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真空釬焊工裝夾具設計

作者:蔡東俊 人氣:275772 日期:2022-01-22 16:31:00

      

     真空釬焊裝配、釬焊工裝夾具設計

引 言

   真空釬焊能夠獲得精密光亮的接頭、釬縫,而且接頭具備優良的機械性能和抗腐蝕性能,真空釬焊與其它釬焊方法相比,在零件氧化和零件變形的控制方面具有明顯的優勢,這些特點對于平板天線、風冷散熱器,水冷冷板和有特殊要求的箱體、盒體都非常適合,直接可以獲得高精度的零件,質量也易于控制,現在真空鋁釬焊在電子產品冷卻系統中的應用已十分廣泛。真空釬焊的主要工序包括:零件加加工、真空釬焊前清洗處理、零件裝配和固定、釬焊、釬焊后處理及質量檢驗等,每道工序均會影響最終的釬焊質量,下面主要討論真空鋁釬焊夾具設計和選擇時必須考慮的因素。

1 真空釬焊夾具裝配夾具及進爐真空釬焊夾具一般設計原則

   真空釬焊時釬焊零件應裝配定位,以確保零件之問的相互位置和釬焊要求的接頭問隙。釬焊夾具要涉及到釬焊零件的固定、裝配、進爐、釬焊、出爐整個過程.真空釬焊進爐釬焊夾具是否合理和實用直接影響到產品的釬焊質量。普通夾具設計的原則和要求同樣適用于釬焊夾具的設計,如夾具系統要具有一定的精度;夾具系統要具有一定的剛度以克服加工過程中的變形;夾具系統要具有結構緊湊、形狀簡單、裝卸方便的特點 除了要考慮以上的原則,釬焊夾具還有它自身的特點,一般來說裝配釬焊夾具和進爐真空釬焊夾具設計有比較大的區別。進爐真空釬焊還要考慮如下因素:

(1)真空釬焊隨爐夾具材料要可以經受釬焊溫度,而不喪失強度,不變形和放出氣體,不易與組焊件產生合金反應、不粘;

(2)重視夾具和零件的溫度膨脹和收縮,在釬焊溫度下,要保證釬焊零件具有合適的接頭間隙;

(3)夾具要保證釬焊區的熱傳導,引起的熱量轉移對零件的穩定加熱降溫產生干擾最小,并且不妨礙釬料的流動。

2 真空釬焊夾具設計

2.1 真空釬焊夾具材料的選擇夾具材料選用,最根本就是要保證:在釬焊溫度下,夾具材料的剛性要大于釬焊零件材料,這樣在釬焊過程中,焊件的變形始終受夾具的限制,焊件及其配合尺寸可以依靠夾具裝配得到保證。真空鋁釬焊工作溫度在600 ℃左右,釬焊時間3~6小時,一般情況選擇1Crl8Ni9Ti可以滿足使用要求,1Crl8Ni9Ti屬奧氏體不銹鋼,抗氧化性達到700℃以上,重要的是在釬焊溫度時還有足夠的熱強性,剛性遠大于鋁合金,組織穩定,長期旋用不會脆化,故而,釬焊夾具基本框架及主要工作部件采用1Crl8Ni9Ti是非常合適的;對于一些配合尺寸及精度要求高的零件,夾具設計必須要涉及螺紋副以及定位孔軸配合,材料選擇不合適,組織接近,熱穩定性差,釬焊溫度下夾具零件之間會有“咬死”現象,而選用鑄鐵與lCrl8Ni9 Fi配合交替使用就可以較好地解決這個問題。

2.2 要考慮熱變形的影響

   真空釬焊夾具及零件在釬焊溫度下產生熱變形對釬焊過程的影響應該著重予以考慮。由于夾具和釬焊零件的材料不同,熱膨脹系數不同,在加熱的情況下,會產生膨脹量差,釬焊零件會產生變形,夾具的目的就是讓釬焊件隨夾具的變形而變形,一般來說,主要對釬焊件平面度、垂直度、焊縫間隙有要求.其它要求不十分嚴格的零件,采用強制變形夾具可以滿足使用要求;但是對于某些外形尺寸、配合尺寸精度要求比較高的零件,采用強制變形夾具就不能滿足使用要求了,必須考慮在強制變形夾具的基礎上,設計部分彈性元件組成柔性夾具系統,彈性元件一般采用高溫彈簧或彈性夾頭,經過膨脹量差的計算,控制彈性元件的變形范圍,這樣既可以對釬焊件保持必要的壓力,又解決了膨脹量差的問題。

如圖1所示,

 

