（機(jī)械工程專業(yè)論文）微波器件的真空鋁釬焊加工工藝研究.pdf

學(xué)科：機(jī)械工程 研究生簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 微波器件的真空鋁釬焊加工工藝研究 摘要 軍事工業(yè)為了實(shí)現(xiàn)輕、巧、準(zhǔn)的目標(biāo)，大量應(yīng)用了鋁制微波器件，如：雷達(dá)的平板天 線、導(dǎo)彈上的板狀功分器等，這些零部件精度要求高，結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度高。真空釬 焊屬于一種精密的加工方法，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的整體性一次焊接，而且變形小，是加工 這類結(jié)構(gòu)部件的理想工藝方法。為適應(yīng)軍事工業(yè)向結(jié)構(gòu)小、重量輕、打擊精確的精密型發(fā) 展要求，實(shí)現(xiàn)高精度、高集成零件的穩(wěn)定可靠釬焊加工。本文在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外真空釬焊 加工和大量實(shí)際試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了復(fù)雜微波器件的真空鋁釬焊工藝研究。 本文分析了四類典型零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、釬焊性，設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)方案，通過(guò)從簡(jiǎn)單 到復(fù)雜的大量真空釬焊試驗(yàn)，對(duì)各次試驗(yàn)和加工結(jié)果進(jìn)行分析，研究了真空度、釬焊溫度、 工件放置方式、裝夾工裝等因素在工藝過(guò)程的影響規(guī)律；根據(jù)分析和總結(jié)的規(guī)律和對(duì)板狀 復(fù)雜微波器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了該類零件的工藝設(shè)計(jì)，成功加工出了合格零件，形成具 有指導(dǎo)意義的工藝規(guī)范，最終實(shí)現(xiàn)了平板天線的成功真空鋁釬焊加工。 對(duì)上述零件的真空釬焊試驗(yàn)加工和研究結(jié)果表明：真空度、釬焊溫度、工件放置方式 和裝夾工裝是影響釬焊質(zhì)量的重要因素。對(duì)于l f 2 1 材料的平板天線真空釬焊時(shí)，應(yīng)用 a i s i ( 1 1 5 ) m 甙1 5 ) 真空鋁釬料，采用彈性工裝及平板裝夾，水平位置放置，釬焊的真空 度必須在9 0 x 1 0 。3 p a 以下，釬焊溫度為5 9 7 為宜。 關(guān)鍵詞：真空；釬焊；平板天線；微波器件；工藝；鋁合金 s t u d yo nv a c u u mb r a z i n gt e c h n o l o g y t oc o m p l e xa l u m i n o u s m i c r o w a v ec o m p o n e n t s d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：鋤加 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：礪力翻歲枷防州葉v a b s t r a c t f o rp u r p o s eo fl i g h t - w e i g h t , i n g e n i o u s d e s i g na n d h i g ha c c u r a c y , l a r g em o u n to fa l u m i n u m m i c r o w a v ec o m p o n e n t sa u s e di nm i l i t a r yi n d u s t r i e s ，s u c ha sp l a n a ra n t e n n ao fr a d a r , p l a t e s h a p e dp o w e rd i v i d e rf o rm i s s i l e ，t h e s ec o m p o n e n t sr e q u i r eh i g ha c c u r a c y , c o m p a c ts t r u c t u r e a n dh i 班i n t e g r a t i o n v a c u u mb r a z i n gi sa p r e c i s i o np r o c e s sc a r r i e do u ti nv a c u u mc o n d i t i o n t h ew o r ki nt h i sp a p e ri st os t u d yr e l i a b l eb r a z i n gp r o c e s sw i t hh i g ha c c u r a c yf o rh i 曲 i n t e g r a t e dp a r t s ，i no r d e rt om e e tm i l i t a r yr e q u i r e m e n t ss u c ha sl i g h tw e i g h t ，s m a l ls i z ea n dh i g h a c c u r a c ya t t a c k i n g b a s e do nw i d e l yi n v e s t i g a t i o nt ov a c u u mb r a z i n gp r o c e s sa n dp l e n t yo f p r a c t i c a lt e s t s ，v a c u u ma l u m i n u mb r a z i n gp r o c e s st oc o m p l e xm i c r o w a v ec o m p o n e n t si s s t u d i e d s t r u c t u r ef e a t u r ea n db r a z i n gp r o b a b i l i t yo ff o u rk i n d so ft y p i c a lc o m p o n e n t sa r es t u d i e d p u r p o s e l y d i f f e r e n tt e s ts c h e m e sa r ed e s i g n e d ，a n dm a n yp r o c e s st e s t s ( f r o ms i m p l et oc o m p l e x ) a r ec o n d u c t e d , t e s ta n d p r o c e s sr e s u l t sa l ea n a l y z e d a f f e c tr e g u l a t i o no fv a c u u ml e v e l ，b r a z i n g t e m p