第5章：釬焊接頭設(shè)計(jì)

第5章

釬焊接頭設(shè)計(jì)和焊前處理第5章釬焊接頭設(shè)計(jì)和焊前處理

5.1釬焊接頭的形式5.2釬焊接頭搭接長(zhǎng)度的確定5.3釬縫間隙值的確定5.4預(yù)置釬料的裝配5.5釬焊接頭的定位5.6釬料在各種接頭釬縫中的流動(dòng)性5.7釬焊前焊件的表面處理內(nèi)容提要

本章闡述了釬焊接頭設(shè)計(jì)的種類、設(shè)計(jì)原則；詳細(xì)討論了搭接接頭長(zhǎng)度、釬縫間隙如何選擇和確定；介紹了接頭固定和釬劑、釬料的放置措施；最后對(duì)焊前處理方法做了簡(jiǎn)單介紹。第5章釬焊接頭設(shè)計(jì)和焊前處理釬焊的生產(chǎn)過程:釬焊前零件表面處理零件的裝配和固定釬焊工藝確定釬焊后的處理工序焊后質(zhì)量檢驗(yàn)脫脂去膜接頭設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的確定釬料形狀的確定釬料數(shù)量的確定釬料放置熱處理與清除圖1釬焊接頭的基本形式5.1釬焊接頭的形式5.1.1釬焊接頭的基本形式

釬焊的接頭形式對(duì)接頭的承載能力起著相當(dāng)重要的作用。釬焊接頭的形式各種各樣，經(jīng)常使用的基本形式有：搭接；對(duì)接；斜接及T形接。

搭接的接頭強(qiáng)度最高，其次是斜接，最差是對(duì)接。所以承受載荷的零件，一般設(shè)計(jì)成搭接的接頭形式。對(duì)接只用在承受載荷很小的厚壁構(gòu)件中。

釬料強(qiáng)度一般低于母材，也有高于母材的，但其塑性、韌性總是低于母材。采用對(duì)接的釬焊接頭，強(qiáng)度比母材差，受力時(shí)主要是釬縫發(fā)生破壞。而斜接接頭雖然接觸面積大、強(qiáng)度比對(duì)接接頭高，但加工工藝復(fù)雜。搭接接頭可以通過改變搭接長(zhǎng)度（連接面積），依靠增大搭接面積,可以在接頭強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度的條件下達(dá)到與母材等強(qiáng)度；此外由于搭接裝配要求簡(jiǎn)單,所以承受載荷的零件，一般設(shè)計(jì)成搭接的形式。

當(dāng)釬焊薄壁零件時(shí)，可以采用鎖邊接頭以提高接頭強(qiáng)度和氣密性，如圖2所示。圖2鎖邊接頭釬焊接頭的缺點(diǎn)：1.釬料的強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于母材，要達(dá)到等強(qiáng)度必須增加接頭面積；2.對(duì)接接頭、T型接頭、角接接頭難以保證對(duì)中和間隙；3.增加了母材的消耗，增大了結(jié)構(gòu)的重量；4.截面突然變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中。除了基本形式外，還有以下典型的接頭形式。1.平板釬焊接頭形式圖3平板釬焊接頭形式5.1.2典型的釬焊接頭形式圖4

T形和斜角釬焊的接頭形式2.T形和斜角釬焊的接頭形式圖5管與板的接頭形式圖6棒與板的接頭形式3.管或棒與板的接頭形式圖7管件釬焊的接頭形式4.管件釬焊的接頭形式

釬焊設(shè)計(jì)的基本處理方法是盡可能的使接頭局部搭接化圖8示出了這一原則下的具體應(yīng)用。

搭接的缺點(diǎn)是：一方面,增加了母材的消耗,增加結(jié)構(gòu)重量；二是接頭截面有突然變化，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

具有T型接頭和角接特點(diǎn)的釬焊接頭在蜂窩結(jié)構(gòu)和各種類型的換熱器中得到廣泛應(yīng)用。圖8各種形式搭接接頭釬焊接頭設(shè)計(jì)時(shí)要遵循以下原則：

