（材料加工工程专业论文）氧枪喷头空气炉中钎焊技术的研究.pdf

硕i j 学位论文 摘要 氧枪喷头是转炉炼钢工艺中非常重要的供氧工具，它在距钢水液面约 1 4 0 0 r a m 处工作，j 下常吹炼时，氧气流以2 马赫左右的速度从喷嘴喷出并吹入钢 液中，其底面要承受高于2 0 0 0 的高温辐射。在倾钢后氧枪喷头伸入渣液中改 为吹氮气，进行溅渣护炉。所以氧枪失效的主要形式是熔蚀、侵蚀、变形和渗漏， 尤其采用高压水冷却时，使用中绝不允许焊缝渗漏、开裂，对安全性要求极高。 因此正确的选定氧枪喷头的母材材质及成型工艺，合理的选择钎焊方法，科学的 选择钎焊钎料、研制适合的改性钎剂，制订工艺方法及确定工艺参数是钎焊成功 的关键，对于提高冶炼水平具有十分重大的现实意义。 经综合考虑分析，本文采用空气炉中钎焊技术钎焊氧枪喷头。在钎料选择 方面，选用银基钎料( b a 9 4 5 c u z n ) 和( b a 9 5 0 c u z n c d ) 。在钎剂使用方面，通 过分析与实验，在国内钎剂的基础上设计和配制了空气炉中钎焊用膏状银钎剂即 改性钎剂。通过实验测定了改性钎剂的熔点、润湿铺展性及其化学成分，利用光 学金相显微镜、x 射线衍射、电镜等手段，对改性钎剂作用下的钎缝的微观组织 进行了分析。研究结果表明改性钎剂具有保存性好、水解复用性好的共性特点 更具有涂挂性好，熔点低，气密性好，润湿和铺展性强的优良性能，在改性钎剂 的作用下的钎缝组织致密，接头的力学性能得到了保证。 在钎焊工艺参数选择方面，试验结果表明：使用b a 9 4 5 c u z n 钎料炉内空气 钎焊时，采取熔点以下预等温措施，钎焊温度以8 2 0 、保温时间以l o m i n 、间 隙为o 1 m m ，并采用随炉冷却时较为理想。另外壁厚对焊缝组织和性能也有一定 的影响：加热温度定，保温时间与壁厚的平方成正比；当壁厚一定，保温时间 与加热温度成反比。 使用改性钎剂，以及较为合理的工艺参数钎焊氧枪喷头，并对其进行测试。 测试结果表明：其焊缝致密，冶金作用良好；产品的一次交验合格率达到了9 0 ， 产品使用寿命平均为5 1 3 炉，与同期进口的德国氧枪喷头的使用寿命5 3 8 炉接近。 关键词：氧枪喷头；空气炉中钎焊；改性钎剂；工艺参数； 钒枪喷又窄气炉中钎焊技术的研究 a b s t r a c t t h eo x y g e nl a n c en o z z l ei st h ev e r yi m p o r t a n to x y g e nt o o li nc o n v e r t e r s t e e l m a k i n g ，i t w o r k sa b o u t14 0 0m mf a rf r o mt h em e l t e ns t e e l ，i nn o r m a l l y c o n v e r t i n g ，t h eo x y g e nb l o w sf r o mt h en o z z l ea tt h er a t eo fa b o u t2m a c h e st o t h e s u e f a c eo ft h el i q u i ds t e e l ，a n dt h eb o t t o mo ft h en o z z l ew i l lw i t h s t a n dt h eh i g h t e m p e r a t u r er a d i a t i o nt h a th i g h e rt h a n2 0 0 0 t h eo x y g e nl a n c en o z z l ew i l ls t r e t c h i n t ot h es l a ga n db l o wn i t r o g e na f t e rp o u r i n gt h es t e e l ，w h i c hw i l lp r o t e c tt h ef u r n a c e t h r o u g hs p l a s h i n g s ot h em a i nf o r m so ft h el o s ee f f i c a c yo ft h eo x y g e nl a n c ea r e m e l t i n g ，e r o s i o n ，c o r r o s i o nd e f o r m a t i o na n dl e a k a g e ，e s p e c i a l l yc o o li t i nt h eh i g h w a t e rp r e s s u r e ，w h i c hw i l ln e v e ra l l o wl e a k a g e ，c r a c k i n gw h e ni tw o r k s ，h i g hs e c u r i t y i sr e q u i r e d t h e r e f o r e ，c o r r e c t l ys e l e c t et h em a t e r i a lo ft h eo x y g e nl a n c en o z z l ea n d f o r m i n gt e c h n o