e r a t u r e ，p l a c e m e n to fc o m p o n e n t sa n ds u p p o r tk i t st ot h ep r o c e s s i n gi ss t u d i e d a c c o r d i n g t or e g u l a t i o ns u m m a r i z e da n ds t r u c t u r ef e a t u r e sa m i y z m gt op l a t e - s h a p e dc o m p l e xm i c r o w a v e c o m p o n e n t , p r o c e s st ot h i sk i n do fc o m p o n e n t si sd e s i g n e d , a n dq u a l i f i e dc o m p o n e n t sa r e p r o c e s s e ds u c c e s s f u l l y i n s t r u c t i v ep r o c e s sp r o c e d u r e sa r ef o r m e d ；a n dt h ev a c u u ma l u m i n u m b r a z i n gp r o c e s sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e do np r o c e s s i n go ft h ep l a n a ra n t e n n a v a c u u mb r a z i n gt e s tp r o c e s st oc o m p o n e n t sm e n t i o n e da b o v ea n ds t u d yr e s u l t ss h o wt h a t ： v a e u u n ll e v e l ，b r a z i n gt e m p e r a t u r e ，p l a c e m e n to fc o m p o n e n t st ob ep r o c e s s e da n ds u p p o r tk i t s a lei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hw i l la f f e c tb r a z i n gq u a l i t y w h e nv a c u u m b r a z i n gi su s e dt op r o c e s s p l a n a ra n t e n n aw i t hm a t e r i a ll f 2 1 ，a i s i ( 1 1 5 ) 小俺( 1 5 ) v a c u u mb r a z i n gm a t e r i a ls h o u l db e u s e d ；a n df l e x i b l es u p p o r tk i t ss h o u l db ea d o p t e d ；c o m p o n e n t ss h o u l db ep l a c e di nh o r i z o n t a l p o s i t i o n , v a c u u ml e v e lf o rb r a z i n gs h o u l db en o tm o r e t h a n9 0 xl0 3p aa n db r a z i n gt e m p e r a t u r e s h o u l db e5 9 7 k e y w o r d s ：v a c u u m ；b r a z i n g ；p l a n a ra n t e n n a ；m i c r o w a v ec o m p o n e n t ；p r o t e s s ；a l u m i n u ma l l o y 主要符號(hào)表 熔化溫度 氣體壓強(qiáng) 材料厚度 潤(rùn)濕角度 表面張力 某物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 物質(zhì)質(zhì)量濃度 擴(kuò)散系數(shù) 溶解度 材料的剪切強(qiáng)度 彈性變形 釬焊溫度 m 砌鼢o y形冊(cè)d s r f 輥 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 本人完全了解西安工業(yè)大學(xué)有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間 學(xué)位論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于西安工業(yè)大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，使用學(xué)位論文工作成 果或用學(xué)位論文工作成果發(fā)表論文時(shí)署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)。大學(xué)有權(quán)保留送交的 學(xué)位論文的復(fù)印件，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期：御。g - 挈 4 5 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師 指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的成果，不包含本人已申請(qǐng)學(xué)位或他人 已申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已 在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。 學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 錦弘 鋼杉e 日期j 抄勺 rg 4 6 緒論 1緒論 當(dāng)今，軍事工業(yè)正在向結(jié)構(gòu)小、重量輕、打擊精確的精密型發(fā)展，而這些性能和要求 的基礎(chǔ)是集成化的結(jié)構(gòu)、更高頻率的微波和電子設(shè)備的制造，在這些結(jié)構(gòu)和設(shè)備中，為實(shí) 現(xiàn)輕、巧、準(zhǔn)的性能，大量應(yīng)用了鋁制微波器件，如：雷達(dá)的平板天線、導(dǎo)彈上的板狀功 分器、火控雷達(dá)上的整體式饋源、毫米波導(dǎo)引頭等高精度、高集成零部件。通常這些部件 是一類薄壁( 厚度0 5 - - - l m m ) 多層復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)，形狀、位置和尺寸精度要求高( 士o 0 2 o 0 5 m m ) ，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)形式的零部件，很難整體加工，只能通過(guò)多個(gè)零件拼拼接而成。 