保溫結束后的冷卻速率同樣很重要,過慢的冷卻,相當于延長了保溫時間,會產生漫流、漏焊、熔蝕等缺陷。

　　真空釬焊爐的極限壓強應≤10 - 4 Pa ,工作壓強滿足≤1 ×10 -3 Pa ,壓升率< 0.3Pa•h - 1 。應有足夠的加熱功率, 能夠快速升溫, 升溫速率≥12 ℃•min -1 。真空釬焊爐應配備氣冷系統,能夠快速冷卻。在保證零件形位公差的前提下應用最快的速率冷卻。鋁合金釬焊質量對釬焊爐的控溫精度、爐溫均勻性要求較高, ±5 ℃可以滿足小型零件的真空釬焊,現在市場上±1 ℃控溫精度、±3 ℃爐溫均勻性的鋁真空釬焊爐可以釬焊出質量很高的零件。

3、釬焊工裝夾具

　　工裝夾具應設計成裝配位置尺寸精度高和具備裝夾力可以調整的功能,工裝夾具使用1Cr18Ni9Ti較好,在釬焊溫度時夾具有一定的彈性,使焊縫連接處有合適的間隙,形成毛細現象吸附住熔化釬料,縫隙太大就保持不住釬料。

　　揮發的釬料在螺紋牙間會形成毛細吸附最后凝固在牙間,拆卸不下來。螺栓應使用粗牙螺紋。工裝夾具在第一次使用前還應在空氣爐中先加熱氧化一次,以減少釬料對其的潤濕性,降低對輻射熱的反射率。

　　我們攻關前期用的釬焊實驗的工裝夾具的熱容量大,釬料不熔、漫流、漏焊、熔蝕等缺陷不斷出現,即使調整其它工藝參數也無法避免。經觀察分析,原因為真空釬焊是輻射傳熱,零件的升溫和降溫速率受工裝夾具熱容量的影響較大,升溫和降溫速率小,這相當于升溫速率慢和保溫時間長,相對應的釬焊缺陷就不可避免。后鏤空該工裝、開設減重孔,使其重量降低了50 %多,經實驗釬焊缺陷消除,釬焊效果良好。在不損害剛度的前提下應盡量減少工裝的熱容量,可以靠減輕工裝重量和使用密度小、比熱容小的材料來實現,比如石墨。

4、釬焊工藝

4.1、鋁合金真空釬焊的工藝流程

　　鋁合金真空釬焊的工藝流程:

　　釬料裁剪→釬焊件母材和釬料表面的氧化膜去除→釬料固定→裝配→真空釬焊→檢驗。

4.2、表面氧化膜的清除

　　用氫氧化鈉水溶液腐蝕釬料和母材的氧化膜,在室溫下堿腐蝕反應緩慢,需要較高的濃度,腐蝕速度快不易控制,易出現麻點。腐蝕時間長,釬料減薄較嚴重。通過對比實驗篩選出容易控制的腐蝕工藝:溫度80 ℃～85 ℃,腐蝕時間45s～50s ,堿洗后用清水沖洗掉堿液和碎屑,用稀硝酸除掉腐蝕產物,用水沖凈酸液,用酒精或丙酮脫水。關鍵參數是堿液的成分、濃度、腐蝕溫度、腐蝕時間、硝酸溶液的濃度和腐蝕時間長短等。如果堿液的成分和濃度選擇不當,容易造成氧化膜清除不徹底或過腐蝕。氧化膜清除不徹底,液態釬料將無法很好地潤濕母材。零件和釬料的過度腐蝕,可能會使其成分比例發生一定程度的變化,甚至使釬料的成分發生某種程度的變化,影響二者的潤濕性能和焊接強度。除了堿液的成分和濃度外,腐蝕溫度和腐蝕時間也對清除效果有重要影響,合適的氧化膜清除工藝參數需要通過試驗優化。釬料和母材的腐蝕速率不一樣,釬料和母材的腐蝕應分開進行。

