钎焊方法

钎焊方法（通用11篇）

钎焊方法 篇1

0 引言

目前,常用的金刚石 / cBN砂轮制作工艺方法主要是电镀工艺法和钎焊工艺法。

电镀工艺法:镀层采用表镶法,用电镀层的金属材料将金刚石颗粒包裹镶嵌。

钎焊工艺法:钎焊层采用孕镶法,钎焊层材料与金刚石表层产生某种“冶金”或“化学”结合,由这种结合产生把持力将金刚石颗粒镶嵌在砂轮上。

在超硬材料制品中,至今还没有找到某一种方法解决金属元素与金刚石在电镀环境中的“化学”或者说“冶金”结合。谋求解决把持力问题之前,电镀工艺方法存在致命的弱点:金刚石颗粒对电镀层的凸露量(图1所示的容屑空间)是钎焊层的三分之二左右。因此,为了提高金刚石/cBN 砂轮的磨削性能,我们还只能离开电镀方法,寻找新的方法。钎焊方法有凸露量大的优点,从而提升磨削性能,因此,被广泛采用。按砂轮地貌优化思想设计砂轮可使磨料磨具具有最佳切削负荷,便于磨削过程的优化和磨削结果的预估。

目前采用的钎焊工艺方法包括以下两种:

(1)高温感应钎焊方法:南京航天航空大学,在研究了金刚石 / cBN砂轮制造技术的新发展后认为,从现有技术特点看,高温钎焊技术可提供磨料的最佳把持能力[1]。

(2)激光钎焊方法:图2是激光钎焊的示意。激光钎焊扫描速度快,对基体,钎料层及金刚石的热影响小,甚至于对钎焊的热影响区的金相组织有好的影响,因此,有利于通过欧盟的砂轮安全标准EN 13236。[2]

1 试验及数据

日前,经过对两种金刚石 / cBN砂轮的实际试验检测,反映出采用钎焊工艺方法制作存在以下问题:

(1)高温感应钎焊温度对基体金属作用时间量级为10～20min,温度为700℃以上,会引起砂轮基体金属热处理状态的改变,从而降低基体机械强度。经实测:45#钢材和40Cr金刚石/cBN砂轮基体的金相组织为回火珠光体,硬度在180HB以下,刚性很差,不能满足使用中对精度和强度的基本要求。

(2)高温造成基体变形,几何精度降低,精度保持性不稳定。经实物测定:砂轮基体的内孔Φ22缩小0.004～0.01mm,端面跳动值由原来的0.002mm变形为0.008mm。

(3)钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能产生影响。

要想改善以上不足,就要对砂轮基体及其材料进行探讨。显然,砂轮基体是砂轮磨削功能的载体,砂轮的几何精度,磨削力的承受,砂轮允许的安全运行转速等,最后都由砂轮基体的性能承受和决定。[3]

2 分析及结论

就用于高速磨削和高精度磨削的金刚石/ cBN砂轮而言,钎焊温度对工具强度的影响用焊接专业的术语讲就是焊接过程的热影响区的强度问题。 钎焊砂轮基体基本都采用碳钢,因此,探讨钢材在不同温度热处理表现,对寻找到适合的钢材基体具有十分重要的意义!

从理论上说,钢材在淬火以后要回火。回火过程中一旦遭遇高温其硬度就下降,回火温度与回火后钢材硬度关系见图3,图中横坐标是参数T×(c+log t)。

其中T -加热温度,单位:开氏温标,度。c -与钢的性质有关的常数,这里取14.3。t- 加热时间,单位,秒。log t与常数c比较甚小,其相加数几乎与回火的钢材遭遇高温的时间无关。钎焊的感应加热与保温过程是10～20min,从这一点来看材料硬度下降是必然的。

但是,存在几种合金钢,合金元素Mn或Ni降低了Ac温度,又因为这些合金都是从回火温度急冷下来,因而在660℃以上存在残余奥氏体又形成新的马氏体。如图4所显示的四种钢材,在温度660℃上回火,其硬度又会有明显的上升趋势。[4,5]

图4中提及的四个美国钢种,可以找到1340、4340和5140的化学成分。力学性能,以及与之接近的中国钢种牌号,相继是40Mn2、40CrNiMoA和40CrMn,从图中可以看出:只有1340(中国40Mn2)钢种在回火后的硬度是在HRC30-40之间,最适合cBN/金刚石砂轮基体的需要。其余3种钢材的回火硬度要么偏高要么偏低,不适合做砂轮基体。因此,砂轮基体如能采用40Mn2这种材料,就能满足cBN / 金刚石砂轮基体的力学性能需要。我们通过试验证明,采用40Mn2材料,在700℃左右回火,其硬度可以达到HRC38左右,能够满足高速磨削和高精度磨削的要求。

通过以上试验,我们提出在钎焊的工艺制造过程中,其温度不应该大于750℃,最佳温度应该在700℃左右。

钎焊过程对金刚石颗粒磨削性能的影响: 为了金刚石的热稳定性,人造金刚石颗粒要用磁选法剔除含(Ni/Mn/Co)的包裹体。同样,在钎料中要杜绝这几样元素的存在。这几样元素会加剧金刚石颗粒表面的石墨化,金刚石表面会被腐蚀,出现黑色麻坑。为此,金刚石表面涂覆是必要的手段。用保护气氛,或者在真空的环境下,用涂层涂覆金刚石/cBN颗粒,可以改善金刚石/cBN磨粒的高温性能。[6]

钎焊技术已经在部分领域应用,但是由于存在许多不足,其应用领域受到很大限制,希望通过以上的分析和论述,能够为行业人士提供参考。

参考文献

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[6]尤伟民.金刚石工具的钎焊(钎焊手册(第二版))[M].北京:机械工业出版社,2008.

钎焊方法 篇2

液体火箭发动机钎焊、扩散焊质量检测技术研究

现代液体火箭发动机的推力室钎焊身部、发生器钎焊身部及游机推力室钎焊身部均是在高温、高压环境下工作,采用波纹板和铣槽式结构,而这种结构的钎焊和扩散焊的焊接质量直接关系到产品的`承压强度及冷却效果.因此,对钎焊和扩散焊的质量检测尤为重要.着重讨论了对波纹板结构和铣槽结构的钎焊、扩散焊质量采用不同无损检测方法进行检测时,方法的可行性和存在的问题,并给出不同方法对产品的可检测性结论.

作 者：单黎波 金作花 贺云龙 康琳琦 洪岩 秦建刚 Shan Libo Jin Zuohua He Yunlong Kang Linqi Hong Yan Qin Jiangang 作者单位：西安航天发动机厂,陕西,西安710100刊 名：火箭推进英文刊名：JOURNAL OF ROCKET PROPULSION年，卷(期)：35(6)分类号：V463关键词：钎焊 扩散焊 波纹板 铣槽 检测

硬质合金刀具高频钎焊研究 篇3

摘要：硬质合金具有极高的硬度和耐磨性能，特别是在高温下仍能保持其高硬度，目前已广泛应用于制造各种金属的切削刀具。钎焊是将硬质合金牢固地连接到钢基体上的最成功的方法之一，但硬质合金刀具的焊接技术是引起焊接裂纹的重要因素。本文介绍了硬质合金刀具的高频焊接工艺中减少裂纹产生、提高焊接点性能的关键技术。

关键词：硬质合金刀具高频钎焊工艺

中图分类号：TG454

0引言

20世纪后半期，工件材料的机械性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和现状不断复杂化和多样化，硬质合金刀具在应对这些挑战中发挥了重大作用。而且硬质合金本身也涌现出许多品种，性能不断提高。中国正逐渐成为世界制造业的中心，对硬质合金刀具的需求巨大，预计到2010年国内硬质合金刀具及其材料的年销售规模将迅速增加到300亿人民币以上。随着现代制造技术的发展，对金属切削刀具的性能要求越来越高。钎焊硬质合金刀具仍以其结构简单、紧凑、刚性好、使用灵活性较大、适应性强等特性，被应用在精密加工、FMS和其他各种金属切削加工中。

硬质合金刀具刀片与刀杆的钎焊常采用高频感应钎焊和火焰钎焊。其中高频焊接方法由于具有加热速度快、温度集中、零件变形小等特点，成为硬质合金刀具焊接过程中常用的一种方法。但是，由于硬质合金较脆、韧性不足和可加工性较差，硬质合金刀具的寿命及焊接裂纹问题一直是困扰大多数企业生产的一个重要问题。

本文就从材料、焊接、使用等几个方面对硬质合金刀具的制作及使用进行分析，以图通过对焊接过程各环节的改进和工序细节控制，降低硬质合金刀具的焊接裂纹，提高刀具的使用寿命。

1焊接设备和材料

1.1高频钎焊设备感应钎焊靠感应加热提供热源，通过感应或工作线圈，而不是对工件直接通电，将电能用感应方法传递到工件，并有选择地将待焊零件表面加热到钎焊温度的一种焊接方法。焊接过程使用的设备由高频感应加热设备、高频感应钎焊机械装置及水冷系统和控制系统组成。

1.2硬质合金刀片常用的硬质合金有YT5、YT15、YT30、YG3X、YN等。物理性质以其线膨胀系数对焊接性影响较大。线膨胀系数为(412～7)×10^-6℃，硬质合金导热系数为0.08～0.21卡／厘米·秒·度，这些都是引起焊接应力的重要原因。

1.3刀体硬质合金刀具的常用刀体使用45#、55#、40Cr等材料，其线膨胀系数范围为12.0～14.0×10^-6℃。

1.4钎料硬质合金钎焊选用的钎料为HL105焊料。因为HL105钎料具有较好的润湿性和较高的焊缝强度，同时HL105钎料的高温塑性好、钎料形态多样，所以HL105(BCu58ZnMn)钎料是硬质合金工具钎焊的最佳钎焊材料之一。钎料在使用前需要用酒精等擦净。

