黄铜异径母材感应加热钎焊研究

rockston

序 言

目前感应钎焊连接已广泛应用于航天航空，电子和医药等领域。它较适合于钎焊钢，铜合金，不锈钢，高温合金等具有对称形状的焊件，特别适用于管件的套接，管子和法兰，轴和轴套等类似接头形式的连接。该方法节能环保无污染，效率高，劳动强度低，因而实用前景非常广。然而，由于生产工作当中，经常会遇到非对称和复杂的构件。因此，针对这种非磁性非对称的异径黄铜钎焊，使用高频感应钎焊代替原有的火焰气焊的工艺，对两种方法焊接后的质量等参数进行如图1所示。

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图1 待焊工件形状示意图

1 试验方案
工件的其特点为：材质为黄铜合金H62，工件为T形接头结构，上下两铜管直径明显差异Φ26/Φ46，工件下部的中间30mm处，基本上可视为实体（与两端相比）尺寸不一。从工件的外形尺寸来看，直接采用感应钎焊的方法，不采取其他任何特殊措施，是比较困难。因为高频钎焊是利用感应加热通过调节电流频率的大小，以交频交流电来实现对工件局部的加热，要想获得优质良好的钎焊缝接头，就必须根据工件的材质选择好高频电源，合理设计感应器与工件的感应匹配问题。
1.1 高频电源的选择
5 {; n/ L) E+ y; |+ Y# _7 ~1 e目前的高频电源种类有：可控硅中频电源2500HZ，电子管电源250-300KHz，晶体管谐振式IGBT电源35KHz，强激式电源20-50KHz等系列产品电源。从以往试验的结果来看，非磁性材料有色金属（铝铜）比较适应低频的感应加热电源，对上述四种电源来说，从整体设备性能来看，晶体管电源设备应是首选，同样是晶体管电源谐振式IGBT电源就比强激式IGBT电源具有更高的加热效率。这是因为谐振式IGBT晶体管电源会根据负载的状态自动调整电源状态，使电源始终保持按设定功率输出，而强激式IGBT电源的输出功率会随着负载的变化而变化，负载轻时，输出功率很小，由于黄铜在冷态时，电阻率很低，因而负载小，故加热时间很长，由此看来，谐振式电源具有很强的自调能力，最后选择了谐振式IGBT晶体管电源，型号为TG-30A-25。
1.2 加热方式
. N( D% _. P! f2 J5 k9 o从感应器加热原理可知，高频感应加热有两种方式，一是透热式，二是传导式加热，针对非导磁性材料和工件的形状特点，透入式加热能充分利用热源热量使工件感应不同的迅速升温加热，而传导式加热方式远远比透入式加热效率低的多，故选透入式加热。
1.3 感应器的设计与制作
, @; e" q0 N/ Y( S高频电源设备和加热方式选择好后，感应器的设计就显得尤其重要，当感应器线圈中的电流是交流电时，在线圈内部和周围就会产生交变的磁场的磁力线所切割。而在工件表面产生高频电流的集肤效应，邻近效应，圆环效应，以达到工件表面升温加热。也就是说根据高频感应的特性，感应器线圈的形状与工件之间的相互位置，能够强烈的影响着工件加热的质量和效率。因此，根据工件的形状做了几种不同形状的线圈感应器进行试验，见图2，图3，图4所示。