4.3、真空釬焊加熱

　　真空釬焊加熱速率對釬焊質量有重要影響。加熱速率快,零件的表面顏色暗,平面度差,對比實驗發現分階段升溫效果較好。在加熱時鋁的活性增強,極少量的空氣也能使其氧化,同時氣體受熱膨脹,降低升溫速率,可以把熱空氣盡量多的抽出;升溫速率快,另一個不利影響是零件易變形,零件靠輻射傳熱,升溫快導致溫度不均勻,產生熱應力或分區域釋放應力而變形。在接近釬焊保溫溫度時又需要快速升溫。升溫速度慢,在釬料的固- 液相線溫度區間停留時間長,在真空環境下釬料低熔點組分和蒸汽壓大的組元揮發嚴重,余下的釬料組分的熔點升高保持固態不熔,釬焊不上。這與釬焊工裝熱容量大時出現的情況是一樣的。而對于零件的平面度,在這個階段快速升溫也是允許的。在500 ℃時應力已經釋放完畢, 鋁合金的再結晶溫度低于500 ℃,500 ℃以上時鋁合金的塑性好,熱應力容易釋放。在模擬試件釬焊實驗時,在400 ℃保溫30min 而后快速升溫至600 ℃保溫25min ,比直接升至600 ℃的釬焊效果好。進一步的實驗結果是僅在450 ℃停留30min ,而后10 ℃•min -1升至620 ℃釬焊的某零件完全合格。

4.4、鋁合金真空釬焊保溫

　　一般將保溫溫度控制在低于母材固相線溫度而高于釬料液相線溫度,溫度過高,易產生母材熔蝕缺陷,溫度過低易出現釬焊強度低,甚至釬料不全熔。釬焊保溫時間以工件達到釬料液相線溫度以后2min 左右為宜,保溫時間過短,釬焊縫不飽滿圓滑甚至釬料不完全熔化;保溫時間過長,則出現釬料漫流或漏焊。保溫時間的長短受零件和工裝的熱容量的影響,熱容量大保溫時間長些。不同的零件和裝爐量的真空釬焊需要實驗篩選出釬焊保溫時間。

4.5、鋁合金真空釬焊冷卻

　　釬焊保溫時間不宜太長,保溫結束后需要快速冷卻,采用保護氣體強制均勻冷卻,以零件的變形程度滿足要求為冷卻速率最佳值。冷卻慢與延長保溫時間一樣,會產生釬料漫流或漏焊缺陷,對于尺寸較大的零件,快速冷卻非常重要,零件和工裝熱容量太大時即使氣體強制冷卻也無法消除此類缺陷,需要減少裝爐量。

5、結論

(1) 釬料的選擇

　　注意事項:釬料的主組元應和母材相同,釬料的液相線溫度要低于母材固相線溫度至少30 ℃,溫差越小對釬焊爐的控溫精度、爐溫均勻性要求越高;釬料的固相線與液相線之溫度差要盡可能的小;在釬焊溫度下,釬料的主要成分應具有較高的化學穩定性,即具有較低的氧化性,并具有較低的蒸汽壓;釬料的主要成分元素與母材的主要成分元素在元素周期表中的位置應當盡量靠近,這樣釬縫的抗腐蝕性能好。

(2) 釬焊工藝

　　由于鋁合金和釬料牌號、零件的形狀和大小、對釬焊質量的不同要求等的差異,表面氧化膜清除堿液的成分、濃度、腐蝕溫度和腐蝕時間,真空釬焊的真空度、升溫速率、保溫時間、冷卻速率等工藝參數會略有差異,應根據不同的情況通過實驗篩選優化,最終確定最佳的工藝參數組合。

(3) 鋁合金真空釬焊爐

　　真空釬焊爐的性能指標:

　　工作壓強≤1 ×10 - 3 Pa ,壓升率< 0.3Pa•h -1 ,控溫精度±1 ℃,爐溫均勻性±3 ℃,具備氣冷功能。

(4) 工裝夾具

　　工裝夾具在保證剛度滿足釬焊要求的前提下,盡量的簡單、質輕。