1.5钎剂在钎焊时，如果没有钎剂配合，容易在钎缝结合处形成脆性化合物。所以在钎焊时必须配合钎剂来进行。硬质合金刀具的高频感应钎焊工艺采用的钎剂化学成分为脱水硼砂(50％)、硼酸(35％)和脱水氟化钾(15％)。

2焊接工艺关键技术

2.1焊前准备

2.1.1检查硬质合金刀片上是否有油污等异物存在，远离操作现场。用汽油、酒精或丙酮清洗；逐件检查刀片不得有肉眼可见裂纹、崩刃等缺陷。

2.1.2对刀体除检查刀槽的形状、尺寸与刀片是否相近外，刀槽处的毛刺等必须彻底清理。

2.2焊接

2.2.1钎料、钎剂的涂放钎料上的钎剂应涂放均匀，焊料应充满焊缝。

2.2.2刀具与感应器的相对位置刀具与感应器相对位置的不合理，常常会出现局部过热，从而引起刀片、刀口崩裂，所以必须控制刀具与感应器的相对位置。刀具与感应器的各相对位置尺寸为3～5mm。

2.2.3感应器感应器的形状应根据刀具的形状尽量使感应电流平行于焊接平面流动，感应器中刀具的个数应控制为1～2个。

2.2.4加热高频钎焊时，钎焊温度及加热速度是影响钎焊焊接质量的主要工艺参数，过高的钎焊温度及过快的加热速度使刀具内部产生很大的内应力，焊后易产生裂纹及崩裂现象。过低的钎焊温度影响到钎焊焊缝的强度，过慢的加热速度引起母材晶粒长大、金属氧化等不良现象。钎焊时钎焊温度作为其主要工艺参数一般应高出钎料融化温度30～50℃。HL105钎料的液相线为909℃，钎焊温度在939℃～959℃最为合适，这时钎料的流动性、渗透性最好。如加温过高，容易引起钎料中的锌蒸发与锰氧化，引起夹渣与接头强度下降等问题：太低则影响钎料的铺展。

2.2.5操作①将预焊件放入感应器中，应连续按动开关，使其缓慢加热；②当加热至940℃左右的钎料像汗珠一样渗出时，应用紫铜加热棒将硬质合金沿槽窝往返移动3～5次，以排除焊缝中的熔渣。熔渣不排除，则形成夹渣，影响焊接质量。采用紫铜棒进行操作的优点，在于它不粘熔剂、焊料和合金，而且它不易感应，可在各种钎焊加热时使用。⑨排渣完后，用拨杆将刀片放正，注意刀片与刀槽。

2.3焊后保温焊后保温是硬质合金钎焊的一道重要工序，保温的好坏直接影响到焊缝质量。对裂纹倾向较大的硬质合金刀具(YT类)，禁止将刚焊好的刀具与水及潮冷的地面接触，也不得用急风吹冷。一般应在石英砂、石棉粉或硅酸铝纤维箱中进行缓冷，刀具在保温箱中应密集叠放，靠大量工件的热量来保温并缓慢冷却。有条件的可采用保温缓冷和低温回火同时进行的方法，即将焊好的刀具立即送入保温箱，在250℃～300℃保温5～6小时后随炉冷却。

2.4清除焊缝附近的多余熔剂将焊后已冷却的工件放入沸水中煮30～45分钟，再进行喷砂处理，就可以彻底清除焊缝处多余的熔剂和氧化皮等脏物。在条件允许的情况下，也可以将工件放入酸洗槽中进行酸洗，酸洗后必须经过冷水槽和热水槽相继清洗干净。酸洗时间不宜过长，一般视具体情况在1～4分钟，过长时间的酸洗可能造成焊缝的腐蚀。

2.5钎焊后的质量检查检查焊缝处有无气孔，检查被焊工件有无裂纹。对已检查出有缺陷的工件，可重新加热钎焊，但也应尽量减少重焊次数，以免硬质合金因反复加热而影响质量。对于已发生裂纹的工件，应在分析原因后将有裂纹的硬质合金取下，重新钎焊。

3结束语

钎焊方法 篇4

迄今为止,关于功能梯度材料制备的研究相对较多,但涉及密度梯度材料的却很少。一些研究学者[3,4]采用颗粒共沉降成型结合高压后粘接的方法制备密度连续变化的材料其工艺十分复杂而通过构造孔隙率的梯度变化来实现密度渐变,不足之处是密度变化范围窄小。最近也有关于采用焊接方法制备TaCu-Ti-Al等体系叠层材料并在动态高压技术中应用的报道[5,6],但这种叠层材料的密度值沿厚度方向仍然以大幅度跳跃的方式上升,未达到理想的连续状态。另外,通过粉末冶金法可实现高、中密度段梯度材料的制备[7,8,9,10],并沿厚度方向实现密度准连续变化,而关于中、低密度段梯度材料设计与制备的研究报道目前还很少。

为了制备在中低密度范围内的整体梯度材料本工作在上述报道以及先前研究[11]基础上,采用操作简单、成本低廉的钎焊方法制备了Ti/TiAl/Al系轻质变密度梯度材料。钛合金、钛铝金属间化合物、铝合金具有低密度、高比强度等性能优势,因此在航空航天等领域Ti/TiAl/Al系轻质变密度复合结构的制备及界面组织控制的研究同样具有潜在的应用前景。

1 实验方法

实验中选用的Ti合金为Ti-6Al-4V(质量分数/%,对应牌号为TC4);TiAl选用通过挤压变形的Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子分数/%),该合金的室温延伸率可达2.2%,较粉末冶金[6]获得的TiAl更具性能优势;Al选用商用铝合金LF21。实验前将TC4和LF21分别切割成10mm×10mm×2mm的小块,TiAl切成10mm×10mm×0.2mm薄片后经砂纸打磨减薄,厚度控制在0.15mm左右,之后将这些母材置于丙酮中进行超声清洗,清除表面油污。

采用两步钎焊方法来完成该变密度梯度材料的制备(见图1)。第一步:选用Ti-Zr-Cu-Ni-Co急冷态箔带钎料(具体成分见表1)[12]钎焊TC4与TiAl,钎焊规范选为960℃/10min;第二步:采用高纯度的Al,Cu和Si粉末混合配制Al-25Cu-5Si(质量分数/%)钎料,用于钎焊TC4/TiAl和LF21,钎焊规范选为590℃/10min。经过两个热循环后完成了Ti/TiAl/Al系梯度材料试样的制备,将该试样切割后采用砂纸逐渐打磨,再进行抛光。通过扫描电镜(SEM)观察接头界面的微观组织形貌,利用X射线能谱仪(XEDS)分析界面组织成分以及相应的元素线分布。

2 结果与讨论

图给出了接头界面显微组织背散射照片,从图2可以看出,采用Ti-Zr-Cu-Ni-Co钎料获得的TC4与TiAl的接头界面无缺陷存在,在靠近TiAl一侧生成厚度约为10～15μm的扩散反应层,该层主要由灰色相组成(见图2中“4”),其中还分布着少量块状的深灰色相(见图2中“5”);靠近该层的区域为钎缝中心区,主要由细碎的白色块状组织(见图2中“1”)和深灰色块状组织组成(见图2中“2”);靠近TC4一侧的钎缝组织表现为条状特征,该特征组织的生成主要是由于钎缝在冷却凝固过程中钎料沿着TC4母材晶粒生长所致,分析认为,该条状组织的存在会对接头的抗剪切性能有利,而接头的薄弱区域可能位于上述提到的具有细碎组织的钎缝中心区域。

在TiAl/LF21的接头中,靠近TiAl的界面处存在少量的未焊合缺陷(见图2)。由于本实验中的钎焊温度设定相对较高(590℃),导致了Al-25Cu-5Si除了自身元素间相互作用外还对LF21母材出现一定程度上的溶蚀,溶蚀导致钎料与铝合金母材互溶,从而使得钎缝组织特征性不明显,主要由灰黑色基体组织以及分布其中的灰白色条状物组成。

表2给出了TC4/Ti-Zr-Cu-Ni-Co/TiAl接头界面特征区域的成分分布,从表2可以看出,靠近TiAl母材的扩散反应层中灰色相(见图2中“4”)主要由Ti和Al含量为主,其原子分数比约2∶1,Zr含量较少,仅为3.59(原子分数/%,见表2中“4”),Cu+Ni+Co的含量只有3.67(原子分数/%,见表2中“4”),因此基本可以推断该区存在的主要物相为Ti2Al;另外,扩散反应层中深灰色相(见图2中“5”)中各元素的分布与“4”区类似,只是Zr和Cu+Ni+Co的含量更少些,其中可能存在的主要物相也应为Ti2Al;钎缝中心区的细碎白色块状组织(见图2中“1”)成分较接近钎料的原始成分,Ti,Zr,Cu,Ni和Co的含量均较高,并且Zr仅在此区富集,其中还扩散入近18%(原子分数)的Al,与Ti和Zr等生成相应的化合物相;深灰色块状组织“2”中出现Ti的富集,其中含有超过18%(原子分数)的Al,另外Zr含量也达到6%(原子分数)左右,而其他合金元素含量很少,根据Ti和Al的含量,此区域的主要化合物相应为Ti3Al;靠近TC4一侧具有条状特征的“3”区主要以Ti为基,其中合金元素Zr,Cu,Ni和Co含量相对较高(但均低于“1”区,见表2中“3”),但Al含量较低,只有6.19%(原子分数),成分更接近于TC4母材。由于TiAl/LF21接头中钎料对铝合金母材有溶蚀,所以本实验暂不对该接头各元素含量及相关物相进行分析,完好接头还需进一步实验获得。