    零件為箱式真空釬焊件,上下導軌板與前后支撐框組成一個可拔插插件的箱體,上下蓋板與上下導軌板之間放置波紋板起到散熱作用?傮w而言此零件有一個顯著地要求,尺寸精度及裝配精度要求高,成型后不經過加工,上下導軌板之間插槽定位精度不超過0.15mm,上下間距尺寸精度不超過0.2 mm,插件需拔插自如。在實際生產中經過對夾具及焊件材料熱膨脹量精確地分析計算,設計彈性不銹鋼墊和鋼性C形夾配合使用,消除了熱膨脹差對釬焊的影響。如圖1夾具系統所示,箱體周邊上下依靠小的剛性C形夾(圖件6)及墊板夾緊,箱體上下四個角在整個高度上用C形夾及彈性元件整體夾緊(圖件9、10)。按照兩種材料熱膨脹系數計算產生的膨脹量差。

真空釬焊工裝夾具變形量計算公式為:

△L=L× △T× △ =L× △T×( a2 a1)

其中:△ 是熱膨脹產生變化的膨脹量差;L是夾持距離;△T是釬焊溫度減去室溫,這里取570℃~580℃;a2是夾持件平均熱膨脹系數,℃; a1是被夾持件平均熱膨脹系數,℃。箱體總高為410 mm,四周小夾頭夾持距離為35~ 40 mm。經過計算,箱體總高度方向夾持后受熱產生間隙量為一2.38 mm,四周小夾頭夾持后受熱產生間隙量為一0.19 mm(間隙量為負值說明加熱膨脹后被夾持物長度大于夾頭夾持間距)。在小C形夾頭夾持位置受熱后間隙為0.19 mm,分析認為:此處包括兩個釬焊面,由于釬焊料填充接頭間隙。每一個釬焊面存在0.10 mm的塌陷,兩項相抵,采用剛性夾頭是可行的;而箱體整體高度上受熱后間隙為2.38 mm,減去四個釬焊面塌陷,還存在的間隙為2 mm左右,如果間隙調整太大,受熱后夾持物不能有效夾緊,釬焊需要間隙無法保證,易于產生焊接不充分或焊縫明顯不均勻的現象;如果間隙調整太小,受熱后夾頭形變量不能滿足焊件的形變要求,箱體會因夾持物限制而變形,即四角支撐柱由于熱膨脹空間不足而產生彎曲或扭曲變形,造成零件報廢。通過自制不銹鋼彈簧墊(圖中件10)(彈簧墊的變形量控制在2 mm)的配合使用較好地解決了這個問題,釬焊件焊接充分,包括上下四角部分焊縫均勻一致,符合設計要求。

2.3 真空釬焊夾具要充分考慮到釬焊件加散熱均勻性的要求釬焊時零件的加熱和冷卻速度也是重要的工藝參數,鋁的真空釬焊,真空度控制在3×10ˉ3Pa左右,采用輻射加熱,就是為了保證在釬焊過程中加熱散熱是一個均勻的過程,這樣焊件的變形可以減少到最低,易于保證焊件的尺寸精度。

如圖2所示

 

   為真空釬焊熱循環溫度曲線 如果加熱過快,會使焊件內溫度不均勻而產生內應力,加熱過慢又會造成例如母材晶粒長大,釬料低沸點組元蒸發以及金屬氧化釬劑分解等有害過程的急劇發展,焊件的冷卻速度對于接頭質量也有直接的影響,過慢的冷卻可能引起母材晶粒長大,加快冷卻速度有利于細化釬縫組織提高接頭強度,但冷卻過快可能使焊件因形成過大的熱應力而產生裂紋,或釬縫過速凝固使氣體不及逸出而產生氣孔。在焊件的溫度控制方面以上述曲線為基準,在釬焊中都可以取得很好的效果,曲線中加熱速率主要由焊件的材料形狀及結構尺寸來決定,也與使用釬料的形式及釬料的結晶溫度范圍有直接關系。但是如果釬焊夾具忽略了散熱性要求,限制了零件的熱交換,釬焊件焊縫質量就難以保證。