作為微波的傳輸通道，有密封、導(dǎo)電、低粗糙度等特殊要求，在加工方法上這類零件只有 通過(guò)粘接或焊接的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。曾經(jīng)采用的粘接方法很難達(dá)到強(qiáng)度、密封、使用環(huán)境等要 求；而在焊接方法中為了達(dá)到這種精密要求，可考慮的只有真空釬焊這種方法。 1 1 真空釬焊的概念及特點(diǎn) 真空釬焊方法是在真空狀態(tài)下保護(hù)釬焊件不被氧化，同時(shí)依靠真空條件和特定的還原 氣氛使焊件表面氧化膜進(jìn)行還原或者破壞，促使釬料和焊件之間產(chǎn)生浸潤(rùn)并流動(dòng)填充焊 縫，形成焊接連接。這種工藝方法的特點(diǎn)是釬焊質(zhì)量高，具有良好的機(jī)械性能和抗腐蝕性 能；由于工件是整體、均勻加熱，所以變形??；比較適合釬焊精度和形狀要求高的結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的零件；設(shè)備造價(jià)比較高u 叼j 。真空釬焊可以實(shí)現(xiàn)在不影響原材料性能的情況下，一次 焊接成千上萬(wàn)條焊縫p j 。對(duì)于平板天線、板狀功分器這類多層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)的組 裝釬焊，由于其中的型腔是微波傳輸?shù)耐ǖ?，它有?yán)格的截面尺寸公差、形位公差要求， 釬焊后不僅要有合適的內(nèi)腔圓角，同時(shí)不能在內(nèi)腔形成金屬堆積、熔蝕等缺陷，更不能有 未焊上的釬縫和截面的翹曲變形，任何加工不合適都會(huì)影響天線的相位和駐波、增加微波 傳輸?shù)膿p耗、降低天線的增益等指標(biāo)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊要求制約著毫米波雷達(dá)的應(yīng)用 和進(jìn)一步發(fā)展，也對(duì)真空釬焊加工方法提出了需要急待解決的難題。 1 2 真空鋁釬焊的發(fā)展 1 2 1 鋁釬焊的發(fā)展 釬焊技術(shù)很早就被發(fā)明并應(yīng)用于我們祖先的實(shí)際生活中，比較典型的如秦始皇時(shí)期的 銅車馬藝術(shù)品，它通過(guò)巧妙的釬焊連接加工使其栩栩如生、形同一體。而鋁材料被發(fā)現(xiàn)直 至廣泛應(yīng)用是近些年的事情，鋁及其合金的釬焊發(fā)展較晚，同時(shí)由于鋁金屬比較容易氧化、 溫度變化時(shí)顏色沒(méi)有明顯的變化以及氧化膜熔點(diǎn)比較高等特點(diǎn)，使得它的釬焊技術(shù)比較難 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 掌握。鋁及鋁合金的釬焊是近年來(lái)研究較多、發(fā)展較快的研究領(lǐng)域之一p 1 。近年來(lái)國(guó)外 學(xué)者在釬料方面的研究較多，如日本的茅本隆司、恩澤忠男等人研究發(fā)現(xiàn)鍺、銦、鐿和銅 均可作為砧一s i 釬料的添加劑，降低釬料的熔點(diǎn)，但鍺、銦、鐿的加入會(huì)使釬料脆性和耐 腐蝕性均遭到惡化，且價(jià)格昂貴，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)一。o j ；銅元素的加入量多時(shí)也會(huì)使 釬料變脆及釬焊時(shí)出現(xiàn)對(duì)母材的溶蝕，很難得到性能優(yōu)良的釬焊接頭y “1 。鋁的擴(kuò)散釬 焊在近幾年也受到了較大的關(guān)注。這當(dāng)中有一種是在舢表面噴涂由s i 和鉀氟化鋁釬劑 組成的混合粉末，在接近于大氣壓的氮?dú)夥諊锈F焊卜幻“1 。擴(kuò)散釬焊還用來(lái)焊接觸s i 系合金鑄件，解決了燦合金鑄件在熔化釬料中易腐蝕且潤(rùn)濕不佳的問(wèn)題”。 國(guó)外現(xiàn)在的釬焊技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到使用激光束作為加熱手段釬焊電子器件的外殼，有 報(bào)道在氧化鋁基體材料上、在硼硅酸玻璃上用膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)牟ＡрF料進(jìn)行釬焊連接實(shí) 驗(yàn)，而且釬焊接頭沒(méi)有任何裂縫、氣孔率低、密封性好、不漏氣 4 , 1 5 - 1 8 】。對(duì)于機(jī)載雷達(dá)、 導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)引頭等領(lǐng)域所使用的天線、微波器件，有報(bào)道使用真空電子束焊、真空釬焊 等方法進(jìn)行加工，并且已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中u 弘饑j 。由于技術(shù)封鎖和軍事保密等原因， 具體的工藝方法很少有具體的描述和介紹。 常用鋁釬焊工藝方法按加熱方法分類主要有火焰釬焊、電阻釬焊、鹽浴釬焊、金屬浴 釬焊、爐中釬焊包括氣體保護(hù)釬焊和真空釬焊等等l 斗，“，口j 。 1 2 2 精密鋁釬焊真空鋁釬焊的發(fā)展 鋁合金以其重量輕、耐腐蝕性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用于航空航天、建筑、 電器、汽車、船舶等部門，并且用量不斷增加，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是制作熱交換器、波 導(dǎo)及其它許多復(fù)雜構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料。鋁合金的加工工藝在其產(chǎn)品制造中起著非常重要的作 用，而重要方法之一就是不需任何釬劑的真空釬焊工藝。真空釬焊技術(shù)在近2 0 年來(lái)取得 了快速的發(fā)展，早在8 0 年代初對(duì)鋁合金去膜機(jī)理的研究就有了重大突破，但在軍事電子 裝備中的應(yīng)用一直沒(méi)有得到推廣，這是由于材料和設(shè)備制造水平的限制以及采用熔劑釬焊 的各種方法顯得更為經(jīng)濟(jì)和高效，但隨著設(shè)備制造水平的提高、軍事需求的增加、質(zhì)量意 識(shí)和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及技術(shù)改造力度的加大，近來(lái)作為一種無(wú)腐蝕、無(wú)污染、質(zhì)量高的 釬焊方法真空釬焊受到了特殊地關(guān)注，從現(xiàn)在和未來(lái)的環(huán)境保護(hù)觀念考慮，鋁合金真 空釬焊的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。斜。二u 。 