为了更加确切和直观分析各元素分布情况,在本实验中对TC4/TiAl/LF21接头进行了线扫描分析(见图3)。结果表明,Al在TC4母材中的含量保持均衡,当从TC4向TiAl方向过渡途经钎缝区域时基本保持逐渐增多的趋势,之后在TiAl中含量稳定,再延伸至TiAl/LF21钎缝及LF21母材中时表现为均匀分布(见图3(b));Ti的含量在TC4母材中较稳定,当经过TC4/TiAl的接头时,由于Cu,Ni,Co含量的逐渐增高,使得接头区中的Ti含量有所下降,这样,从TC4母材到TiAl母材之间Ti含量呈现缓慢下降趋势,但在整个TiAl母材界面内Ti基本保持均匀分布,当到达TiAl/LF21钎缝后含量出现急剧下降趋势(见图3(c))。由此可见,Al和Ti含量在TC4/TiAl接头区均呈现平滑过渡趋势,一定程度上可达到密度缓变的效果。另外,虽然在TiAl/LF21接头中Al和Ti含量出现突变,但可通过调整工艺,在该接头无溶蚀的前提下,控制及调整钎缝中Cu的含量仍可以达到密度缓变的效果。

采用钎焊方法成功制备了TC4/TiAl/LF21轻质变密度梯度材料,密度沿厚度方向由4.5g/cm3下降至3.8g/cm3,之后继续下降至2.7g/cm3,呈现较为平缓的准连续变化趋势。由于引用了TiAl作为中间过渡层并选择了合适的钎焊料,特别是在TC4和TiAl之间的界面上,近似地依次形成了Ti3Al和Ti2Al等物相,使得从钛合金到TiAl之间约50μm宽度的界面上密度呈现很平缓的变化趋势见图成功地实现了材料在局部界面密度值的精细渐变。当然,钛铝金属间化合物与铝合金之间的界面结构控制还有待深入研究。

3 结论

(1)分别使用Ti-Zr-Cu-Ni-Co钎料和Al-25Cu-5Si钎料实现了TC4/TiAl/LF21复合接头的钎焊,采具有合适密度的TiAl中间层合金成功制备了这种质变密度梯度材料。

(2)TC4/TiAl/LF21接头微观组织分析表明,在TC4/TiAl侧的接头微观组织较为复杂,靠近TiAl的区域出现明显的扩散反应层,Ti和Al在钎缝中生成Ti2Al和Ti3Al等相;TiAl/LF21侧的接头主要由灰黑色基体以及分布其中的灰白色条状物组成。

(3)获得的TC4/TiAl/LF21梯度材料密度沿厚度方向由4.5g/cm3逐渐下降至2.7g/cm3,呈现较为平缓的准连续变化趋势。由于引入了TiAl作为中间过渡层并选择了合适的钎焊料,特别是在TC4和TiAl之间的界面上,近似地依次形成了Ti3Al和Ti2Al等物相,使得从钛合金到TiAl之间约50μm宽度的界面上密度呈现很平缓的变化趋势

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钎焊方法 篇5

【关键词】温度；氮气浓度；钎剂浓度；传送链速度等；不同产品切换时间

在汽车空调制造中，经过钎焊加工生产的冷凝器、蒸发器芯体是汽车空调的核心部件。但同时在钎焊炉的产品加工环境要求较高，所以必须严格按照操作规程去做，并加强设备日常点检。否则会产生不同的焊接缺陷。

首先，钎焊炉是在氮气气氛的保护条件下，使用非腐蚀性钎剂对产品进行高温焊接，这里有几个必须注意的参数，1温度2.氮气浓度3.钎剂浓度4.传送链速度5.其他参数

一.温度 钎焊炉按照加工过程分区域 1-干燥区 2-高温区 3-冷却区。每个区域的温度不同，作用不同。

1.干燥区加温200±30℃产品表面异丙醇及内部加工油的挥发。干燥温度不可过高。一般在200℃以下。如超过250℃。铝表面会形成高温氧化物，这些氧化物很难被钎剂去除。

2.高温区1区500±30℃ 2区600±20℃ 3区630±10℃ 4区615±5℃ 5区615±5℃ 6区615±5℃在此区间。钎剂融化，使产品焊接成型，温度过高，焊缝易形成气孔。温度过低，钎剂没有充分熔化，缝隙不能被填满。

3.冷却区，芯体风冷降温，为产品出炉、操作人员接活准备，出炉温度为略高于常温。

二.氮气浓度设定直接关系焊接质量，氮气环境的目的是隔离氧气，避免产品氧化。氮气在炉内最关键的钎焊段流入而流向炉的入口和出口处。以此防止炉外杂质气体的侵入。炉内的氧含量越低越好，由于钎焊炉进出口是相对开放的（用于进出工件），因此氧的混入是不可避免的。氮气浓度太低会直接影响焊接效果，造成产品表面及内部氧化发黑。所以控制在适当的范围即可。此工作可通过氧气分析仪数据（酸素值：<50ppm）观察，氮气入口阀门控制输入流量。

三.钎剂浓度，铝钎焊就是利用熔点比母材低的铝和铝合金作为钎料，经加热后，钎料熔化，焊件不熔化，利用液态铝钎料来润湿母材，填充接头间隙并和母材相互扩散，将焊件紧密牢固的连接在一起。钎剂是助焊剂与异丙醇按照一定比例调和而成倒入压力罐，然后手工使用喷枪喷涂在芯体表面，接头部位需要特殊涂抹。产品进炉后，异丙醇挥发，钎剂残留在芯体表面，参与焊接，助焊剂少，焊接不良也会造成焊缝未填满，助焊剂多，形成结晶或翅带过烧，影响外观。在作生产准备时，钎剂附着量需要进行首件检查，芯体干燥后钎剂残留量一般在8.5±4g/台。如果重量不符，需调整喷枪压力直到合格。

四.传送链速度，速度快焊接时间短，生产效率高。速度慢焊接时间长，相应效率低。但是并不是焊接时间越长越好，对于翅片来说，由于翅片较薄过度高温加热或造成翅片卷曲变形（过烧）。同时链速过快，可能造成钎剂熔化不充分，焊接不良。尤其层流板之间如果焊接不充分，可能造成泄漏隐患，对于空调，这是大的质量缺陷。所以必须根据产品类型、特征设定适合的链速。对于两个基本产品类型蒸发器芯体（PAF）和冷凝器芯体（MFC）必须使用不同的链速进行加工，MFC体积大但较薄，链速较快，PAF体积小且较薄设定链速稍慢。一般根据产品外形尺寸特征设定PAF链速范围480～600mm/min，MFC链速范围880～960mm/min。

五.其他参数：1）为保证焊接效果，设定产品间距也很重要，一般来说MFC尺寸较大，焊接时需要吸收较多的热量，所以产品间间距适当加大。而PAF尺寸相对较小吸收热量少，相邻两件间距适当缩短，而且同时两件并排进炉。经过反复实验，最终设定两种产品间距参数：MFC：560mm±50mm PAF：435mm±50mm。

2）导件数量的设定：在产品进炉前，为了均匀炉内的温度，避免局部温度差异造成产品焊接不良，需要使用预加热件平衡炉温。一般用报废的产品（铝制），在产品前20排 产品后10排排列，一般进炉件首尾两端的产品焊接不好，往往都是省略了这个环节。

钎焊炉效率提高：由于NB钎焊炉价格较高，一般空调企业在进行规划产能时，只配备1台钎焊炉，所以一般生产时，炉温不变，调整链速分别进炉加工PAF、MFC。而进行品种切换很耽误时间，对于多品种生产钎焊炉成为产能瓶颈。为此提高产量，又不影响质量，需要从钎焊炉结构考虑，钎焊炉最重要的加工过程是在高温区的焊接，其后的冷却过程是辅助过程，对质量没有影响，所以想要提高效率必须从高温区之后的过程想办法。但需要人工对整个过程进行控制。

生产阶段计时控制方式：从最后一件产品进入钎焊炉后，操作人员开始记时，产品入口到冷却区的时间（时间=相应距离/当前件链速），时间到后开始进入下一个品种产品。节省的时间为冷却区到出口距离/后进件设定的链速。以上方法实施后可提高钎焊炉加工效率15%。按照目前接炉区4000mm冷却区5050mm长度，及链速480～960mm/min计算，每次可节省时间9～19分钟。

通过对钎焊炉生产环节的研究，发现设备的加工质量与实际产品状态密不可分，只有根据不同产品设定不同的参数，才能取得满意的质量效果。同时要求操作人员必须严格按照操作流程，才能把钎焊炉的作用发挥到最佳状态。

参考文献

[1]魏东.NB式全自动氮气保护钎焊炉的结构及含氧量的控制.机械设计与制造，2007.03辽宁省机械研究院有限公司，沈阳

金刚石钎焊(下) 篇6

金属粉末的熔融动力学对其粒度尺寸非常敏感, 粒度越细, 熔融过程发展越迅速 (图12) 。

在焊接过程中, 熔融将从最细颗粒的粉末开始, 若粉末粒度不够细, 则熔融过程的起始点将会延迟 (图13) 。

在熔化过程中钎焊将在金刚石附近开始形成, 其过程的进展将一直延续到整个焊接层成为液相 (图14) 。

粉末在熔融前后其整个的液化作用对比如下。在熔融过程中金刚石晶体位于钎焊层的上部, 并被润湿, 同时在液体毛细管力作用下, 将金刚石晶体拉向下部 (图15) 。

7 钎焊金刚石层的剥离

由于化学作用, 金刚石与钎焊相结合, 并包覆在衬底上 (即不锈钢板上) 。该焊接层可由阳极化电镀的逆向工艺将其剥离下来。由于钎焊与衬底的合金化作用, 在剥落过程中界面层将优先融解, 故整个焊接层将会由于阳极作用而会从衬底上脱离下来 (图16) 。

上述实验表明, 不锈钢衬底与镍基焊接层相比, 前者潜在可能性更大, 而增加电流密度有助于焊接层从衬底上剥落下来 (图17) 。

8 降低温度的钎焊

在高温下 (即>1000℃) 用镍基合金对金刚石进行钎焊, 通常易引起金刚石的热损伤。若能采用低熔点的钎焊料则是非常可取的。一种途径是在镍铬合金中添加磷。磷的高蒸气压可能需要焊接时实施外施加压力。含磷的钎焊可能把持金刚石的固着力不够, 故常常使用镀钛金刚石以改善结合强度 (图18) 。

由于钛的氧化含磷钎焊可能不易于润湿金刚石上的钛 (图19) 。

虽然采用磷焊料粘结镀钛金刚石, 其固结强度大于烧结金属胎体的机械把持力, 但在强力敲击下, 金刚石可能自焊接处脱落 (图20) 。

9 陶瓷 (玻璃) 粘结金刚石

金刚石也可采用玻璃质的 (氧化) 材料, 并含有碳化物形成元素 (如Li, Na) 进行焊接。此时, 金刚石可被熔融玻璃所润湿, 也可形成整体厚实的支承钎焊。焊接可在大气下进行, 而无需真空 (图21) 。

10 DLC类金刚石碳膜镀覆的金刚石

类金刚石碳 (DLC-Diamond-Like Carbide) 可用于镀覆焊接的“钻石阵”金刚石, 以防止在酸蚀条件下对焊接层的浸蚀。虽然类金刚石碳也可粘附在金刚石表面, 但它可能被擦掉 (图22) 。

类金刚石碳膜也可被诸如铬酸铁之类强氧化剂所侵蚀, 此时, 类金刚石碳可能产生裂缝或均匀隔离的碎片 (图23) 。

参考文献

[1] C.M.Sung, "Brazed Beads with a Diamond Grid for Wire Sawing" Industrial Diamon Review, (1998) 4/98, 134-136.