如圖3所示

    真空釬焊零件是一個由上下導軌板及左右側板通過釬焊連接而成的盒體,此零件不僅要求成型后插件拔插方便,而且對于盒體有氣密性要求,這樣在對釬焊精度有很高要求的同時,也提高了兩側焊縫的焊接標準,在實際釬焊過程中,經檢驗發現焊件存在氣密檢驗不合格現象,這就是說焊縫的質量不達標準。經過分析,確認是釬焊夾具設計不合理,夾具限制了釬焊區的熱傳導進而影響了焊縫質量,在夾具設計時沒有考慮散熱性的因素,焊件處于前后定位板及配重平板的包圍之中,影響到盒體內外的熱交換,釬焊件的加熱及散熱過程受到夾具影響,在此過程中,盒體內外的溫差可能引起熱膨脹、冷收縮時變形不一致,而真空釬焊的作用過程是一個快速的過程,當釬焊件達到釬焊溫度時,釬料的潤濕和接頭的形成大約只需要幾秒鐘的時間,釬焊件內外溫度不一致,極易造成焊縫有氣孔、夾渣,甚至是焊縫開裂,焊件報廢。為了解決這一問題,在夾具(見圖3)的前后定位板和盒體之間設計增加了墊柱(圖示9),定位板增加了散熱孔,配重平板上設計了散熱型腔及散熱孔(圖示10),此措施解決了釬焊件加熱及散熱的均勻性問題,提高了焊縫質量,達到了零件氣密性的要求。

3 真空釬焊工裝夾具設計小結

   真空爐中釬焊夾具設計要考慮的因素比較復雜,在保證以上要求的條件下,還要考慮到重力影響,焊件加熱后,接頭因膨脹松弛,釬料會自然出現向下流動的趨勢,所以必須注意夾具及焊件的夾持及放置形式;夾具結構要盡可能簡單,釬焊是一個封閉進行的過程,具體過程不可見,夾具越簡單,不可預見的問題越少,這樣夾具可靠性高,可操作性強?傊,釬焊夾具設計應重點保證以下幾個方面:保證釬焊件接頭間隙,對于鋁及鋁合金的組裝件,接頭內有0.05~0.10 mm的間隙,此時釬料流動性最好;重視夾具與組焊件在釬焊溫度時的膨脹和收縮,考慮膨脹系數的區別,保證零件相互協調;夾具對零件釬焊過程的影響最小,保證不影響釬焊區的熱傳導,不妨礙釬料的流動。鋁合金真空釬焊根據鋁合金釬焊組件結構和焊縫形式及形位公差等, 設計相應的工裝夾具。

(1) 真空釬焊的升降溫應采用盡量大的升溫和降溫速率。
 圖1是鋁-鎂二元合金相圖的局部。
以15%鎂的合金為例, 若升溫速率足夠快, 釬料開始熔化溫度是e點, 熔化終了是f點。如果升溫速率足夠低, 根據二元相圖的杠桿定律, 在b點的等溫停留時間較長時, 就會產生c點成分的液相和a點成分的固相, 而a點成分固相的液相線點即熔化終了溫度升高至g點。真空釬焊時升降溫速率低, 存在三個方面的問題:一是會升高釬料的熔化終了溫度, 導致部分釬料不熔, 甚至母材發生溶蝕時釬料也不全熔;二是先前熔化的低熔點液相與母材作用產生溶蝕;三是高蒸氣壓元素鎂、鉍等的揮發產生漫流, 提高了釬料熔化終了溫度。分別產生釬料漫流、部分不熔、母材溶蝕。
2真空釬焊的保溫時間在保證釬焊縫強度的前提下, 保溫時間要短。
 
