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硬焊

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硬焊练习中的美国海军水手
硬焊练习中的美国海军水手

硬焊(英语:brazing)是一种焊接方式,将熔点低于欲连接工件之熔填料(钎料)加热至高于熔点,使之具有足够的流动性,利用毛细作用充分填充于两工件间(称为润湿),并待其凝固后将二者接合起来的一种接合法[1],依据美国焊接学会(AWS)之定义,温度高于840℉(450℃)者称为硬焊(硬钎焊),反之称为软焊(软钎焊)。

基本原理

为了获得高品质的焊接接头,零件必须安装紧密且母材必须格外干净并除去氧化物。在大多数情况下,推荐的最佳焊缝间隙为0.03~0.08毫米(0.0012~0.0031英寸)以充分发挥毛细作用的接合力[2]。但是,在某些情况下焊缝间隙大到0.6毫米(0.024 in)并不少见。焊接表面的整洁至关重要,因为任何污染都将导致熔填金属的润湿性变差。焊前有两种主要清洗零件的方法:化学清洗和研磨或其它方式的机械清洁。使用机械清洁,除了表面清洁外也保持适当的表面粗糙度,在粗糙表面上比在光滑表面更容易充分润湿.[2]

另一个要考虑的,不能仅止于考量温度和时间对焊接接头品质的影响。随着焊接合金温度的增加,熔填物的合金化和润湿性将增加。一般情况下,焊焊温度选择必须高于熔点的填充金属。然而,有几个因素共同影响焊接设计的温度选择。最佳好的焊接温度须顾及:(1)尽可能低的焊接温度,(2)尽量减少热效应对组装的影响,(3)保持熔填物/母材的相互作用到最低限度,及(4)最大限度地使用治具或夹具使用[2]。在某些情况​​下,选择较高的焊接温度,以迁就设计中的其他因素(如允许使用不同的填充金属,或控制的冶金效果,或充分除去表面的污染)。时间对焊接接头是重要因素,但大多数生产过程中一般都选择减少焊接时间和费用。虽然并非总是如此,因为在一些非生产因素,时间和成本是受限于其他属性(如强度,外观)。

助焊剂

硬焊作业如非在充满惰性气体或在还原反应的环境下(即一炉),助焊剂在金属被加热的情形下必须防止氧化物的形成。助焊剂也可以清洗焊接表面的污染物。助焊剂的应用可以是下列形式,包括浆液、液体、粉末或结合助焊剂与焊料金属粉末预制的焊膏。助焊剂也可包覆于焊条外层会包埋于焊线核心中。在这两种情况下,加热接合时游离的助焊剂会随熔融填充金属进入焊道。过量的助焊剂应焊接结束时除去,因为助焊剂残留在焊道可导致腐蚀,妨碍表面处理及焊道检查。含磷合金焊料在铜对铜焊接时具自熔性。[3]助焊剂一般选择是基于对他们对母材的表现。为了有效,助焊剂的化学性质必须兼顾母材及熔填料两种性质。自熔性合金磷填料将产生脆性磷化物,自熔性合金磷填料如用于焊接铁或镍将产生脆性磷化物。[3]作为一般规则,焊接周期较长的应比焊接操作短的使用更少的助焊剂[4]

熔填料

采用何种合金作为熔填料取决于预期用途。一般情况下,熔填料所需的属性是由3或更多种金属形成的合金。熔填料的选择基于下列能力:对母材的润湿性,所需要承受的工作条件,及比母材熔点更低或其他更特定的温度。

熔填料(焊材),一般可作成棒、带、粉、膏、霜、线和预成型英语preform形(状)式。[5]根据不同的应用情形,熔充料可以预先放置在所需位置或在加热过中投入。对于手工焊,线状或棒状(焊条)焊材是最常用的因为他们是最容易使用及加热。在采用熔炉硬焊时,合金通常已经事先投放,这个过程通常是高度自动化的。[5]一些常见的熔填料种类如下:

  • 铝 - 硅
  • 铜磷
  • 铜-锌(黄铜)
  • 金 - 银
  • 镍合金
  • [1][6]
  • 非晶态箔片镍,铁,铜,硅,硼,磷等

焊接气体

由于焊接作业在高温下进行,金属表面在含氧的环境下将发生氧化。因此可能需要使用其他遮护气体以取代空气[7][8],焊接工作常用的气体环境(遮护气体)是:

  • 空气:简单,经济。许多金属材料容易氧化,但其组建的规模适用酸洗或机械清洗,可于焊接后轻易去除氧化层。助焊剂往往被用来抵消氧化作用,但它可能削弱结合强度。
  • 燃料燃烧释放的气体(低氢系,AWS type 1,“放热作用产生的气体”):87%N2,CO211%-12%,5-1%CO,H25-1%用于银,铜磷、铜锌焊料用于铜和黄铜焊接。
  • 燃料燃烧释放的气体(脱碳,AWS type 1,“吸热作用产生的气体”):70-71%N2,CO2 5-6%,9-10%CO,H214-15%。用于铜、银、铜-磷及铜-锌焊料。用于焊接铜、铜-镍合金,蒙乃尔合金英语Monel,中碳钢
  • 燃料燃烧释放的气体(干,AWS type 3,“吸热作用产生的气体”):73-75%N2 CO 10-11%,15-16%H 2。.用于铜,银,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,低镍合金,蒙乃尔合金英语Monel,中、高碳钢
  • 燃料燃烧释放的气体(干燥,脱碳,AWS type 4):41-45%N2,C O 17-19%,38-40%H2。用于铜、银、铜-磷、铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,低镍合金,中、高碳钢
  • 氨(AWS类型5):游离氨(75%的氢,氮25%)可用于多种类型的焊接和退火。便宜。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,镍合金,蒙乃尔合金英语Monel,中、高碳钢和铬合金。
  • 氮+氢,低温或纯化(AWS type 6A):70-99%N2,H2 1-30%。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。
  • 氮+氢+一氧化碳,低温或纯化(AWS type 6B):70-99%N2,H2 2-20%,1-10%CO用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌熔填料。用于焊接铜,黄铜,低镍合金,中,高碳钢。
  • 氮,低温或纯化(AWS type 6C):非氧化性,经济性。在高温下能与某些金属,如某些钢材,形成氮化物。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,低镍合金,蒙乃尔,中,高碳钢。
  • 氢(AWS type 7):强力脱氧剂,高导热性。可用于铜焊接和退火钢。对一些合金可能导致氢脆。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,铜,镍合金,蒙乃尔,中,高碳钢,铬合金,钴合金,钨合金,碳化物。
  • 无机蒸气(各种挥发性氟化物,AWS type 8):特殊的目的。可以混合AWS 1-5气体使用以更换助焊剂。用于银焊黄铜。
  • 稀有气体(通常是氩气,AWS type9):非氧化性,比氮气更昂贵的。惰性。零件必须非常干净,气体要纯净。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,镍合金,蒙乃尔,中,高碳钢铬合金,钛,锆,铪。
  • 稀有气体+氢气(AWS type 9A)
  • 真空:需要净空工作区。昂贵。不合适其他情形(或有特殊要求)对金属的高蒸汽压,如银,锌,磷,镉和锰。用于高品质的接头,如为应用于航太工业。

常用技法

火炬焊

火炬焊是目​​前最常用的机械化焊接方法。最好是用在小批量生产或专案作业。在一些国家,它占了焊接作业绝大多数。火炬焊主要有三种类别:[9]手工,机械和自动焊焊炬。

手工火炬焊英语Manual torch brazing,系应用气体火焰的热量在靠近接头处焊接。火炬可以是手持或夹持在固定的夹具,这取决于是全手工操作或有一定程度的自动化。手工焊是最常用的少量生产方式或在应用于无法采其他焊焊方法的情形。[9]主要缺点是高劳动成本与焊接品质极度依赖焊接人员技术。使用助焊剂或自熔性材料以防止氧化。