搭接長(zhǎng)度L可根據(jù)接頭與焊件等強(qiáng)度的原則計(jì)算確定:1.板件搭接釬焊時(shí),計(jì)算公式如下:

Ｌ＝δ．σｂ／στ

式中:

δ——母材板厚，ｍｍ；

σｂ——母材抗拉強(qiáng)度，ＭＰａ；στ—--釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度，ＭＰａ。5.2釬焊接頭搭接長(zhǎng)度的確定2.管結(jié)構(gòu)套接釬焊時(shí)，計(jì)算公式：

FσbL=————2∏Rστ式中:F–管件的橫截面積；

R–管件的半徑；σb—母材抗拉強(qiáng)度，ＭＰａ；στ—釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度，ＭＰａ。生產(chǎn)中通常不是經(jīng)過公式計(jì)算而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定的生產(chǎn)中，薄板搭接時(shí)，對(duì)于采用銀基、銅基、鎳基等強(qiáng)度比較高的釬焊接頭，采用的搭接長(zhǎng)度?。?（２～３）δ。對(duì)于采用錫鉛等強(qiáng)度比較低的軟釬料接頭，?。?（４～５）δ。很薄件時(shí)為裝配方便，也?。?（４～５）δ。但搭接長(zhǎng)度不能大于15㎜。搭接長(zhǎng)度太短，不能滿足強(qiáng)度要求，若太長(zhǎng)，不但耗費(fèi)材料，增加構(gòu)件的質(zhì)量，而且還會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力破壞。從受力角度分析，當(dāng)搭接接頭承受軸向負(fù)載時(shí)，釬縫中剪切應(yīng)力是不均勻的，在間隙兩端存在應(yīng)力峰值ＴＦ

應(yīng)力峰值與平均值之比成為應(yīng)力集中系數(shù)，搭接長(zhǎng)度Ｌ越大，應(yīng)力集中系數(shù)越大。搭接長(zhǎng)度過分增加，應(yīng)力峰值將超過釬料強(qiáng)度，此時(shí)盡管平均應(yīng)力值較小，釬縫兩端仍會(huì)發(fā)生破裂而造成接頭低應(yīng)力破壞。由于受力狀態(tài)的不同，在接頭面積相等時(shí)，搭接接頭的抗剪強(qiáng)度小于對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖9剪切應(yīng)力在搭接釬縫中的分布

上面討論的是釬焊接頭應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的承力接頭，當(dāng)釬焊應(yīng)用于電路時(shí)，接頭設(shè)計(jì)的基本要求是釬縫的電阻值與所在電路的同樣長(zhǎng)度的銅導(dǎo)體的電阻值相等。這時(shí)搭接長(zhǎng)度L的計(jì)算公式與相應(yīng)的承力接頭具有相似的形式，板件搭接為：

ρf—釬料的電阻率；

ρc—導(dǎo)體的電阻率

ρf

L=─·δ

ρc5.3.釬縫間隙值的確定釬縫間隙是兩待焊零件的釬焊面之間的距離。間隙對(duì)接頭的性能有極大的影響，主要是間隙對(duì)釬焊的以下過程有影響：１.釬料的毛細(xì)填縫過程；２.釬料從間隙中排出釬劑殘?jiān)蜌怏w的過程；３.母材與釬料的相互擴(kuò)散過程；４.受力時(shí)母材對(duì)釬縫合金層的支承作用。接頭強(qiáng)度與釬縫間隙值之間的關(guān)系（實(shí)例）圖10Sn-Pb釬料釬焊1-焊低碳鋼,2-黃銅,3-銅圖11BAg45CuZn釬料釬焊套節(jié)接頭間隙過小填縫難；氣體、殘?jiān)y排出；未釬透、氣孔、夾渣；間隙過大毛細(xì)作用弱；合金化不充分；鑄造組織、枝晶偏析；受力時(shí)母材對(duì)釬縫支承作用減弱；最佳間隙值---接頭獲得最佳性能時(shí)的釬縫間隙值應(yīng)該考慮：釬料與母材相互作用；鉛料粘度和流動(dòng)性；釬劑去膜過程；釬縫間隙值大小的考慮間隙偏小時(shí)強(qiáng)度下降原因:釬料填縫變的困難,間隙內(nèi)的氣體、釬劑殘?jiān)搽y以排出,在釬縫內(nèi)造成未釬透、氣孔或夾渣。間隙偏大時(shí)強(qiáng)度下降的原因：毛細(xì)作用減弱，使釬料不能填滿釬縫間隙；母材對(duì)填縫釬料中心區(qū)的合金化作用消失；釬縫結(jié)晶生成柱狀鑄造組織和枝晶偏析。

