真空钎焊

第十四讲：真空工程用焊接技术（１）
张以忱
(东北大学，辽宁沈阳  110004)
        1真空技术对焊接工艺的要求
        在真空设备和真空器件的制造加工中，经常采用各种不同的焊接、封接工艺。将各种形状的零部件和不同的材料用不同的焊封接方法连接在一起。要求焊接处必须满足下列要求。
        ①保证良好的气密性。焊缝的真空密封性要达到允许的气体密封性能(或漏气率)的要求。
        ②焊缝要有一定的机械强度，保证设备的安全正常运行；
        ③焊缝应有利于获得光滑的真空“清洁”加工表面;
        ④超高真空与极高真空设备上的零部件，应能承受400c的烘烤。
        2真空工程焊接的分类
        真空焊接属于真空连接技术中的永久性连接，一般可分为熔化焊、压力焊、真空钎焊等几种类型。焊接方法的选择不仅决定于金属材料本身，而且决定于零件形状和接头的作用。真空容器内的零件，主要考虑的是接头强度，真空系统的壳体主要考虑的是接头的密封性。
        2．1熔化焊
        熔化焊是靠对要焊接的材料加热熔化使其接触表面熔焊在一起。真空技术中所用的熔焊工艺有：①气焊；②手工电弧焊；③氩弧焊；④电子束焊；⑤激光束焊等。
        气焊是在氧一乙炔火焰内使金属零件熔封在一起的焊接，它广泛用于基体材料之间连接。由于金属在熔化时会放出气体和发生氧化，接头比较疏松多孔，因而这种焊接技术仅适用于粗真空零件的密封焊接。
        普通手工电弧焊，在焊接时其焊缝处没有惰性气体保护，容易出现氧化、气孔等焊接缺陷，一般仅用于普通碳钢材料的低真空零部件的焊接。
        2．2真空钎焊
        真空钎焊是在真空环境中由高温液态焊料在毛细力作用下填满被焊接的固态基金属(钎焊金属或简称基金属)间的间隙，而使被钎焊的金属达到绔合的一种连接工艺方法。        钎焊与其他焊接方法比较．具有变形小、基金属性能变小、可同时完成多个零件的连接，并可连接不同的金属等优点。
        2．3压力焊
        压力焊是靠压力使欲焊接材料的接触表面熔焊在一起，不用过渡金属。压力焊主要分电阻焊和扩散焊。电阻焊是用铜电极把两个金属零件小的表面积压紧在一起，然后通大电流靠接触点电阻实现熔封的焊接，这种电阻焊通常称为点焊，广泛用于真空室内零件的焊接。焊接点牢固，没有污染，不影响真空系统达到超高真空。缝焊是点焊的发展形式，可用来焊接厚度小于2mm的迭片金属零件，而且接头很牢固。
        扩散焊接是在真空或保护气氛(氢、氩等)的保护下，使两个平整光洁的焊接表面在温度和压力的同时作用下，发生微观塑性流变后相互紧密接触，原子相互扩散，经一段时间保温，使焊接区的成分、组织均匀化，达到完全的冶金连接过程。由此可见，扩散焊主要是依靠焊接表面微观塑性流变后．达到紧密接触，使原子相互大量扩散而实现焊接的。
        3. 氩弧焊
        氩弧焊是电弧焊的一种，它是以氩气作为保护气体的电弧焊。由于焊缝受到氩气的保护，所以焊缝质量比较高，同时又由于热源集中所以焊接时的热影响区小，工件变形小，保证了工件的气密性和机械
强度。
        氩弧焊适用于焊接高强度合金钢、有色难熔和化学性质活泼的金属及其合金，也可用于异种金属的焊接。在真空工程中常用氩弧焊来焊接超高真空系统的不锈钢容器、管道阀门、波纹管连接件以及电真空器件的壳体连接件等。
        氩弧焊分为不熔化电极氩弧焊和熔化电极氩弧焊，真空技术中大多采用不熔化电极的氩弧焊。氩弧焊焊枪的结构为：中心为钨杆电极，外面是通氩气的陶瓷保护管。焊接时以钨杆作负极，以工件作为阳极。电弧大小决定于焊接尺寸。因为是局部加热焊接，所以焊接后应退火消除应力，并且必须用机械方法矫正变形。虽然接头没有发生氧化，但是接头以外没有受气流保护的金属部分仍有可能发生了轻微氧化，因此容易氧化的金属例如钼和钽等必须在充氩的罩内进行弧焊。工件缓慢移动可以进行边缘缝焊，焊接铝零件时，应采用交流弧焊。超高真空技术要求弧焊接头不应包含贮存空气的小体积和在真空侧的污染阱。 3．1氩弧焊的接头形式        3．1．1  电弧焊接头的设计   表1给出各种电弧焊接头设计得正确与不正确的实例。        3．1．2同种材料的接头形式        常用的这种接头结构有真空管道和法兰的连接、管道之间的连接、波纹管与法兰的连接、金属陶瓷封接件与法兰的连接等。所用材料一般为不锈钢一不锈钢，可伐合金一可伐合金。为了保证接头的真空性能，焊缝应尽可能处于真空内侧，以避免形成不利于抽空的死空间，并严格禁止内外侧同时有连续焊缝的结构。为了提高焊缝的强度，通常真空内侧采用连续焊缝，而大气外侧采用断续焊。常用的接头

