不锈钢真空钎焊.pdf

收稿日期:2004203202作者简介:姜虹(19752),女,江苏省高邮市人,在读硕士。不锈钢真空钎焊姜虹,张礼敬,杨静(南京工业大学,江苏南京210009)摘要:简述了不锈钢真空钎焊技术的应用、原理、工艺及设备情况,并概述了不锈钢真空钎焊技术的发展趋势。关键词:真空钎焊;不锈钢中图分类号:TG454文献标识码:B文章编号:100220322(2004)0320065205Vacuum brazing for sta inless steelJ I AN G Hong,ZHAN G L i2jing,YAN G Jing(N anjing U niversity T echnology,N anjing210009,China)Abstract:Describes the vacuum brazing process for stainless steels,including the operating principle,applications,techno2logical process and equipment needed.In addition,its developmental trend is discussed.Key words:vacuum brazing;stainless steel钎焊技术可用来连接不同种类、形状特殊、结构复杂的工件,其接头具有较佳的综合性能,且钎焊生产率高,易于实现自动化生产。所以真空钎焊技术从上世纪四十年代开始至今已发展成为一种极有前途的焊接技术,在世界工业发达国家得到迅速的发展和广泛的应用,是近年来最活跃、最具发展潜力的专业领域之一。真空钎焊技术最早出现在电子工业上钎焊铜和不锈钢零件,后来又应用到航空工业及原子能工业。不锈钢材料以其良好的抗腐蚀能力在石油化工领域得到广泛应用,近年来在真空钎焊不锈钢技术方面的研究取得了一定的进展15。1不锈钢真空钎焊的原理钎焊是一种金属热连接方法。真空钎焊是指在真空保护气氛下,将温度升至钎料熔化温度,利用液相钎料的凝固以及和母材之间的扩散来实现金属间的连接,钎焊的显著特点是钎焊温度低于母材的熔点,与其它焊接方法相比,对母材影响小,不会出现热影响区。钎焊时钎料对母材的润湿、铺展和流动过程对钎焊质量起着极其重要的作用。钎料不润湿母材,就无法实现钎焊;钎料不在母材上铺展、流动和填缝,就不可能形成良好的钎焊接头。在不锈钢表面总存在一薄层氧化膜,是熔化钎料润湿母材的主要障碍,因此其氧化膜的去除对钎焊质量有重要影响。不锈钢表面的氧化膜在真空加热过程中被去除的原因可能有以下几种。氧化膜分解不锈钢氧化膜中的Fe2O3在900真空度1023Pa条件下会发生分解反应Fe2O323Fe3O4+16O2,研究表明,产物中的Fe3O4要继续还原成Fe,真空度要达到1028Pa,实际情况不能满足,故Fe3O4不能继续分解。氧化物挥发在1000以上,1023Pa压力下,Cr2O3、Fe2O3以及不锈钢氧化皮会发生挥发现象,不锈钢氧化物会因挥发而排除。碳的还原作用碳是众所周知的还原元素,随着温度的升高,其还原能力也愈强,并且在真空条件下的还原能力更为明显。在900,一氧化碳分压低于5.81022Pa时,就会发生还原反应FeO+CFe+CO第41卷第3期2004年5月真空VACUUMVol.41,No.3May.2004E夏格罗特通过1Cr18N i9T i不锈钢的润湿性试验发现,在真空钎焊时,900时其表面上的氧化膜由于分解和受到碳还原作用首先开裂,当钎焊温度高于1000时,氧化物的挥发对去除氧化膜也起到一定的作用。但钎焊时不锈钢表面氧化物在1000真空加热温度下并没有完全被去除,此时熔化的钎料渗过表面氧化层的裂缝优先在母材上沿晶界或表面上的沟槽进行铺展,由于固态的母材向液态钎料溶解,降低了固液界面张力,使液态钎料能够很好地润湿铺展1,两种材料元素相互扩散,凝固时发生冶金作用,从而形成了良好的钎焊接头。2不锈钢真空钎焊用钎料用作真空钎焊的钎料,通常有A u基钎料、A g基钎料、Cu基钎料以及N i基钎料1,6,7。在选择钎料时,经常根据在特殊介质里的耐腐蚀性和在已知的操作温度的适用性来选择。常用钎料的成分及钎焊温度范围如表1所示。