真空釬焊為鋁合金的加工裝配開辟了全新局面，改善了釬焊產(chǎn)品的質(zhì)量，但目前仍然 存在許多問(wèn)題：如設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本相對(duì)較高，真空系統(tǒng)的維修技術(shù)難度較大卜“；m g 等易揮發(fā)元素的蒸汽沉積在爐膛、隔熱屏及真空系統(tǒng)中，影響設(shè)備的工作性能卜；依靠 輻射加熱，速度慢，均勻性差：目前已有的鋁釬料由于與多數(shù)鋁合金的固相線較為接近， 2 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 所以對(duì)釬焊溫度及保溫時(shí)間的控制要求較高卜“。 r ，) q 1 1 3 存在的問(wèn)題 目前我國(guó)鋁合金真空釬焊的發(fā)展已初具水平，與國(guó)外的差距在逐步縮小。鋁及鋁合金 釬焊技術(shù)方面的研究領(lǐng)域還有很多。國(guó)內(nèi)鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的應(yīng)用，主要針對(duì)鋁散熱器、 鋁和不銹鋼異種材料、鋁合金機(jī)箱等結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上，目前，國(guó)內(nèi)在平板天線、板狀功分器、 整體式饋源等高精度、高集成零部件的焊接生產(chǎn)方面主要采用鹽浴鋁釬焊工藝。該工藝雖 然具有工件加熱均勻、釬縫成型質(zhì)量好、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但在生產(chǎn)中也暴露出了嚴(yán)重的不 足：首先，由于采用腐蝕性極強(qiáng)的氯化物釬劑，無(wú)法從根本上解決殘余釬劑對(duì)工件的腐蝕 問(wèn)題，從而無(wú)法保證產(chǎn)品的高可靠性；其次，對(duì)平板天線、板狀功分器、整體式饋源等大 型薄壁、多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)講，鹽浴釬焊工藝比較復(fù)雜，工藝過(guò)程和參數(shù)的準(zhǔn)確控制很困難， 工件成品率較低，目前國(guó)內(nèi)只能達(dá)到3 0 左右p ，而且平板天線、板狀功分器、整體式 饋源等的加工周期長(zhǎng)和加工成本高，因此必須對(duì)真空鋁釬焊工藝方法進(jìn)行研究，擴(kuò)大該方 法的應(yīng)用領(lǐng)域，在應(yīng)用的基礎(chǔ)上提高釬焊加工的成品率。 真空釬焊作為一種先進(jìn)的、精密的釬焊工藝方法，由于發(fā)展較晚，應(yīng)用時(shí)間較短，在 加工試用中還有一些問(wèn)題需要研究和解決，如去除表面氧化膜后鋁合金的放置時(shí)間確定、 適合真空鋁釬焊的釬焊縫隙的確定、能形成合格釬縫的爐腔真空度高低確定、形成合格釬 縫的釬料量的多少確定、不同零件真空鋁釬焊加熱溫度的確定、釬焊過(guò)程的工藝穩(wěn)定性等 規(guī)范參數(shù)設(shè)置問(wèn)題。 1 4 微波器件的釬焊加工現(xiàn)狀 微波器件的釬焊加工，在現(xiàn)階段根據(jù)尺寸大小和復(fù)雜程度的差異，有采用手工火焰釬 焊加工的，有采用鹽浴釬焊整體釬焊加工的，有采用惰性氣體保護(hù)爐中釬焊的，也有采用 真空釬焊釬焊加工后進(jìn)行機(jī)械加工成形的。 手工火焰釬焊加工微波器件具有操作靈活方便，成本低，只適用于簡(jiǎn)單、體積小的零 部件p “。存在的不足：首先，由于鋁釬焊中所用釬料和母材的熔點(diǎn)比較接近，在加熱過(guò) 程中母材的顏色基本沒(méi)有什么變化，很難及時(shí)了解母材的實(shí)際溫度狀況，容易發(fā)生母材過(guò) 燒現(xiàn)象，只有經(jīng)過(guò)多年的操作實(shí)踐才能熟練掌握這種技術(shù)，也就是對(duì)操作者的要求比較高； 其次，零件的釬焊后處理比較復(fù)雜，殘留在零件上的釬劑中的c i 1 離子很難徹底清除，使 得零部件的耐腐蝕力下降；最后，由于手工加熱方法和填料方式的限制很難甚至無(wú)法應(yīng)用 于大型復(fù)雜零部件的釬焊的生產(chǎn)加工。 鹽浴釬焊加工微波器件具有工件升溫速度極快而且加熱十分均勻、釬縫成型質(zhì)量好、 3 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 變形小、釬焊溫度可精密控制等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在一些很難克服的不足，如：熔鹽對(duì)工件的 腐蝕控制較難、后處理工藝比較復(fù)雜、設(shè)備成本比較大、環(huán)境污染大、成品率低等p “。 1 5 本文選題的背景與意義 本文是在軍事工業(yè)為實(shí)現(xiàn)輕、巧、準(zhǔn)的性能，大量應(yīng)用了鋁制微波器件，如：雷達(dá)的 平板天線、導(dǎo)彈上的板狀功分器、整體集成式饋源等，這些高精度、高集成零部件，都采 用了集成化的結(jié)構(gòu)形式、更高頻率的微波應(yīng)用，這些零部件的2 j n t - 在現(xiàn)階段除了零件拼接 外幾乎沒(méi)有其他方法可以實(shí)現(xiàn)，曾經(jīng)采用的粘接方法很難達(dá)到強(qiáng)度、密封等要求。釬焊屬 于一種精密的加工方法，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)零件的整體性一次焊接，是適合這些結(jié)構(gòu)的唯一工 藝方法。通過(guò)本課題的研究，實(shí)現(xiàn)高精度、高集成零件的穩(wěn)定可靠釬焊加工，適應(yīng)軍事工 業(yè)向結(jié)構(gòu)小、重量輕、打擊精確的精密型發(fā)展要求。 1 6 本文的主要研究?jī)?nèi)容 真空鋁釬焊工藝過(guò)程中的影響因素分析； 微波器件的結(jié)構(gòu)和加工工藝性分析； 微波器件真空鋁釬焊工藝過(guò)程控制。 4 真空鋁釬焊的基本原理和要求 2 真空鋁釬焊的基本原理和要求 真空是指壓力低于大氣壓強(qiáng)的氣體空間。真空釬焊是一種比較新的釬焊方法，已經(jīng)成 功地用于釬焊那些難卉焊的金屬和合金，如鋁合金、鈦合金、高溫合金以及難熔金屬等【4 】。 該方法有一些特殊的要求，其基本原理有一些現(xiàn)在已經(jīng)得到了公認(rèn)，而且與其它方法有所 不同，這可能是該方法之所以能對(duì)難釬焊的金屬和合金進(jìn)行釬焊的原因。 2 1 真空鋁釬焊的基本原理 鋁合金真空釬焊的基本原理是在真空狀態(tài)下，保護(hù)釬焊件不被氧化同時(shí)依靠真空條件 和特定的還原氣氛對(duì)焊件材料表面氧化膜進(jìn)行還原或者破壞，促使釬料在焊件之間產(chǎn)生浸 潤(rùn)、流動(dòng)并填充焊縫，形成焊接連接。 鋁合金表面有一層致密且十分穩(wěn)定的氧化膜( a 1 2 0 3 ) ，是熔化釬料潤(rùn)濕母材的主要障 礙。真空最大的特點(diǎn)是它所含的有害氣體極少，還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是除氣作用，存在于金屬 內(nèi)部的氣體( h 2 、0 2 等) 及吸附在表面上的氣體都會(huì)隨著真空加熱而析出。