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图2 O型线圈感应器

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图3 U型线圈感应器

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图4 O型加U型线圈感应器

1.4 钎料钎剂的选择及钎焊工艺设计
3 ]3 w7 C5 ?) x/ M根据工件等H62材质，属非铁磁性的特点，考虑到钎料成本及又能保证钎焊质量的因素，选用银铜B-Ag30CuZn钎料，钎剂为FB201。具体钎焊工艺如下：
（1）采用谐振式电源IGBT TG-30A-25，钎料（焊丝制成环）BAg30CuZn，焊缝间隙：0.02mm
（2）清理表面的油污等，工件上涂抹钎剂FB201（530-850 ℃）
* A; q( N/ V9 ?# G/ S（3）钎料环放置在铜管内，避免钎料环制成封闭状态，以免两端接触，在高频感应时产生感应电流，使过早的熔化
（4）制作简易的夹具固定工具（严禁使用金属材料）线圈与工件间隙2-3mm
! ]& O$ q0 R4 k: c（5）电流范围560-700A之间均匀加热（加热过程避免工件升温过快过热，使工件均匀升温加热，必须适当停顿加热时间数秒钟后在加热）当观察到钎料熔化渗出后便可停机
* ]$ z( v( ?; V8 \3 G1 F/ x（6）加热时间：35-65S
1 P* h  t$ e' b8 r  G4 ^2 实验结果与结论
2.1 O型线圈感应器加热和U型线圈感应器加热
当使用O型线圈感应器加热工件时，线圈与工件的距离2-3mm，随着感应器加热工件时间的增加，工件上端表面温度明显发生变化，而下端工件温度变化不明显，以至上面工件被熔化，下面工件依旧温度变化不大，其原因是上端工件与下端工件的温差相差较大，钎料无法熔化。
在第一种O型线圈感应器使用后，发现工件上下温度不能同时加热升温不均匀，完全没有考虑两个工件温差的现象，因此，根据工件的形状又设计了U型线圈，见图2所示感应器。再次通电试验发现，工件上端基本上没有温度变化，只有下面的工件有升温的变化，正好与O型线圈感应器加热相反，也就是说，工件整体感应加热，线圈感应器与工件匹配不好，无法实现熔化钎料环的目的。钎焊温度不能达到上下工件整体均匀升温和湿润毛细化作用。U型感应器从外形上看，看似匹配理想，但看从效果来看，还是没有达到钎焊感应的温度。
2 o7 L2 ?3 @9 O  p7 i9 F" a# K2.3 O型加U型线圈串联感应器加热
1 V5 m" R# Y! c+ q- `% d( `通过以上O型线圈感应器和U型线圈感应器对工件分别单独感应加热的情况来看，由于工件形状不对称，尺寸厚度上存在明显差异，感应加热位置与工件散热快匹配还是相差较大，以至感应加热达不到感应钎焊的湿润毛细化效果，因此，在原来的线圈基础上，我们把O型线圈与U型线圈串联使用，见图4所示。
& g2 X0 [1 j% n. I/ v- i从整体上考虑工件与线圈的形状匹配效果出发，改变工件为上下同时感应加热的性质，使工件感应充分实现集肤效应和圆环效应，降低两工件之间的温差，达到升温加热均衡。从试验效果来看，使线圈感应对工件形成了两个线圈能同时上下感应加热升温，为对称加热方式达到工件均衡同时升温加热缩小二工件之间温差起到了关键性的作用，熔化钎料形成润湿毛细化作用收到明显效果。使焊缝表面圆满光滑，无夹渣，气孔等缺陷，如图5所示。

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图5 高频感应钎焊试件外观形貌

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图6 火焰气焊试件外观形貌

对两种焊接方法的工件成型后的外观进行质量检查对比，高频钎焊焊缝（见图5）成形美观，圆滑无气孔、夹渣等明显缺陷，煤油渗透24小时实验无泄露现象，工件表面氧化小与火焰气焊相比（见图6），劳动强度低，无污染环境，生产效率高。而火焰气焊金属表面火焰加热温度高氧化严重，劳动强度大，污染环境，焊接加热时间长。
3 结论
6 o$ m7 `5 L. w7 y本文对铜质异径不对称的工件进行高频感应钎焊的试验探讨，利用高频感应的特点改变感应器单独对局部加热方式，采用两个线圈串联形式感应器，对工件实施对称升温而设计感应器，得到了较好的效果。从实验意义上来说，对于一些复杂不对称的工件可以采取类似的做法。
利用材质的特性导热快（铜），合理选择感应加热电源及加热方式。在非导磁性材质（铜）高频感应钎焊时，充分利用感应器对工件匹配质量使不对称结构工件也能达到感应均匀加热，润湿毛细化效果，达到控制焊缝质量。感应器对工件的形状，匹配质量及工件的加热部分的形状，尺寸和位置要求准确无误，否则将严重影响感应器加热的效果。