薄壁不锈钢细管的钎焊材料、工艺及机理研究

发布时间：2020-07-30 21:56

【摘要】：冷凝器为制冷系统的主要部件,属于热交换器的一种,能将管内的热量通过管道迅速传递到管外,常用于空调、汽车、发电厂、电子器件以及其他工业场合。为进一步提升冷凝器的使用性能,使其能够在更加恶劣的环境下使用,可用不锈钢管代替铜管进行热交换。不锈钢与铜之间连接方式增加了钎焊难度,目前用于钎焊铜材冷凝器的Cu-P系列钎料无法完成薄壁不锈钢细管与铜的钎焊,需要寻找或研制新型钎料。为了完成新一代冷凝器的钎焊,本课题以Cu-Sn钎料为基础,对钎焊材料、工艺和机理做了一系列相关研究。课题采用自行搭建的气雾化制粉设备制备了4种铜基合金粉末,Sn含量在25-35%之间,Ni含量在3-10%之间。测试了制备的粉末物理及钎焊性能,合金粉末质量良好,表面未氧化,球形度较高,粉末颗粒度较细,-200目的粉末占60%以上。对制备的粉末进行DTA曲线分析,结果表明4种Cu-Ni-Sn合金粉末的熔化区间在780-850℃之间,当合金粉末中Ni含量较低时,在升温至500℃左右会有低熔点相析出,提高Ni含量则不会出现这种现象。漫流性试验结果表明4种Cu-Ni-Sn钎料的漫流性能良好,在Sn含量过高时易与铜母材出现熔蚀缺陷,添加微量Zr元素对漫流性产生的影响较小。接头剪切强度试验结果表明4种Cu-Ni-Sn钎料的剪切强度在53.7-68.5MPa之间,降低Sn含量以及增加Ni含量都可以提高剪切强度。添加微量元素Zr能够起到均匀组织、细晶强化的作用,接头剪切强度明显提升,当添加0.2%的Zr元素时,剪切强度提升20%左右。使用保护气氛炉中钎焊对薄壁不锈钢细管进行钎焊试验。钎焊过程中全程通氩气保护,流量为4L/min,以10℃/min的加热速度升至500℃保温10min,继续升至钎焊温度保温10min后随炉冷却,钎焊件需要焊前及焊后处理,钎料采用预置在钎焊间隙一边,水平放置的方式。采用上述钎焊工艺可获得良好的薄壁不锈钢细管钎焊件,在钎料中增加Ni元素含量能够提高与不锈钢表面的润湿性,消除因润湿性不足产生的焊接缺欠。上述结果表明,试制的钎料能够满足钎焊要求。在试验所用的各种钎料中,采用CuNiSn-3、CuNiSnZr-1、CuNiSnZr-2钎料获得钎焊接头效果较好。利用扫描电镜、能谱仪对薄壁不锈钢细管钎缝界面进行观察分析,发现当钎料中Ni含量较低时,Cu-Sn金属间化合物过多与不锈钢表面润湿不足,易形成焊接缺欠。当提高钎料中Ni含量后,与薄壁不锈钢细管表面润湿性改善,钎缝界面未见气孔、裂纹等缺欠。在钎料中添加微量Zr元素能够在钎料凝固时充当质点的作用,促进形核,使得组织分布均匀。当钎料中含有微量P元素时,P元素会聚集在不锈钢表面,与不锈钢中的Fe元素形成脆性化合物分布于不锈钢细管周围。钎料与母材结合良好,与铜母材形成了冶金结合,钎缝区域主要由三部分组成:一是在界面结合处连续分布的以Cu为基体的固溶体组织;二是钎料中心区域的亮白色组织,主要由电子相δ相(Cu31Sn8)、ε相(Cu3Sn)以及Ni3Sn等金属化合物组成;三是均匀分布于钎料中心的条状组织,主要为以Cu为基体的含Ni、Sn固溶体。
【学位授予单位】：浙江科技学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG454;TB65
【图文】：

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的导热性及耐久性，通常作为冷凝器的主要材料[1]。为提使其能够在更加恶劣的环境下使用，需要升级传统冷凝器锈钢是一种常见的工程材料，导热率低于铜，耐腐蚀性、满足新一代冷凝器的使用需求，图 1-1 为采用不锈钢管代不锈钢与铜之间装配方式增加了钎焊难度，目前用于钎焊料在钎焊奥氏体不锈钢与铜时会产生 Fe2P、Fe3P 等脆性化缺乏良好的浸润性和相互扩散能力，无法完成薄壁不锈钢寻找或研制新型钎料。成新一代冷凝器的钎焊，本课题在 Cu-Sn 钎料的基础上改惰性气雾化水冷法制备多种 Cu 基合金粉末，通过氩气保了多项试验研究，期望在满足焊件使用条件下进一步降低焊性能。课题最终将总结出一套钎料制备工艺及钎焊工艺锈钢与铜的钎焊提供一定的理论参考及实验依据。

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江科技学院硕士学位论文引其他元素，调整钎料成分配比，达到改善钎焊接头性能的目的。钎料中残留素与熔蚀的问题则可以通过优化粉末制备工艺、钎焊工艺来解决。提高 Sn后的铜锡钎料形态只能以粉末状或箔片的形式存在，但实际生产中已经有越多的场合需要使用粉末钎料进行钎焊，例如本课题中薄壁不锈钢细管与铜的只能采用粉末钎料钎焊。

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CuO+2HBO=Cu（BO）+3HO33222（1-或2322CuO +BO=Cu（BO）（1-24722224CuO +NaBO=Cu（BO）+NaBO（1-随后生成的反应物将溶于硼酸酐中。其三是利用氧化膜和金属基体线膨胀系数差较大，通过加热使氧化膜在高温下破裂，从而达到润湿的目的[39]。其四是在真空条件下，一些金属氧化物在高温下可能会挥发，尤其是 Fe3O4、Cr2O3和1Cr18Ni11Nb 的氧化皮在温度高于 1000℃时挥发明显[40]。另外，一些早期的观认为真空状态降低钎焊区的氧分压，高温下金属氧化物能够自行分解。但从图1-4 可以看出，绝大部分金属氧化物分解所需的氧分压极低，而真空钎焊的真度在 1×10-6-1×10-1Pa，即便在高温下也达不到大多数金属氧化物的分解需求，此依靠这种方式破除氧化膜显然不是主要方式[6]。

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