同時(shí)對(duì)釬料 也有極好的除氣效果。但是對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，單純依靠真空條件難以去除氧化膜，必須同 時(shí)借助于某些金屬活化劑，如m g 、b i 等。早期有人認(rèn)為通過(guò)m g 的觸媒作用可達(dá)到去膜 的目的。這是因?yàn)椋?m g + 1 2 0 2 _ m g o ( 2 1 ) m g + h 2 0 _ m g o + i - 1 2( 2 2 ) m g + 1 3 a 1 2 0 3 一m g o + 2 3 a 1 ( 2 3 ) 從這幾個(gè)反應(yīng)式得出的觀點(diǎn)認(rèn)為一方面m g 與真空中殘存的0 2 和h 2 0 反應(yīng)，消除它 們對(duì)鋁的有害作用；另一方面，也是最重要的就是反應(yīng)式( 2 3 ) ，m g 與母材表面的a 1 2 0 3 起還原反應(yīng)而達(dá)到直接去除氧化膜的目的。但此后的大量研究表明，母材氧化膜并未完全 去除，故對(duì)去膜機(jī)理提出了新的觀點(diǎn)，m g 除了起消除環(huán)境中0 2 和h 2 0 的作用外，m g 蒸汽滲入膜下表材層與擴(kuò)散的s i 一起，使表層形成低熔點(diǎn)的a 1 s i - m g 合金而熔化，從而 破壞了表面氧化膜與母材的結(jié)合，使熔化的釬料得以潤(rùn)濕母材，在膜下母材上鋪展，并將 表面膜浮起而去除p j 。雖然已有大量的研究和試驗(yàn)使鋁合金真空釬焊在工業(yè)中得到了應(yīng) 用，但是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多報(bào)廢釬焊接頭，卻無(wú)法作出合理的解釋卜“。鋁合金真 空釬焊對(duì)參數(shù)的細(xì)微變化很敏感，不同廠家生產(chǎn)的釬料成分盡管都在規(guī)定的范圍內(nèi)，也經(jīng) 常出現(xiàn)釬焊接頭的明顯不同。至今，由于對(duì)鋁合金真空釬焊機(jī)理缺乏真正準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，制 定理想的真空釬焊工藝就受到了很大的限制，在很大程度上仍根據(jù)平常所積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn) 5 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 行。 2 2 真空鋁釬焊的基本要求 由于鋁的化學(xué)性質(zhì)比較活潑而且表面氧化膜十分穩(wěn)定，熔化溫度較低，因此該金屬及 其合金的真空釬焊與其它金屬的真空釬焊相比具有特殊性，相應(yīng)地要形成釬焊連接就要有 一些特殊的要求。 2 2 1 設(shè)備要求 真空釬焊的設(shè)備主要由釬焊爐腔、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。 真空鋁釬焊的爐體一般為冷壁式，其爐壁為雙層水冷結(jié)構(gòu)。爐殼由于具有循環(huán)水冷和 受反射屏屏蔽，溫度不高，通常爐殼內(nèi)壁溫度只有1 0 0 - - 2 0 0 c ，而爐內(nèi)放置工作區(qū)的 溫度可高達(dá)1 0 0 0 以上，能很好地承受外界的大氣壓力，適于大件的高溫釬焊，而且加 熱效率較高，使用比較方便安全p “。緊貼爐壁的是由多層表面光潔的薄金屬板組成的熱 反射屏。對(duì)于鋁釬焊所用的中溫爐，使用溫度在7 0 0 c 以下，反射屏材料一般使用不銹鋼、 鎳鉻或鐵鉻鋁等合金，其作用是防止熱量向外輻射，減輕爐殼受熱且提高加熱效率。在 爐腔的最內(nèi)層是加熱體，對(duì)于鋁及其合金的真空釬焊，由于釬焊溫度在7 0 0 * ( 2 以下，通常 使用鎳鉻合金材料制作的絲狀或板狀加熱體，同時(shí)由于鋁合金的熔化溫度( 約6 3 0 - 6 6 0 * ( 2 ) 和釬料的熔化溫度( 約5 7 7 - 6 1 0 c ) 比較接近，最好能使用多區(qū)加熱并各自獨(dú)立 控制的微機(jī)控制系統(tǒng)，這樣便于提高加熱空間的溫度均勻性，防止零件在加熱和冷卻過(guò)程 中產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形，影響釬縫的成形，避免零件過(guò)燒等缺陷產(chǎn)生。通常為了適應(yīng)精密 零部件的加工要求，對(duì)于釬焊鋁合金的爐體，要求有效加熱空間的爐溫均勻度在士5 以 內(nèi)，最高加熱溫度在7 0 0 左右。 真空系統(tǒng)主要包括三級(jí)真空機(jī)組、真空管道、真空閥門，壓縮機(jī)等。真空機(jī)組通常由 旋片式機(jī)械泵、羅茨泵和油擴(kuò)散泵三級(jí)泵組組成。由于同時(shí)使用機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵，能達(dá) 到l o - 4 p a 級(jí)的真空度p 。對(duì)于鋁的真空釬焊工藝，真空系統(tǒng)至少要求在l o 3 p a 級(jí)的真空 度p 川。為了達(dá)到這種高真空的環(huán)境要求，不僅要有三級(jí)泵組系統(tǒng)，使真空系統(tǒng)有足夠的 抽真空能力，還要求整個(gè)爐腔的密封性能也應(yīng)有很高的要求，防止出現(xiàn)一邊抽真空一邊泄 漏的“穿堂風(fēng)”現(xiàn)象。在這種有泄漏發(fā)生的情況下，一般會(huì)出現(xiàn)釬焊時(shí)工件的氧化膜不能有 效清除而造成釬焊無(wú)法進(jìn)行，同時(shí)可能使加熱體、反射屏等零件在高溫條件下的氧化而使 性能變差，甚至造成擴(kuò)散泵的硅油氧化而使其抽真空能力下降等。 對(duì)于真空鋁釬焊使用的冷壁爐，冷卻系統(tǒng)也是比較重要的。這個(gè)系統(tǒng)能提高生產(chǎn)效率， 縮短工件在爐內(nèi)的冷卻時(shí)間，縮短工作周期，最重要的是能減少焊料中的硅向基體擴(kuò)散， 6 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 降低對(duì)母材的溶蝕風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以避免在爐內(nèi)設(shè)置冷卻水管。該系統(tǒng)主要包括外循環(huán)式風(fēng) 冷換熱裝置( 由熱交換器、真空風(fēng)機(jī)、氣動(dòng)插板閥門、調(diào)節(jié)閥、風(fēng)道管路和冷卻氣源等組 成) 、冷卻水管道及供水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔、加壓泵等組成。 控制系統(tǒng)是真空鋁釬焊設(shè)備中的關(guān)鍵部分。