[2] C.M.Sung, "Brazed Diamond Grid: a Revolutionary Design for Diamond Saws" Diamond and Related Materials, (1999) Vol.8, p.1540-1543.

[3] C.M.Sung, Y. L. Pai, "CMP Pad Dresser: A Diamond Grid Solution!" Advances in Abrasive Technology, III, N. Yasunaga et al. editors, The Society of Grinding Engineers (SGE) in Japan, (2000) 189-196.

[4] C.M.Sung, "CMP Pad Dresser: A Diamond Grid Solution", 2001 VLSI Multileve Interconnection, Specialty Short Course, Advance Chemical-Mechanical-Planarization Processes, Santa Clara, CA , (2001) 181-220.

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金属饰品钎焊工艺的研究 篇7

钎焊是金属饰品生产中常用的焊接方法, 钎焊分为硬钎焊和软钎焊。通过加热到450℃以上进行的钎焊称为硬钎焊, 钎焊温度低于450℃称为软钎焊。根据焊件连接工艺和强度要求, 金属饰品钎焊属于硬钎焊。钎焊工艺涉及到钎焊的原理、钎料、钎剂和焊接四个方面, 其中钎焊原理是理论基础, 钎料、钎剂是物质基础, 焊接是操作基础。只有四个方面合理的运用, 才能焊接出精美的饰品。

1 钎焊的金属学原理

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料做钎料, 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点, 低于母材熔点的温度, 利用液态钎料润湿母材, 填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的焊接方法。具体过程如下:

1.1 润湿:

在焊接过程中, 钎剂首先熔化并润湿净化母材接头间隙和钎料, 使其获得洁净新表面。使熔化钎料中的原子与母材表面原子间距离接近到发生引力作用的距离, 发生润湿。润湿又通过母材表面的微痕产生的毛吸作用, 铺展润湿, 在液态钎料表面张力的作用下, 钎料全部填满焊缝。

1.2 扩散:

液体钎料在高温润湿同时, 向接触的母材进行扩散。包括表面扩散、晶界扩散、晶内扩散、晶格扩散、选择扩散和反向扩散等多种扩散形式。

1.3 合金化:

经过扩散, 焊缝钎料合金成分有所改变, 当温度降低达到焊缝合金液相线以下时, 母材表面散热条件好, 首先结晶;焊缝中的液体金属也形核长大, 到固相线以下凝固终了, 形成焊缝。

2 钎料

2.1 钎料的选择

钎料是钎焊焊缝的填充材料, 焊件依靠熔化的钎料凝固后连接起来。钎料应满足下列要求:

2.1.1 熔点:

钎料熔点要低于母材150-200℃, 同一种合金的钎料根据成分配比不同可以形成不同熔点的钎料。从合金相图的角度, 钎料应该选择相图共晶点或共晶点附近成分的合金, 这样的合金熔点低, 流动性好, 填充能力强, 最后获得的组织晶粒细小, 有很高的强度、塑性, 韧性好。

2.1.2 颜色:

钎料在性能相近的情况下, 通过调节合金中的成分, 使颜色发生改变。用于金属饰品的钎焊, 要选择与母材颜色最为接近的钎料。

2.1.3 成分:

钎料要有稳定而均匀的成分, 与母材间有一定的溶解度, 焊接过程中不会产生严重的成分偏析及液崩现象。当钎焊贵金属时, 钎料贵金属含量要与母材贵金属含量差别尽量小。

2.1.4 流动性、润湿性和铺展性:

要求钎料熔化后能充分填满焊缝间隙。常加入降低表面能并与母材有较大吸附力的元素 (如镉、锡、铟等) 来改善, 而且钎料合金的熔化温度范围要小。

2.1.5 钎料融化状态下不能产生过多的氧化

物和沉渣, 冷却后没有过多的气孔、缩孔和变色现象, 焊接过程中不能产生过多的有毒物质。

2.2 金属饰品钎焊常用的钎料

2.2.1 金合金钎料:

主要应用金基钎料, 有Au-Ag-Cu系和Au-Ag-Cu-Zn (Cd) 系钎料。Au-Ag-Cu系钎料的熔点在780-950℃, 它可通过改变银和铜的比例调节其外观颜色, 满足钎焊对颜色的要求。Au-Ag-Cu-Zn (Cd) 系钎料是在Au-Ag-Cu系钎料基础上添加锌、镉、钯、镍等元素, 是为了满足饰品对成色 (含金量) 、颜色和钎焊温度的要求。

2.2.2 银合金钎料:

主要应用银基钎料, 此类钎料温度广泛, 焊件精度高, 主要成分是Ag、Cu、Zn, 根据使用目的不同, 它还可以与如镉、锡、铟等组成合金。选用不同成分和不同比例的合金, 可以得到具有不同熔点和强度的钎料, 通常有Ag-Cu-Zn、Ag-Cu-Zn-Cd等。

2.2.3 铜合金钎料:

主要应用铜磷钎料和铜磷银钎料。铜磷钎料 (如B-Cu93P) 具有良好的流动性, 最适宜的焊接间隙为0.003-0.005mm。铜磷银钎料 (如B-Cu70PAg) 不但流动性好而且韧性比铜磷钎料好。

3 钎剂

钎剂是在焊接过程中的钎焊熔剂, 主要作用是除掉母材、钎料表面的氧化物, 保护表面加热时不被氧化, 改善钎料对母材表面的润湿性, 将氧化物的杂质溶解并浮出表面。

3.1 金属饰品钎焊常用的钎剂

硼砂:化学式Na2B4O5 (OH) 4·8H2O, 硼砂是无色晶体, 在空气中风化, 加热至400-500℃可脱水成无水四硼酸钠, 在878℃时熔化为玻璃状物。因为熔融的硼砂中含有酸性氧化物B2O3, 金属焊接过程中许多金属氧化物溶于B2O3, 能清除金属饰品表面的氧化物。

3.2 钎剂的要求

3.2.1 钎剂的熔点和最低活性温度要低于钎料熔点, 并有较宽的活性温度范围, 良好的润湿性和流动性。

3.2.2 钎剂在整个钎焊温度范围内, 各组分保持相对的化学活性和除杂能力, 不应过早失效。

3.2.3 钎剂能充分地溶解和破坏母材和钎料

表面的氧化膜, 保证钎料良好的润湿性和充填母材焊缝的能力, 并在母材和焊缝表面起到足够的保护作用。

3.2.4 钎剂及其溶解的氧化生成物密度应小, 有利于浮在表面, 避免夹杂在焊缝中造成夹杂缺陷。

3.2.5 钎剂及残渣对钎料和母材焊缝腐蚀应小, 焊后容易去除。

3.2.6 钎剂挥发物毒性要小, 对所造成的毒害应注明防护措施。

4 焊接

4.1 焊接操作

4.1.1 清理焊口:要求焊口周围光洁、干净, 无杂质、氧化皮。

4.1.2 施加钎剂:在焊缝上涂硼砂水, 用小火将工件加热, 硼砂开始冒白泡, 水烘干后硼砂沉淀。

4.1.3 用镊子将钎料放到焊缝处, 继续用火

加热工件, 母材颜色呈桃红色时, 焊料熔化填充焊缝, 焊缝处出现白而发亮的线条, 熄灭焊枪, 焊接完成。

4.2 焊接注意事项

4.2.1 钎剂的用法:

在金属饰品制作过程中, 常用的钎剂是硼砂, 也是助熔剂, 因此施加的用量和位置要准确, 防止其它部位熔化。

4.2.2 焊缝的要求:

首先保证焊缝要清洁, 无厚氧化层、污垢, 没有残留硼砂和酸的残液。其次焊缝要结合紧密, 这样在焊接过程中能保证焊件焊口两侧温度相同, 液态钎料在毛吸管作用下迅速填充满焊缝。

4.2.3 施火的要求:

首先要求根据焊件大小选择合适的焊枪。其次要先加热焊口周围后集中加热焊口。第三要保证焊口两侧温度相同, 否则依据布朗运动的原理, 液体钎料将向温度高的方向流动, 不会填充到焊缝中。

4.2.4 钎料的使用:

钎料的用量以够用为原则, 钎料过少焊缝填充不满, 钎料过多还要对其进行修锉, 增大工作量和金属饰品的材料损耗。当同一件饰品上有多个焊点时, 要用不同温度的钎料, 本着先低温后高温的原则。

结语

金属饰品钎焊是个复杂的过程, 熟练的操作技术是关键, 钎料和钎剂的选择是保证焊接成功前提。因此, 要根据不同种类、不同成分金属饰品的特点, 选择合适的钎料, 保证饰品焊接后达到颜色一致、金属 (尤其贵金属) 含量相近、强度达标。

摘要：金属饰品包括贵金属饰品和普通金属饰品, 金属饰品的焊接以钎焊工艺为主。文章介绍了钎焊的金属学微观原理, 以合金相图为理论依据的钎料选择, 金属饰品常用的钎料、钎剂, 焊接操作和注意事项。既有理论, 又有实践。

关键词：金属饰品,钎焊,钎料,钎剂

参考文献

[1]戴恩泰, 李宝绵, 谷云燕.特种工艺学[M].沈阳黄金学院, 1994.