l o g y , r e a s o n a b l e l yc h o o s et h eb r a z i n gm e t h o d s ，s c i e n t i f i c l yu s et h e b r a z i n gf i l l e r s ，d e v e l o pt h es u i t a b l em o d i f i e db r a z i n gf l u x ，a n dm a k et h ep r o c e s sa n d d e t e r m i n et h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ei m p o r t a n tt ot h es u c c e s so fb r a z i n g ，a l s oa r e v i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h el e v e lo f s m e l t i n g o nt h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，w eb r a z et h eo x y g e nl a n c en o z z l ei na i r f u r n a c e i nt h es e l e c t i o no ft h eb r a z i n gf i l l e r s ，w ec h o o s es i l v e rf i l l e rm e t a l s ( b a 9 4 5 c u z n ) a n d ( b a 9 5 0 c u z n c d ) i nt h eu s eo ft h eb r a z i n gf l u x ，t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ，w ed e s i g n e da n dm a d eu pc r e a m ys i l v e rf l u xt h a ti ss u i t e dt o t h ea i rf u r n a c eb r a z i n go nt h eb a s i so ft h ed o m e s t i cs i l v e rf l u x ，w ec a l li tm o d i f i e d b r a z i n gf l u x w et e s tt h em e l t i n gp o i n t s 、w e t t i n ga n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft h e m o d i f i e db r a z i n gf l u x s ，t h e na n a l y s et h em i c r o s t r u c t u r eo fb r a z i n gs e a m st h r o u g ht h e o p t i c a lm i c r o s c o p ym i c r o s c o p e ，x r a yd i f f r a c t i o na n de l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u l t s o ft h es t u d ys h o wt h a tt h em o d i f i e db r a z i n gf l u x sh a v ec o m m o nf e a t u r e st h a ta r ee a s y t op r e s e r v ea n dh a v eg o o dh y d r o l y s i sr e u s a b i l i t y ，f u r t h e r m o r e ，t h e yh a v em o r e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c es u c ha se a s yt oh a n g ，l o wm e l t i n gp o i n t s ，g o o da i r - t i g h t n e s s ， w e t t i n ga n ds p r e a dt h eg o o dp e r f o r m a n c e t h et e x t u r eo ft h eb r a z i n gs e a ma r e c o m p a c ta n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ej o i n ta r ea s s u r e dw i t ht h eh e l po ft h e m o d i f i e db r a z i n gf l u x s i nt h es e l e c t i o no ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ： w