由于a 1 - s i - m g 釬料的熔化區(qū)間比較接近 鋁合金的熔化溫度區(qū)間，其釬焊溫度范圍很窄，一般在5 9 5 - - - 6 1 5 c 之間，對(duì)有效工作區(qū) 間的溫度均勻性要求很嚴(yán)，通常不超過(guò)士5 ，因此需要對(duì)加熱溫度進(jìn)行分區(qū)控制，這種控 制方式能夠精確而靈敏地控制爐子的升溫、保溫過(guò)程，既能保證保溫段的靜態(tài)精度，又能 保證從升溫到保溫的全過(guò)程無(wú)溫度失調(diào)現(xiàn)象。通過(guò)應(yīng)用單片機(jī)加上編程控制，對(duì)各單元的 磁性調(diào)壓器控制，從而控制加熱體的電流輸出，達(dá)到控制加熱體的功率輸出，控制加熱區(qū) 的溫度，在設(shè)置了工藝過(guò)程程序后可以實(shí)現(xiàn)預(yù)抽真空、加熱、保溫、關(guān)閉加熱、充氣冷卻 降溫等整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化。 2 2 2 前處理要求 在釬焊過(guò)程中各種油污產(chǎn)生的油煙不僅會(huì)妨礙釬焊過(guò)程進(jìn)行，還會(huì)對(duì)真空系統(tǒng)產(chǎn)生影 響，破壞擴(kuò)散泵中的硅油，降低真空系統(tǒng)的工作能力；同時(shí)由于油污加熱產(chǎn)生的其它氣體 可能使零件表面的氧化膜增厚，增加釬焊的難度，降低釬焊接頭的結(jié)合強(qiáng)度。因此需要仔 細(xì)去除釬料和零件基體金屬表面上的各種污物、過(guò)厚的氧化膜和機(jī)械加工帶來(lái)的油污，為 獲得良好的釬縫作好前期準(zhǔn)備。 真空釬焊前的清洗通?？煞譃榛瘜W(xué)清洗和機(jī)械清洗兩類。常用的化學(xué)清洗方法有以下 九種【4 】： ( 1 ) 溶劑清洗：各種石油溶劑或經(jīng)氯化的碳?xì)浠衔铮?( 2 ) 蒸氣脫脂：用穩(wěn)定的三氯乙烯或穩(wěn)定的全氯乙烯； ( 3 )堿洗：采用工業(yè)的硅酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、去污劑、肥皂、潤(rùn)濕劑的某種 混合物，有些情況還加添某種氫氧化物； ( 4 ) 乳狀液清洗：用某種碳?xì)浠衔?、脂肪酸、?rùn)濕劑和表面活化劑的混合物； ( 5 ) 電解清洗：有陽(yáng)極和陰極清洗之別； ( 6 ) 酸洗：用磷酸鹽型的酸洗液； ( 7 ) 酸浸泡：用硫酸、硝酸和鹽酸； ( 8 ) 鹽浴浸泡：有電解和非電解之別； ( 9 ) 超聲波清洗。 機(jī)械清洗通常是為了降低表面過(guò)厚的氧化膜而采取的各種方法。經(jīng)常采用的有用不銹 鋼擦絲或銅絲刷打、磨等方法局部去除。不能用砂紙，防止有砂粒嵌入零件表面。 一7 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 零件和釬料經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗后用清水仔細(xì)沖洗凈化學(xué)溶液( 主要為堿液) 。而殘余的微 量堿液通常。采用氧化性酸如稀的硝酸或鉻酸來(lái)沖洗去除。酸浸后應(yīng)該再用清水沖洗干凈， 然后風(fēng)干或溫風(fēng)吹干。在這個(gè)過(guò)程中不可再用手直接觸摸，否則潔凈的表面極易留下汗跡 和指紋，為后面的釬焊留下缺陷的隱患。經(jīng)過(guò)清洗并烘干后的零件應(yīng)在2 4 h 內(nèi)釬焊，防止 零件表面氧化膜增厚和再次污染。 對(duì)于復(fù)雜的、精度高的釬焊組件，其各零件在釬焊裝配前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝消 除應(yīng)力，減少在釬焊加熱中零件的應(yīng)力變形影響。 2 2 3 保存和裝配環(huán)境要求 對(duì)于經(jīng)過(guò)清洗、清除氧化膜等表面處理后的零件和釬料，在保存和裝配時(shí)應(yīng)遵循兩條 原則：其一，應(yīng)盡量縮短存放時(shí)間，從速完成裝配釬焊?？s短存放時(shí)間，意味著減少零件 重新被污染和氧化的可能性，有利于保證釬焊質(zhì)量。其二，在保存和裝配中必須保持零件 的潔凈。由于零件在表面清洗后轉(zhuǎn)入真空釬焊之前，必然地要經(jīng)歷運(yùn)送、裝配、固定等過(guò) 程，增大了弄臟的可能性。為了消除這種危險(xiǎn)，應(yīng)保持零件和釬料存放處的清潔，最好采 用封閉的容器保存和運(yùn)送零件。裝配環(huán)境要求無(wú)油污、無(wú)灰塵。裝配時(shí)操作人員不應(yīng)用手 接觸零件和釬料，應(yīng)戴清潔的白色不起毛棉織手套，如白細(xì)棉紗手套等；裝配和定位所用 的工裝夾具及各種工具應(yīng)進(jìn)行除油污處理，同時(shí)不應(yīng)存在其它污物，以免對(duì)真空系統(tǒng)造成 損害并降低爐腔的真空度影響釬焊結(jié)果。裝配環(huán)境的溫度和濕度也應(yīng)控制，防止由于濕度 的過(guò)大在零件和釬料表面產(chǎn)生水膜而影響釬焊質(zhì)量。一般在裝配環(huán)境應(yīng)配有除濕設(shè)備，使 環(huán)境濕度保持在7 0 以下。 2 2 4 接頭形式和釬縫間隙要求 裝配工序的任務(wù)在于將分散的零件形成一個(gè)整體，使各零件保持正確的相互位置，獲 得設(shè)計(jì)所要求的釬縫間隙位置和大小，并保證釬焊部件的總體尺寸。在真空釬焊中比較重 要的兩個(gè)參數(shù)是接頭形式和釬縫間隙。 釬焊接頭的形式各種各樣，如搭接形式、對(duì)接形式、t 型接頭、角接接頭、套接等多 種形式。實(shí)際中的具體釬縫往往不是單一的，而是這幾種形式的組合形式。在這幾種接頭 形式中，從等強(qiáng)理論的原理來(lái)看，搭接形式在釬焊中最能得到體現(xiàn)。這是因?yàn)樵阝F焊連接 中，釬料的強(qiáng)度大多比母材的強(qiáng)度低，接頭的強(qiáng)度往往也就低于母材的強(qiáng)度，而搭接接頭 形式依靠增大搭接面積，可以在接頭強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度的條件下通過(guò)增大搭接面積來(lái)達(dá)到 接頭與焊件具有相等的承載能力的要求。另外，對(duì)裝配要求也相對(duì)地較簡(jiǎn)單，因此，搭接 形式是釬焊連接中采用較多的基本接頭形式。但是，搭接接頭形式也存在明顯缺點(diǎn)，一方 面，增加了母材的消耗，增大了結(jié)構(gòu)重量；另一方面，接頭截面有突然變化，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng) r 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 力集中。在具體結(jié)構(gòu)中，需要釬焊連接的零件的相互位置是各式各樣的，不可能全都符合 典型的搭接形式。為了達(dá)到等強(qiáng)能力的要求，可以在高溫釬焊中采用高強(qiáng)度的釬料利用對(duì) 接接頭結(jié)構(gòu)形式，從而既減輕重量又能實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)的目的。