表1常用钎料的成分及钎焊温度范围Table 1Composition of f iller metals and brazing temperatureAW S分类成分(%)温度()AgCuZnCdN iCrSiSnBFe其它固相液相钎焊BAu24-余量-81.5 Au9509509501005BAg2145151624-607618618760BAg235015.515.5163-632688688816BAg27562217-5-618652652760BCu21-99.9-1082108210931149BCu22-86.5-1082108210931149BN i21-余量144-3.54.50.75 C977103810651205BN i22余量74.5-3.530.06 C97199910101180BN i27-余量13-10 P8888889301095在这些常用钎料中,A u基钎料主要由A u、Cu或N i组成。A u2Cu钎料的蒸气压低,合金元素不易挥发,特别适宜于电真空器件的钎焊。A u2N i钎料塑性好,钎料本身无化合物相,不会在钎缝中出现脆性相,接头塑性好、钎焊质量可靠。但是金基合金需要的钎焊温度高,成本高,因此只在航空、航天和电子工业中特殊场合应用。A g2Cu二元合金通常用于钎焊不锈钢,这也是低温区813 K878 K(540 605)第一批采用的合金。银基钎料通常是含有铜、锌和镉的四元银基合金,这类合金呈现高的延展性,熔体有良好的流动性和浸润性,但是这类合金的钎焊温度范围正是不锈钢析出碳化物的敏感温度范围(500 850),从而引起母材的耐腐蚀性降低8。Cu基钎料钎焊温度高且必须在保护气氛中进行钎焊,因此铜钎料的应用一般只限于炉中钎焊。用铜基钎料钎焊的主要优点是能够形成高强度的钎焊接头,且成本较低,故铜基钎料在不锈钢高温钎焊中有广泛应用9,10。镍基钎料作为一种高温钎料,在机械、化工、航空、航天等领域中得到了广泛的应用。镍基合金具有优良的耐腐蚀性能且相对成本较低,因此,目前镍基钎料的种类很多,并且有的已标准化,而常用的为N i2Cr2B2Si系列钎料,由于其中含有较多的B、Si、P等降低合金系熔点的元素,这些元素易于与Fe、N i等形成多种共晶体,所以钎料一般都很脆1113。3不锈钢真空钎焊设备真空钎焊设备主要由真空炉和真空系统组成。真空炉由真空室、加热器、控制系统等组成。真空炉可分为冷壁真空炉和热壁真空炉两类2。热壁真空炉是早期应用真空钎焊的设备。它的加热部分由箱式炉和真空室组成。真空钎焊时,被焊零件置于真空室内,抽真空达到焊接所需的真空度后送入箱式炉进行焊接,焊接完成后,再退出炉外冷却。热壁真空炉的特点是制作容易,成本低,生产效率高,适用于中小型零部件的小批量生产。但是,热壁真空炉炉温均匀性差,不适合于大型零件和复杂66真空VACUUM第41卷件的生产。由于热壁真空炉的致命缺点(炉温均匀性差),从而出现了冷壁真空炉。冷壁真空炉自备加热器,炉壁为双层循环水冷结构,并在炉壁与加热器之间布置了多层反射屏,以提高真空热辐射率。随着技术的发展,冷壁真空炉的结构不断改进,出现了多室半连续性真空钎焊炉和炉内快冷循环系统的真空炉。特别是炉内快冷循环真空炉的产生,不仅能进行焊接,而且还可以直接在焊后进行热处理,这样既提高了生产效率,又减少了零件的变形4。真空系统主要包括真空机组、真空管道、真空阀门等。真空机组通常由旋片式机械泵和油扩散泵组成。要获取高真空必须使用油扩散泵使真空度达到1.01023Pa级。4不锈钢的真空钎焊工艺对不锈钢真空钎焊而言,钎焊工艺参数的优化是取得优质钎焊接头的保证。不锈钢真空钎焊的主要工艺包括钎焊温度、保温时间、钎焊间隙和后扩散处理等14。钎焊温度是决定产品质量的关键,它既要保证钎料能最大程度充分液化并流动,又要保证母材变形危险减小到最低。根据钎料化学成分的不同,钎料熔化温度也不同,一般应高于钎料的固相线,但低于液相线,确保在钎焊温度下钎料的熔化、流动性和湿润性处于最佳状态。钎焊时间决定了钎料中元素对母材的扩散程度,是影响钎焊接头的一个重要因素。如果钎焊时间太短,钎料中的某些元素,如镍基钎料中的Si、B等元素不能充分扩散到母材,从而在接头处形成脆性相,影响接头性能。当钎焊时间达到一定值后,钎料对母材的溶解达到饱和,再延长保温时间,母材的溶解厚度基本保持恒定,反而会造成钎料中某些元素挥发,影响接头性能。因此保温时间选择应在保证钎料充分润湿母材的前提下,采用尽量短的原则。一般不锈钢真空钎焊的保温时间为1015 m in14。