 表1是鎂-硅系釬料合金及雜質元素的飽和蒸汽壓溫度。鋅405℃、鎂515℃的蒸汽壓是10-1 mm Hg, 鉍609℃的蒸汽壓是10-3mm Hg。在釬料熔化溫度550~585℃范圍內三個元素的蒸汽壓均高于釬焊時的環境壓強 (≤5×10-3MPa) 。當釬料開始熔化后,部分鋅、鎂、鉍蒸發逸出, 迅即被抽氣系統抽出, 連續蒸發逸出, 持續破壞了液態釬料的張力, 改善了釬料對母材的潤濕性能, 保溫時間越長, 降低釬料表面張力的作用越強, 釬料的潤濕性能越好, 直至產生釬料漫流。
3釬焊工裝的作用釬焊工裝把釬焊組件和釬料固定在一起, 使組件連接處形成適當的間隙, 釬料熔化后毛細吸附在間隙內形成釬焊縫, 并在釬焊過程中保持組件相對位置不變, 保證其尺寸公差。對于鋁合金零件的真空釬焊, 鋁吸收輻射熱效率低, 工裝還需承擔接受熱輻射而加熱鋁件的功效。
工裝夾具設計不當產生的釬焊缺陷
工裝夾具設計不當出現的釬焊缺陷有:零件變形、漫流、漏焊、釬料不全熔、溶蝕、工裝螺栓卡死等。零件變形是其尺寸和形狀不滿足圖紙要求。漫流是釬焊時釬料流過接頭處在母材上形成的薄的覆蓋層。漏焊就是釬料流失, 釬焊件聯結縫隙內沒有釬料而形成的未焊合的縫隙。釬料不全熔就是釬料部分沒有熔化, 依然保持原形狀。溶蝕是母材表面被熔化的釬料溶解而形成的凹陷。工裝螺栓卡死是指釬焊后螺栓拆卸不下來,嚴重時甚至擰斷, 螺栓也不松動。解決方法:設計采用粗牙螺栓,加工時螺栓以后可進行真空氮化或發黑色處理。在現場拆工裝螺栓如發現工裝螺栓卡死可以用免洗揮發油潤滑下,或在螺紋處涂覆石墨粉。拆卸時用氣動扳手稍微振動下。
現對這些缺陷產生的原因作如下析:
(1) 零件變形:鋁的膨脹系數約是鋼鐵的兩倍, 二者膨脹變形不協調, 導致零件固定部位受壓留下壓痕。零件形位尺寸變形的機理是釬焊工裝熱剛度不足, 熱應力和重力引起組件松動錯位, 釬焊縫隙變大, 這往往伴隨著漏焊, 但不會產生工裝壓痕。工裝壓片熱彈性不足, 釬焊組件裝配鎖緊力太大, 在加熱時超過了材料的屈服強度而使釬焊件變形, 并有工裝壓痕存在。另外, 釬焊組件材料殘余內應力過大、升降溫速率過大、組件裝配壓緊力太大時, 也會使釬焊零件變形, 但這種變形可以通過增加釬焊組裝前的去應力熱處理或采用在550℃以下緩慢升溫、降低升降溫速率、減輕組件裝配時壓緊力等措施來克服, 而工裝夾具設計不當引起的變形則不能用此措施消除。
(2) 漫流是由于工裝的熱容量過大, 致使釬焊件升降溫速率小, 釬料在固-液相線溫度區間停留時間過長, 釬料中大蒸汽壓組元揮發過多, 破壞了液態釬料表面張力, 使釬料潤濕性能太好而導致漫流。提高釬焊加熱功率不能消除工裝熱容量過大導致的漫流。
 