机械火炬焊(Manual torch brazing)通常用在重复性大量的焊接作业。这种方法是针对填放硬焊材料、助焊剂和夹具的部分混合自动和手动操作方是以进行实际的焊接。[9]这种方法的优点是,它减少了手工焊对大量劳动力和高技能的要求。这种方法需要使用助焊剂,因为没有保护气体,这是最适合中小批量的生产方式。

自动火炬焊英语Automatic torch brazing省去了手工劳动,在焊作业,省去装卸熔填料的作业。这种方法的主要优点是:生产效率高,焊接品量均匀,降低成本。采用的设备基本是相同于机械焊接的机具,主要的区别是以机械取代人工操作。[9]

熔炉焊

熔炉焊是一种广泛应用于工业焊接的半自动化焊接方式,因为它适于大规模生产和使用非熟练技工。熔炉焊比起其他加热方式有许多优点利于大规模生产。一个主要优点是它可以轻易的夹固(jigged)或自我定位以产生大量的小部件。[10]熔炉焊加工过程入热控制容易(允许使用的零件,局部加热可能扭曲)且焊焊后无需清洗。熔炉焊常见的焊接气体包括:惰性气体,减少大气压或真空以保护焊道避免氧化。一些其他优点包括:低单位成本,可大规模生产,精确的温度控制,并能够在一次焊多个接头。使用电炉加热或电、瓦斯、油的加热类型取决于炉的形式和应用。熔炉焊的缺点包括:高资本设备的成本,焊接设计较困难和高耗能。[10]

主要有四种类型的炉用于焊焊操作:批次式、连续、Retort型和真空炉。

  • “批次式炉”具有相对较低的初始设备成本和每个工件较低的热负荷。它能够随着使用与否而开启或关闭,在不使用时可降低营运费用。这种些炉通常适合中到大批量生产,并提供了可焊接类型很大的灵活性。[10]无论是控制气体或流量可以用来控制工件的氧化和清洁。
  • “连续式炉”最适合处理以类似大小的工件连续通过焊炉的焊接作业。[10]这些工件往往是用输送带送入熔炉,控制工件通过加热区的速度。这些炉提供的优点是纸需少量劳工,最适合于大规模生产。
  • “Retort”不同于其他批次式炉在于Retort炉利用一个密封衬套。Retort一般用密封垫圈或焊死,以充满焊接气体并以外部加热,然后用常规的加热元件。[10]由于涉及高温,Retort通常由耐热合金制成以抗氧化作用。Retort炉往往用于批次或半连续加工。
  • “真空炉”为预防氧化采用真空炉相对是一个比较经济的方法,最常用于焊焊材料为具有非常稳定氧化物()焊炉内不存在气体。真空焊大量使用与耐火材料与特殊组合的合金材料不适合其他焊接气体环境。由于缺乏助焊剂或还原气体,零件清洁是至关重要的,当在真空焊焊。三种主要类型的真空炉主要有:单壁热反射,双层热反射,冷壁反射。典型的真空焊压力范围从1.3至0.13 帕斯卡(10−2 to 10−3 Torr)到0.00013Pa(10−6 Torr)或更低。[10]真空炉是最常见的批次式生产方式,它适于中,高产量。

银焊

银焊是采用银合金的填充物。这些银合金由许多不同比例的和其他金属构成,如

银焊广泛应用于将硬质合金(硬质合金、陶瓷、金属陶瓷和类似材料)镶嵌在工具(如锯片等)上的技巧。“Pretinning”往往做到:焊料合金熔化到硬质合金尖,这是摆旁边的钢铁和重熔。预先沾焊银以解决硬质合金难以润湿的问题。

银焊硬质合金接头通常是二至七个密尔(mils,1/1000 In)厚。银焊合金的接合和补偿的区别在于他们的扩张速度。此外,它还提供了硬质合金尖和硬钢之间的缓冲,以防止端部(刃口)损坏,就像避震器悬挂在车辆上有助于防止损坏的轮胎和车辆一样。最后银焊合金接合其他两种材料形成一个复合结构,就像层层叠合的木材和黏胶所形成的三夹(胶合)板。