h e nb r a z ei nt h ea i rf u r a n c ew i t ht h eb r a z i n gf i l l e rm e t a lb a 9 4 5 c u z n ，i ti sm o r e i d e a li fw et a k et h ei s o t h e r m a lm e a s u r e sb e l o wt h em e l t i n gp o i n t ，k e e pt h eh e a t i n g t e m p e r a t u r ea t8 2 0 ，t h eh o l d i n gt i m ea t10 m i na n d0 1n l f f lc l e a r a n c e , t h e nc o o li t i na i rf u r n a c e f u r t h e r m o r e ，w a l lt h i c k n e s sa l s oh a sc e r t a i ne f f e c to nt h eo r g a n i z a t i o n a n dp r o p e r t yo ft h ew e l dj o i n t ：w h e nt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei sc o n s t a n t ，t h eh o l d i n g t i m ei si np r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo ft h ew a l lt h i c k n e s s ；w h e nt h ew a l lt h i c k n e s si s i i 硕f ：学位论文 c o n s t a n t ，t h eh o l d i n gt i m ei si nc o n t r a s tw i t ht h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e c h o o s et h em o r er e a s o n a b l et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r st ob r a z et h eo x y g e nl a n c e n o z z l e sw i t ht h em o d i f i e db r a z i n gf l u x s ，t h e nt e s tt h e m t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e s e b r a z i n gs e a m sa r ec o m p a c t ，t h em e t a l l u r g i c a le f f e c ta r eg o o d ；a n dt h ef i r s tt e s ty i e l d h a sr e a c h e dn e a r l y9 0 ，t h ea v e r a g es e r v i c el i f eo ft h ep r o d u c t si s 513f u m a c e s ， w h i c hi sc l o s et o5 38f u r a n c e sc o m p a r e dw i t ht h eo x y g e nl a n c ei m p o r t e d f r o m g e r m a n y k e y w o r d ：o x y g e nl a n c en o z z l e ；b r a z ei na i rf u r a n c e ；m o d i f i e db r a z i n g f l u x s ； t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s l i i 硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 课题研究的目的 氧枪喷头是转炉炼钢工艺中非常重要的供氧工具，如图1 1 所示，它由喷头 和枪身两部分组成，喷头是氧枪的关键部位，其质量好坏决定氧枪性能的优劣。 枪身由三根同心管组成，它将带有供氧、供水和排水通道的枪尾与喷出氧气的喷 头连接成一个整体，组成空心管状的氧枪，其连接方式采用外管焊接( 钢铜焊接) 、 中管与分水盘螺纹连接、内管与上部氧管插接( 靠密封圈密封) 。 图1 1 氧枪喷头工作简图 喷头在距钢水液面约4 0 0 m m ( 1 j 处工作，正常吹炼时，氧气流以2 马赫左右的 速度从喷嘴喷出并吹入钢液中，其底面要承受高于2 0 0 0 。c ( 2 】的高温辐射，在倾钢 后伸入渣液中改为吹氮气，实现溅渣护炉。 随着炼钢技术的不断发展，供氧设备氧枪喷头的技术性能将决定着炼钢的质 量和效益。因此在保证供氧强度、射流效果、溅渣护炉和提高使用寿命方面，氧 枪喷头的改进，对于炼钢行业节能降耗、提高效率、提高优钢产量将产生重大的 作用。