第十四讲：真空工程用焊接技术（２）
张以忱
    (东北大学，辽宁沈阳  1i0004)
        3．1．3异种材料的接头形式
        在真空系统和真空泵体设计制造中常遇到异种金属的焊接结构，如不锈钢法兰盘与可伐管的连接，不锈钢与铜管的连接等。设计这种结构形式时，要结合不同材料的热膨胀系数、熔化温度、导热率和在深冷条件下的收缩等情况综合予以考虑，才能得到满足真空气密性要求的焊接。其接头形式见表3。

        3．2常用材料的氩弧焊
        真空工艺中经常会遇到不锈钢一不锈钢、可伐一可伐、无氧铜一无氧铜的焊接，还有不锈钢一可伐、不锈钢与无氧铜、钛、钨、钽等金属材料的氩弧焊。
        3．2．1  不锈钢材料的氩弧焊接
        奥氏体不锈钢(如1Crl8Ni9Ti等)是超高真空系统中的常用材料，通常使用氩弧焊。该类材料在氩弧焊时，常遇到的主要问题是热状态下的开裂问题，所以在设计不锈钢焊缝时应考虑消除应力问题。
        不锈钢焊缝附近不允许有镀铜层及银铜焊料的残余存在。但是对镀有镍层的不锈钢，经氩弧焊后的焊缝有较好的气密性和较高强度。用氩弧焊焊制不锈钢工件时，需要注意下列问题。
        ①接头形式和坡口尺寸应根据工件厚度和焊接工艺来确定。坡I--I加工应尽量采用机械加工办法来完成；
        ②焊接前应将坡口、焊丝用丙酮或酒精擦洗，除去油污；
        ③焊接时以直流反接为宜。直流反接电弧稳定。焊件受热温度较低，易于增强焊接材料金属耐蚀能力。但钨极氩弧焊采用直流正接为宜；
        ④为了减小母焊接材料的加热量，在保证焊透的情况下，尽量采用小电流、大焊速、短弧施焊，并应避免焊条横向摆动；
        ⑤施焊场地温度不应低于O'C，并且无对流空气，以免影响氩气保护效果；
        ⑥多层焊时，每道焊缝焊完后，应仔细清除残渣及表面水锈，并冷至100℃以下再焊下一道。
        不锈钢氩弧焊结构见表4。



        3．2．2可伐材料的氩弧焊接
        常用的可伐合金的成分是：20％Ni+17％Co+0．3％Mn+其余为Fe。可伐材料的焊接性能较好，镀镍后进行焊接仍可得到良好的气密性。
        在焊接前要对可伐零件进行去应力退火，防止由于热应力引起焊缝开裂。另外，由于可伐材料的导热系数小即热阻较大，当金属一陶瓷(金属一玻璃)封接件与可伐法兰或其它可伐零件进行氩弧焊时，焊缝要距离陶瓷或玻璃的封接面5～6 mm，防止引起陶瓷或玻璃炸裂。还要注意焊缝附近不许有银及其合金成分存在，以免产生可伐材料的晶间开裂。
        3．2．3铜的氩弧焊接
        铜也可用氩弧焊进行焊接，但因铜的导热性很好，为减少焊接功率，所设计的焊缝结构应有较大的热阻。铜的膨胀系数大，焊后的变形也大，所以要防止薄小零件的变形和防止刚性大的工件因应力过大而产生裂纹。在焊接时还要注意对熔池和近缝区进行保护，防止铜的氧化。
        对铜与不锈钢、铜与可伐进行焊接时，要使铜高出焊缝一个适当的高度，焊接时使电弧偏向铜的一方，防止电弧烧到可伐材料上，以得到气密的焊缝。
        3．2．4其他材料的氩弧焊接
        W、Mo、Ta等难熔金属也可采用氩弧焊，但因这类材料极易氧化。因而要用高纯度的氩气，最好在充氩的小室中进行焊接，以防止氧和氮进入焊缝区，因氧和氮会使焊缝严重变脆。另外由于钨、钼有再结晶发脆的倾向，因此要尽可能采用高的焊接速度，焊接钨时最好先预热至400.C～500。C左右。
        一些常用材料的薄壁件的氩弧焊焊接规范参考表5。