釬縫間隙值的確定原則１.釬料對(duì)母材潤(rùn)濕性越好，間隙越??；２.釬料與母材作用強(qiáng)烈必須增大間隙；３.釬料的流動(dòng)性好時(shí)，間隙小；４.釬料中含有高蒸氣壓組元時(shí)，間隙大；５.去膜過程對(duì)間隙值的選取有很大的影響,如右圖12所示,采用氣體介質(zhì)去膜時(shí)采用小間隙；圖12不同去膜時(shí),接頭強(qiáng)度與釬縫間隙值之間的關(guān)系綜合考慮以上因素；實(shí)際釬焊時(shí)，可查閱釬縫間隙推薦值。母材釬料系統(tǒng)間隙mm母材釬料系統(tǒng)間隙mm鋁及鋁合金Al基0.15～0.25鋼Cu0.01～0.05Zn基0.1～0.25黃銅0.02～0.10銅及銅合金黃銅0.04～0.20Ag基0.025～0.15Cu-P0.04～0.20不銹鋼CuNi30-2-0.20.03～0.20Cu-Ag-P0.02～0.15Mn基0.04～0.15Pb-Sn,Sn-Sb-Ag0.05～0.3Ni基0.04～0.10Sn-Pb,Sn-Sb0.1Cu0.01～0.10Ag-Cu-Zn-Cd0.08～0.2鈦及鈦合金Cu,Cu-P,Cu-Zn0.03～0.05鎳合金Ni-Cr0.05～0.1Ag,Ag-Mn0.03表1常用金屬間隙推薦值各種金屬釬焊時(shí)的釬縫間隙推薦值釬焊時(shí)影響釬縫間隙值變化的主要因素是：母材的熱膨脹系數(shù)和加熱方法。在均勻加熱釬焊同種材料的零件時(shí)，間隙值一般不會(huì)有明顯的變化。對(duì)材料不同、截面不等的零件，在加熱過程中釬縫間隙可能發(fā)生較大變化。特別是套接型式的接頭，母材熱膨脹系數(shù)的差異影響最大。如果套接時(shí)內(nèi)部零件材料比外部零件材料的熱膨脹系數(shù)大，則加熱中間隙變小；反之，加熱會(huì)使間隙增大。釬焊同種材料的零件，若加熱速度不同或加熱溫度不均，也會(huì)引起釬縫間隙位的變化，這種情況在感應(yīng)釬焊時(shí)最容易發(fā)生。釬焊其它設(shè)計(jì)原則：１）不應(yīng)該把接頭布置在焊件上有形狀或截面發(fā)生急劇變化的部位，以避免應(yīng)力集中；不宜安排在剛度過大的地方，防止在接頭中形成很大的內(nèi)應(yīng)力。２）異種材料熱膨脹系數(shù)相差懸殊時(shí)，考慮采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償墊片。３）釬焊不同厚度材料的時(shí)候，有時(shí)要考慮局部加厚薄件的接頭部位。４）不應(yīng)把填縫釬料在釬縫外圍形成的圓弧形釬角作為一種消除應(yīng)力集中的辦法。由于釬角大小不易控制，難免生成鑄造組織，甚至出現(xiàn)溶蝕和縮孔。５）對(duì)于要求承壓密封的釬焊接頭，盡量考慮使用搭接接頭。６）在一些特殊情況下，要考慮在接頭上開工藝孔，如:釬料以箔狀放入間隙中使用，而釬焊面積較大且長(zhǎng)寬比不大時(shí)。圖13不同厚度零件消除應(yīng)力的設(shè)計(jì)方式圖14閉合接頭的結(jié)構(gòu)5.4預(yù)置釬料的裝配