在许多行业硬焊的连接强度标准为:接头强度须强于母材。因此当受力时,母材应较接头先破坏。

一种特殊的银焊的方法称为针脚焊(pinbrazing或pin brazing)。它特别是用于连接电缆,铁路轨道或阴极保护装置。该方法将银和助焊剂熔融倒入插入电缆的针脚孔眼里。

铜焊

填角焊接头
填角焊接头

铜焊是利用熔融涂布助焊剂的青铜黄铜焊条以接合钢工件。铜焊所需的设备基本上与其他硬焊方法相同。由于铜焊通常需要较多的热量,常用乙炔或甲基乙炔-丙二烯瓦斯(methylacetylene-propadiene gas MPS)作为加热的气体燃料。美国焊接学会指出,Braze welding这个名字来源基于没有使用毛细作用此一事实。

铜焊较熔焊具有许多优点。它允许接合不同的金属,以减少热变形,并能减少大范围预热的需求。此外,由于焊接过程被接合的金属不熔化,零件得以保留其原来的形状,零件轮廓不会变形且保持边线棱角不会损坏成为圆角。铜焊的另一个效应是可减少其他熔焊方式经常出现的积蓄内应力。这对大型铸件的修复是非常重要。缺点是受到高温将损失强度无法承受高应力。

硬质合金,金属陶瓷和陶瓷等材质刃尖常以铜焊焊接于钢片以制造带锯。

铸铁焊

铸铁的焊接,熔填料通常采用然而铸铁焊条也可以使用。球状石墨铸铁管也可使用摩擦焊(cadwelded)焊接。管线接头接合程序首先以一小段铜丝接地至裸露的金属,铁管对正轴心平行对接以合成橡胶管垫片密封。这么做的目的是利用电力在寒冷的气候沿铜线保持地下管道温暖。

真空焊

真空焊是一种金属接合技术,具有下列优点:极为干净,优越,熔填焊道高可靠度、高品质。这个加工程序程可能很昂贵,因为它必须在真空腔操作。工件在真空中加热时温度将保持均匀度,由于加热和冷的却循环缓慢故大大减少了残余应力。此一加工特性反而显著提高材料在高温下的机械性性能和力学性能,从而提供独特的热处理能力。如此在所有在每一炉的焊接,金属接合过程将对工件施以热处理或时效硬化作用。

真空焊往往是一炉一炉的批次进行,这意味着整个工件的几个接头可一次加温到焊接度。真空焊对工件加热只能使用辐射热,因为许多其他方法(如热对流)不能用在真空状态。

浸焊

浸焊尤其适用于焊接因为空气将被排除,从而防止形成氧化物。夹固要接合的部位,将要焊接的部分浸入熔融态的融盐中(通常是氯化钠氯化钾和其他化合物),熔融态的融盐具有传热介质和助焊剂两种功能

加热法

焊接作业有许多方法可用来加热。选择加热方式最重要的考虑因素是焊道内的传热效率与个别母材的热容量。接头的几何形式、速度和生产数量也是重要的考虑因素。依据焊接加热的方法分类下面是一些最常见的加热法:[1][11]

火炬

熔炉

电感应

浸焊

电阻焊

红外线

电子束和激光

优缺点

硬焊比起其他金属连接技术如熔焊具有许多优点。由于焊焊不熔化接合的母材,它可以允许更严格的公差和产生干净的接头,而无须进行二次加工。此外,它可焊不同的金属和非金属材料(如金属化陶瓷)。一般情况下,硬焊比起熔焊由于受热均匀也产生较少的热变形。可焊复杂和多组件的工件。另一个优点是,硬焊可涂布或包裹母材以达到防护性目的。最后,硬焊很容易适应大规模生产,实现自动化,因为各个工艺参数对变化不敏感的缘故。[12][13]

主要缺点是:接头强度较低,由于使用软熔填料[1],焊接接头的强度很可能是低于母材金属的强度(与一般电焊接头强度较母材大不同),但大于填充金属。另一个缺点是焊接接头在高温下可能会损坏[1]。在工业化生产环境硬焊接头母材需要高度清洁。一些硬焊需要使用适当的助焊剂清洁剂来控制。接头颜色往往与母材金属不同,造成美观上的缺点。