钎焊间隙决定了钎料元素对母材的扩散距离,从而会对钎焊接头的机械性能有很大影响。通过对于常用的N i2Cr2B2Si系列镍基钎料的研究发现,在钎焊过程中,钎料中的Si、B、P等这些非金属元素会向母材扩散,当钎焊间隙较小时,钎缝中这些元素的含量少,扩散距离又短,所以可以在较短时间内得以充分扩散,钎料凝固时形成组织均匀的钎缝,变为镍基固溶体。反之,钎焊间隙较大时,钎料中元素含量增多,扩散距离增大,扩散不能充分进行,从而在钎缝中形成一些片状或板状的脆性物,引起钎缝脆性,使钎焊接头的强度和塑性急剧下降。大量实践证明,最小的接头间隙可得到最高的接头强度。要获得高质量高可靠性的钎焊接头,控制间隙是绝对必要的7,11,12。真空钎焊炉的真空度也是影响产品质量的主要原因之一,它有效降低炉内氧分压,破除组件表面的氧化膜,并使组件在高真空下不再重新氧化。因此一般要求真空炉真空度在11023Pa以上5。5不锈钢真空钎焊技术发展趋势真空钎焊技术因为其自身的优越性,不仅在许多尖端部门得到广泛使用,而且近年来,随着科技发展,在民用工业中的应用也越来越广泛。随着家电工业(特别是制冷行业,包括制冷设备,如电冰箱、空调及其三通、四通阀等配件)、汽车工业、电子工业的高速度发展,钎焊技术应用越来越广。因此国内外对不锈钢真空钎焊技术的研究正在不断深入,主要集中以下几方面。5.1新型钎料的开发钎焊材料的生产与电焊条不同之处是:电焊条的技术关键主要在于配方,而钎料生产的关键则在于生产加工工艺。目前在钎焊材料的研究、生产上取得重大进展(无银、低银钎料研究及开发取得了较大进展;低锡钎料及无铅钎料的研究及应用取得较大进展;钎料加工成型技术有新的突破)。不锈钢钎料,尤其是镍基钎料中含有较多的Si、B、P等元素,这些元素易形成许多脆性的共晶体,致使钎料很脆。在钎料向母材金属扩散不够充分的一般条件下,钎料的脆性易于导致钎缝的脆性。在这种情况下,在镍基钎料的钎缝中央部位,会聚集金属间化合物的脆性相,从而降低钎焊接头在静载、动载、热载下的力学性能,并在动载下可能引起钎焊接头顺沿钎缝中央部位发生断裂。因此目前许多有关不锈钢钎焊的研究主要集中在能够减少脆性相生成的新型钎料的开发。钎料成形技术上取得了较大进展,“非晶态”技术取得新突破。非晶态钎料是近年来采用急冷快淬新技术研究和开发出的一种特殊形态钎料。非晶态钎料的成分和组织单一、均匀,钎焊温度上升时,几乎是同时熔化、流动和铺展,解决了以往粉末状晶76第3期姜虹,等:不锈钢真空钎焊态钎料中各相熔点不一致,存在较大的偏析现象,导致钎缝脆化等缺点,成为不锈钢钎料的另一发展方向13,14。早在上世纪70年代中期“非晶态”技术在工业发达国家由实验室已走向工业应用,而我国在70年代中期才刚刚着手研究,到80年代中期,我国已将非晶态钎料应用于生产。目前已有N i基、Cu基、Cu2P、A 1基及Sn2Pb等五大类30多个品种的脆性钎料,并随着研究的深入,越来越多的高温钎料正在被开发研制。添加微量元素,新型钎料的开发。根据合金的相图可知,一些微量合金元素的添加,如Si、M n等,能与金属形成固溶体,降低钎料的熔点,从而能够减少金属元素的蒸发量,并能促进母材与液态钎料的互相溶解,有利于类金属元素的扩散均匀化,有效地减少钎缝中脆性物的生成,能够提高钎焊接头的性能。我国周继锋,李国亮研究了Cu基钎料中微量元素的添加9对钎焊性能的影响,研制开发了Cu2Si2M n合金钎料。甘肃工业大学的路文江等研制了低硼低铬的镍基钎料12。国内外学者也先后研究了向镍基钎料中加入了M n、Co、Sn等合金化元素,以提高镍基钎料的冶金性能和钎焊性能1519。5.2不锈钢钎焊接头腐蚀性能的研究随着用镍基合金钎料钎焊的不锈钢工艺日益成熟以及在航空领域、冷却核反应堆以及石油化工设备中的广泛使用,其接头的腐蚀问题也越来越引起人们的关注。镍基钎焊的接头部分可分为三个区,即钎缝中心区,扩散区和界面区。其腐蚀往往是在受到钎焊工艺、工作环境等因素综合影响而产生的腐蚀(如图1所示)。钎焊接头腐蚀钎 焊 工 艺 钎焊缺陷,未焊透 缝隙腐蚀 钎缝中存在脆性相 界面区出现点蚀母材敏化母材晶间腐蚀离子介质环境 钎缝与母材电位差 电偶腐蚀存在交变应力作用 疲劳腐蚀断裂图1钎焊接头的腐蚀研究Fig.1The study of the corrosion of brazed joint从目前对钎焊接头的腐蚀研究来看,不锈钢钎焊接头的腐蚀大部分表现为贫铬区造成的晶间腐蚀、钎缝与母材的电偶腐蚀以及由于工艺、钎料等因素造成的缺陷引起接头腐蚀2023。