釬料在接頭上安放的位置是獲得牢固釬焊接頭的重要保證。放置原則：應(yīng)將釬料安放在釬料與母材受熱時(shí)溫度均勻的位置，且緊貼在不易潤(rùn)濕或加熱較慢的母材上，并盡可能使熔化的釬料依靠重力填滿釬縫。

對(duì)于閉合的釬焊接頭，焊前應(yīng)在母材上加工出工藝孔。如圖14所示。圖15

環(huán)狀釬料的安放位置釬料通常可做成絲狀，箔片狀及粉狀等供選用。粉末狀釬料可用樹膠或聚乙烯醇溶液作粘結(jié)劑，黏附在釬縫上。

環(huán)狀釬料的安放位置如圖15所示。

箔片狀釬料的安放位置如下圖16所示。圖16

箔片狀釬料的安放位置圖17釬焊接頭的定位方法

5.5釬焊接頭的定位定位主要有兩個(gè)方面：Ⅰ.是工件接頭的定位，Ⅱ.是釬料在工件中的定位。Ⅰ.接頭的定位在釬焊的過程中，特別是釬料開始流動(dòng)時(shí)，必須保持設(shè)計(jì)時(shí)的正確位置，保證其要求的間隙。為此，在釬焊裝配時(shí)要用各種方法固定工件。圖17為典型接頭的固定方法。圖18釬料的定位方法Ⅱ.釬料的定位釬料一般放置在釬縫的上方，以便使熔化的釬料能依靠自己的重力流入接頭。其定位方式有3種，如下圖18所示。熔態(tài)釬料做直線流動(dòng)，釬縫的毛細(xì)能力起很大作用。間隙小的釬縫比間隙大的釬縫的直線流動(dòng)性更好。軋制的板材和拉拔的管材、棒材其斷面組織和表面組織有相當(dāng)?shù)牟煌?。斷面結(jié)構(gòu)比較疏松，晶界清晰；軋制的表面結(jié)構(gòu)則致密光滑，晶粒受應(yīng)力變形而晶界緊密。釬焊時(shí)釬料對(duì)斷面溶解和滲入的程度明顯,而熔化的釬料在表面的流動(dòng)性則大于在斷面的流動(dòng)性。故釬焊時(shí)釬料在搭接釬縫中的流動(dòng)要優(yōu)于在對(duì)接釬縫中的流動(dòng)。表面型(表面搭接型）接頭具有較大的搭接面，它具有較大的承載能力，但因釬縫斷面面積較大，毛細(xì)能力則相對(duì)較弱，也需要較多的填充釬料。這種情況常以釬料箔夾在釬縫中實(shí)行“就地臥倒”的釬焊方法而不作長(zhǎng)距離的流動(dòng)。母材和釬劑一樣的情況下，不同的接頭形式其熔態(tài)釬料在釬縫中的流動(dòng)性不同，所獲得的接頭強(qiáng)度也不同。5.6釬料在各種接頭釬縫中的流動(dòng)性釬料流動(dòng)的控制