這在對(duì)釬焊零件的重量要求比較 苛刻的情況下應(yīng)用較多，如微波傳輸?shù)牟▽?dǎo)、雷達(dá)天線等。 不同的釬料形狀，適用的接頭形式不一定相同。對(duì)于塊狀、棒狀、絲狀等形狀的釬料， 由于釬料中m g 成分的揮發(fā)和擴(kuò)散受接觸表面大小約束，在真空鋁釬焊中適于采用對(duì)接、 t 型及與之類似的接頭形式，這是因?yàn)檫@些接頭形式開敞性較好，間隙內(nèi)的氧化膜容易排 除。而搭接接頭間隙內(nèi)的氧化膜由于較難排出，一般不推薦采用h 。對(duì)于箔狀、粉狀形 式的釬料，其和工件的接觸表面大大增加，m g 元素成分的揮發(fā)和擴(kuò)散能力顯著提高，其 在真空鋁釬焊應(yīng)用中適用的接頭形式有搭接、對(duì)接、t 型等各種接頭p 。 接頭形式和釬縫間隙之間有一定的關(guān)系。不同形狀的釬料和工件的接觸形式不同，發(fā) 生在釬縫間隙中的浸潤(rùn)和漫流也不同，對(duì)釬縫的間隙要求也不同。釬縫間隙對(duì)接頭性能的 影響是對(duì)以下幾個(gè)過(guò)程影響的綜合結(jié)果：( 1 ) 釬料的毛細(xì)填縫過(guò)程；( 2 ) 母材與填縫釬料 的相互擴(kuò)散過(guò)程；( 3 ) 母材對(duì)釬縫合金層受力時(shí)塑性流動(dòng)的機(jī)械約束作用。因此，正確地 確定釬縫間隙值是獲得優(yōu)質(zhì)接頭的重要前提。通常存在著某一最佳間隙值范圍，在此間隙 值范圍內(nèi)接頭具有最大強(qiáng)度值，并且它往往高于原始釬料的強(qiáng)度。大于或小于此間隙值時(shí)， 接頭強(qiáng)度均隨之降低，而且容易出現(xiàn)其它如未釬透、氣孔、夾渣及釬料流失等缺陷。在最 佳間隙范圍內(nèi)能保證釬料充分而致密地填縫、母材對(duì)填縫釬料有良好的合金化作用、母材 對(duì)釬縫合金層有足夠的支撐作用。對(duì)于不同的釬料和母材組合，其獲得最高接頭強(qiáng)度值的 最佳間隙值范圍各不相同，這與釬料和母材各自的物理化學(xué)性質(zhì)以及在釬焊時(shí)的相互作用 特性有密切關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性越好，這一間隙值就越??；釬料與母材 相互作用強(qiáng)烈，間隙必須增大，因?yàn)樘羁p時(shí)母材的溶入會(huì)使釬料熔點(diǎn)提高、流動(dòng)性下降。 另外，釬料的粘度和流動(dòng)性對(duì)間隙的選擇也是一個(gè)重要因素。流動(dòng)性好，能填滿較小的間 隙。因此，對(duì)于具有單一熔點(diǎn)的純金屬釬料、共晶成分的釬料以及有自釬劑作用的釬料， 應(yīng)取較小的間隙值。對(duì)于釬料中的某些組元，要靠向母材中擴(kuò)散來(lái)消除以改善釬縫的性能， 則要嚴(yán)格保持小間隙。對(duì)于塊狀、棒狀、絲狀等形狀的釬料，由于在真空釬焊中鋪展能力 比手工火焰釬焊、浸沾釬焊時(shí)差，因此應(yīng)使用較大的釬焊間隙h “。對(duì)于箔裝、粉狀形式 的釬料，在工件之間的間隙中放置，直接和工件接觸，對(duì)釬料的鋪展能力要求不高，因此 應(yīng)使用較小的間隙，如箔狀釬料最佳的釬縫間隙為0 - 0 0 5 r a m 。 合適的釬縫間隙不僅僅是對(duì)裝配的要求，更重要的是在釬焊溫度下焊件之間也能保持 這樣的間隙形式，這是形成優(yōu)良接頭的關(guān)鍵所在。對(duì)于裝配合適的釬縫間隙，要考慮零件 加熱變形、放置方式等因素，采取合理的裝夾形式來(lái)控制和避免這方面的影響。 9 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 在考慮接頭形式和釬縫間隙的要求時(shí)，還要考慮的情況有：( 1 ) 釬料熔化后工件整體 尺寸的變化；( 2 ) 鋁合金的線膨脹系數(shù)比通常的金屬要大約1 3 ；( 3 ) 鋁合金在釬焊受熱 時(shí)比較軟，纖細(xì)而垂直的工件要進(jìn)行支撐；( 4 ) 一些可熱處理強(qiáng)化的鋁合金在釬焊后為了 恢復(fù)原來(lái)的強(qiáng)度而需要淬火處理時(shí)會(huì)有變形產(chǎn)生，零件應(yīng)考慮留有一定的加工余量。 2 3 本章小結(jié) 闡述了真空鋁釬焊的基本原理，分析和論述了真空鋁釬焊在設(shè)備、前處理、保存和裝 配環(huán)境、接頭形式和釬縫間隙等方面的基本要求。 1 0 真空鋁釬焊工藝分析 3 真空鋁釬焊工藝分析 3 1 引言 鋁合金以其重量輕、耐腐蝕性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性優(yōu)良等特點(diǎn)廣泛用于航空航天、建筑、 電器、汽車、船舶等部門，并且用量不斷增加，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是制作熱交換器、波 導(dǎo)及其它許多復(fù)雜構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料【蹦j 。鋁合金的加工工藝在其產(chǎn)品制造中起著非常重要 的作用，而重要方法之一就是不需任何釬劑的真空釬焊工藝。 3 2 真空鋁釬焊材料和釬料 3 2 1 真空鋁釬焊材料的釬焊性 f l n l 真空環(huán)境下金屬蒸氣對(duì)鋁氧化膜的破壞原理。自從m i l l e r t j ： j 發(fā)現(xiàn)鎂蒸氣在真空釬焊 中有促進(jìn)釬料的流動(dòng)性以來(lái)，這種使用鎂作活化劑的方法已成為常規(guī)真空釬焊鋁的正式工 藝。究竟鎂蒸氣在真空釬焊中起何種作用以及除鎂以外還有其它何種金屬蒸氣可以起到類 似的作用，a l c o a 公司的實(shí)驗(yàn)室對(duì)此作了系統(tǒng)的工作。t e r r i u 報(bào)導(dǎo)了這個(gè)工作的內(nèi)容。報(bào) 告表明真空條件下m g 除了進(jìn)一步消除殘存的氧與水外，主要的是能還原a 1 2 0 3 膜而使其 產(chǎn)生破壞。實(shí)驗(yàn)以1 6 個(gè)元素的蒸氣考察對(duì)釬焊過(guò)程的影響：p r 、s c 、s m 、c a 、b e 、l a 、 c e 、n d 、m g 、s r 、l i b a 、。n a 、z n 、s b 、b i 的順序中在線以左的均能起到還原破壞 砧2 0 3 作用和促進(jìn)釬焊的過(guò)程，而在線以右的則不能。實(shí)驗(yàn)還表明活性金屬蒸氣的量和 促進(jìn)真空釬焊的能力間有一定的關(guān)系。而m g 的蒸氣壓在線以左是最大的，所以促進(jìn)效 果最佳，而對(duì)那些蒸氣壓較小的金屬則需較高的真空度，甚至需要將這些金屬作為微量添 加物加到母材表面的a 1 - s i 壓覆釬料層中去才能獲得較好的效果。國(guó)外有人詳細(xì)的研究 并報(bào)導(dǎo)了使用混合稀土以及s c 、y 和l a 系金屬作為真空釬焊活化劑的結(jié)果。 