[2]韩文鹏, 李宝绵.贵金属材料学[M].沈阳黄金学院, 1994.

[3]刘道荣, 王玉民.珠宝饰品镶嵌学[M].天津社会科学出版社, 1998.

[4]贾正坤.金银技术监督手册[M].北京:冶金工业出版, 2001.

DZ125合金钎焊工艺验证 篇8

1 试验

1.1 材料。

试验所用试样材料为DZ125合金, 试验所用钎料为Co45Ni Cr WB, 为粉末状钎焊料, 粒度为-200目。

1.2 设备。

钎焊试验是在真空钎焊炉中进行的, 设备的最高工作温度为1250℃, 热态真空压力低于3×10-4乇, 漏气率≤2.0Pa/h。

1.3 工艺

1.3.1 工艺性能试验。

采用Co45Ni Cr WB钎料对DZ125合金进行钎焊润湿试验和填充间隙能力试验。

试验规范:开始升温前, 将炉子抽真空, 真空压力应低于1×10-2 Pa;以 (5~15) ℃/min的升温速率升至 (450±10) ℃, 保温 (30~40) min, 待真空度高于1×10-2Pa后方可继续升温;再以 (10~15) ℃/min的升温速率升至 (1200±10) ℃保温 (20~30) min;随炉冷却 (1180±10) ℃保温2h;再以 (10~15) ℃/min的升温速率升温至 (1220±10) ℃保温 (60~70) min;随炉冷却至 (1200±10) ℃保温 (60~70) min;零件钎焊保温完毕后, 随炉冷却冷至500℃以下允许气淬快冷。真空钎焊过程中, 真空压力应低于1×10-2 Pa, 充氩快冷除外。

润湿试验结果表明:Co45Ni Cr WB钎料对DZ125合金具有良好的铺展、润湿性, 且无残留物。Co45Ni Cr WB钎料填充DZ125合金“T”试样的最大间隙为0.9mm。

1.3.2 钎焊接头力学性能试验。

按接头材料组合制备钎焊接头拉伸和剪切性能测试试样, 并按工艺性能试验的工艺参数进行焊接。

1.3.3 结果。

试样钎焊后, 将钎焊接头及母材高温瞬时和接头及母材高温持久试样加工成标准性能试样, 进行接头的性能测试。结果见表1。

2 结果讨论与分析

DZ125+DZ125对接钎焊接头在950℃条件下的拉伸强度平均值为568.7MPa, 达到了基体强度 (823.3 MPa) 的69%。DZ125+DZ125搭接钎焊接头950℃条件下的剪切强度较稳定, 平均值达到288.7 MPa。DZ125+DZ125钎焊接头在980℃条件下的持久强度为 (97~102.65) h/132MPa, 说明焊缝有很好的高温持久性能。DZ125合金经钎焊热循环和焊后热处理后, 其高温瞬时拉伸和持久强度满足技术条件的要求。

结语

(1) 一定的工艺条件下, Co45Ni Cr WB钎料对DZ125合金具有良好的钎焊工艺性能。

(2) Co45Ni Cr WB钎料所钎焊的对接接头在950℃条件下的拉伸强度平均值为568.7 MPa, 达到了基体强度 (823.3MPa) 的69%。钎焊接头具有很好的高温性能, 且不会使DZ125合金母材性能下降, 说明所确定的钎焊工艺参数合理、可行。

摘要：试验选择新材料DZ125合金采用Co45NiCrWB钎料进行钎焊的工艺验证。通过对新材料DZ125合金钎焊工艺的研究, 掌握了DZ125合金钎焊工艺特点, 并对钎焊焊缝成形进行了深入研究, 确定了最佳的钎焊工艺参数。同时, 获取DZ125合金钎焊接头的组织结构和力学性能数据。为今后开展航空发动机新材料DZ125合金钎焊工艺提供了理论试验基础和性能数据支持。

关键词：DZ125合金,Co45NiCrWB钎料,真空钎焊

参考文献

[1]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 (第二卷) [M].北京:中国标准出版社, 2002.

汽车生产用激光钎焊系统设计 篇9

1 激光钎焊工艺特点

1.1 原理

激光钎焊也称激光填丝钎焊, 是在电弧钎焊的基础上发展起来的一种新的局部硬钎焊技术。与激光熔焊不同, 其焊接原理并不是直接利用激光束熔化母材金属来实现焊接成型, 而是利用激光光束作为热源, 聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面上, 焊丝被光束能量加热, 并熔化形成高温液态金属, 液态金属浸润到被焊零件连接处, 在适当的外部条件下, 在界面层中生成均匀的固溶体及共晶组织, 使之与工件间形成良好的冶金结合。即工件间的连接是通过钎焊层实现的, 而母材本身不会被激光严重熔蚀损伤, 因此焊缝成型美观、质量稳定, 焊后仅需简单处理甚至无需处理。激光钎焊是一个独特的焊接冶金过程, 除了有光和热, 在焊接过程中还伴随着特有的声和电荷的产生。这是因为激光的高能量输入使焊缝上方的环境气体及因受热气化的金属镀层蒸汽发生了电离, 而焊缝上方的这层电离层被形象地称作等离子云。等离子云对激光有吸收、折射和散射作用, 因此一般来说熔池上方的等离子云会削弱到达工件的激光能量, 并影响光束的聚焦效果, 对焊接不利。激光填丝钎焊原理见图1。

1.2 优势及局限性

激光填丝钎焊作为一种新兴的焊接技术, 正在被越来越广泛地应用到生产制造的各个环节中, 特别在汽车白车身制造领域, 激光填丝钎焊已经得到比较成熟的应用。

近些年来, 激光钎焊正在逐渐成为一种替代电阻点焊的工艺手段, 而倍受人们的广泛关注。与传统电阻电焊相比, 以搭接焊结构为例, 激光钎焊具有单面加工、搭边量小 (质量减轻) 、结构强度增加、无电极磨损现象、焊接质量稳定、非接触式加工、焊接速度快、焊接变形小等特点。与MIG/MAG焊及CO2气体保护焊相比, 激光钎焊具有热影响区小、零件不易产生热损伤、填充剂熔化后自然浸润、熔化带宽、无飞溅等特点, 因此可以获得外观质量更好的焊缝, 且不需要经常更换焊炬、喷嘴, 可大大降低加工成本。此外, 由于激光热源本身能量集中, 可精确控制和调节热输入, 使加热及冷却的时间很短, 可获得较高的焊接速度, 故更容易实现自动化。

激光钎焊虽有许多非常突出的优点, 但也存在一定的局限性。激光钎焊因为是用激光做热源, 而激光经过聚焦后光斑尺寸较小, 所以一般焊缝较窄, 这就要求焊接件的装配精度高, 且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移, 若工件装配精度或光束定位精度达不到要求, 很容易造成焊接缺陷。其次, 激光器及其相关系统的成本较高, 一次性投资较大。激光焊接技术复杂, 技术难度大, 涉及到光学、焊接、自动化系统工程等专业技术, 使得激光钎焊系统调试的难度较大, 且系统设备需要专业维护, 若核心设备故障停机或损坏后其修复难度大 (如激光头、光源) , 无形中增加了技术成本。再者, 激光钎焊为不可见光, 危险性大, 所以防护等级高, 一般需要投入特殊的安全防护设施。但正是因为工作现场的高要求, 促进了激光焊接设备向小型化、模块化、高自动化、高稳定性及易维修的方向发展。

2 激光钎焊生产系统设计

2.1 生产线构成

a.激光发生器:产生并输出一定波长的激光光束 (集成水冷却系统) 。

b.光纤:负责传导激光器发出的激光束到激光焊接头 (为保证设备的正常使用, 一般需要有1条备用光纤) 。

c.独立焊接工作间:由于大功率激光器的激光射线可对人造成伤害, 因此为确保安全焊接需在封闭空间内进行。

d.机器人焊接系统:携带激光焊接头, 集成送丝系统, 负责按预定焊接轨迹及焊接参数完成焊接。

e.自动化控制电柜:负责各种电气信号处理, 协调机器人、激光焊接头、激光器和自动化焊接夹具的信号交换。

f.工装夹具:确保零件装配尺寸, 保证焊缝位置的重复精度。

g.抽风系统:焊接时会产生烟雾、有害气体, 需要安装抽风系统。

图2描述的是某批量生产车型的行李箱盖激光钎焊生产线的主要构成, 这条生产线集成了目前比较先进的激光焊接技术, 是某公司引入的第一套激光焊接系统, 也是目前国内首例将光纤激光器运用到批量生产中。

2.2 激光钎焊系统核心设备简介

从图2可以看到, 对于一套应用于汽车生产的激光钎焊系统而言, 其主要的核心设备就是激光发生器、激光焊接头、焊丝输送系统、焊接机器人系统及夹紧工装。激光发生器作为实现焊接的输出热源, 激光焊接头是焊接工作部件, 焊丝输送系统为焊接源源不断地输送焊丝, 机器人系统是自动化焊接的工作载体, 夹紧工装保证零件的定位及装配间隙, 任何一个环节发生变化都会直接影响焊接质量。