喷头也是一个易损件，失效后将从枪身上切割换下。它在炼钢中消耗量很 大，尤其对于我国这样一个钢铁大国，因此研究改进它的性能和降低生产成本， 对提高冶炼水平具有十分重大的现实意义。 经过实证和分析，认为氧枪喷头在喷氧时，要承受高于2 0 0 0 的转炉炼钢 的热辐射，在溅渣护炉时浸入渣液又要受其热传导及侵蚀的作用，内外温差大， 钒枪喷头窄气炉中钎焊技术的研究 激热激冷频繁，交变应力强。熔蚀、侵蚀、变形和渗漏是氧枪失效的主要形式， 尤其采用高压水冷却，使用中绝不允许焊缝渗漏、丌裂，对安全性要求极高。因 此f 确的选定氧枪喷头的母材材质及成型工艺，合理的选择钎焊方法，科学的选 择钎焊钎料、钎剂，严格制订工艺参数是钎焊成功的关键。 1 1 2 空气炉中钎焊氧枪喷头的意义 目前锻压焊接组合式氧枪喷头是世界上转炉炼钢用氧的先进技术设备【3 j ，其 焊接结构及其实物图分别见图1 2 和图1 3 所示。 图1 2 氧枪的焊接结构图1 3 焊接组合式氧枪喷头 氧枪喷头的上部进氧管( 紫铜t 1 ) 署i 底部喷孔( 无氧铜x u l ) 的组合是通过喉管 ( 紫铜t 1 ) 过渡连接的，上部和底部温挤压成型，形状复杂，连接焊缝位置特殊， 因此要保持加工过程母材的物理性能和几何形状，采用钎焊连接是最好的工艺选 择。 锻压焊接组合式喷头具有材质致密，纯度高，导热性能好，喷头寿命较长等 优点，但其钎缝多，钎焊难度较大【4 】，目前小批量生产的喷头大都是使用手工火 焰钎焊工艺加工完成，该生产工艺有许多缺陷，工艺参数不易控制，钎焊质量受 操作工技能的影响，钎焊质量不稳定、劳动强度大以及不适合大批量生产等因素 i s 】，这种工艺的应用有局限性。炉内真空钎焊、保护气体钎焊方法虽然工艺稳定， 产品质量能够得到保证，但对工艺装备要求高、生产成本高，因此研究空气炉中 钎焊氧枪喷头技术，对于提高氧枪喷头钎缝质量和延长氧枪喷头的寿命、降低其 生产成本，以及提高冶炼水平具有十分重大的现实意义。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 顶吹转炉炼钢用氧枪喷头的发展 1 9 5 2 年，氧气顶吹转炉诞生于奥地利。从奥地利开始起直到现在，氧气顶 吹转炉已从一个3 0 吨的炉子发展成为全世界的主要炼钢设备，氧气顶吹转炉是 一个直立的、实心底的坩埚，有一支直立的水冷氧枪从顶部插入炉内，在装料和 出钢的时候，炉身可以倾转【6 1 。 硕f j 学位论文 顶吹转炉炼钢用的氧枪喷头是炼钢重要的组成部分，其质量的好坏对提高冶 炼水平具有十分重大的现实意义。合理的喷头结构应使压力能最大限度的转换成 速度能，同时喷出的氧流应该满足吹炼的要求。目前国际上所用的氧枪喷头都是 拉瓦尔管型结构，顶吹转炉用的氧枪喷头的结构发展主要经历了以下几个阶段。 1 2 1 1 结构设计不断优化 1 喷头孔型先进、孔数增加 顶吹转炉应用初期为单孔拉瓦尔型喷头，到1 9 6 2 年转炉容量超过1 0 0 t ，为 了减少喷溅和不延长吹氧时间，以后随着转炉容量增加，喷孔数目也随之增加， 出现了4 孔、5 孔喷头，目前3 0 0 t 转炉喷头的孔数达到了6 个乃至7 个。我国也 有明显的增孔趋势： ( 1 ) 单孔氧枪喷头 早期的氧枪喷头采用单孔，底部的面积较小，喷头的冷却和结构处理比较容 易，其喷头结构如图1 4a 所示。拉瓦尔管喷嘴内型分为两段，即收缩段和扩张 段。两段相交处为最小断面，其直径为临界直径，又称喉口，如图1 4b 所示。 图1 4 单子l 拉瓦尔喷头结构 我国建厂较早的转炉炼钢厂，像首钢、上钢一厂、鞍钢三炼钢厂等，投产时 应用的都是单孔氧枪喷头。从1 9 6 4 - 一1 9 7 0 年，单孔氧枪喷头在我国的几家钢厂应 用了很长时间。欧美国家氧气顶吹转炉创建初期，应用的也都是单孔氧枪喷头。 单孔氧枪气流集中，动能大，穿透深，形成硬吹，熔池凹陷较深，但其搅动 直径较小，化渣能力较差，炉渣容易“返干 ，容易造成由于局部温度和反应物 质浓度的变化而引起爆炸性喷溅。因此，容积较大的转炉己不应用单孔氧枪喷头， 只在6 t 以下的小转炉或试验炉上还有应用。 ( 2 ) 多孔氧枪喷头 多孔氧枪喷头是随着炼钢技术的发展而生成的一种较单孔有很大改进的实 用氧枪喷头，主要包括单三式3 孔喷头、普通3 孔喷头、旋流多孔喷头、4 孔曲 线壁氧枪喷头、没有收缩段的氧枪喷头、多角度双流量6 孔氧枪喷头以及5 孔锻 压组合式氧枪喷头等。 c 枪喷又窄气炉中钎焊技术的研究 我国小型转炉一般采用3 孔喷嘴，其结构如图1 5 所示。 随着氧枪喷头的角度的改进以及喷孔数量的增加，炼钢效率得到很大的提 高。 1 9 8 3 年1 1 月，鞍钢应用铸造中心水冷4 孔曲线壁氧枪喷头，吹炼平稳，缩 短了纯供氧时间及过程返干期，加速了初期成渣速度，降低了氧气与萤石的单位 消耗，提高了石灰的熔化率，同时也大大减少了枪身的粘钢现象，减轻了工人的 劳动强度，深受操作工人欢迎。 多角度双流量6 孔氧枪喷头适用于2 0 0 t 以上的大转炉，性能比较优越。张 角不同、交叉布置的6 个氧柱，柱间缝隙增大，有利于减少冷却水的阻力损失， 增加冷却水流量，加强喷头的水冷，提高喷头的使用寿命。 图1 5 三孔喷嘴结构 ( 3 ) 喷孔的倾角加大 选择一定的喷孔倾角，可避免各喷孔氧气流发生重叠，喷溅大大减少，如五 孔氧枪已采用1 6 。