3.2.1.6真空釬焊
真空釬焊是在真空環(huán)境中將溫度升至釬料的熔化溫度,由高溫液態(tài)焊料在毛細力作用下填滿被焊接的固態(tài)基金屬(釬焊金屬或簡稱基金屬)之間的間隙,而使被釬焊的金屬達到結(jié)合的一種熱連接工藝方法。具體工藝是先把被釬焊的零件用夾具夾持在一起,接頭周圍加上釬焊焊料,然后在真空爐內(nèi)加熱使焊料熔化流散于縫隙內(nèi),利用液相釬料與母材之間的擴散以及釬料的凝固使被釬焊的金屬件結(jié)合在一起。
A真空釬焊特點與應用
真空釬焊與其他焊接方法相比,具有以下優(yōu)點:
(1)在全部釬焊過程中,被釬焊零件處于真空條件下(10~10-2Pa范圍),不會出現(xiàn)氧化、增碳、脫碳及污染變質(zhì)等現(xiàn)象,在真空環(huán)境中,能夠排除被焊接件在釬焊溫度下釋放出來的揮發(fā)性氣體和雜質(zhì),可以得到光潔度很好的接頭,而且焊接接頭的清潔度好、強度較高。
(2)釬焊時,釬焊溫度低于基體金屬的熔點,對基材影響小，零件整體受熱均勻,熱應力小,可將變形量控制到最小限度,特別適宜于精密產(chǎn)品的釬焊。
(3)因不用釬焊劑,所以不會出現(xiàn)氣孔、雜等缺陷,提高了基體金屬的抗腐蝕性,避免了污染,可以省掉焊接后清洗殘余焊劑的工序,改善了勞動條件,對環(huán)境無污染。
(4)可將零件熱處理工序在釬焊工藝過程中同時完成。選擇適當?shù)拟F焊工藝參數(shù),還可將釬焊安排為最終工序,而得到性能符合設計要求的釬焊接頭。
(5)可一次釬焊多道鄰近的焊縫,或同爐釬焊多個組件,同時完成多個零件的連接,并可連接不同的金屬,焊接效率高。
(6)可釬焊的基本金屬種類多,可以釬焊用一般方法難以連接的材料和結(jié)構(gòu),特別適宜釬焊鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、不銹鋼、高溫合金等,也適宜于鈦、鋯、鈮、鉬、鎢、鉭等同種或異種金屬的釬焊連接。對于難熔金屬的連接,真空釬焊是產(chǎn)生無疵接頭的最佳方法之一。真空釬焊也適用于復合材料、金屬封接、石墨、玻璃、金剛石等材料。
(7)由于釬焊釬料的濕潤性和流動性良好,可以釬焊帶有狹窄溝槽、極小過渡臺、盲孔的部件和封閉容器、形狀復雜的零部件,而且無需考慮由釬焊劑等引起的腐蝕、清洗、破壞等問題。
真空釬焊的缺點在于:
(1)在真空條件下金屬易揮發(fā),因此對含易揮發(fā)元素的基本金屬和釬料不宜使用真空釬焊。如確需使用,應采用相應比較復雜的工藝措施。
(2)真空釬焊對釬焊前零件表面粗糙度、裝配質(zhì)量、配合公差等的影響比較敏感,對工作環(huán)境要求高。
B真空釬焊接頭的結(jié)構(gòu)形式
通常在真空釬焊工藝中采用兩種接頭形式:搭接接頭和對接接頭。此外,具有T形接頭和角接特點的釬焊接頭,可以作為對接接頭來處理。
a搭接接頭
搭接接頭是釬焊連接的基本接頭形式。在搭接接頭中,可借助于搭接面積的改變,使接頭的強度與較弱部件的強度相等,即使使用較低強度的釬料,或者在接頭中存在少量缺陷時也是如此。通常搭接部分至少要3倍于較弱部件的厚度才能獲得最大的接頭效率。圖3-3所示為低應力狀態(tài)下的搭接接頭。圖3-4所示為高應力狀態(tài)下的搭接接頭,零件接頭處的圓弧可使載荷均勻分配到基體金屬中去,以避免出搭接接頭能夠獲得最大的接頭效率,而且它的裝配要求也相對地較為簡單,容易制造。但是搭接接頭形式也存在明顯的缺點,一方面,增加了基材的消耗,增大了結(jié)構(gòu)重量;另一方面,接頭截面有突然變化,容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。

