不锈钢与铝炉中钎焊保护气体选择的研究*

2019-09-24余华钢张碧波刘福平陈妙清

铜业工程 2019年4期

余华钢，张碧波，刘福平，陈妙清

（广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院），广东广州 510651）

1 引言

分不锈钢与铝的钎焊作为钎焊领域的一个重要分支，具有兼顾不锈钢耐腐蚀、强度高特点的同时，又利用了铝传热速度快的特点，广泛应用于民用家电、电站、海洋平台、船舶大型设备散热系统，以及炊具底部复合等领域［1-2]。随着工业发展、环保要求和商业行为的不断进步，对不锈钢与铝钎焊的应用日益增加，对焊缝的质量要求也越来越高［3]。

不锈钢与铝的焊接工艺主要有火焰钎焊、高频钎焊、保护气氛炉中焊、压力摩擦焊、真空钎焊等［4-5]。根据不同的工艺要求，选择不同牌号和形态的钎焊材料。但在实际应用中焊接不锈钢与铝时，火焰钎焊难以实现大面积焊接，真空钎焊则因其效率低、成本高昂等缺点暂时未能规模化应用。因此，综合考虑焊接效率、成本与质量稳定等因素，不锈钢与铝的焊接发展至今，就形成了以高频钎焊、压力摩擦焊、保护气氛炉中焊等为主的焊接工艺。

上世纪90年代初，我国开始推广采用高频钎焊工艺焊接不锈钢与铝，随着焊接工件形状的变化和焊接工艺要求的提高，高频钎焊工艺在设备节能、便携性等方面取得了进步，并根据不同牌号的母材，研发出一些熔点更低、强度更高、去膜能力更强的钎焊材料。压力摩擦焊则是在高频钎焊基础上探索出的一种新型焊接工艺，取代了部分炊具复底高频钎焊工艺。压力摩擦焊因为在焊接过程中不需要加入钎焊材料，而不属于钎焊范畴，但焊接质量优于高频钎焊，为不锈钢与铝的焊接方法带来了崭新的焊接工艺。然而，压力摩擦焊局限于类似复合底炊具纯平面结构产品的焊接，对于异形及多部件的焊接，则无法适用［6-7]。

保护气氛炉中焊以其焊接效率及自动化程度高、工艺可控、性能稳定等特点迅速得以发展壮大。由于不锈钢与铝的热物理性能差异悬殊，焊接时较易出现裂纹、未熔合等现象［8]，同时在钎焊时铝表面极易生成氧化膜，并且在其接合处产生Fe/Al金属间化合物脆性相，明显降低可接头的力学性能［9]。

所以本文针对不锈钢与铝在炉中钎焊工艺中使用的保护气氛进行研究，旨在为异种金属不锈钢与铝炉中钎焊工艺使用的保护气氛提供选择依据，有效减少焊接时金属氧化物的形成，利于焊接过程的顺利进行，保证焊接质量、安全性，降低成本。

2 实验

2.1 试验材料

实验使用的原辅材料列于表1。

表1 原辅材料

2.2 炉中钎焊试验

采用电火花切割和线切割的方法分别将不锈钢板和铝板加工成尺寸为100mm×20 mm×2mm的母材试件。在试件上放置0.1g按比例混合好的粉状钎料和钎剂，放入SX-4-10型箱式电阻炉进行搭接钎焊实验。向炉中冲入保护气体，以一定的升温速率将炉子加热到620℃，保温20min，冷却后取出钎焊样品。

钎焊样品横向剖切后，用ZEISS光学显微镜观察焊缝区的金相显微组织。

使用CMT5305型电子万能实验机对钎焊样品做焊缝强度试验。

3 试验结果与分析

炉中钎焊较火焰钎焊操作简单，适合批量生产；为防止焊接时焊件的氧化，需添加保护气氛［10]。因此在炉中钎焊时，根据不同的焊件选择合适的保护气氛，对于获得稳定的焊接质量就显得尤为重要。

3.1 氧化物的形成与去除机理分析

通常认为母材和钎焊材料自身的表面氧化层与钎焊过程中新生成的氧化物层阻止了熔融焊料的润湿和流动。因此，在制定钎焊工艺时，一般会选择还原性气体做保护气氛，还原性气体与母材和钎焊材料表面的氧化层发生化学反应，达到去除这些表面氧化层之目的。

事实上，母材或钎焊材料表面的附着层并非简单的金属氧化层，而是以金属氧化物、硫化物、硼化物、磷化物或者其他有机物等共同组成的混合物附着层。由于金属氧化层是影响钎焊最主要的因素，所以本文仅讨论金属氧化层的形成与离解，尽可能地使母材在焊料熔化过程中露出洁净的金属表面，使钎焊顺利进行。为使金属氧化物从金属表面离解出来，可简单地认为此过程是使金属氧化物中的氧离子与金属离子分离的过程。这个过程进行的难易程度主要取决于金属氧化物中氧离子与金属离子之间结合的化学键的强弱。金属氧化物化学键强弱的表征可通过形成该化学键所需能量的多少来反映，氧化物形成能高，其稳定性强，难于分离；反之亦然。