倾角，日本鹿岛厂2 5 0 t 转炉采用的6 孔( 带中心小孔) 喷枪， 倾角1 5 。、1 0 。交错布置，供氧强度由3 3 3 n n 3 tm a i n 提高到了3 6 n 蜘3 t m i n ， 由于能基本消除重叠，吹炼时间减少了1 3 分钟。 以往中、小型转炉喷头的喷孔倾角( 喷孔中心线与氧枪中心线的夹角) 多在 1 3 。以下，为了加大氧气流在熔池面上的反应面积，改善化渣条件，喷孔倾角逐 渐加大到1 7 。最近开发的不少倾角喷头又明显降低喷溅的作用，在日本、印 度已得到工业应用，宝钢一炼钢也将对这种喷头进行工业性应用实验。 ( 4 ) 冷却结构更趋合理 增设兜水板，使得冷却水循环没有死角。兜水板的作用是将进入喷枪环缝的 水流引向芯部，以便冷却流向受热负荷最大的端壁中心部位。 1 2 1 2 喷头制造技术的改进 4 硕 学位论文 为了适应竞争同趋激烈的钢铁市场，国际上对转炉用氧技术在不断创新和发 展，在满足氧枪性能方面人们对制造技术进行了卓有成效的研究，而且寿命大幅 度地提高，生产成本显著降低。按氧枪喷头的制造技术的不同可分为铸造喷头、 锻压组合式喷头两种。 1 铸造氧枪喷头 世界各国制造的氧枪喷头，大多数是采用铸造方法生产的。铸造喷头结构合 理，任何复杂的形状都能铸造出来。制作成本较低，适合于大批量生产。但是铸 造的喷头密度、纯度、导热性能很难满足高寿命的要求，无氧铜在铸造过程中的 气孔、疏松、裂纹等缺陷，影响使用寿命。氧孔出口部位容易“倒棱 ( 熔蚀成 喇叭口状) ，影响氧枪的吹炼效果。 图1 6 为早期国际著名钢厂的整铸式氧枪【。7 1 ，此氧枪在1 9 世纪和2 0 世纪初 广泛使用，其制造技术从砂型、半金属型到真空熔铸，不断改进发展，使其技术 非常成熟，在当时铸造氧枪性能已达到了顶峰。 ( a ) 早期法国氧枪 c o ) 日本氧枪 ( b ) 英国氧枪 ( e ) 前苏联氧枪 图1 6 早期铸造整体氧枪 5 ( d ) 英国氧枪 氰枪喷头窄气炉中钎焊技术的研究 为了提高喷头的寿命，加强喷头端底的冷却至关重要，国内外学者对喷头的 端底结构做了大量的研究，对兜水板做了改进。 图1 6 ( a ) 是法国早期的一种结构，兜水板长度短且无形状可言，端壁中心 水速过慢，水流方向较紊乱，冷却效果较差，目前已较少采用。图1 6 ( b ) 是前 苏联的一种喷头结构，虽然较图1 6 ( a ) 有较大改进，但兜水板形状不太合理， 过厚的兜水板不仅增加铸铜重量，而且减小上部汇水空问和增大入水口的颈长。 图1 6 ( c ) 、( d ) 和( e ) 为平板和刀板状兜水板，能把水流进一步输向端 壁中心，外形简单，上部汇水空间也较大，冷却效果良好，提高了氧枪喷头的寿 命。 目前整铸式氧枪仍有相当规模的市场，如美国t a l l m a nc o p p e r 公司生产的铸 造氧枪在上世纪9 0 年代初被我国引进，现在在美国属于最大的氧枪生产厂家。 日本的带川崎氧枪制造公司、法国的p r o f i l a f r o i d s o c i e t ea n o n y m e 公司和加拿大 的a l g o n a 钢铁公司等是生产和研制铸造氧枪的主要厂家，也曾经给我国进口过 产品。我国山东崇盛、烟台鲁宝、烟台万隆、鞍山热能研究院、大连百合、杨州 恒阳冶金科技公司等生产厂家供应着我国的大部分中小型炼钢企业，+ 目前其生产 量约占全国氧枪的6 5 以上。 2 锻压组合式氧枪喷头 此类氧枪喷头材质致密，纯度高，导热性能好，喷头寿命长，但是加工工艺 复杂，焊缝较多，存在安全隐患，因此焊缝质量的优劣至关重要。 图1 7 是近代发达国家所采用的焊接组合式氧枪，其中喷管上、下部均采用 了钎焊技术。 6 硕i j 学位论文 ( a ) 德国喷头 ( c ) 美国喷头 c b ) 德国s a a r 厂喷头 ( d ) 法国喷头 ( e ) 美国喷头 ( f ) 奥钢联喷头 图1 7 现代焊接组合氧枪 1 2 1 3 特殊氧枪 随着冶金技术的进步发展，目前国际上开展试验和应用的工艺有底吹氧枪 ( o b m ) 法、顶底复合吹炼( s t b ) 法和真空循环脱氧加吹氧( p h o b ) 法等方法。 由于冶炼目的的不同，使得特殊性质的氧枪应运而生，主要有电弧炼钢氧枪、平 炉炼钢氧枪、连续炼钢氧枪以及碳氧枪和不易挂渣的锥度氧枪。但我国的粗钢生 产，主要以顶吹转炉炼钢( l d 法) 工艺为主，铸造氧枪和锻压组合式氧枪是主 要用氧设备。 1 2 2 锻压组合式氧枪喷头的应用 在使用寿命和冶金效果方面，锻压组合式氧枪喷头是世界上转炉炼钢用氧先 进技术装备。该种喷头在1 9 6 7 年就已经进入我国，其加工制造技术，主要是钎 焊技术，与氩弧焊焊接技术的协调配合上，有一定的难度。近年来，国产的锻压 瓴枪喷头窄气炉中钎焊技术的研究 组合式喷头已在部分钢厂应用于生产。 目前在国际上，主要技术掌握在德国、同本、美国、奥地利和加拿大等国家， 德国s a a rm e t a l l 公司氧枪、澳钢联v o e s t a l p i n e 公司以及印度e s s a r 钢铁公司生产 的氧枪，在2 0 世纪中期深受我国首钢、宝钢、武钢等钢厂的青睐，它具有冶金 效果好，使用寿命长等许多优点，非常适宜在大型转炉上使用。 