2.2.1 激光发生器

激光发生器是激光焊接系统最核心的部件, 是系统的心脏。这套激光钎焊系统最大的特点就是采用IPG全光纤连续脉冲激光器进行焊接, 这也是国内第一次将光纤激光器运用到批量生产白车身上。所谓光纤激光器, 即采用参杂稀土离子、经过特殊封装的特质光纤作为激光介质, 外部导光部分也同样运用光纤进行传导。简单地说, 其最大的特点是激光束完全由光纤传输, 整台机器高度实现光纤一体化。而那些只在外部导光部分采用光纤传输或者LD泵浦源采用尾纤来耦合的激光器都不是真正意义上的光纤激光器。与传统的宝石棒 (YAG棒) 固体激光器相比, 光纤激光器有着非常突出的优势。图3为传统YAG固体激光器基本构成。通过泵浦灯强光照射激光工作介质YAG棒, YAG晶体粒子吸收光能后发生能级跃迁, 进而实现粒子数反转, 并产生受激辐射发出激光。这时的激光射线并不是全部都平行于轴线的, 那些不平行于轴线的光线经由反射镜组成的光学谐振腔内不断地反射, 最终被反射出谐振腔外, 剩下的平行光则经由部分反射镜输出激光, 并耦合入传导光纤传输到工作表面。传统YAG固体激光器, 由于存在大量的非平行光束衰减, 所以激光转换效率比较低, 一般只有30%左右。如果想提高激光转换率, 就必须增强泵浦光能量输入, 但过强的泵浦光又会使谐振腔内的光学镜片发生热变形, 改变镜片的折射率, 即所谓的热透镜现象, 从而降低输出光束的质量。相比之下, 光纤激光器巧妙地将光纤技术和激光原理有机的融合为一体, 很好地解决了激光能量与光束质量这一对矛盾。光纤激光器以参杂稀土离子、经过特殊封装的特质光纤作为激光介质, 运用发光二极管作为泵浦光源, 以刻在纤芯两端、起滤光作用的光纤光栅替代传统的光学谐振腔, 经过特殊的包层封装后制成光纤激光器, 结构见图4。其最大的优势在于, 二极管泵浦光从光纤两端射入光纤内包层, 在光线的内包层来回反射, 不断地穿过参杂稀土离子的纤芯, 稀土离子发生能级跃迁, 实现粒子数反转, 产生受激辐射后经由纤芯输出激光。因为泵浦光进入内包层后来回在里面反射, 很少有光线溢出, 所以其泵浦光的利用率很高, 提高了激光转换效率。且因其纤芯本身充当谐振腔, 没有传统的光学镜片, 避免了热透镜效应, 从而提高了光束的质量。

在现代工业应用领域, 传统的YAG棒其生长速度很慢, 一般小于1 mm/h;而光纤的纤芯只有头发般粗细, 是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维, 原料丰富, 易于加工, 比起稀缺的YAG棒, 光纤则要廉价得多;再加上玻璃材料具有极低的体积面积比, 散热快、损耗低, 所以光纤激光器不需要庞大的热电制冷和复杂的水冷系统, 只需简单的水冷甚至只需普通的风冷即可满足, 这就使得光纤激光器拥有小型化、模块化及集约化的优势。由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片, 避免了热透镜效应以及腔镜对灰尘、水分、杂物和机械振动的敏感性, 使其具有免调节、免维护、高稳定性的优点, 可胜任恶劣的工作环境, 这是传统激光器无法比拟的。光纤激光器的可光纤导光特性, 使其能轻易胜任各种多维空间的加工应用, 使机械系统的设计变得非常简单。

图5为IPG全光纤连续脉冲激光器, 其最大激光功率为3 000 W, 由6个激光功率为500 W的光纤激光模块组成, 外加一个备用模块, 各模块均可实现快速更换。采用内置水冷机, 集成度高, 占地面积小, 现场安装极为方便。由于其对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度, 且有较高的安全级别, 所以可工作于开放环境, 无需特殊环境要求的空调房。这些优点无疑都大大降低了生产消耗成本及维护成本, 也更适应现代汽车工业生产的需求。

2.2.2 激光焊接头

激光焊接头是激光焊接系统的直接工作部件, 其核心部件其实就是一组根据特殊要求组合在一起的透镜组。激光发生器产生的激光经由光纤传导, 被很好地耦合入激光焊接头, 激光焊接头通过透镜组对激光束进行整形、传导, 并最后聚焦到工作面, 利用激光焦点处的高能量来实现焊接。此外, 它还能通过调节焦点到工作面的距离来控制激光能量密度的大小, 使焊接能量输入的可控性得以实现, 所以激光焊接头通常也被形象地称作激光镜头。根据不同的加工需求, 激光镜头可以制作成各种各样不同的形式, 在镜头上集成不同功能的自动控制模块来满足复杂的实际生产要求。介绍的这套激光钎焊系统所采用的激光镜头是德国Scansonic公司生产的ALO3 (Adaptive Laser Optic) 自适应可调节激光钎焊镜头, 其最大的特点是具有焊缝跟踪功能和自动对焦功能。ALO3的工作原理及基本构成见图6。从激光器发出, 经光纤传导的激光束被光纤耦合器1很好地耦合入激光镜头, 自动对焦模块2将发散的光束进行准直后转换为平行光束, 准直后的平行光束再经过反射模块3及二次反射模块6的两次反射后由光学聚焦模块7将激光束聚焦后到达工作面。整个焊接过程可以通过监控模块5进行全程监控, 纵向伸缩臂TA通过自动控制模块STRG与自动对焦模块关联, 实现自动对焦, 安装在伸缩臂上的压力传感器KS通过STRG与旋转动作控制模块4关联, 实现焊缝跟踪。焊缝跟踪及自动对焦原理见图7。焊丝尖点处通过压力传感器感知焊缝形状, STRG捕获压力信号后控制旋转模块实现横向摆动以适应焊缝形状;焊丝尖点处的纵向变化, 以伸缩臂的伸缩量反馈到STRG, STRG控制自动对焦模块内透镜组的伸缩, 使光束焦点始终落在焊丝的尖点处。此外, ALO3还可以通过自动对焦模块来调节光斑大小, 实现对焊接输入能量的控制, 通过旋转动作模块给焊丝施加外力, 使其在焊接过程中始终紧贴着焊缝, 避免发生偏离。

德国Scansonic公司生产的这套ALO3自适应可调节激光钎焊镜头拥有较大的自由度, 能适应多种不同形状焊缝的焊接, 这给生产调试工作带来了极大的方便, 大大地缩短了调试周期, 也使得焊接质量更容易得到保证。

2.2.3 焊丝输送系统

激光钎焊主要靠熔化焊丝来填充焊缝实现焊接, 所以焊缝质量的好坏, 其送丝系统至关重要。激光钎焊焊丝输送系统的工作原理与常见的MIG、MAG焊接的送丝系统基本相似, 都是靠电机驱动压紧轮旋转, 靠焊丝与压紧轮之间的摩擦力来推动焊丝, 使焊丝源源不断地输出。而不同的是, 由于激光钎焊系统的焊接速度快, 对焊接参数的敏感度比较高, 且焊缝窄, 一般都有很高的外观要求, 所以对送丝速度的精确性及送丝的平顺性要求很高。图8所示为采用盘状丝输送方式的激光钎焊送丝系统的主要构成。为确保焊丝的稳定输出, 采用两级送丝机构, 焊丝盘被安装在从送丝机一侧, 从送丝机的主要作用就是确保抽丝顺畅, 尽量为主送丝机削减丝盘的转动惯量所产生的抽丝阻力。而主送丝机被安装在尽量靠近焊丝输出口一侧, 送丝轮也增加为4个, 如此设计都是为了尽可能地保证焊丝平顺输出, 尽量避免对焊接造成影响。此外, 主送丝机上还安装有焊丝测速器, 可对送丝速度实时监控, 并可以通过控制柜设置所需的送丝速度。控制柜与整个激光钎焊系统的工艺控制柜之间建立有信号通路, 可以实现每次焊接前焊丝尖点到激光靶心的实时补偿, 避免焊缝起始处的缺料缺陷。

为了降低焊接缺陷, 这套系统还集成了焊丝预热装置。所谓焊丝预热装置其实就是电加热装置, 装置的两极分别连接到焊丝和夹紧工装上, 焊接前焊丝与工件接触后形成电流回路, 因为电阻热使焊丝及工件局部被加热到一定温度, 所需加热温度的高低可以通过调节输入电流强弱来控制。焊接前的预热可以给激光钎焊带来两大好处。一方面, 对于焊丝来说, 根据热力学原理, 焊丝熔化所需的加热温度△T=T丝-T常, T丝指的是焊丝的熔点温度, T常指的是焊接前焊丝的常温温度。经过焊丝预热后相当于是提高了T常, T丝是由焊丝的物理特性决定的, 是个常量, 因此T常增加, 则△T减小, 也就是说熔化焊丝所需的热量更少。如果焊接条件 (激光功率及焊接时间) 不变, 焊丝熔化的时间将缩短, 其处于液态的时间将延长, 这有利于因焊接而产生的气体能更充分地溢出, 避免焊缝气孔的产生。另一方面, 对于工件而言, 预热电流也会使工件与焊丝接触的地方局部受热, 加热后的工件表面将会降低对激光的反射率, 更好地吸收激光热量, 加热后的工件也更有利于液态焊丝的润湿和铺展, 更易于形成美观的焊缝。

2.2.4 焊接机器人系统

焊接机器人是激光钎焊系统的执行单元, 它的任务就是携带着激光焊接头, 按照预先编制好的焊接轨迹并调用相应的焊接参数来完成焊接。之前, 编制好的各项参数, 如激光器的激光功率、激光镜头的焦点能量、送丝机的送丝速度及机器人的焊接速度等, 经由工艺控制电柜调配到各个焊接轨迹点, 机器人通过空间运动, 逐点执行这些配以参数的轨迹点以完成焊接。合理的焊接轨迹对保证焊接质量至关重要, 图9为激光钎焊系统焊接轨迹参数的设置。根据实际零件焊缝的形状及焊接质量要求, 整个焊接轨迹需要设置多个不同的特征点, 每个特征点均被赋予一系列的焊接参数及机器人轨迹姿态参数等信息。为了方便调整焊接质量, 原则上焊缝的形状越复杂则焊接轨迹需要划分的特征点越多, 但是过多的特征点会使焊缝的连续性降低, 影响外观质量, 所以在编制轨迹时, 应结合实际的情况进行调整。而对于激光钎焊来说, 其对机器人的焊接姿态参数比较敏感, 使得轨迹调试的难度较大。为此, 可设置多个机器人姿态的角度调节参数, 给调试工作提供更大的自由度, 能更容易获得好的焊缝质量。