        4电子束焊
        电子束焊接也是熔化焊的一种，是一种高能量密度的熔化焊方法。
        4．1电子束焊接的原理及特点
        电子束焊接的工作原理是：在真空条件下。从电子枪中发射的电子束在高电压(通常为20～300 kV)加速下，通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束。当电子束轰击工件时，电子的动能转化为热能，焊区的局部温度可以骤升到6000℃以上。使工件材料局部熔化实现焊接。
        其特点为：①加热功率密度大。电子束功率为束流及其加速电压的乘积，电子束功率可从几十kW到一百kW以上。电子束束斑(或称焦点)的功率可达106～108 W／cm2，比电弧功率密度约高100～1000倍。由于电子束功率密度大、加热集中、热效率高、形成相同焊缝接头需要的热输入量小，所以适宜于难熔金属及热敏感性强的金属材料的焊接。而且焊后变形小，可对精加工后的零件进行焊接。②焊缝熔深熔宽比(即深宽比)大。普通电弧焊的熔深熔宽比很难超过2。而电子束焊接的比值可高达20以上，所以电子束焊可以利用大功率电子束对大厚度钢板进行不开坡口的单面焊。从而大大提高了厚板焊接的技术经济指标。目前电子束单面焊接的最大钢板厚度超过了100 lllm，而对铝合金的电子束焊，最大厚度已超过300 mm。⑧熔池周围气氛纯度高。
因电子束焊接是在真空度为10‘2～10’4 Pa的真空环境中进行的。残余气体中所存在的氧和氮量要比纯度为99．99％的氩气还要少几百倍左右，因此电子束焊不存在焊缝金属的氧化污染问题。所以特别适宜焊接化学活泼性强、纯度高和在熔化温度下极易被大气污染(发生氧化)的金属。如铝、钛、锆、钼、高强度钢、高合金钢以及不锈钢等。这种焊接方法还适用于高熔点金属，可进行钨一钨焊接。
        由于电子束焊是在真空内用聚焦高能电子束(>10 kV)把接头加热到熔化温度的焊接，加热区域非常集中，因此只能焊接真空室内放得下的小零件。
        4．2电子束焊接的分类与应用
        电子束焊可从以下两个方面进行分类。
        ①按被焊接工件所处真空度的高低分为：高真空电子束焊。被焊工件放在真空度为5X 10≈Pa以上的工作室中进行焊接。这种方法是目前应用最为广泛的。其缺点是工件大小受工作室尺寸的限制；低真空电子束焊，工作室真空度保持在1～10 Pa。它与高真空电子束焊相比，具有真空系统简单、启动快、效率高。减弱了焊接时的金属蒸发等；非真空电子束焊。它是将在真空条件下形成的电子束流，引入到大气环境中对工件进行焊接，为了保护焊缝金属不受污染和减少电子束的散射．束流在进入大气中时先经过充满氦的气室，然后与氦气一起进入到大气中。非真空电子束焊接成为一种实用的焊接方法，其最大优点是摆脱了工作室尺寸对工件的限制。因而扩大了电子束焊的应用范围。
        ②按电子束焊机的加速电压高低分为：高压电子束焊，其加速电压范围一般为60～150 kV，可得到直径小，功率密度大的束班和深宽比大的焊缝。其缺点是屏蔽焊接时产生的x射线比较困难；中压电子束，加速电压范围为30～60 kV；低压电子束焊，加速电压低于30 kV。适于焊缝深宽比不高的薄板材料的焊接。
        电子束焊接主要用于以下方面：
        1)难熔金属的焊接。如对钨、钼等金属进行焊接，可在一定程度上解决此类材料焊接时产生的再结晶发脆问题；2)化学性质活泼材料的焊接。如对铌、锆、钛、钛合金、铝、铝合金、镁等金属及其合金进行焊接；3)耐热合金和各种不锈钢、镍基合金、弹簧钢、高速钢的焊接；4)对不同性质材料的焊接。如对钢与青铜、钢与硬质合金、钢与高速钢、金属与陶瓷，以及对厚度相差悬殊零件的焊接。
        真空电子束焊接技术的应用已相当广泛，不仅应用于原子能、航天、航空等国防工业生产部门的特殊材料和结构的连接。而且在一般机械制造工业中，尤其是在大批量生产和流水生产线中广为应用。例如电子工业中微型器件和真空器件的焊接、导航仪器要求内部真空的密封焊接；还可用电子束焊接来修补宇宙飞船及飞行器。这种电子束焊接设备不需配真空系统(因宇宙空间就是天然真空)，可制成很小的手枪式的焊接设备；例如美国西屋公司制造的轻便型非真空电子束焊机，可焊接高42 m、直径10 m、壁厚12．7 mm，由铝合金制作的土星五号火箭的外壳和燃料箱外壳。另外，电子束焊还可作为真空钎焊的热源。

第十四讲：真空工程用焊接技术(5)
[2007-3-15 14:01:13]    作者:张以忱


[简介]: 对于不同的钎料与基材组合，其获得接头最高强度值的最佳间隙值范围各不相同，这与钎料和基材各自的物理化学性能以及在钎焊过程中的相互作用特性有密切关系。一般来说，钎料对基材的润湿性越好，这一间隙值就越小；钎料与基材相互作用强烈，间隙必须增大，因为填缝时基材的溶入会使钎料熔点提高、流动性下降。例如用铝基钎料钎焊铝合金时，基材向钎料中的溶解很强烈，为了保证填满钎缝，要求较大的间隙；相反，用银基或铜基钎料钎焊钢时，钎料与基材相互作用很弱，采用较小的间隙有助于加强钎料的毛细填缝。表12中所推荐的不同钎料与基材组合时的钎焊间隙值是生产实践中积累的经验数据，可供设计时参考。     