面对国内组合式氧枪喷头空白的形势，上世纪9 0 年代初由首钢钢研所和首 钢岷山机械厂共同组成研究组，消化引进技术，开展研制具有我国自主知识产权 的锻压焊接组合式氧枪，历时五年多，在首钢二炼钢厂使用取得了良好的效果。 现在正在开展研究的还有首钢长白机器厂、鞍钢研究所和济南铸锻研究所等为数 不多的几家单位，且均处于试制阶段。 首钢自行研制的该型喷头在首钢第二炼钢厂2 1 0 t 转炉上应用，在溅渣护炉 工艺条件下，取得了化渣好、喷溅小、使用寿命长的良好效果。 梅钢炼钢厂为改善氧枪使用效果，采用了新型锻压组合式六孔氧枪喷头，与 原用的铸造喷头相比，化渣好，喷溅小，喷头抗变形能力和使用寿命大幅度提高， 现枪龄平均达到4 1 0 炉，是原来的2 倍多拶j 。 1 2 3 钎焊技术 1 2 3 1 钎焊原理 钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料，加热后，钎料熔化而焊件不熔化， 利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，从而将焊件牢固地连 接在一起。图1 8 为钎焊操作示意图以及其断面图，它的主要特点是钎料熔化而 母材不熔化。 酚 图1 8 钎焊原理与断面 a ) 钎焊方法；b ) 断面图 钎焊生产主要包括：钎焊前的准备、零件的装配和固定、钎焊、钎焊后清理 及质量检验等工序。其中，钎焊工序是形成良好的钎焊接头的决定性工序。形成 接头的过程也就是熔态钎料填充接头间隙并同母材发生相互作用和随后钎缝冷 却结晶的过程。钎焊的基本原理就是关于这些过程的原理【9 】。 8 硕l j 学位论文 1 液体钎料对固体母材的润湿和填缝 ( 1 ) 液态钎料的润湿性 液体钎料与母材之间如有一定的互溶性，通常则能够很好的润湿。固体与 液体接触时，体系的吉布斯自由能降低，可达到润湿。一个润湿体系，既存在物 理润湿，又存在钎料合会与母材会属元素相互扩散形成金属间化合物的反应润湿 【1 0 】 0 根据实验结果表明，在炉内保护性气体或炉内空气良好钎剂保护下焊接氧 枪喷头时，当温度从7 8 0 升至8 2 0 时，虽然物理润湿性降低，但由于温度的 升高，钎料与母材的相互作用大大增强，在8 2 0 时，反应润湿起主导作用，使 得铺展面积最终呈增大趋势。当钎焊温度从8 2 0 继续升至8 5 0 时，物理润湿 性进一步降低，加上钎料与母材间的相互作用太强，在钎料充分铺展之前，就已 经与无氧铜基体发生了比较强烈的反应，致使液态钎料的熔点升高，液态钎料的 流动降低，润湿性反而下降。 液态钎料在固体母材表面润湿时( 图1 7 所示) ，如果液滴和固体仅以色散 力相互作用，即不存在物理的互溶、渗透及任何化学反应时，润湿角0 与固一气 界面张力y 蹭，液一气界面张力丫l g 以及液一固界面张力y 。i 存在以下关系，称为 y o n g s 平衡式： 厂。g = 7 。i + 7 l g c o s o ( 1 1 ) c o s o = ( 九g 一以1 ) 乃g ( 1 2 ) o h 图1 9 液态钎料在固体母材表面润湿 ( 2 ) 钎料的毛细填缝 钎料可以润湿母材仅仅是完成钎焊连接的一个最基本的前提条件。要获得优 质的钎焊接头，需要保证液态钎料能够自动地进入到钎缝间隙中去，这样才能完 成两构件之间的连接。( 如图1 8 所示) 液态钎料自动充填间隙的作用力来源于 毛细作用，毛细作用是液体在间隙中流动时所表现出来的固有特性。对于毛细作 用的强弱可以用间隙内液面最大爬升高度值来评价。液态钎料在处于垂直位置的 平行间隙中的最大爬升高度，在假设金属板无限大，钎料量无限多的前提下，可 以按照式( 1 3 ) 来计算 9 钒枪喷火窄气炉巾钉焊技术的研究 h = 2 ( 一圳腭a ( 1 3 ) = 2 y 1 2 c o s o p g a 式中h 一钎料最大爬升高度，h o 表示i 日j 隙内液面升高，h o 表示间隙内液 面降低； a 一平行板的| 日j 隙； p 一液态钎料的密度； g 一重力加速度。 l b q 一 一一 一旦一 一一 一 一 一- l 一 一0 一 一- l 一 一i 一一 一1 一。 一一一一一一一 一一| 一一一一一 l l f 未 婚 。一卜一 一一卜一 。- - - l - - - - 。- - - - l - - - - - - ab 图1 1 0 平行板间液体的毛细作用 a 钎料润湿母材；b 钎料不润湿母材 由上式可以看得出，液态钎料爬升高度与液一气界面张力，i g 及润湿角的余 弦值c o s0 成正比，而与间隙的大小a 成反比。也就是说润湿性越好和间隙值越 小时，爬升高度就越高，反之，爬升高度就越低。 ( 3 ) 影响钎料润湿作用的因素 钎料对母材的润湿作用可以有很多因素的影响，主要有： 钎料和母材成分。若钎料与母材在液态和固态下均不发生物理化学作用，则 它们之间的润湿作用就很差；若钎料与母材相互溶解或生成化合物，则液态钎料 就能较好地润湿母材。对于互不发生作用的钎料和母材，可在钎料中加入能与母 材形成固溶体或化合物相等的第三物质来改善其润湿作用【 12 1 。 钎焊温度。随加热温度的升高，液态钎料与气体的界面张力减小，液态钎料 与母材的界面张力也降低，这两者均有助于提高钎料的润湿能力。但是钎焊温度 不能过高，以免造成熔蚀、钎料流失和母材晶粒长大等现象【l3 1 。 