圖3-3低應力搭接接頭

圖3-4高應力搭接接頭
b對接接頭
對接接頭具有均勻的受力狀態(tài),并能節(jié)省材料、減輕結(jié)構(gòu)重量,成為熔焊連接的基本接頭形式。但在釬焊連接中,過去由于釬料等原因,使對接接頭常不能保證與焊件有相等的承載能力;加之裝配時保持接頭的對中和焊縫間隙的尺寸精度均較困難,故一般不推薦使用?，F(xiàn)在,由于真空釬焊的發(fā)展,有些釬料的強度可以與基材強度相當,因此對接接頭形式也時有采用。
一般地,對接接頭多用于低應力狀態(tài)。要求在高應力狀態(tài)使用時,通過增設肋板補強,也可以設計成如圖3-5所示的接頭,大幅度增大對接面積,以提高強度;也可以采用分散釬縫應力的方法,在兩側(cè)增加肋板,改善在動載荷條件下的承載能力,如圖3-6所示。另外,在釬料、釬焊間隙、釬焊方法及工藝過程一定的條件下,為獲得高強度接頭,也可以設計成如圖3-7所示的斜對接形式,增大釬焊積而不增加接頭厚度,但這種形式不適于薄板結(jié)構(gòu)。

圖3-5高應力狀態(tài)使用的對接接頭

圖3-6對接接頭用肋板補強
c其他形式接頭
板狀零件的接頭形式見圖3-8;棒狀零件釬焊結(jié)構(gòu)見圖3-9;管狀零件釬焊結(jié)構(gòu)見圖3-10。

圖3-7斜對接接頭

圖3-8板狀零件釬焊結(jié)構(gòu)
(a)不受力、不密封結(jié)構(gòu);(b)~(d)受力結(jié)構(gòu)

圖3-9棒狀零件釬焊結(jié)構(gòu)
(a)不受力、不氣體密封結(jié)構(gòu);(b)-(d)受力、氣體密封結(jié)構(gòu)
薄壁管和法蘭的釬焊結(jié)構(gòu)如圖3-11所示,其中圖3-11(a)、(b)為單邊焊料槽的釬焊結(jié)構(gòu)形式,加工簡單,但焊料流失的可能性大;圖3-11(c)為雙邊焊料槽,加工較復雜,但焊料不易流失;圖3-11(d)、(e)為較高強度的釬焊結(jié)構(gòu)形式。

圖3-10管狀零件釬焊結(jié)構(gòu)
(a)不易達到真空密封;(b)~(d)可靠的連接形式

圖3-11薄壁管和法蘭的釬焊結(jié)構(gòu)
在圖3-12所示的接頭結(jié)構(gòu)形式中,圖3-12(a)為薄邊疊合結(jié)構(gòu);圖3-12(b)為螺紋連接的釬焊結(jié)構(gòu);圖3-12(c)為具有盲孔的接頭形式?？稍诠ぜ霞庸饪?用來防止焊接時因受盲孔內(nèi)的氣壓增高而阻礙焊料填滿焊縫。