一些金属氧化物形成能如表2所示［10]。

从表2中可以看出，贵金属如金、银、钯的氧化物产生需要的能量较低，可以认为这些氧化物的稳定性较低，易于分解；而铁、铬、铝的氧化物稳定性则要高得多，通过分离来减少这类氧化物显得更加困难。这也能解释不锈钢的光亮退火温度要足够高才能达到满意的效果，以及紫铜焊料在一定温度下能钎焊碳钢而不能钎焊不锈钢的原因。

表2 金属氧化物的形成能

3.2 还原气氛的选择

在还原气氛保护下钎焊不锈钢与铝的过程中，通常为了平衡效率和成本的因素，选择氨分解气作为保护气体。氨分解气中的氢气可与大多数金属氧化物（MO）发生还原反应，生成金属和水，化学反应式如下：

在还原反应过程中，生成的水会以蒸汽的形式停留在钎焊炉中。根据勒沙特勒定律(Le Chatelier's principle)［12]，当反应生成的水蒸气达到一定浓度时，反应开始向还原反应的逆反应方向进行，使还原后的金属重新被氧化，炉中钎焊将不能顺利进行。为了保证反应向生成金属的方向进行，必须保证水蒸气的浓度在一个合适的范围之内，亦即还原气体的露点温度与钎焊温度之间需保持合适的对应关系。

在不锈钢表面，同时存在Fe2O、Fe3O4及Cr2O3。根据表2可知，Fe2O3和Fe3O4的形成能较Cr2O3低，因此，Fe2O3和Fe3O4的稳定性要比Cr2O3差。当Cr2O3能被氢气还原时，Fe2O3和Fe3O4均能得到还原。从图1可看出［11]，在保护气氛中氢气的露点为-40℃的情况下，氧化铬处在氧化和还原的临界点B（约900℃），当炉内钎焊温度低于B点时，金属铬氧化所需的能量大于还原所需的能量，反应向生成Cr2O3方向进行。只有当炉内钎焊温度大于B点所对应的炉内温度时，反应才能向生成Cr方向进行。

图1 炉内温度和保护气氛氢气的露点对Cr2O3形成的影响

在不锈钢与铝的钎焊过程中，钎焊温度最高不超过纯铝的熔点660℃。根据文献报道［13]，保护气氛中的氢气在600℃可还原氧化铁。由于钎焊不锈钢与铝的钎焊温度为600～620℃，因此，保护气氛中的氢气可还原不锈钢表面的氧化铁，但不能将氧化铬还原。

铝是亲氧元素，氧化铝形成能约为氧化铁的两倍，故其很稳定。在不锈钢与铝的钎焊温度下，氧化铝不能被保护气氛中的氢气还原，但氢气可起保护铝，以及减少铝被氧化的作用。

综上所述，炉中钎焊不锈钢与铝选择还原性氨分解气作保护气氛，可还原不锈钢表面的氧化铁，保护铝被氧化，减少了钎焊过程母材的氧化程度，有助于钎焊过程顺利进行。

3.3 惰性气氛的选择

作为工业生产中常用的气体，氮气可以有效地在钎焊过程中保护母材不被氧化，常被作为惰性气氛使用，而且成本低廉。

由于在低于纯铝的熔点660℃下钎焊不锈钢与铝，氢气不能还原不锈钢表面的氧化铬，达不到去除氧化铬的目的，这表明由于不锈钢表面的氧化铬不能去除，铝母材和铝钎料表面的氧化铝也不能去除，致使钎料不能完全熔化润湿。通过试验我们还发现，不论是在还原气氛还是惰性气氛下，若没有添加钎剂，钎料不能完全熔化润湿。因此，钎焊不锈钢与铝，其表面氧化膜的去除必须依靠钎剂。为了保证钎焊质量的稳定和环保，通常考虑选用无腐蚀的Nocolock钎剂［14]。无腐蚀钎剂起到去除不锈钢和铝表面氧化膜的作用，使钎料能熔化并在母材表面润湿和流动，从而实现不锈钢与铝的钎焊。

为此，在保证焊接材料，钎焊温度、钎焊时间等工艺参数相同的条件下，分别采用还原气氛氨分解气和惰性气体纯氮气进行炉中钎焊试验。

使用CMT5305型电子万能实验机分别对不同保护气氛下钎焊样品做焊缝强度试验，试验结果表明，两种保护气氛下钎焊样品的焊缝强度均能达到65MPa。

钎焊样品横向剖切后，用ZEISS光学显微镜观察焊缝区的金相显微组织，如图2所示。