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关于钎焊焊接工艺报告doc

关于钎焊焊接铜管件的工艺报告

郭慧惠2001年11月20日

1.钎焊:

钎焊是采用液相线温度比母材固相线温度低的金属材料作钎料,将零件和钎料加热到钎料熔化,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互溶解和扩散而实现连接零件的方法。

钎焊时并非任何液态金属均能填充接头间隙。

也就是说,必须具备一定的条件,此条件就是润湿作用和毛细作用。

1〕钎料的润湿作用:

润湿是液态物质与固态物质接触后相互粘附的现象。

当液态处于自由状态下,为使其本身处于稳定状态,它力图保持球形的表面。

而当液态与固态接触时,这种情况将发生改变,其变化取决于液体内部的内聚力和液固两相间的附着力的相互关系。

如果内聚力大于附着力,则液体不能沾附在固体表面上。

当附着力大于内聚力时,液体就能粘附在固体表面,即发生润湿作用。

钎焊时,熔态钎料如果不能粘附在固态母材的表面就不可能填充接头间隙;只有在熔态钎料润湿母材的情况下,填隙作用才有可能实现。

衡量钎料对母材润湿能力的大小,可用钎料与母材相接触时的接触夹角大小来表示。

液固两相的切线夹角θ即为润湿角。

当0。

<θ<90。

时,可认为钎料能润湿母材。

当90。

<θ<180。

时,则认为钎料不能润湿母材。

θ=0。

表示钎料完全润湿母材。

θ=180。

表示钎料完全不润湿。

钎焊时钎料的润湿角应小于20。

2〕毛细作用:

在实际生产中,绝大部分钎焊过程是毛细钎焊过程。

即钎焊时液态钎料不是单纯地沿固态母材表面铺展,而是流入并填充接头间隙。

通常间隙很小,类似毛细管,钎料就是依靠毛细作用而在间隙内流动的。

因此,钎料的填缝效果还与毛细作用有关。

将间隙很小的两平行板插入液体中时,液体在平行板的间隙内会自动上升或下降。

当液体能润湿平行板时,间隙内液体上升;否则就下降。

显然,只有当熔态钎料具有对母材有良好的润湿能力时,才能实现填隙作用。

其次,液体沿间隙上升的高度与间隙大小成反比。

随着间隙减小,上升高度增大。

因此,为使液态钎料能填充全部接头间隙,必须在设计和装配钎焊接头时保证小的间隙。

2.母材:

我们目前采用的母材有紫铜、62黄铜、59黄铜,HSn70-1黄铜四种。

母材之间的配对方式有紫铜与紫铜,紫铜与62黄铜,59黄铜与HSn70-1黄铜三种方式。

其中紫铜的熔点是1083℃,导热系数是391w/mk,膨胀系数是16.8×10-6K-1。

具有良好的导电、导热、耐蚀和加工性能,可以焊接和钎焊。

含降低导电、导热性的杂质较少,微量的氧对导电、导热和加工等性能影响不大、但易引起“氢病”,不宜在高温(如>370℃)还原性气氛中加工和使用;62黄铜的熔点是905℃,导热系数是108.68w/mk,膨胀系数是20.6×10-6K-1。

具有良好的机械性能,热态下塑性良好,冷态下塑性也可以,可切削性好,易钎焊和焊接,耐蚀,但易产生腐蚀破裂,此外价格便宜,是应用广泛的一个普通黄铜品种;59黄铜价格最便宜,强度、硬度高而塑性差,但在热态下仍能很好地承受压力加工,耐蚀性一般,其它性能和H62相近;HSn70-1黄铜是典型的锡黄铜,在大气、蒸气、油类和海水中有高的耐蚀性,且有良好的力学性能,可切削性尚可,易焊接和钎焊,在冷、热状态下压力加工性好,有腐蚀破裂倾向。

3、钎焊方法:

铜和绝大部分铜合金都有良好的钎焊性。

原因是铜及铜合金有较好的润湿性,主要是氧化膜容易清除。

只有部分含铝的铜合金,由于表面形成Al2O3膜较难去除,需要使用带腐蚀性的特殊活性钎剂去膜,给钎接工艺带来一些困难。

此外,含铅的黄铜具有高温脆性,需要较严格控制钎焊温度和加热速度。

针对铜自身的这个特点,我们对其采用气体火焰钎焊焊接。

火焰钎焊的特点是温度低,能量密度低,热能分散,使焊件受热面积大,变形严重,但焊接工艺简单,使用灵活,比较适用薄铜件的焊接,铜件的修补或不重要的构件的焊接上。

缺点是手工操作时加热温度难掌握,因此要求工人有较高的操作技术。

另外火焰钎焊是一个局部加热过程,可能会引起焊件的应力或变形。

焊接紫铜时,严格要求使用中性火焰。

氧化性火焰会造成焊缝氧化和合金元素的烧损。

还原性火焰中的一氧化碳会将火焰中的水蒸气还原成氢,而在高温下扩散进入金属,再与金属中的氧形成高压水蒸气,造成晶界疏松,即“氢病”。

这样就使金属的塑性严重降低。

无论如何,不能使用还原性火焰。

焊接黄铜时可以使用弱氧化火焰。

因为此时会因焊缝表面被生成的氧化锌层覆盖,达到加强脱氢、改善锌的蒸发及对气孔的敏感性。

4、钎料和钎剂:

我们目前采用的是牌号为L205的钎焊料,其中含磷5.0%~7.0%,含银5.0%~6.0%,熔点范围640~800℃,强度519MPa。

钎料中含银改善了漫流性,降低了熔点,提高了接头强度和塑性,是比较理想的钎料。

另外钎料的润湿性也很好,接头具有很高的耐蚀性,但钎焊接头比较脆。

钎剂是采用钎焊铜及铜合金最常用的──硼砂。

它的熔点只有743℃,在液态下有很强的化学去膜能力,能迅速与氧化铜、氧化锌反应生成硼酸的复盐变为熔渣。

钎剂中的卤化物则是对熔池中氧化物起着物理溶解作用,是一种很强的去膜剂。

此外还起到调节焊剂熔点、流动性及脱渣性的作用。

这类钎剂实际上是综合化学与物理去膜作用的强活性溶剂。

5、装配间隙:

钎焊是依靠毛细力作用使钎料填满间隙的,因此必须正确选择接头间隙。

间隙的大小在颇大程度上影响钎缝的致密性和接头强度。

间隙过小,钎料流入困难,在焊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。

对采用Cu-P-Ag钎料钎焊铜及铜合金的接头而言,理想间隙是0.03~0.15mm。

当然,我们目前的产品制造工艺还难以真正达到这样严格的要求。

此外对于铜基钎料钎焊的接头,搭接长度通常取为薄件厚度的2~3倍。

我们目前选用的管件的厚度大多为1mm左右,所以钎料必须填隙2~3mm左右才能满足强度要求。

针对我们目前的制造工艺情况,我们对接头的焊接间隙进行了试验,试验结果如下:

紫铜与紫铜:

目前加工工艺能够保证间隙在0.03~0.15mm之间,而且从接头焊接的剖面可以看到紫铜对钎料的润湿性非常好,钎料填满整个接头间隙,达到工艺要求。

紫铜与62黄铜:

当间隙在0.03~0.15mm范围时,钎料只能填隙1mm,远远达不到强度要求。

针对这一情况我们对间隙进行了调整,把间隙调到0.2mm,并对其进行解剖试验。

从剖面可以看出钎料填满整个接头间隙,钎缝长度达到4mm,达到工艺要求。

59黄铜与HSn70-1黄铜:

当间隙在0.05~0.2mm时,钎料几乎没有进入间隙。

当把间隙调到0.25mm时,我们对5个焊接接头进行了解剖,解剖的数据如下:

单位(mm)

1

2

3

4

5

左侧填隙量

2.20

1.70

1.80

1.98

2.00

右侧填隙量

1.68

2.40

2.10

3.04

1.78

当把间隙调到0.3mm时,我们也对5个焊接接头进行了解剖,解剖的数据如下:

单位(mm)

1

2

3

4

5

左侧填隙量

2.80

1.18

1.00

2.00

1.10

右侧填隙量

2.76

2.86

2.50

2.20

2.40

当间隙调到0.4mm时,对一个焊接接头进行了解剖,其左侧填隙量是2.60mm,右侧填隙量是1.38mm,效果一般,说明毛细作用已经开始减弱,再加大间隙已经没有意义。

对间隙0.25mm、0.35mm、0.4mm的焊接填隙量进行比较,0.25mm的效果最好。

填隙量最大,而且填隙量比较稳定,剖面的气泡也比较少,所以把间隙调到0.25mm即能满足工艺要求,又能满足强度要求。

6、焊前预处理:

吸附在钎料和工件坡口两侧30mm范围内表面的油脂、水分及其它杂质,以及金属表面氧化膜都必须进行仔细的清理,直至漏出金属光泽为止、这是避免焊缝出现气孔的最基本、最有效的工艺措施。

清除油污最简便的方法是用有机溶剂擦净或洗净,一般可用乙醇或丙酮进行清洗。

也有使用有机溶剂的蒸气、碱液清洗或电化学脱脂及超声波清洗等方法,但大多要求加热或污染环境,有的还需要复杂的设备,不适用于我们目前的情况。

清除表面氧化物可用机械方法,如砂布或砂轮打磨、喷沙、喷丸等,打磨后再用浸过有机溶剂的布来擦掉砂粒。

打磨时正好也能使工件表面适当粗化,有利于钎焊时的毛细管作用,使钎料容易漫流进入间隙。

当然,也不应该使表面过于粗糙。

酸液清洗铜表面氧化物的方法(如用稀硫酸)过程较复杂,设备、器材成本高,操作不当时还会造成过度侵蚀,加以造成环境污染,所以最好不用。

7、火焰钎焊操作中的一些应该注意的问题:

1〕为了减少焊接内应力,防止出现裂纹、气孔、未焊透等缺陷,紫铜气焊时一般需要预热。

对薄板、小尺寸工件的预热温度为400~500℃,黄铜可适当降低。

2〕加热时一定要先将母材加热到钎焊温度,然后让钎料在接触母材时受热熔化而流动。

不能直接对钎料加热,以免在母材温度不够高时钎料就已流入而使连接不完整。

3〕加热母材时要照顾管材厚度和体积的差别,火焰要多指向厚大件,少指向薄小件,尽量使它们同时达到需要的温度。

另外,钎焊时加热时间不可太长,并且避免对同一接头进行多次加热。

4〕焊接时不能填料太多,焊接表面不能出现钎料堆积现象,钎料应该圆滑过渡。

5〕焊接黄铜时一定要使用钎剂。

对于焊接时使用钎剂并进行预热的黄铜管件,在保证焊接工艺的情况下,当间隙量为0.25mm时,填隙量可以达到4~6mm。

8、钎焊接头的缺陷:

1〕填隙不良,部分间隙未被填满

产生原因:

(1)接头设计不合理,装配间隙过大或过小,装配时零件歪斜。

(2)钎剂不合适,如活性差,钎剂与钎料熔化温度相差过大,钎剂填隙能力差等;或者是气体保护钎焊时气体纯度低,真空钎焊时真空度低。

(3)钎料选用不当,如钎料的润湿作用差,钎料量不足。

(4)钎料安置不当。

(5)钎焊前准备工作不佳,如清洗不净等。

(6)钎焊温度过低或分布不均匀、

2〕钎缝气孔

产生原因:

(1)接头间隙选择不当。

(2)钎焊前零件清理不净、

(3)钎剂去膜作用或保护气体去氧化物作用弱。

(4)钎料在钎焊时析出气体或钎料过热、

3〕钎缝夹渣

产生原因:

(1)钎剂使用量过多或过少。

(2)接头间隙选择不当。

(3)钎料从接头两面填缝。

(4)钎料与钎剂的熔化温度不匹配。

(5)钎剂比重过大。

(6)加热不均匀。

4)钎缝开裂

产生原因:

(1)由于异种母材的热膨胀系数不同,冷却过程中形成的内应力过大。

(2)同种材料钎焊加热不均匀造成冷却过程中收缩不一致。

(3)钎料凝固时,零件相互错动。

(4)钎料结晶温度间隔过大。

(5)钎缝脆性过大。

5)母材开裂

产生原因:

(1)母材过烧或过热。

(2)钎料向母材晶间渗入,形成脆性相。

(3)加热不均匀或由于刚性夹持工件而引起过大的内应力。

(4)工件本身有内应力而引起的应力腐蚀。

(5)异种母材的热膨胀系数相差过大,而其延性又低。

6〕钎料流失

产生原因:

(1)钎焊温度过高或保温时间过长。

(2)钎料安置不当以致未起毛细作用。

(3)局部间隙过大。

7〕母材被溶蚀

产生原因:

(1)钎焊温度过高,保温时间过长。

(2)母材与钎料之间的作用太强烈。

(3)钎料量过大。

 

 

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