圖3-12其他形式的釬焊結(jié)構(gòu)
C真空釬焊接頭設計的依據(jù)和原則
釬焊接頭是釬焊結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵因素,它與釬焊結(jié)構(gòu)的性能和安全等方面有著直接的關(guān)系。與被連接零件具有相等的承受外力的能力任何釬焊接頭必須滿足的基本要求。接頭的承載能力與許多因素關(guān),如接頭形式、選用的釬料的強度、釬縫間隙值、釬料和基材間互作用的程度、釬縫的釬著率等,其中接頭形式起相當重要的作用。
真空釬焊時,選擇或設計所需使用的接頭類型,會受到多種因素的影響。這些因素包括所使用的釬焊方法和設備、釬焊前零件的制造技術(shù)、釬焊件的數(shù)量、施加釬料的方法以及接頭最終使用的要求等。
一般地,設計真空釬焊接頭主要應考慮以下原則:
(1)防止應力集中。一般基材本身能承受較大的應力和動載負荷,因此,一個優(yōu)良的釬焊件設計總是不使接頭邊緣處產(chǎn)生任何過大的應力集中,而應設法將應力轉(zhuǎn)移到基材上去。為此,不應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,以避免應力集中;也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)應力。異種材料組成的接頭,先要計算不同材料在釬焊溫度下的膨脹量,以驗證與推薦的釬焊間隙是否一致,同時還要充分考慮整個構(gòu)件受熱帶來的不利因素。一般把熱膨脹系數(shù)較大的材料設計在內(nèi)部,熱膨脹系數(shù)較小的材料設計在外部,以保證較小的釬焊間隙。如果二者的熱膨脹系數(shù)相差很懸殊,則在接頭中將引起較大的內(nèi)應力,甚至導致開裂破壞。這時,在設計中應考慮采用適當?shù)难a償墊片,借助它們在冷卻過程中產(chǎn)生的塑性變形來消除應力。焊縫部位在冷卻后希望獲得壓應力,以避免焊縫拉裂。通常均選用熱膨脹系數(shù)大的基體金屬圍繞在熱膨脹系數(shù)小的基金屬外部的結(jié)構(gòu)形式。
在設計由厚度不同的零件組成的接頭時,為了避免在載荷作用下接頭處發(fā)生應力集中,有時考慮局部加厚薄件的接頭部分。圖3-13中列舉了在承受箭頭所示方向的載荷時,接頭的不同設計實例。
(2)滿足工件的工況要求。正確選擇釬焊接頭及釬焊面的結(jié)構(gòu),以保證真空零部件的氣體密封性、導電性及導熱性。不同的構(gòu)件有個同的使用要求和工況條件,設計接頭時必須對具體情況采取相應的措施。
對于要求承壓密封的釬焊接頭,只要可能的話,都應采用搭接形式的接頭,因為這種接頭形式具有較大的釬焊面積,發(fā)生漏泄的可能性比較小。圖3-14所示為幾種承壓密封容器的典型釬焊接頭。

圖3-13不同厚度零件的接頭設計實例
(a)不正確;(b)正確

圖3-14承壓密封容器的典型釬焊接頭
在導電接頭的設計中,需考慮的主要因素是導電性。正確的接頭設計不應使電路的電阻明顯增大。
(3)有利于釬料的合理放置。真空釬焊中的釬料是預先放置的,設計接頭時,應考慮釬料的裝填方式和位置,限制焊料的流失及使焊料充滿焊縫。需要在接頭基材上開槽預置釬料,槽應開在截面較厚的零件上或易加工釬料槽的零件上,如圖3-15所示。

圖3-15開釬料槽示意圖
(4)便于檢驗。設計接頭時應考慮將釬料安放在組件的內(nèi)側(cè),釬焊時釬料就會向外流,檢驗者可以直接觀察釬料的流動分布情況和整個接頭的釬透情況。在一些情況下,釬料不能放入接頭中,為了保證使釬料適當?shù)亓魅虢宇^和便于檢驗,釬料應放在接頭的一側(cè),并能流入接頭,這樣就可從接頭的另一側(cè)檢驗釬料的流動分布情況。
(5)確保接頭的裝配間隙值穩(wěn)定。接頭的裝配間隙值對釬焊接頭的性能和釬焊工藝都有著極大的影響,它的確定是釬焊接頭設計的一個重要內(nèi)容。
(6)便于組件的定位及夾持。零件裝爐準備釬焊時,要求零件彼此之間應能保持正確的相對位置;接頭設計時,在不影響組件結(jié)構(gòu)性能的前提下,盡可能為組件自重定位和裝配設計凸臺、凹槽及工藝臺階等。
(7)有利于控制和消除組件的變形。真空釬焊時,組件要整體受熱,接頭設計要充分考慮將重、厚、大的零件置于下方;輕、薄小的零件置于上方,以避免高溫時重力引起的變形,同時要利于裝配應力的釋放。