  第十四讲：真空工程用焊接技术(5)张以忱(东北大学，辽宁沈阳  110004)        (上接2006年第2期第64页)        ②对于不同的钎料与基材组合，其获得接头最高强度值的最佳间隙值范围各不相同，这与钎料和基材各自的物理化学性能以及在钎焊过程中的相互作用特性有密切关系。一般来说，钎料对基材的润湿性越好，这一间隙值就越小；钎料与基材相互作用强烈，间隙必须增大，因为填缝时基材的溶入会使钎料熔点提高、流动性下降。例如用铝基钎料钎焊铝合金时，基材向钎料中的溶解很强烈，为了保证填满钎缝，要求较大的间隙；相反，用银基或铜基钎料钎焊钢时，钎料与基材相互作用很弱，采用较小的间隙有助于加强钎料的毛细填缝。表12中所推荐的不同钎料与基材组合时的钎焊间隙值是生产实践中积累的经验数据，可供设计时参考。        ③由于金属的受热膨胀，钎焊温度下实际的钎焊间隙值与装配时的大小不一定相同。一般推荐的数据(见表11和表12)是要求在钎焊温度下保持的间隙值。因此，在设计钎焊接头时。必须预计钎焊加热中可能发生的这种变化，在确定装配间隙时应给以补偿。钎焊时影响钎焊间隙值变化的主要因素是基材的热膨胀系数和加热方法。当钎焊同种材料时，均匀加热零件，间隙一般不会有明显的变化。对材料不同、截面不等的零件，在加热过程中钎焊间隙可能发生较大变化。特别是套接型式的接头，基材热膨胀系数的差异影响最大。如果套接时内部零件材料的热膨胀系数比外部的大，则加热中间隙变小；反之，加热会使间隙增大。针焊同种材料的零件，若加热速度不同或加热温度不均，也会引起钎焊间隙值的变化。        关于异质材料装配间隙在钎焊温度下是变大还是缩小，主要由被钎焊材料之间热膨胀系数的差异而决定。如果膨胀系数大的材料包围着膨胀系数小的材料，在钎焊温度下，原来的装配间隙就会变大。如果膨胀系数小的材料包围着膨胀系数大的材料，在钎焊温度下，原来的装配间隙就会变小。异种金属材料轴类零件的装配间隙在钎焊温度下的变化量可以利用下列公式求得          △CD—D·△T(a2-a1)        式中△CD——间隙的变化量，mm         D——接头的正常直径，mm        △T——钎焊温度与室温之差，℃        a1——内部零件的平均膨胀系数，mm／(mm·℃)        a2——外部零件的乎均膨胀系数，mm／(mm·℃)        如果计算结果为正值时，表示钎焊间隙大于装配间隙；得数为负值时，表示钎焊间隙小于装配间隙。这样，当间隙增大时，可选用推荐钎焊温度的下限进行钎焊；反之减小时，可选用推荐钎焊温度的上限进行钎焊。        表12         ④零件表面粗糙度不同，也会影响钎焊间隙值的大小。一般说来，基材表面太光滑，毛细填缝作用变差，钎料难以在整个接头中流布，由此产生的空穴会使接头强度降低。为了保证钎料流满接头间隙，特别是当间隙为零或为压配合时，焊件钎焊面应予以粗化，但是太粗糙的表面也会降低接头的强度，因为它会造成只有一些点被钎焊上，会使平均间隙过大。通常，表面粗糙度可选Ra 0．7～2．0μm的平方根值为宜，但是，这并不被认为是对所有基材一钎料组合的最佳值。必须进行试验来确定钎焊零件的合理表面粗糙度。        ⑤焊件接头长度不同，最佳钎焊间隙值也应不同，特别是在钎料和基材之间存在相互冶金作用的情况下更是这样。