母材表面氧化物。在有氧化物的母材表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不 与母材发生润湿。这是因为覆盖着氧化物的母材表面比起无氧化物的洁净表面来 1 0 硕i j 学位论文 说，与气体之间的界面张力要小得多。所以，必须充分清除钎料和母材表面的氧 化物，以保证发生良好的涧湿作用f 1 4 小】。 母材表面粗糙度。母材表面的粗糙度，对钎料的润湿能力有不同程度的影响。 钎料与母材作用较弱时，它在粗糙表面上的铺展比在光滑表面上的铺展要好。因 为较粗糙的表面上的纵横交错的细槽对液态钎料起了特殊的毛细作用，促进了钎 料沿母材表面的铺展。但对于与母材作用比较强烈的钎料，由于这些细槽迅速被 液态钎料溶解而失去作用，这种现象就不明显【埔】。 钎剂。钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物，改善润湿作用。 钎剂往往又可以减小液态钎料的界面张力。因此，选用适当的钎剂对提高钎料对 母材的润湿是非常重要的。 2 钎料与母材的相互作用 液态钎料在毛细填隙过程中与母材发生相互物理化学作用，这种作用可以归 结为两种：一种是固态母材向液态钎料的溶解；另一种是液态钎料向母材的扩散 【1 7 】 0 ( 1 ) 母材向钎料的溶解 如果钎料和母材在液态下是能够相互溶解的，则钎焊过程中一般发生母材溶 于液态钎料的现象。溶解作用对钎焊接头质量的影响较大，母材向钎料的适当溶 解可改变钎料的成分，过度溶解会使液态钎料的熔化温度和粘度提高，流动性变 坏，导致不能填满接头间隙，有时过量溶解还会造成母材熔蚀缺陷【1 8 19 1 。 母材向钎料溶解作用的大小取决于母材和钎料的成分、钎焊温度、保温时间 和钎料数量等。如果母材的溶解有助于在钎缝中形成共晶体，则母材的溶解作用 比较激烈；母材元素在钎料中溶解度小，也比较容易发生溶解。温度愈高，保温 时间愈长，钎料量愈多，溶解作用进行的愈激烈【2 0 1 。 ( 2 ) 钎料的组分向母材的扩散 扩散以两种方式进行，一是体积扩散，此时钎料组元向整个母材晶粒内部扩 散；另一种是晶间扩散，这时钎料组元扩散到母材的晶粒边界【2 1 1 。体积扩散的结 果是在钎料与母材的交界处毗邻母材的一边形成固溶体层，它对钎焊接头不会产 生不良影响。晶间扩散常常使晶界发脆，对薄件的影响尤为明显，应降低钎焊温 度或缩短保温时间，使晶间扩散减d , n 最低程度。 3 钎焊接头的显微组织 钎料与母材相互作用可以形成下列组织： ( 1 )固溶体 当母材与钎料具有同一类型的结晶点阵和相近的原子半径，在状态图上出现 固溶体时，则母材溶于钎料并在钎缝凝固结晶后，就会出现固溶体，当钎料与母 c 枪喷义窄气炉中钎焊技术的研究 材具有共同的基体时，也往往可能形成固溶体。尽管钎料本身不是固溶体组织， 但在紧邻钎缝界面区以及钎缝中可出现固溶体组织。固溶体组织具有良好的强度 和延性，钎缝和界面区出现这种组织对于钎焊接头性能是有利的【2 2 2 3 1 。 ( 2 ) 化合物 如果钎料与母材具有形成化合物的状态图，则钎料与母材的相互作用将可能 使接头中形成金属间化合物。当接头中出现会属问化合物相，特别是在界面区形 成连续化合物层时，钎焊接头的性能将显著降低f 2 4 2 7 1 。 ( 3 ) 共晶体 钎缝中的共晶体组织可以在以下几种情况中出现：一是采用含共晶组织的钎 料；二是母材与钎料能形成共晶体【2 8 2 9 1 。 1 2 3 2 钎焊方法的分类 按照不同的特征和标准，钎焊方法有以下几种分类方式： 1 按照所采用钎料的熔点可将钎焊分为两类，钎料熔点低于4 5 0 。c 时成为软 钎焊，高于4 5 0 时称为硬钎焊。 2 按照钎焊温度的高低可分为高温钎焊、中温钎焊和低温钎焊，温度的划 分是相对于母材熔点而言。 3 按照热源种类和加热方法的不同可分为火焰钎焊、炉中钎焊、感应钎焊、 电阻钎焊、浸渍钎焊、气相钎焊、烙铁钎焊及超声波钎焊等。 4 按照去除母材表面氧化膜的方式可分为钎剂钎焊、无钎剂钎焊、自钎剂 钎焊、气体保护钎焊及真空钎焊等。 5 按照接头形式的特点可分为毛细钎焊和非毛细钎焊。 6 按照被连接的母材和钎料的不同，可分为铝钎焊、不锈钢钎焊、铜钎焊 等。 1 2 3 3 钎焊技术的发展及研究概况 1 钎焊技术的历史 钎焊是人类最早使用的材料连接方法之一，在人类尚未开始使用铁器时，就 已经发明用钎焊来连接金属。在埃及出土的古文物中，就有用银铜钎料钎焊的管 子，用金钎料连接的护符盒，据考证分别是5 0 0 0 年前和近4 0 0 0 年前的物品。公 元7 9 年被火山爆发埋没的庞贝城的废墟中，残存着由钎焊连接的家用钎制水管 的遗迹，使用的钎料具有s n ：p b = l ：2 的成分比，类似现代使用的钎料成分。我 国在公元前5 世纪的战国初期也已经使用锡铅合金钎料，在秦始皇兵马俑青铜器 马车中也大量采用了钎焊技术。我国最早见著于文献记载的钎焊是汉代班固所著 汉书。1 6 3 7 年出版的明代宋应星科技巨著天工开物中有“中华小钎用白 1 2 硕l 学位论文 铜术，大钎则竭力挥锤而强合之”。尽管钎焊技术出现较早，但很长时间没有得 到大的发展。进入2 0 世纪后，其发展也远落后于熔焊技术。 