2.2.5 夹紧工装

激光钎焊由于热输入量小, 焊接速度快, 焊缝较窄, 一般焊缝的宽度只有2 3 mm, 所以通常零件之间的夹紧间隙要求控制在0.1 0.3 mm的范围内, 且重复精度要在0.2 mm以内。要保证如此高的夹紧间隙, 夹紧工装必须要经过特殊的设计。图10为系统零件夹紧工装的3D设计图。为了满足激光钎焊的间隙要求, 这套夹紧工装设计了多级夹紧限位机构 (图10中1、2、3所示) , 按一定的夹紧顺序完成夹紧, 目的是尽量降低因零件本身型面不稳定而造成的夹紧间隙的波动。此外, 在靠近焊缝区域的主定位夹紧面采用了分块设计, 即将整个定位夹紧面均等分割为多个小块, 每个小块均由各自的气缸驱动实现夹紧。分块设计比起整体设计更有利于夹紧面的散热, 大大减小了夹紧面在焊接过程中的受热变形。同时, 分块设计也使得主夹紧面可实现分开调整, 更有利于实现整条焊缝夹紧间隙的均匀一致。

3 结束语

在欧美等发达国家, 作为新技术应用的先驱者, 激光焊接已经变得越来越普遍, 大有取代传统焊接技术的趋势。随着我国正在逐步变成世界最大的汽车产销大国, 越来越多的新制造技术将会被国内的汽车企业应用, 激光焊接技术作为新制造技术的代表, 必将广泛地应用在汽车制造领域。

摘要：激光钎焊作为一种新兴的加工技术, 因其具备高效、焊缝美观的突出优势, 被越来越广泛地应用于汽车制造领域。以某批量生产车型的行李箱盖激光钎焊系统为例, 介绍激光钎焊生产线的设计构成, 并着重分析激光钎焊系统主要核心设备的技术特点。

钎焊方法 篇10

关键词： 中频感应钎焊；端环；导条；铬锆铜

中图分类号： TG147.44

0 言

哈尔滨电气动力装备有限公司承制的某项目交流电机的铜条转子与端环的钎焊，其结构为50根铜条插入端环圆周排列的腰形孔中，以往此类结构铜条与端环均采用无氧铜或黄铜材料，使用铬锆铜材料尚属首次。产品钎焊前需对该种材料及钎缝的常温及高温力学性能进行试验和研究。另一方面，电动机端环与导条整体中频感应钎焊方法因其生产效率高，焊缝质量好，已在国内外得到广泛应用，但综合该产品结构，端环外径为570 mm，导条插入端环深为46 mm，在此结构中应用整体中频感应钎焊尚属首次。由于没有可供参考的技术资料，所以在产品钎焊前首先进行了焊接性试验，通过试验研究，确定了合理的钎焊工艺方案。

1 模拟后铬锆铜的力学性能

铬锆铜具有良好的钎焊性，硬钎焊容易实现。铬青铜的硬钎焊不应在其固溶—时效状态下进行，而应在其固溶处理状态下钎焊，之后进行时效。试验通过对铬锆铜材料试样选取接近固溶状态处理状态的不同温度下进行模拟高温处理[1]，对比处理后试样的常温及300 ℃高温拉伸力学性能，从而选取合适的钎焊温度，进一步选取合适的钎焊材料。

模拟热处理前后的常温力学性能结果如表1所示，高温性能如表2所示。

对比成品材料的常温及300 ℃高温性能可以看出，随着处理温度的升高，300 ℃高温状态的母材强度下降明显，塑性提高。

综上所述，钎焊温度越高，铬锆铜材料的强度下降越多。因而对于铬锆铜材料的钎焊应采用熔点低的银钎料，以快速加热法进行钎焊。 表3列出了几种常用的低温银基钎料的钎焊温度，其中BAg56CuZnSn的钎焊温度较低，钎焊工艺性能较好，适用于铬锆铜材料的钎焊。

铝-钛异种金属钎焊技术的研究 篇11

钛及其合金具有熔点高、线膨胀系数和弹性模量小、强度高、无磁性、中温强度和低温韧性良好以及耐腐蚀性优良等一系列优点[1]。而铝及其合金具有密度小、比强度高、耐锈蚀性好、热稳定性好、成形容易、再生性好以及价格低廉等诸多优点[2]。因此二者在航空航天、国防、石油工业等领域被广泛应用。但是铝合金的强度及耐热性较低,而钛合金密度较大、价格较高。因此随着航空发动机、汽车及飞机结构设计领域对“减轻质量、提高推重比、增加有效载荷”的要求越来越高,将铝合金与钛合金焊接形成复合结构的需求愈加迫切[3]。因此,铝-钛异种金属的复合结构在未来有着广阔的应用前景和使用价值,而焊接技术在复合结构的优化和设计过程中将发挥不可替代的关键作用。

1铝-钛异种金属的焊接性分析

首先,在物理性能方面,铝和钛相差较大。例如,钛的熔点比铝高1000多摄氏度,热导率约为铝的1/20,而线膨胀系数也仅为铝的1/3(如表1所示)。因此二者在焊接时,尤其是在熔化焊过程中,会产生很大的焊接应力,在应力作用下易产生焊接变形和裂纹,从而降低接头性能,影响其可靠性。

其次,在化学性质方面,铝与钛的化学活性均非常强,极易在表面生成致密的氧化膜,从而降低其表面润湿性,最终增加二者之间连接的难度。此外,通过铝-钛二元合金相图 (图1)可知,它们之间固溶度较低,且在不同温度下可以形成多种金属间化合物,从而增加接头的脆性,降低焊接接头的力学性能。

由此可见,选择合适的焊接方法和工艺,对于实现铝-钛异种金属之间的可靠焊接至关重要;而对于二者连接技术的研究具有重要的工程应用价值和科学研究意义。

2铝-钛异种金属钎焊的研究现状

钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作为钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔点,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散,从而实现母材之间连接的方法。因此,该方法是一种比较适合物理性能与化学性质相差较大的铝-钛异种金属焊接的技术之一。近年来,随着焊接技术的不断发展,电磁感应钎焊、熔钎焊、搅拌摩擦钎焊等新兴技术也已经被成功应用在铝-钛异种金属的焊接领域。

2.1真空钎焊

国际上对于铝-钛异种金属钎焊技术的研究工作开展得较早。在20世纪80年代末期,日本学者Takemoto等[4]通过向纯铝中加入Cu、Ag、Si等元素,制备出Al-30Ag-10Cu、 Al-10Si-1Mg、Al-10Cu-8Sn和Al-Cu-Mn-Cr等多种合 金钎料,并采用上述钎料成功实现了铝-钛异种金属的钎焊连接。 这种通过添加合金化元素降低钎料熔点的方法,为铝-钛异种金属钎焊技术在钎料制备方面的研究奠定了基础。

由于粉末钎料容易氧化,其表面的氧化膜会阻碍钎料之间以及钎料与母材之间的相互反应,因此Lee等[5]首先将钎料制成箔片的形式,然后进行铝合金与钛合金的钎焊。选用的钎料为AlSi10Mg,钎焊温度控制在580~640 ℃ 范围内。 研究发现,相比于粉末钎料,箔片钎料能够有效降低氧化膜对于焊接过程的不利影响。在靠近铝合金一侧,界面反应层的成分为Ti9(Al,Si)23;而靠近钛合金一侧,界面反应层的成分为Ti7Al5Si12。由于铝基钎料与铝合金母材之间熔点相差不大,因此对于焊接工艺的控制比较困难。随后,Sohn等[6]通过降低上述钎料中Si元素的含量、增加Mg元素的含量, 制备出Al-Si-10Mg箔片钎料,通过cp-Ti和1050Al异种金属的焊接实验表明,合金元素成分的调 整降低了 钎料的熔 点,因此能够在一定程度上起到降低钎焊温度的作用。但是由于在 界面处形 成了非连 续的Ti5Al12Si3和连续的Ti7Al5Si12金属间化合物,因此仍然未能避免钎料与母材反应生成的金属间化合物对于接头性能的不利影响。此外,需要指出的是,关于接头中不同金属间化合物的形成机制仍有待于进一步深入研究,这也是目前异种金属焊接研究的重点领域之一。

近年来,国内学者也相继开展了铝-钛异种金属真空钎焊的研究。鉴于Si元素在降低铝基钎料熔点方面具有重要的作用,因此对于钎料制备技术的研究,主要集中在Al-Si合金钎料体系。例如,曲文卿等[7]通过向Al-11.5Si合金中添加少量Mg元素,采用箔状钎料的形式进行了铝-钛异种金属的钎接。研究发现这种工艺可以起到降低钎料熔点、促进钎料与母材之间扩散反应的作用,但是在界面处钎料与母材反应生成的金属间化合物仍是影响接头性能的主要原因。