当钎料填入长接头中时，钎料可能会与足够多的基材起作用而凝结，以致不能流到接头的另一端。在给定的钎焊条件下，接头越长，相互作用越大，则间隙也必须选得较大一些。因此在钎焊中，要尽可能地缩短接头的长度。        6．5真空钎焊用钎料        6．5．1真空钎焊工艺对钎料的要求        钎料是钎焊过程中在低于基材熔点的温度下熔化并填充钎缝间隙的金属或合金，焊件是依靠熔化的钎料凝固后连接起来的。根据焊料的熔点和强度，钎焊可分为：硬焊和软焊两种。硬焊焊料的熔点在450～500。C以上。接头强度较高；软焊焊料的熔点在450～500。C以下，接头强度低。焊料可制成丝或箔，粉末或膏。钎焊接头的质量很大程度上取决于焊料的性能。因此。对真空工艺用焊料的要求如下：        ①要有合适的熔点和流点。熔点为焊料开始熔化时的温度，流点是焊料熔化完了时的温度。通常焊料的流点应比被焊金属熔点低60℃左右。但希望熔点和流点尽量接近。对于多级钎焊，相邻两级焊料的熔点应相差60～70℃以上。        ②液态焊料对所焊金属应具有良好的浸润性能和流散性，能在毛细作用下比较容易地填充钎焊间隙。并能与基材产生良好的合金化作用，(最好形成固熔体)。最好没有晶间扩散，而不形成脆性的化合物，形成高强度接头。        ③钎料组分不允许含易挥发元素，如锌、镉，锂等；蒸气压高的纯金属也不宜做真空钎焊用钎料，如汞、硫、铯、铅、锌、镉、钾、硒、钠、磷、镁……等。但含蒸气压高的元素，应视其形成的钎料本身蒸气压是否高，如磷的蒸气压在704。C时为103 Pa，但在镍基钎料中形成的Ni。P蒸气压在704℃时为10～Pa。        ④焊料应具有良好的强度、塑性、导电性、导热性和抗腐蚀等性能。钎料中的非金属组分(如粘结剂、助熔剂等)，在钎焊过程中挥发后不能对钎缝成形或真空设备产生有害影响。        ⑤只允许含极少量的空气(不许超过0．001％)及有机和无机的非金属杂质。否则在真空中钎焊时，熔化的焊料便会沸腾造成焊缝多孔。        ⑥钎料的可用形式能满足全位置接头所需，获得的钎缝应能满足设计和使用要求。此外，还应考虑钎料的经济性，尽量少含或不含贵重和稀有金属等。        6．5．2常用钎焊钎料的选用        6．5．2．1铝基钎料        铝的熔点较低(660℃)，蒸气压也极低(800℃时约10～Pa)，用作真空钎料比较适合。一般铝基钎料主要是以铝和其它合金元素的共晶为基础的。由于铝和硅能形成577℃的共晶相，所以，真空钎焊用铝基钎料多数就是在铝硅共晶基础上，添加少量能改善润湿性能的元素镁组成的。因为镁是极强的活化剂，钎焊过程中，钎料中的镁在550℃以上开始大量蒸发，在钎焊室空间形成一种含镁的气氛。镁蒸气既可与钎焊气氛中剩余的氧或水蒸气中的氧结合，保护加热的零件表面不致重新氧化，又能渗入到零件表面未清除干净的氧化膜中，将其去除。因此不含镁的铝基钎料几乎无法在真空中钎焊铝及铝合金。        表13列出了真空钎焊时常用的几种铝基钎料，其熔化温度普遍较高，钎焊温度接近铝合金的熔化温度。        表13         现有铝基钎料的熔化温度大都接近铝合金的熔化温度，因而其钎焊温度范围很窄，因此在铝及铝合金材料的焊接过程中对严格控制钎焊温度提出了苛刻的要求；所以进一步研制性能优良、熔化温度更低的铝基钎料成为促进铝及铝合金真空钎焊的一大关键。