釬焊過程中影響釬料流動(dòng)的因素：加熱方法、間隙大小、安放位置、加熱溫度、保溫時(shí)間、阻流劑設(shè)置等；其中阻流劑是人為設(shè)置的，其材質(zhì)是性能穩(wěn)定的氧化物或非金屬（TiO2、MgO、石墨），高溫下不能被釬料潤(rùn)濕。釬焊前將糊狀阻流劑涂在鄰近接頭的零件表面上。阻流劑在保護(hù)氣氛爐中釬焊和真空爐中釬焊中用得很廣。釬縫間隙的控制與補(bǔ)償間隙大小的控制方法：加工釬焊面時(shí)留凸肩或凸點(diǎn)；裝配固定時(shí)塞墊片或墊絲；間隙過大時(shí)補(bǔ)償辦法：選用填縫能力好的釬料（熔化溫度區(qū)間寬的釬料）；添加合金粉末的大間隙釬焊工藝；加電鍍層；用金屬薄片、細(xì)絲填補(bǔ)；5.7釬焊前焊件的表面處理釬焊前焊件表面處理包括去油、除氧化膜及鍍覆層。１.釬焊件表面去油焊件表面黏附的油脂有礦物油和動(dòng)植物油。礦物油可用有機(jī)溶劑清除，動(dòng)植物油可用堿液去除。（１）有機(jī)溶劑去油一般小批生產(chǎn)用有機(jī)溶劑（如三氯乙烯、汽油、丙酮、四氯化碳等）擦洗，常用的是汽油和丙酮。大批量生產(chǎn)常在有機(jī)溶劑蒸氣中脫脂。用三氯乙烯去油的過程是：先用汽油擦去焊件表面大量的油污，再在三氯乙烯中浸泡5～10min后擦干。然后在無(wú)水乙醇中浸泡，再在碳酸鎂水溶液中煮沸3～5min，最后用水沖洗，用酒精脫水并烘干。用丙酮去油的過程是：先用汽油浸泡除油5～10min，再用丙酮洗滌１min，然后吹干。（２）堿溶液去油銅及銅合金、低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳及鎳合金、鈦及鈦合金等材料，可放在80～90℃的10％NaOH

水溶液中浸洗８～10min。而鋁及鋁合金可放在70～80℃的Na3PO450～70g/L、肥皂3～5g/L的水溶液中浸洗10～15min

，然后用清水沖洗干凈。無(wú)論是熔態(tài)釬料還是固體母材，其表面總是覆蓋一層厚度不等的表面膜。用酸或堿總能有效溶去這層表面膜，問題是干凈表面與周圍氣氛反應(yīng)速度如果很大，新的表面膜又會(huì)立即生成，例如鋁、鎂、鈦等活潑金屬。銅的反應(yīng)速度較低，清洗后則可以保持較長(zhǎng)時(shí)間的赤裸表面。因此從釬焊角度來(lái)說(shuō)，用酸或堿清洗金屬表面主要是為了除去因長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存留下的厚氧化皮。過度的清洗將使表面出現(xiàn)微觀的凹坑。２.母材表面去除氧化膜

常用機(jī)械方法和化學(xué)浸蝕等方法去除氧化膜。（１）機(jī)械方法去除氧化膜

該種方法主要用于鋼、銅及銅合金、鎳及鎳合金等焊件。單件少量生產(chǎn)可用銼刀、砂紙、金屬刷等清理；批量較大時(shí)則用噴砂、機(jī)械刷等清理，在清理后，還要去除表面砂粒。（２）化學(xué)浸蝕去除氧化膜

化學(xué)浸蝕主要是用酸和堿來(lái)溶解金屬氧化物。采用化學(xué)清理焊件表面氧化膜是生產(chǎn)中最常用的，適用于大批量生產(chǎn)，但使用時(shí)要防止焊件表面浸蝕過度，對(duì)鋁及鋁合金更應(yīng)注意。化學(xué)浸蝕后需進(jìn)行中和處理，然后在冷或熱水中洗凈，并加以干燥?；瘜W(xué)浸蝕的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高、效果好。各種常用材料去除氧化膜的化學(xué)清理方法見表2。

釬焊零件經(jīng)去油及清除表面氧化膜后，嚴(yán)禁手或其他臟物觸及表面。清洗后的零件應(yīng)立即裝配釬焊或放在干燥容器內(nèi)保存。釬焊零件組裝時(shí)，應(yīng)戴棉布手套。表2為了改善釬料對(duì)某些基體材料表面的潤(rùn)濕性，為了防止焊件材料（如含鈦、鋯等活潑元素的金屬材料）在釬焊過程中被嚴(yán)重氧化和防止釬料與焊件材料形成脆性化合物，必須對(duì)焊件表面鍍覆層。焊件表面常用的鍍層見表３。