6结论在焊接技术迅速发展的今天,钎焊技术已成为应用最广泛的连接技术之一。随着家电行业、微电子行业以及通讯产业的不断发展,钎焊技术的研究将进入一个新的发展时期,特别是钎焊材料的发展将面临着一个新的发展机遇。同时由于真空钎焊构件的广泛应用,对其接头的研究也将越来越广泛。参考文献:1 E罗格夏特,庄鸿寿.高温钎焊M.北京:国防工业出版社,1989.4.2美国金属学会主编.金属手册(第六卷)M.北京:机械工业出版社,1984.11.3邹禧.钎焊M.北京:机械工业出版社,1989.4朱培兰,朱宏.真空钎焊技术在机载雷达天、馈线焊接生产中的应用J.现代雷达,1998(2):9599.5仇绪亮,李卫兵.真空钎焊技术的应用J.真空,1995(3):3234.6 L iu,C.C等.The m icrostructural observation and wet2tability study of brazing T i26A l24V and 304 stainlesssteel using three braze alloysJ.Journal of M aterialsScience,2002,37(11):22252235.7陈建民.不锈钢接头的宽间隙真空钎焊J.石油大学学报,1999,23(6):5356.8 A bdulrahman A bed,等.W etting and Reaction Between2sialon,Stainless Steel and Cu2A g Brazing A lloysContaining T iJ.Journal of the European Ceram ic So2ciety,2001(21):283290.9周继锋,李国亮.Cu2Si2M n合金钎料在真空下的钎焊性J.焊接技术,2000,29(6):2425.10于治水,等.Cu基钎料M IG钎焊接头断裂行为分析J.焊接学报,2001,22(6):2932.11陈建民,朱长福.真空钎焊不锈钢接头的钎缝组织和相组成特征J.石油大学学报,1999,23(2):6668.12路文江,等.镍基钎料钎焊接头MBC值的提高J.焊接技术,1999(1):89.13张新平,等.镍基非晶态及晶态钎料真空钎焊工艺性能的比较J.焊接学报,1996,17(4):205211.14张新平,等.镍基非晶态及晶态钎料真空钎焊时母材在钎料中溶解特性研究J.航空材料学报,1995,15(4):3440.15 Rabinkin A,等.Brazing Stainless Steel U sing a N ewMBF2Series of N i2Cr2B2Si Amorphous Brazing FoilsJ.W elding Research Supplement 1998(2):6675.16 Chen S F,等.Braze Joints of D ispersion StrengthenedCopperJ.Journal of N uclear M aterials 1996:233237.17张新平,等.N i82.5Cr7Si4.5B3Fe3多元非晶态合金钎86真空VACUUM第41卷料的晶化行为及其真空钎焊特性J.西安交通大学学报,1993(10)18 I mai,A tsuhiko,等.Development of metal catalystsupport applying solid phase diffusion bonding J.N ippon Steel Technical Report n 84 July 2001(7):14.19 Shiue,R.K等.Infrared repair brazing of 403 stainlesssteelw ith a nickel2based braze alloyC.M etallurgicaland M aterials T ransactions A:Physical M etallurgyandM aterials Science.2002,33(6):20 M ukhopadhyay N K,等.A n Investigation of the Fail2ure of Low Pressure Steam Turbine BladesJ.Engi2neering Failure A nalysis.1998,5(3):181193.21 A natol Rabinkin Brazing w ith Amorphous Foil Pre2form sJ.A dvancedM aterials&Process June.2001.22赵卫民,等.