第十四讲：真空工程用焊接技术(3)
[2007-2-13 13:41:30]    作者:张以忱


[简介]: 真空电子束焊接由于在高纯度低压的气氛下进行，焦点尺寸小，能量密度集中，单道焊时可不开坡M，一般也不加填充材料。     



  第十四讲：真空工程用焊接技术(3)张以忱(东北大学，辽宁沈阳  110004)        4．3电子束焊接工艺        真空电子束焊接由于在高纯度低压的气氛下进行，焦点尺寸小，能量密度集中，单道焊时可不开坡M，一般也不加填充材料。所以对焊接工艺提出如下特殊要求：        ①电子束焦点必须正确对准焊接线。其偏差要求0．2～O．3 mm；        ②对接缝的间隙约为0．1的板厚。但不能超过0．2 mm。        ③焊前，焊缝附近必须进行严格的除锈和清洗。工件上不允许残留有机物质。        电子束焊接工艺的主要内容是：1)选择合理的接头形式；2)根据不同材料和工件来选择不同的焊接规范。        电子束焊接的接头形式有对接、搭接和丁形接(包括角接)等，具体见图1。        焊接规范的主要内容包括：确定加速电压、电子束电流、聚焦电流、焊接速度等焊接工艺参数。焊接规范选择的合适，可使焊缝形状、强度、气密性等达到设计要求。由于焊机的性能不同，焊接规范很难做到统一。电子束焊接规范的选取原则是：        1)熔深随单位焊接长度输入能量的增大而增大。其各参数之间的关系由下式表示         2)在E值一定的情况下，从所确定的焊接速度(根据工艺要求选定)，可求得焊接功率uI。从而选定加速电压U和电子束流I。        3)聚焦电流的数值要根据加速电压和工作距离(被焊工件至聚焦筒底的距离)而定。电压的增加或工作距离的减少都要求聚焦电流增加，才能得到小的电子束斑点。聚焦电流的选择对焊缝成形有较大的影响。        此外，焊缝的配合公差和焊件的表面处理方法对焊缝的质量也有较大影响。        图2给出在电子束焊接中，由于不适当的焊接规范所产生的典型焊缝缺陷。不同材料的焊接规范可分别参考表6至表10。           5激光束焊接        激光束焊接属于熔化焊的一种。激光是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激而产生一种单色性高、方向性强以及亮度高的光束。这个光束经聚焦后可获得极高的能量密度(可达1013W／cm2)，在千分之几秒甚至更短的时间内，光能转变成热能，其温度可达万摄氏度以上，极易熔化和汽化各种对激光有一定吸收能力的金属和非金属材料。因此目前在工业上已成功地用激光来进行焊接和切割。        激光束焊接与其他焊接方法相比。具有以下几个优点：        ①焊接装置与被焊接工件之间无机械接触，可其是在微型件焊接上的应用日益广泛。避免焊件的变形和对焊缝的污染。        ②可焊接难以接近的部位。激光可借助于偏转棱镜，亦可通过光导纤维引导到难以接近的部位进行焊接，故有很大的灵活性。        ③能量密度大，适合于高速加工。因而热变形和热影响区极小，故可进行精密零件、热敏感性材料的焊接加工，在电子工业和仪表工业的加工上有着广阔的发展前途。        ④可对绝缘导体直接进行焊接。        ⑤异种金属的焊接。能对钢和铝之类物理性能差别很大的金属进行焊接，并且效果良好。激光焊接的深宽比可达10：1，因此可焊接微型部件。与电子束焊相比，激光焊接即无真空系统，也没有x射线的危害等。正由于具有以上优点，因此它的应用，尤其是在微型件焊接上的应用日益广泛。        6真空钎焊        当几个零件间需要重叠装配时，若某些配合无法熔焊，则采用钎焊或锡焊。钎焊是由高温液态焊料在毛细力作用下填满被焊接的固态基金属(钎焊金属或简称基金属)间的间隙，而使被钎焊的金属达到结合的一种连接工艺方法。        真空钎焊是在真空气氛中不用施加钎剂而连接零件的一种先进工艺方法，适用于超高真空气密封接。该方法是先把零件用夹具夹持在一起，接头周围加上硬焊料，然后在真空炉内加热使焊料熔化流散于缝隙内。可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构，而得到光洁致密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头。目前，真空钎焊工艺在航空、航天、原子能、电气仪表、石化、汽车、工具等领域中得到了推广和普及。        6．1真空钎焊应用特点        真空钎焊技术能够得到迅速的发展和应用，主要是因为与其它焊接方法相比，具有一系列的优点。        (1)在全部钎焊过程中，被钎焊零件处于真空条件下(10-2Pa～10 Pa范围)，不会出现氧化、增联、脱碳及污染变质等现象，焊接接头的清洁度和强度较高。        (2)钎焊时，零件整体受热均匀，热应力小，可将变形量控制到最小限度，特别适宜于精密产品的钎焊。        (3)基体金属和钎料周围存在的低压，能够排除全属在钎焊温度下释放出来的挥发性气体和杂质，可使基体金属的性能得到改善，而且可以得到很光亮的接头。        (4)因不用钎焊剂，所以不会出现气孔、夹杂等缺陷，可以省掉钎焊后清洗残余焊剂的工序，节省时间，改善了劳动条件，对环境无污染。        (5)可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成。选择适当的钎焊工艺参数，还可将钎焊安排为最终工序，而得到性能符合设计要求的钎焊接头。        (6)可一次钎焊多道邻近的焊缝，或同炉钎焊多个组件。焊接效率高。        (7)可钎焊的基本金属种类多，特别适宜钎焊铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、高温合金等。也适宜于钛、锆、铌、钼、钨、钽等同种或异种金属的钎焊连接。对难熔金属的连接，真空钎焊是产生无疵接头的最佳方法之一。对于复合材料、陶瓷、石墨、玻璃、金刚石等材料也适用。        (8)开阔了产品设计途径，对带有狭窄沟槽、极小过渡台、盲孔的部件和封闭容器、形状复杂的零部件均可采用，无需考虑由钎焊剂等引起的腐蚀、清洗、破坏等问题。        但是，真空钎焊也不可避免地存在一些缺点：        ①在真空条件下金属易于挥发，因此对含易挥发元素的基本金属和钎料不宜使用真空钎焊。如确需使用，则应采用相应比较复杂的工艺措施。        ②真空钎焊对钎焊前零件表面粗糙度、装配质量、配合公差等的影响比较敏感，对工作环境要求高。        6．2真空钎焊接头设计的依据和原则        钎焊接头是组成钎焊结构的关键，它钎焊结构的性能和安全等方面有着直接的关系。对于任何钎焊接头，都必须满足的基本要求为，应与被连接零件具有相等的承受外力的能力。接头的承载能力与许多因素有关，如：接头型式、选用的钎料的强度、钎缝间隙值、钎料和基材间相互作用的程度、钎缝的钎着率等，但其中起相当重要作用的是接头型式。        真空钎焊时，选择或设计所需使用的接头类型，会受到多种因素的影响。这些因素包括所使用的针焊方法和设备，钎焊前零件的制造技术，钎焊件的数量，施加钎料的方法以及接头最终使用的要求等。        一般，设计真空钎焊接头主要应当考虑以下原则。        6．2．1防止应力集中        一般基材本身能承受较高的应力和动载负荷；因此，一个优良的钎焊件设计总是不使接头边缘处产生任何过大的应力集中，而设法将应力转移到基材上去。为此，不应把接头布置在焊件上有形状或截面发生急剧变化的部位，以避免应力集中；也不宜安排在刚度过大的地方，防止在接头中形成很大的内应力。异种材料组成的接头，先要计算不同材料在钎焊温度下的膨胀量，以验证与推荐的钎焊间隙是否一致，还要充分考虑整个构件受热所带来的不利因素。一般把热膨胀系数较大的材料尽量设计在内部，热膨胀系数较小的材料设计在外部，以保证较小的钎焊间隙。如果二者的热膨胀系数相差很悬殊，则在接头中将引起较大的内应力，甚至导致开裂破坏。这时，在设计中应考虑采用适当的补偿垫片，借助它们在冷却过程中产生的塑性变形来消除应力。焊缝部位在冷却后希望获得压应力，以免焊缝拉裂。通常均选用热膨胀系数大的基体金属围绕在热膨胀系数小的基金属外部的结构形式。        在设计由厚度不同的零件组成的接头时，为了避免在载荷作用下接头处发生应力集中，有时应考虑局部地加厚薄件的接头部分。图3中列举了在承受箭头所示方向的载荷时，接头的不同设计实例。        6．2．2满足工件的工况要求        正确选择钎焊接头及钎焊面的结构，以保证真空零部件的气密性、导电性及导热性。不同的构件有不同的使用要求和工况条件，设计接头时必须对具体情况采取相应的措施。        对于要求承压密封的钎焊接头，只要可能的话，都应采用搭接型式的接头，因为这种接头型式具有较大的钎焊面积，发生漏泄的可能性比较小。图4所示为几种承压密封容器的典型钎焊接头。         在导电接头的设计中，要考虑的主要因素是导电性。正确的接头设计不应使电路的电阻有明显增大。        6．2．3有利于钎料的合理放置        从结构上限制焊料的流失及使焊料充满焊缝。真空钎焊中钎料是预先放置的，设计接头时，应考虑钎料的装填方式和位置。需要在接头基材上开槽预置钎料，槽应开在截面较厚的零件上或易加工钎料槽的零件上，如图5所示。        6．2．4便于检验        设计接头时应考虑将钎料安放在组件的内侧，钎焊时钎料就会向外流，检验者可以直接观察钎料的流布情况和整个接头的钎透情况。在一些情况下，钎料不能放入接头中，为了保证使钎料适当地流入接头和便于检验，钎料应放在接头的一侧，并能流入接头，这样就可从接头的另一侧检验钎料的流布情况。         6．2．5确保接头的装配间隙值稳定        接头的装配间隙值对钎焊接头的性能和钎焊工艺都有着极大的影响，它的确定是钎焊接头设计的一个重要内容。        6．2．6便于组件的定位及夹持        零件装炉准备钎焊时，要求零件彼此之间应能保持正确的相对位置；接头设计时，在不影响组件结构性能的前提下，尽可能为组件自重定位和装配设计凸台、四槽及工艺台阶等。        6．2．7有利于控制和消除组件的变形        真空钎焊时，组件要整体受热，接头设计要充分考虑重、厚、大的零件应置于下边；轻、薄、小的零件置于上方，以避免高温时重力引起的变形。同时要利于装配应力的释放。        6．3真空钎焊接头基本形式        在真空钎焊生产中，与其它钎焊生产一样，基本上采用两种接头型式：搭接接头和对接接头。此外，具有T型接头和角接特点的钎焊接头，可以当作对接接头来对待。        6．3．1搭接接头        搭接接头是钎焊连接的基本接头型式。在搭接接头中，可借助于搭接面积的改变，使接头的强度与较弱部件的强度相等，即使使用较低强度的钎料，或者在接头中存在少量缺陷时也是这样。通常，搭接部分至少要3倍于较弱部件的厚度才能获得最大的接头效率。图6为低应力状态下的搭接接头。图7为高应力状态下的搭接接头，接头零件中的圆弧可使载荷均匀分配到基体金属中去，以避免应力集中[7]。         搭接接头能够获得最大的接头效率，而且它的装配要求也相对地较为简单，容易制造。但是搭接接头型式也存在其固有的明显缺点，一方面，增加了基材的消耗，增大了结构重量；另一方面，接头截面有突然变化，会导致产生应力集中。