熔填料

多层叠合的金属包覆着焊料。其芯材往往是铜,它的作用是作为承载着合金并吸收因机械应力如不同金属间因热膨胀系数产生的热应力。并作为一种扩散屏障(如停止扩散铝、铝青铜焊时)。

硬焊料族系

硬焊填料合金形成几个不同的族群;同一族系合金具有相似的性能和用途。[14]

  • 纯金属:非合金。通常为贵金属,例如 - 银,金,钯。
  • 银-铜:熔化性良好。银可增强流动性。共晶合金可用于炉中焊焊。铜含量高的合金容易产生应力裂缝。
  • 银-锌:类似铜-锌,用于珠宝首饰,由于高含银量故通常标示纯度标记。颜色匹与银符合。
  • 铜-锌黄铜):常用的材料,通常用于接合钢和铸铁。耐腐蚀,通常不及于铜,硅青铜,铜,镍,不锈钢。具适度的韧性。由于锌的高挥发性,不适合炉焊。铜含量高的铜合金容易产生应力开裂。
  • 银 - 铜 - 锌:对同样含银量的合金,银-铜-锌较银-铜熔点更低。结合银-铜和铜-锌的优势。锌含量在40%以上时延展性和强度下降,因此这种类型只有较低的锌含量的合金被使用。锌含量高于25%时韧性较低的铜-锌、银-锌象显现。铜含量在60%以上强度减少,及900°C液态以上银含量超过85%强度降低。铜含量高合金容易产生应力开裂。银含量高(银67.5%以上)是用于首饰并予以标示,银含量较低的合金用于工程目的。铜锌合金之比约为60:40包含相同的颜色与黄铜匹配,它们是用于连接黄铜。加入少量的镍提高强度和耐腐蚀性和促进润湿碳化物。此外镍锰增加断裂韧性。此外,加入镉银-铜-锌-镉合金改进流动性和润湿性并具有较低的熔点,但镉是有毒的。此外锡大多可以发挥同样的作用。
  • 铜-磷 :广泛用于铜及铜合金。不需要焊剂。也可用于银,钨,钼。富铜合金容易产生应力开裂。
  • 银-铜-磷 :像铜-磷,更好地改进流动性。具更多的韧性,更好的导电性。富铜合金容易产生应力开裂。
  • 金-银:贵金属。用于首饰。

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Groover 2007,第746–748页
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Scwartz 1987,第20–24页
  3. ^ 3.0 3.1 [1][永久失效链接]
  4. ^ Scwartz 1987,第271–279页
  5. ^ 5.0 5.1 Scwartz 1987,第131–160页
  6. ^ Scwartz 1987,第163–185页
  7. ^ The Brazing Guide 互联网档案馆存档,存档日期2011-07-13.
  8. ^ Joseph R. Davis, ASM International. Handbook Committee. Copper and copper alloys. ASM International. 2001: 311 [2011-07-24]. ISBN 0871707268. (原始内容存档于2014-04-23). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 Scwartz 1987,第189–198页
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Scwartz 1987
  11. ^ Scwartz 1987,第24–37页
  12. ^ Scwartz 1987,第3页
  13. ^ Scwartz 1987,第118–119页
  14. ^ Guidelines for Selecting the Right Brazing Alloy. Silvaloy.com. [2010-07-26]. (原始内容存档于2010-10-07). 

其他参考

  • Groover, Mikell P. Fundamentals Of Modern Manufacturing: Materials Processes, And Systems 2nd. John Wiley & Sons. 2007. ISBN 9788126512669. 
  • Schwartz, Mel M. Brazing. ASM International. 1987. ISBN 9780871702463. 

延伸阅读

  • Fletcher, M.J. “Vacuum Brazing”. London,: Mills and Boon Limited. 1971. ISBN 026351708X. 
  • P.M. Roberts, "Industrial Brazing Practice", CRC Press, Boca Raton, Florida, 2004.
  • Kent White, "Authentic Aluminum Gas Welding: Plus Brazing & Soldering." Publisher: TM Technologies, 2008.

外部链接

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