直到2 0 世纪3 0 年代，在冶会和化工技术发展的基础上，钎焊技术彳有了较 快发展，并逐渐成为一种独立的工业生产技术，尤其是二次世界大战后，由于航 空、航天、核能、电子等新技术的发展，新材料、新结构形式的采用，对连接技 术提出了更高的要求，钎焊技术因此受到了更大的重视，迅速的发展起来，出现 了许多新的钎焊方法，其应用也越来越广泛。例如，制造机械加工用的各种刀具 特别是硬质合金刀具，钻探、采掘用的钻具，各种导管和容器，汽车拖拉机的水 箱，各种用途的不同材料、不同结构形式的换热器，电机部件以及汽轮机的叶片 和拉筋等构件的制造广泛采用钎焊技术。在轻工业生产中，从医疗器械、金属植 入假体、乐器到家用电器、炊具、自行车，都大量采用钎焊技术。对于电子工业 和仪表制造业，在很大范围内钎焊是唯一可行的连接方法，如在元器件生产中大 量涉及金属与陶瓷、玻璃等非金属的连接问题，及在部件连接中必须防止加热对 元器件的损害，这些都有赖于钎焊技术。在核电站和船舶核动力装置中，燃料元 件定位架，换热器、中子探测器等重要部件也常采用钎焊结构。 2 钎焊技术的国内外研究现状 对于钎焊技术的研究，国内外学者们做出了巨大的贡献。 自1 9 9 3 年中国焊接学会在青岛召开“第七届全国焊接学术会议”以来，钎 焊专业委员会分别于1 9 9 4 年、1 9 9 5 年、1 9 9 6 年在浙江金华市、湖南大庸市、江 苏扬中市召开了第七届、第八届、第九届全国钎焊与扩散焊技术交流会，尤其是 1 9 9 8 年1 0 月在江苏无锡召开的第十届全国钎焊与扩散焊技术交流会，收到论文 1 0 0 多篇。四届会议共收到论文近3 0 0 篇，其中1 9 9 4 年第七届5 1 篇，1 9 9 5 年第 八届5 8 篇，1 9 9 6 年第九届6 8 篇，1 9 9 8 年第十届l o o 多篇。论文逐年增加的同 时，参会人数更是一届比一届多。1 9 9 4 年第七届8 0 多人，1 9 9 5 年第八届8 0 多 人，1 9 9 6 年第九届突破了1 0 0 人，1 9 9 8 年第十届达1 5 0 多人。与此同时，1 9 9 4 年国际焊接学会第4 7 届年会在北京召开，1 9 9 4 年、1 9 9 5 年中国电子学会焊接专 业委员会召开的学术会议，我国钎焊与扩散焊工作者提交的论文总数达到1 1 3 篇。这些统计数字充分说明了我国钎焊与扩散焊技术的研究与应用，在国家经济 建设中正发挥着越来越大的作用。 国外钎焊技术的研究和应用同样越来越受到钎焊工作者的重视。特别是近几 年来，i s o 组织和国际电工学会等国际组织起草制定的焊接技术标准共有3 0 多 项，其中有关钎焊的标准就多达2 5 项，1 9 9 4 , - - 1 9 9 6 年正式发布的有近1 0 项，另 有1 0 多项正在修改、制定中。特别是近几年里，国外的钎焊材料、钎焊设备的 1 3 钒枪喷头窄气炉中钎焊技术的研究 不断进入我国市场，一方面使我们更深入地了解到了国外钎焊技术的最新研究成 果，同时又促进了我国钎焊技术的研究和发展，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 铝及其合金的钎焊问题 铝及其合金的钎焊问题是近年来研究最多、发展较快的研究领域之一。因为 各种空调器、加热器的散热部件都是用纯铝或铝合金，而在国防工业上各种强化 铝合金的应用正以极高的发展速度增长，这些铝合会的应用前提首先是要解决钎 焊问题，并有配套的钎料作保证。 国内对铝及其合金的钎焊技术研究的应用，主要针对铝散热器、铝不锈钢 异种材料、微波器件、铝合金门框等产品。 最近，哈焊所研究开发出5 0 0 左右钎焊a l 的材料，目前，正在进行生产 试验，一旦解决了批量生产成本问题，市场前景将十分广阔。 北京航空航天大学、北京大学提出一种适用于铝以及铝与其它金属异种接头 钎焊的钎剂和钎料，研制出了一种液体有机钎剂、一种固体钎剂以及s n z n m e 钎料，这种钎剂一钎料搭配具有极优良的钎焊活性、抗腐蚀性和工艺性，达到或 超过了世界上某些最优良厂家产品的水平，并在一些散热器和冰箱冷室的钎焊上 获得了应用，但目前尚未形成产业化或商品化，有待进一步研究开发。 在a 1 一m g 焊接滑板车方面，2 0 0 0 年可谓风光大展，在浙江、广东一带， 用量达到约2 0 0 0 吨，仅焊丝生产厂家就获利巨大。 ( 2 ) 钎料技术的发展 改革开放以来，随着我国家电工业( 特别是制冷行业，包括制冷设备，如电 冰箱、空调及其三通、四通阀等配件) 、汽车工业、电子工业的高速度发展，钎 焊技术应用越来越广，特别是我国的空调机产量1 9 9 7 年年销售量5 0 0 万台，1 9 9 8 年达6 5 0 万台，1 9 9 9 年预计达到8 0 0 万台以上，2 0 0 0 年已超过1 2 0 0 万台，使得 钎焊材料的产量也以每年2 0 - - - 3 0 的速度递增，据测算，我国空调机的年产量 未来几年将达到15 0 0 - - 2 0 0 0 万台，而格兰仕最近宣布投巨资进入空调生产领域， 因此钎焊材料的产量单在空调机的应用方面就将大幅增长。钎焊材料的生产与电 焊条不同之处是：电焊条的技术关键主要在于配方，而钎料生产的关键则在于生 产加工工艺，钎剂生产关键则主要是配方与生产工艺。近年来在钎料成形技术上 取得了较大进展。主要有以下几方面： “非晶态 技术的