为了进一步降低金属间化合物对接头性能的影响,赵鹏飞等[8]在Al-Si合金基础上,通过向钎料中添加不同含量的Sn和Ga元素,制备出Al-Si-Sn-Ga多元合金钎料,并重点研究了两种元素对于界面处金属间化合物的影响。实验结果表明,上述两种元素可有效抑制脆性相的形成,从而改善接头性能。同时,胡刚等[9]研究了Sn和Ga元素的添 加对于Al-Si钎料的熔点和润湿性方面的影响,通过LF21铝合金和TC4钛合金钎焊实验表明,添加两种元素可以起到降低钎料熔点、提高钎料润湿铺展性和接头力学性能的良好作用。由此可见,通过Sn和Ga元素的合理匹配以及钎料中成分的优化、设计,对于改善接 头组织、提高接头 性能具有 重要的作 用。除了Sn和Ga元素之外,Chang等[10]还对Cu和Ge元素的作用进行了研究。通过6061铝合金与TC4钛合金的真空钎焊实验发现,界面处虽然也生成了多种危害接头性能的化合物组织(如图2所示),但是通过界面处微观组织的演变过程与接头性能的分析发现,Cu和Ge元素的添加可以有效降低Al-Si钎料的熔点,并且可以改善钎料在钛合金表面的润湿、铺展性能。综合上述分析可 见,在Al-Si钎料的基 础上,通过添加多种合金元素,制备出综合性能良好的多元合金钎料,是实现铝-钛异种金属钎焊的有效途径之一,但是对于多元合金钎料与母材之间反应机制的研究目前仍处于起步阶段,亟需深入。

综合国内外对于铝-钛异种金属真空钎焊的研究结果可见,国外在相关领域的研究工作起步早,研究范围也比较广泛;而国内虽然起步较晚,但是通过坚持以Al-Si钎料作为基础、以多元合金钎料的制备为发展方向进行深入研究,近年来在铝-钛异种金属钎焊领域的研究取得了长足的进步。但是如何减小钎焊过程中形成的金属间化合物对于接头性能的不利影响,仍是亟需 解决的问 题。目前虽然 已发现Sn、 Ga、Cu和Ge等元素的添加能在一定程度上改善钎料以及接头的性能,但是对于多元合金钎料与母材的作用机制的研究尚需深入。

2.2高频感应钎焊

感应钎焊是将需要焊接的金属工件放在感应线圈内,通高频交流电,产生感应电磁场,依靠在金属表面产生的涡流发热作为热源的钎焊技术。王奇娟等[11]通过自行研制出的钎料及其匹配的钎剂,采用高频感应钎焊方法对LF21铝合金和钛合金(TC4、TA1、TA2)管材进行了连接。研究表明, 由于高频感应钎焊时间非常短,因此金属间化合物还来不及大量形成,钎料与母材之间实现了良好的连接,界面处也未发现大量脆性化合物相的生成,这有利于 接头性能 的提高 (如图3所示)。

虽然感应钎焊相比于真空钎焊具有焊接速度快的优点, 但是由于只适合于管材的焊接,因此在技术应用方面受到了一定的限制。此外,快速的升温与焊接过程可以降低焊缝中金属间化合物的生成量,但是对于界面处化合物形成、生长速度以及分布状态的控制相对困难,这也是该技术大规模应用于铝-钛异种金属焊接领域过程中需要解决的一个问题。

2.3熔钎焊

熔钎焊是利用两种母材在熔点上的差异,在焊接时低熔点母材发生熔化,而高熔点母材始终保持固态,从而避免两种金属液相混合而生成大量脆性金属间化合物的方法。由于铝和钛这两种金属的熔点差别较大,所以在焊接过程中, 可以通过对热源的控制,使低熔点的铝母材发生熔化,而高熔点的钛母材仍保持固态。铝与钛之间通过相互扩散反应, 最终形成钎焊界面而实现连接。因此通过熔钎焊技术进行铝-钛异种金属的焊接,可以避免金属间化合物的大量生成, 有利于接头性能 的提高[12]。目前在铝-钛异种金 属熔钎焊 中,研究较多的是电弧熔钎焊和激光熔钎焊技术。

2.3.1电弧熔钎焊

Nesterow等[13]进行了铝合金与钛合金管材的电弧熔钎焊(对接)技术的研究,成功解决了两种金属管材在焊接过程中易形成热裂纹缺陷的问题。随后Korenyuk[14]以及Osokin等[15]相继实现了铝-钛异种金属板材的电弧熔钎焊,但是发现采用普通电弧焊 的方式,对热输入 的控制比 较困难。而Kempa等[16]通过熔化电极加热的方式,成功地减少了焊接过程的热输入,实现了铝-钛座椅导轨结构件的焊接,进一步证实了该工艺在工业领域应用的可行性。此外,上述研究成果也表明,如何实现对于电弧能量大 小以及分 布状态的 控制,是进一步提高铝-钛异种金属熔钎焊的关键。

为了提高对于电弧能量的控制,兰州理工大学[17]采用焊接过程稳定的冷金属过渡熔钎焊技术,利用普通的AlSi5焊丝对6061铝合金和TA2纯钛进行了焊接,焊缝成形美观。 局部熔化的铝母材与熔融的焊丝混合后形成焊缝,焊缝金属与微熔的钛母材形成3个钎焊界面,钎焊界面主要成分为较薄的TiAl5金属间化合物。随后山东大学[18]采用脉冲电流的方式也实现了对于电弧能量分布的改善,通过2.5mm厚2024铝合金和TA15钛合金板材焊接实验表明,采用脉冲电流的方式可以降低界面位置形成裂纹的敏感性,但是在熔合区仍会生成Al-Ti金属间化合物组织,影响接头的性能。由此可见,通过焊接方式的改变,能够起到提高焊接过程稳定性、获得成型较好的焊缝以及降低裂纹敏感性等作用,但是仍然无法避免金属间化合物对于接头性能的不利影响。

随后,哈尔滨工业大学[19,20]一方面通过匙孔型电弧熔钎焊技术改善了电弧的能量分布;另一方面 通过采用Al-CuLa、Al-Cu-Zr两种新型焊丝改善了界面处生成的化合物的相结构。通过上述方式成功实现了2mm厚铝合金-钛合金板材的单面焊双面成形,获得了抗拉强度达到256 MPa的接头。研究也证实La和Zr元素对于新型界面组织的形成起到了重要的作用,其中La元素会使界面生成Ti2Al20La相; 而Zr元素的加入会形成Ti(Al,Zr)3置换式固溶体,最终使界面反应层强度得以提高,进而提高接头性能。

由此可见,在铝-钛异种金属电弧熔钎焊的研究中,对于电弧能量的控制主要是起到提高焊接过程稳定性的作用;而对于钎料综合性能的改善才是改善焊缝组织和提高接头强度的关键。因此,在改善电弧能量分布的同时,合理地制备、 选择以及设计钎料是铝-钛异种金属电弧熔钎焊技术的重点研究方向之一。

2.3.2激光熔钎焊

相比电弧熔钎焊技术,激光熔钎焊技术具有加热位置和能量输入精确可控的优点,因此其在异种金属熔钎焊领域的应用受到广泛重视。

德国Kreimeyer等[21]通过激光直接作用于钛合金的方式,在钛合金保持固态的条件下,通过热传导的作用使铝发生熔化,从而实现二者的连接,并且获得了较好的接头性能。 Vaidya等改变了激光的作用位置[22],通过激光束作用于铝合金上,使铝合金熔化包裹在钛合金上,与钛合金直接形成焊接接头,由于在钛-铝界面上只生成TiAl3相,接头强度最高可达255MPa。然而需要指出的是,这一方法对焊件的装配要求比较苛刻,并且对于焊前处理的要求也比较严格。

倪加明等[3]以CO2激光为热源,将AlSi12焊丝作为填充材料,对5056铝合金-TC4钛合金异种金属的激光熔钎焊技术进行了研究。研究发现,裂纹起源于结合不良的钎焊界面底部,断裂于紧邻钛侧的钎焊界面上。其接头平均抗拉强度为298.5MPa,达到铝母材抗拉强度的85.3%。但是以AlSi12焊丝作为填充材料,在一定程度上增加了工艺控制的难度,因此陈树海等[23]采用无添加材料技术,对于LF6铝合金和TC4钛合金板材进行了激光熔钎焊研究(如图4所示),焊接接头的平均强度也可以达到铝母材抗拉强度的85%以上, 接头强度与填丝焊接技术相当,因此该技术在一定程度上简化了焊接工艺。除了上述在接头工艺与性能方面的研究以外,Song[24]重点研究了铝-钛异种金属接头的界面组织。通过对6061铝合金和Ti-6Al-4V钛合金激光熔钎焊接头的研究发现,由于熔化的铝合金与钛合金反应,在界面处主要生成了TiAl3金属间化合物,且化合物层厚度较薄。所以相比于电弧熔钎焊,激光熔钎焊接头的强度略有提高。但是AlTi金属间化合物仍然是决定接头性能的最重要原因,因而Al-Ti化合物的种类、数量以及分布状态都会对接头的性能产生直接的影响,需要引起重视。

综上对于熔钎焊技术研究的分析可见,该技术可有效降低焊缝中金属间化合物的生成,获得良好的力学性能,但是仍然存在相应的问题。对于电弧熔钎焊技术而言,其焊接过程中对其热输入的精确控制较难实现,极易造成焊缝中间的钛合金层熔化,从而与液态的铝合金发生剧烈反应,生成大量、连续的金属间化合物,恶化接头的力学性能[24];而对于激光熔钎焊技术而言,其接头温度变化过程迅速,由于焊缝两侧母材在热物理性能方面的差异,极易导致焊缝各区域温度的不均匀分布,导致接头组织的明显差异,从而影响接头性能。此外,上述技术并不适合于大面积连接结构的焊接,例如铝-钛散热器等的焊接[25]。

2.4搅拌摩擦钎焊

搅拌摩擦钎焊(图5)是指在搅拌摩擦焊技术基础上,在母材之间添加一层钎料,随后采用搅拌摩擦焊技术对母材进行钎焊连接的技术。该技术在铝-钛焊接领域应用的研究虽刚刚起步,但备受关注。张贵锋等[26]以铝板和TC4合金板为母材,选择Zn作为钎料,进行大面积搭接搅拌摩擦钎焊的研究。研究发现,通过工艺的优化,可获得断裂于铝合金母材的良好接头。虽然该技术的相关报道较少,但是从现有的研究成果以及搅拌钎焊技术的特点分析,该技术具有高效、 免保护、去膜理想、可达范围宽、界面致密以及性能稳定的优点,因此在铝-钛异种金属的焊接领域将具有重要的应用前景,已开始引起国内外学者的广泛重视[27]。

3结语