铜2低碳钢钎焊接头的耐蚀性评价J.腐蚀科学和防护技术,2002,14(15):296298.23陈学定,等.非晶态镍基钎料真空钎焊接头腐蚀性研究J.焊接学报,1999(12):611.SHJV3P型水蒸汽喷射真空泵吸入真空绝压10105Pa工作蒸汽压力0.3M Pa以上,冷却水温25、32,有近400个规格。3PZR型蒸汽喷射热泵低品位废热蒸汽回收,低压蒸汽综合利用。3QSP型汽水喷射热泵采暖供热,水汽热能交换。3PJH型气液喷射泵物料发酵搅拌,混合输送,流体喷射混合反应。3QQP型气体喷射器气体混合反应,气体抽引交变输送。3CSA型水喷射真空泵及机组以抽吸不凝气体(空气)为主,极限真空4 kPa,单机名义抽速40400 m3?h。3CSL型水喷射真空冷凝泵以抽吸可凝性气体(水蒸汽)为主,工作真空度压力 12 kPa,冷凝蒸汽量0.112 t?h。3SZA型水喷射真空抽空器真空吸滤,工作真空压力30 kPa,抽气量30500 kg?h。3PWJ型喷射器式文丘里净化器抽吸净化废酸气、含尘气等有害气,抽气能力3010000 m3?h。3SQH型水汽混合加热器采暖供热,水汽热能交换。3YYP型液液喷射泵负压抽吸,输送增压,混合反应,传质吸收。3YQY型液气液双级喷射器气液混合搅拌,污水厌氧处理,生物降解反应。3YQQ型液气气双级喷射器自吸空气喷射氧化,气液反应。3CPS型汽水串联喷射真空泵机组极限真空6 hPa,名义抽速10400 m3?h。3PS(2PS、3PS)型汽水串联喷射真空泵单级或多级(二级或三级)蒸汽喷射器与水喷射泵串联而成,吸入真空绝压可达13 Pa,极限真空 10 Pa。3PSQ型喷射水枪加液喷射清洗除垢,远近均可。3KPH型真空机组空气喷射器与液环真空泵组合,以抽不凝气体(空气)为主,抽吸真空压力540 hPa,低位布置。3PCH型真空机组蒸汽喷射器与液环真空泵组合,以抽可凝气体(蒸汽)为主,抽吸真空压力540 hPa,高位或低位布置。3 水处理设备3 3PZY型真空除氧器处理量2100 m3?h3 3LNZ型全自动钠交软水器处理量0.250 m3?h3 3NNS型手动钠交软水器处理量0.250 m3?h3 3YSL型压力砂滤器处理量0.120 m3?h3 3CTQ型除铁过滤器处理量0.120 m3?h3 3M GL膜过滤器处理量0.110 m3?h3 3RO型纯水装置纯水量0.220 m3?h,家用型150 kg?d。3 喷头喷淋喷嘴、雾化喷嘴、搅拌混合喷嘴和清洗喷嘴等3 冷凝器承接喷淋冷凝器、真空混合冷凝器和真空列管冷凝器等冷凝换热设备及非标真空容器设计与制造。提供成套的真空应用产品。本公司有真空试验台和喷淋测试台,可进行产品出厂试验与新产品开发研究,可提供喷射设备和真空设备的特性性能测试。浙江四海喷射真空技术公司地址:浙江杭州市莫干山路583号电话:(0571)888294078882940885956703传真:[phone]邮编:310005书讯真空干燥 一书已出版发行由东北大学徐成海、张世伟、关奎之主编的 真空干燥 一书已由化学工业出版社、工业装备与信息工程出版中心于2004年1月出版发行。本书全面系统地介绍了真空干燥技术及设备的有关知识。内容包括真空干燥技术基础,多种普通真空干燥设备的结构设计,传热传质计算,真空冷冻干燥技术与设备,多种物料的真空干燥工艺,真空汽相干燥,适合于真空干燥的各种真空系统的设计与计算等知识。本书是作者多年科研、教学和生产实践经验的总结,内容丰富,深入浅出,可作为相关专业大学本科和硕士研究生教学参考书,也可供化工、机械、电工、轻工、食品和医药等行业从事科研、设计、制造和应用等工程技术人员使用。出版发行:化学工业出版社、工业装备与信息工程出版中心地址:北京市朝阳区惠新里3号邮编:100029发行电话:[phone]http:?定价:58.00元(沈阳真空杂志社)96第3期姜虹,等:不锈钢真空钎焊