表33.焊件表面鍍覆層5.8釬焊熱循環(huán)1.釬焊溫度

確定釬焊溫度的主要依據(jù)是所選用釬料的熔點(diǎn)。釬焊溫度應(yīng)適當(dāng)?shù)馗哂阝F料熔點(diǎn)，以減小液態(tài)釬料的表面張力、改善潤(rùn)濕和填縫，并使釬料與母材能充分相互作用，有利于提高接頭強(qiáng)度。

但釬焊溫度過高卻是有害的，它可能引起釬料中低沸點(diǎn)組元的蒸發(fā)、母材晶粒的長(zhǎng)大以及釬料與母材過分的相互作用而導(dǎo)致溶蝕、脆性化合物層、晶間滲入之類的問題，使接頭強(qiáng)度下降，因此通常將釬焊溫度選為高于釬料液相線溫度25—60℃。圖19錫鉛釬料焊接銅時(shí)接頭強(qiáng)度與釬焊溫度的關(guān)系但這個(gè)慣例不是對(duì)任何情況都適用的，如果釬料與母材相互作用很強(qiáng)，使填縫的液態(tài)合金與原始釬料相比成分和性能發(fā)生較大變化，這時(shí)為了保證填縫過積的順利進(jìn)行，釬焊溫度應(yīng)以間隙中形成的新合金的熔點(diǎn)為依據(jù)來(lái)確定。例如，用Ni—Cr—B—Si—Fe釬料餅焊不銹鋼，合適的釬焊溫度應(yīng)高于釬料熔點(diǎn)140℃左右。也有相反的情況，例如，對(duì)于某些結(jié)晶溫度間隔寬的釬料，由于在固相線溫度以上已有液相存在，具有一定流動(dòng)性，這時(shí)釬焊溫度可以等于或低于釬料液相線溫度。至于接觸反應(yīng)釬焊，使用的釬焊溫度遠(yuǎn)低于純金屬釬料的熔點(diǎn)，只要求稍高于釬料—母材二元系的共晶溫度。

也需要根據(jù)母材的熱處理情況選擇，如可以選擇釬焊-熱處理一體化的工藝。2.保溫時(shí)間保溫時(shí)間對(duì)于接頭強(qiáng)度的影響一般具有類似的特性。一定的保溫時(shí)間是釬料同母材相互擴(kuò)散、形成強(qiáng)固的結(jié)合所必需的。確定釬焊保溫時(shí)間，首先要考慮釬料與母材相互作用的特性。當(dāng)釬料與母材的相互作用具有諸如強(qiáng)烈溶解、生成脆性相、引起晶間滲入等不利傾向時(shí)，應(yīng)盡量縮短保溫時(shí)間。相反如果通過二者的相互作用能消除釬縫中的脆性相或低熔組織時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。

保溫時(shí)間也與焊件大小和釬縫間隙值有關(guān)。大件的保溫時(shí)間應(yīng)比小件的長(zhǎng)，以保證加熱均勻。釬縫間隙大時(shí)，為了保證針料同母材必要的相互作用，應(yīng)有較長(zhǎng)的保溫時(shí)間。對(duì)釬焊溫度和保溫時(shí)間不應(yīng)孤立的來(lái)確定，它們之間存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，可以相關(guān)地在一定范圍內(nèi)變化。因此應(yīng)根據(jù)上述的一些原則通過試驗(yàn)來(lái)確定。3.加熱速度和冷卻速度

釬焊時(shí)的加熱速度和冷卻速度也是應(yīng)給予注意的工藝參數(shù)。過快的加熱會(huì)使焊件內(nèi)溫度不均而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；加熱過慢又會(huì)產(chǎn)生某些有害過程，如母材晶粒長(zhǎng)大、釬料低沸點(diǎn)組元的蒸發(fā)、金屬的氧化、釬劑的分解等劇烈發(fā)展。因此應(yīng)在保證均勻加熱的前提下盡量縮短加熱時(shí)間。

3.加熱速度和冷卻速度

具體確定時(shí)，必須結(jié)合焊件尺寸、母材和釬料特性等因素來(lái)考慮