工裝設計需要注意事項
1 真空釬焊工裝剛度不足引起零組件松動而使釬焊縫隙變大, 導致釬料流失;或工裝的熱容量過大,減少工裝的熱容量最簡單的方法就是在工裝上打孔或者在接觸產品的地方采用鏤空方式。讓接觸產品的工裝成:萬里長城的形狀。由以前的線接觸變成有間隔的接觸。釬料在液態停留時間太長, 釬料中大蒸汽壓組元持續揮發導致釬料流失, 二者都產生漏焊。其它原因如釬劑過量也會產生漏焊。
2 釬料不全熔工裝的熱容量過大, 加熱時釬料在固-液相線溫度區間停留時間過長, 形成了液-固平衡相,在真空環境中釬料低熔點液相, 導致固相成分的熔點升高而不溶。工裝的熱容量過大時, 提高加熱功率, 釬焊件滯后環境的溫度差會加大, 釬焊件的升降溫速率提高有限, 漫流、漏焊、釬料不全熔等缺陷不能消除。母材溶蝕工裝的熱容量過大, 在釬料的固-液相線溫度區間加熱或冷卻時間過長, 釬料中某些組分過多地滲入母材降低了其熔點, 產生溶蝕缺陷。母材溶蝕常常在提高釬焊溫度, 努力消除釬料不全熔缺陷時出現。
3工裝螺栓卡死在真空環境下釬料低熔點和蒸汽壓大的組分和釬劑揮發嚴重, 螺栓牙與螺母扣間和孔軸間隙內形成毛細縫隙, 吸附釬料或釬劑蒸汽凝固后形成聯結。
4鋁合金真空釬焊工裝夾具要盡量地質輕、熱容量小、剛度高、吸熱導熱性好、熱彈性好。
5鋁合金真空釬焊需要快速升降溫, 真空釬焊靠輻射加熱, 鋁接收熱輻射的效率低, 工件溫度滯后爐子溫度的大小受工裝材料的輻射熱反射率、導熱性及比熱容的影響較大, 應選用導熱性好、比熱容小、密度小的材料。鉻鎳鐵合金、鎳高溫合金等在600℃仍具有彈性, 是釬焊工裝夾具的理想材料。奧氏體不銹鋼在釬焊溫度仍有足夠的強度, 可以作框架結構部件和彈簧壓片, 是較便宜的工裝材料。鈦合金熱強度高, 但導熱性差,不易作工裝材料。石墨的導熱系數、比熱容接近1Cr18Ni9Ti鋼, 線膨脹系數是1Cr18Ni9Ti鋼的四分之一, 石墨密度2.26kg/m3, 單位體積的熱容量小;石墨是黑色, 易吸收輻射熱, 有利于工件的快速升溫。石墨可作為平面度要求高的釬焊組件的底板和壓板。較大型的精密零件, 采用0Cr181Ni9和石墨組合工裝效果較好。
6工裝的剛度在釬焊溫度下, 工裝夾具應有足夠的剛度, 承受一定的夾緊力時不能變形, 釬焊件的重量會引起變形, 與其接觸的底版的平面度就是釬焊后零件的平面度。石墨底版和壓板的厚度應≥10mm, 否則釬焊溫度下易折斷。工裝夾具應能保證釬焊組件間的縫隙保持在最小的尺寸, 以便縫隙毛細吸附住熔化的釬料。工裝夾具剛度不足, 在釬焊溫度下夾緊力松馳, 釬焊組件間的縫隙增大, 釬料熔化后不能被吸附進縫隙或縫隙保持不住釬料, 就形不成焊縫。
7工裝的熱彈性工裝與鋁釬焊件的膨脹系數不一樣, 升降溫過程中會產生相對變形, 工裝應通過幾字形彈簧壓片與釬焊組件壓板接觸。在接近熔點時鋁合金的強度很低, 彈簧壓片的熱彈性太大, 釬焊件組裝時合適裝夾力的大小難以把握, 加熱時彈簧壓片不能有效地釋放過大的裝夾力, 會留下壓坑。彈簧壓片熱彈性不足,在加熱時零件的自重力或工件與工裝的相對熱變形會增大釬焊縫隙, 導致漏焊。實驗表明1Cr18Ni9Ti鋼的彈簧壓片0.6~1mm厚較合適。
8工裝的熱容量工裝的熱容量大, 升溫速率低, 在真空環境中釬料低熔點成分揮發快, 導致余下組元熔點升高而不溶, 同時形成漫流。同樣, 過慢的冷卻, 會產生漫流、漏焊、溶蝕等缺陷。工裝夾具在保證足夠剛度的前提下, 應盡量的簡單、質輕, 或鏤空減重, 減少工裝的熱容量最簡單的方法就是在工裝上打孔或者在接觸產品的地方采用鏤空方式。讓接觸產品的工裝成:萬里長城的形狀。由以前的線接觸變成有間隔的接觸。讓其熱容量應盡量的小, 可以用質量輕的石墨部分取代不銹鋼作襯板壓板, 既可保證工裝的熱鋼度, 也可減少其熱容量。在長600mm、厚0.8mm的某精密薄壁零件的釬焊攻關中, 先前的釬焊工裝較重。每爐只裝1件, 在釬焊中也總是有釬料不全熔、釬料漫流等缺陷, 形不成焊縫。雖經不斷提高釬焊溫度, 甚至于接近母材的固相線, 即使出現了溶蝕, 釬料也沒有完全熔化。采用分階段升溫, 在500℃后快速升溫, 但釬焊件溫度滯后爐溫50 min以上, 且升溫緩慢, 同樣出現釬料不全熔。采取鏤空工裝減重、削減工裝厚度、增加石墨板以保證工裝的熱剛度等措施后, 則釬焊效果良好。
9工裝熱反射性、導熱性鋁的熱反射率高, 特別是尺寸要素多的復雜精密釬焊件, 工裝幾乎包圍住了釬焊件, 釬焊件的升溫主要靠工裝接受的輻射熱。若工裝的反射率高, 導熱性差, 工件升降溫速率就低, 釬料不熔、漫流、漏焊、溶蝕等缺陷不易避免。除選用導熱性好的材料外, 可部分改用石墨或把工裝發黑處理、氧化處理。釬料易濕潤工裝, 工裝表面的氧化鉻、氧化鐵膜, 也能大大降低釬料對工裝的潤濕性。
10工裝螺紋揮發的釬料和釬劑, 毛細吸附在螺紋牙和螺母螺栓聯結處, 工裝拆卸困難。使用粗牙螺紋可減少吸附, 或在螺紋處涂覆石墨粉, 抗吸附效果更好, 工裝拆卸時先用毛刷刷掉石墨粉。工裝夾具的孔軸間隙應盡量大些, 應選擇不同牌號的材料, 同種牌號或成分太接近, 易發生互相擴散而導致拆卸困難。
11工裝使用前的處理工裝夾具在第一次使用前還應在真空釬焊爐中加熱處理一次, 溫度略高于釬焊溫度, 以清除掉黑色氧化處理時帶入的易揮發成分, 防止對釬焊零件的污染。

 

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