第十四讲：真空工程用焊接技术(4)
[2007-3-1 14:24:27]    作者:张以忱


[简介]: 对接接头具有均匀的受力状态，并能节省材料、减轻结构重量；成为熔焊连接的基本接头型式。但在钎焊连接中，过去由于钎料等原因，使对接接头常不能保证与焊件有相等的承载能力；加之装配时保持对中和间隙大小均较困难，故一般不推荐使用。现在，由于真空钎焊的发展，有些钎料的强度可以与基材强度相当，因此对接接头型式也时有采用。     



  第十四讲：真空工程用焊接技术(4)张以忱(东北大学，辽宁沈阳  110004)        6．3．2对接接头        对接接头具有均匀的受力状态，并能节省材料、减轻结构重量；成为熔焊连接的基本接头型式。但在钎焊连接中，过去由于钎料等原因，使对接接头常不能保证与焊件有相等的承载能力；加之装配时保持对中和间隙大小均较困难，故一般不推荐使用。现在，由于真空钎焊的发展，有些钎料的强度可以与基材强度相当，因此对接接头型式也时有采用。        一般，对接接头多用于低应力状态。要求在高应力状态使用时，通过增设肋板补强，也可以设计成如图8所示的接头，大幅度增大对接面积，以提高强度。也可以采用分散钎缝应力的方法，在两侧增加肋板，改善在动载荷条件下的承载能力，如图9所示。另外，在钎料、钎焊间隙、钎焊方法及工艺过程一定的条件下，为获得高强度接头，也可设计成如图10所示的斜对接型式，增大钎焊面积而不增加接头厚度，但这种型式不适于薄板结构。           在具体结构中，需要真空钎焊连接的零件形状和相互位置是各式各样的，不可能全都符合典型的搭接型式或对接型式，为了提高接头的承载能力，推荐使用图11所示的几种接头设计。        真空设备中常用钎焊接头的形式        板状零件的接头形式，见图12；捧状零件钎焊结构，见图13。管状零件钎焊结构。见图14。        薄壁管和法兰的钎焊结构。见图15。其中(a)、(b)为单边焊料槽的钎焊结构形式。加工简单旭焊料流失的可能性大；(c)为双边焊料槽，它的加工较复杂。但焊料不易流失；(d)、(e)为较高强度的钎焊结构形式。  A(a)，B(b)——适用于板材钎焊的接头，A，B能承受较大载荷及动载；c(c)，D(d)——热交换器管子和管板接头的设计；E(e)，F(f)——薄、厚板或衬套与轴的接头形式；G(g)，H(h)——管子与配件的接头形式；I(I)，J(j)——旋转涡轮的板或轮壳与轴的接头形式；K(k)，L(1)——实际部件的管子和孔板接头，其中孔板受液压载荷；M(m)、N(n)——钎焊涡轮的薄叶片装置图11接头设计举例          其他形式的接头结构见图16。其中(a)为薄边叠合结构；(b)为螺纹连接的钎焊结构；(c)为具有盲孔的接头形式。工件上的气孔是用来防止焊接时因受孔的气压增高而阻碍焊料填满焊缝。         6．4钎焊焊缝间隙的选择        钎焊焊缝间隙是指在钎焊温度时焊件表面间的装配间隙。该间隙的大小不仅在很大程度上决定着钎焊接头的性能，而且也直接影响着钎焊工艺实施的难易情况。因之，为了保证钎焊接头的强度和气密性，正确地选定钎焊焊缝间隙值，是钎焊接头设计的一项重要内容。        6．4．1钎焊间隙对接头性能的影响        钎焊过程中，钎焊间隙的大小影响着钎料的毛细填缝过程，钎料与基材的相互作用程度，以及基材对钎缝合金层受力时塑性流动的过程等。这些因素共同作用的结果，必然极大地影响着钎焊接头的质量和性能，甚至直接决定着钎焊工艺的成败。         钎焊间隙太大，毛细作用减弱以至消失，钎料难以填满间隙，钎料与基材的合金化作用降低，或者产生硬脆的金属间化合物相。导致接头的力学性能下降．尤其是对于如图17所示的两端开阔的接头，液态钎料与零件表面间的张力小于钎料的重力时，液态钎料无法在间隙中自持而流失，无法形成钎缝。钎焊间隙太小，会妨碍钎料填充，尤其对于共晶型或单元素钎料影响更大，甚至难以形成钎透率高的接头。        真空钎焊工艺过程是自动进行的，所以钎焊间隙的影响更大，要求在不妨碍钎料填充的前提下，间隙越小越好。        另外，保持较小钎焊间隙不仅有利于钎料的流布，而且能使钎料凝固时形成的空洞或缩孔减少，还有利于钎料与基材的合金化作用。更重要的是处于窄间隙中的钎料在受热发生塑性变形时，受到周围基材的限制，接头中形成复杂的体应力；结果会使接头强度大大提高。当使用Ni—Cr—B—Si系钎料钎焊奥氏体不锈钢或沉淀硬化类高温合全时，间隙越小，强度越高。“零”间隙时，钎缝强度与母材相近；当间隙增大到0．05 mm时，强度下降30％～70％。图18和图19是用几种钎料钎焊奥氏体和马氏体不锈钢时，钎焊间隙与强度的关系曲线。可以清楚地看到，随着钎焊间隙的增大，强度下降趋势非常明显，下降幅值较大，这就是镍基钎料钎焊时，一定要设计成小间隙的原因所在。           6．4．2钎焊间隙值的选定        正确地确定钎焊间隙值是获得优质钎焊接头的重要前提。但是，这是一个复杂的问题，最佳钎焊间隙值是由多方面的因素综合决定的。因此，既不存在某个适应一切条件的统一的间隙最佳值，也不可能凭借某种原理和计算公式来确定各种具体情况下的间隙大小。设计时必须结合具体材料，接头构造和钎焊工艺，参照以下根据生产实践总结的经验和数据，通过试验来确定接头的装配间隙值。        ①不同的钎料，其液态时的流动性、表面张力以及与基材的冶金反应不同。因此，钎焊间隙值也应不同。当使用银、铜、锰、铂、铝基钎料钎焊时，钎焊间隙与接头强度的关系都是非线性变化的。例如用银基钎料钎焊时，钎焊间隙为105mm时，r值最大；间隙小于0．001 mm时，抗剪强度上升很快。因此，单元素金属，共晶型钎料及熔化温度范围窄的钎料，可设计成较小的间隙；熔化温度范围大，流动性差的钎料，钎焊间隙应适当大些。

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