關(guān)于真空釬焊的去膜過(guò)程機(jī)理，鄒僖認(rèn)為m g 蒸氣除起消除環(huán)境中氧和水汽的有害作 用外，還滲入膜下母材表層，與擴(kuò)散進(jìn)入的硅一起，使此表層形成低熔點(diǎn)的砧一s i _ 州g 合金而熔化，從而破壞了表面氧化膜與母材的結(jié)合，使熔化的釬料得以潤(rùn)濕母材，在膜下 沿母材鋪展，并將表面膜浮起而除去。在這里，鎂蒸氣滲入釬料及母材是一種明顯的傳質(zhì) 過(guò)程，無(wú)疑將會(huì)降低釬料與母材間的界面張力并增強(qiáng)了潤(rùn)濕能力。 在鋁及其合金中，純鋁和l f 2 1 鋁錳防銹鋁合金的釬焊性最好見表3 1 所示；硬鋁和 超硬鋁等鋁鎂合金，在鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1 5 時(shí)對(duì)釬焊性有很大影響，而且隨著含鎂量 的增加，合金表面的氧化鎂也增多，致使合金的釬焊性變壞，當(dāng)合金中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 2 5 以上時(shí)，釬焊困難，而且由于在4 7 0 。c , - 一5 5 0 。c 溫度區(qū)問(wèn)出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，所以硬鋁的 - 11 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 釬焊性很差；鍛鋁合金中l(wèi) d 2 的釬焊性比較好，它的含鎂量很低，對(duì)于釬焊性沒(méi)有有害 表3 1 幾種鋁合金的理化性能和真空釬焊性 i i l i 羊j 4 0 】；鑄鋁合金固相線溫度為5 7 7 * ( 2 ，較低，同時(shí)由于含硅量高，使釬料難以潤(rùn)濕， 因此較難釬焊。綜合分析，適合真空釬焊的鋁合金為純鋁、l f 2 1 鋁錳和金和l d 2 鍛鋁合 金。 3 2 2 真空鋁釬焊釬料 釬焊是通過(guò)熔化的釬料在固體母材之間填充并擴(kuò)散形成固態(tài)連接的方法。其中液體釬 料對(duì)固體母材的潤(rùn)濕有很多影響因素。 固體純金屬的表層結(jié)構(gòu)一般最外層表面有一層0 2 - - 0 3 r i m 的氣體吸附層，隨金屬性 質(zhì)的不同，吸附氣體的種類和厚度有一定差別。通常主要吸附的是水蒸氣、氧、c 0 2 和 h 2 s 。在這層吸附層之下有一層3 4 n m 厚的氧化膜層。所謂氧化膜層并不是單純的氧化 物，常常是由氧化物的水合物、氫氧化物、堿式碳酸鹽等成分組成。有的呈低結(jié)晶態(tài)，此 種膜結(jié)構(gòu)比較致密能保護(hù)基體金屬免于進(jìn)一步氧化，如刪2 0 3 ，c u 2 0 等。在氧化膜之 下則是一層厚1 - - 1 0 b i n 的變形層，這是由于壓力加工所形成的晶粒變形的結(jié)構(gòu)，其與氧 化膜之間還有薄薄的i 2 1 a m 的微晶組織。對(duì)合金來(lái)說(shuō)表面結(jié)構(gòu)還要復(fù)雜得多，通常表面 能較低的、親氧的組元在固態(tài)情況下也會(huì)擴(kuò)散并富集于表面形成復(fù)雜多元組成的表面膜。 隨著貯存期延長(zhǎng)，這層膜還會(huì)進(jìn)一步增厚y 1 。 一滴液體在固體表面潤(rùn)濕時(shí)( 如圖3 1 ) ，如果液滴和固體間僅以色散力相互作用，即 馭固體)k 圖3 1 液滴在國(guó)體表面的潤(rùn)濕圖 不存在物理的互溶、滲透及任何化學(xué)反應(yīng)時(shí)，潤(rùn)濕角0 與固體表面張力y s 、液體表面張 1 2 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 力y l 以及液固界面張力7 s l 存在以下關(guān)系，稱為y o u n g s 平衡式： t s = t s l + 7 1 幸c o s o ( 3 1 ) 或c o s o = ( t s - v s l ) 丫l ( 3 2 ) o 角表達(dá)潤(rùn)濕的程度，e = o o 表示液固完全潤(rùn)濕；0 = 1 8 0 0 視為完全不潤(rùn)濕。從( 3 2 ) 式 中還可看出，如丫s 和丫l 為某定值，則7 s l 與0 有某種正比關(guān)系，即丫s l 愈小0 也愈小，也 就是說(shuō)液固間的界面張力愈小，它們也愈易潤(rùn)濕。 固體的表面張力由于晶格缺陷、表面分凝和力學(xué)上的應(yīng)變等因素，因而難以界定其精 確值。但總的說(shuō)來(lái)受氣氛影響較為明顯，在真空中和還原性的氣氛中固體的表面張力( 其 實(shí)是固氣的界面張力) 有所下降。 液體的表面張力是指增加單位表面積液體時(shí)自由能的增值。液體的表面張力是易于測(cè) 定的。液體金屬的表面張力常在2 0 0 - 2 5 0 0 ( m n m ) 之間。液體的表面張力隨溫度的升高作 線性下降。因此升高溫度有利于潤(rùn)濕。 上面所說(shuō)的局限于液體金屬與固體金屬間僅以色散力相互作用的情況，其間既無(wú)化學(xué) 反應(yīng)發(fā)生，也無(wú)相互溶解和原子滲透等物理反應(yīng)發(fā)生，但實(shí)際上影響液態(tài)金屬( 釬料) 和 固體金屬( 母材) 之間潤(rùn)濕行為的更大因素是它們之間的相關(guān)系。液體釬料與母材間如有 一定的互溶度，通常能夠很好地潤(rùn)濕，反之則較難潤(rùn)濕。例如液態(tài)z n 和固體的燦在5 0 0 c 有近3 0 的溶解度，它們潤(rùn)濕得很好。對(duì)于合金釬料，通常其中各主成分與母材的相關(guān) 系，決定了合金釬料與母材潤(rùn)濕的綜合效果。 釬焊過(guò)程中，不但希望液態(tài)釬料能夠潤(rùn)濕母材，而且希望在母材上鋪展，即使?jié)櫇窠?更小。實(shí)踐表明，液態(tài)釬料和母材間有不太大的互溶度更有利于鋪展。相反，互溶度過(guò)大， 鋪展性能反而低下，這是因?yàn)檫^(guò)大的互溶度將使液體釬料向母材晶間和晶粒中滲透而難向 表面鋪展。液態(tài)釬料如果和母材間產(chǎn)生金屬間化合物也有利于二者的潤(rùn)濕。但實(shí)際又表明， 化合物的量太大，鋪展性能反而愈差。 釬焊時(shí)，焊件是依靠熔化的釬料凝固后連接起來(lái)的。因此焊縫的質(zhì)量在很大程度上取 決于釬料的選擇方面。釬料比較少用純金屬而用二元或多元合金，以更有利于獲得所需的 熔化溫度。理想的釬料常使用主組元和母材的基本金屬相同的共晶類合金。這樣具有以下 優(yōu)點(diǎn)： a 釬料的主組元和母材相同，釬焊時(shí)必定具有良好的潤(rùn)濕性： b 同樣的原因，釬縫在冷凝時(shí)其中與母材同成分的過(guò)剩相( 初晶) 最易以母材晶粒 為晶核外延生長(zhǎng)，犬牙交錯(cuò)使之成為牢固的結(jié)合； c 釬料中的第二相既然能與釬料的主組元形成共晶合金，也必然易于向同組元的母 材作某種程度的晶間滲透，適量的晶問(wèn)滲透有利于釬縫的強(qiáng)度提高； 13 西安工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 d