真空钎焊装配、钎焊工装夹具设计

引 言

   真空钎焊能够获得精密光亮的接头、钎缝，而且接头具备优良的机械性能和抗腐蚀性能，真空钎焊与其它钎焊方法相比，在零件氧化和零件变形的控制方面具有明显的优势，这些特点对于平板天线、风冷散热器，水冷冷板和有特殊要求的箱体、盒体都非常适合，直接可以获得高精度的零件，质量也易于控制，现在真空铝钎焊在电子产品冷却系统中的应用已十分广泛。真空钎焊的主要工序包括：零件加加工、真空钎焊前清洗处理、零件装配和固定、钎焊、钎焊后处理及质量检验等，每道工序均会影响最终的钎焊质量，下面主要讨论真空铝钎焊夹具设计和选择时必须考虑的因素。

1 真空钎焊夹具装配夹具及进炉真空钎焊夹具一般设计原则

   真空钎焊时钎焊零件应装配定位，以确保零件之问的相互位置和钎焊要求的接头问隙。钎焊夹具要涉及到钎焊零件的固定、装配、进炉、钎焊、出炉整个过程．真空钎焊进炉钎焊夹具是否合理和实用直接影响到产品的钎焊质量。普通夹具设计的原则和要求同样适用于钎焊夹具的设计，如夹具系统要具有一定的精度；夹具系统要具有一定的刚度以克服加工过程中的变形；夹具系统要具有结构紧凑、形状简单、装卸方便的特点 除了要考虑以上的原则，钎焊夹具还有它自身的特点，一般来说装配钎焊夹具和进炉真空钎焊夹具设计有比较大的区别。进炉真空钎焊还要考虑如下因素：

(1)真空钎焊随炉夹具材料要可以经受钎焊温度，而不丧失强度，不变形和放出气体，不易与组焊件产生合金反应、不粘；

(2)重视夹具和零件的温度膨胀和收缩，在钎焊温度下，要保证钎焊零件具有合适的接头间隙；

(3)夹具要保证钎焊区的热传导，引起的热量转移对零件的稳定加热降温产生干扰最小，并且不妨碍钎料的流动。

2 真空钎焊夹具设计

2．1 真空钎焊夹具材料的选择夹具材料选用，最根本就是要保证：在钎焊温度下，夹具材料的刚性要大于钎焊零件材料，这样在钎焊过程中，焊件的变形始终受夹具的限制，焊件及其配合尺寸可以依靠夹具装配得到保证。真空铝钎焊工作温度在600 ℃左右，钎焊时间3～6小时，一般情况选择1Crl8Ni9Ti可以满足使用要求，1Crl8Ni9Ti属奥氏体不锈钢，抗氧化性达到700℃以上，重要的是在钎焊温度时还有足够的热强性，刚性远大于铝合金，组织稳定，长期旋用不会脆化，故而，钎焊夹具基本框架及主要工作部件采用1Crl8Ni9Ti是非常合适的；对于一些配合尺寸及精度要求高的零件，夹具设计必须要涉及螺纹副以及定位孔轴配合，材料选择不合适，组织接近，热稳定性差，钎焊温度下夹具零件之间会有“咬死”现象，而选用铸铁与lCrl8Ni9 Fi配合交替使用就可以较好地解决这个问题。

2．2 要考虑热变形的影响

   真空钎焊夹具及零件在钎焊温度下产生热变形对钎焊过程的影响应该着重予以考虑。由于夹具和钎焊零件的材料不同，热膨胀系数不同，在加热的情况下，会产生膨胀量差，钎焊零件会产生变形，夹具的目的就是让钎焊件随夹具的变形而变形，一般来说，主要对钎焊件平面度、垂直度、焊缝间隙有要求．其它要求不十分严格的零件，采用强制变形夹具可以满足使用要求；但是对于某些外形尺寸、配合尺寸精度要求比较高的零件，采用强制变形夹具就不能满足使用要求了，必须考虑在强制变形夹具的基础上，设计部分弹性元件组成柔性夹具系统，弹性元件一般采用高温弹簧或弹性夹头，经过膨胀量差的计算，控制弹性元件的变形范围，这样既可以对钎焊件保持必要的压力，又解决了膨胀量差的问题。真空钎焊用耐高温合金弹簧和钎焊工装夹具定位
在真空钎焊复杂部件时，往往需选用耐高温合金弹簧和工装夹具进行装配定位。选择真空钎焊的定位工装及夹具和耐高温弹簧，通常应遵循下述原则：
1。真空钎焊夹具应尽可能地简单。采用较薄截面的夹具应符合刚性和耐久性的要求。
2.真空夹具中要避免使用螺栓或螺钉。因为它们在加热时容易松弛，常常不能对钎缝施加压力，保持其安装位置。
3.如耐高温弹簧或夹钳使用在加热区上必须要能经受得住真空钎焊温度最高温度，否则在真空钎焊时会产生产品和工装松弛。
4.制作做真空钎焊夹具应使工装夹具厚度均匀一致，避免采用大厚度的截面。
5.在大多数情况下，要避免使用膨胀系数不同的异种材料制作工装夹具，因为它们可能会影响组件的尺寸。但是当不同的热膨胀具有优点时，可以例外。
6.工装夹具在用作真空钎焊装备以前，应先经受真空钎焊环境和温度的测试，以保证夹具尺寸的稳定性和消除应力。
7.工装夹具结构应便于检查，须经常检查工装夹具的尺寸。
8.含铝和钛镍基耐热合金在空气中加热时会产生保护性氧化膜，有助于防止部件与工装夹具焊固。
9.应避免使用在高温下与钎焊组件紧密接触会起反应的材料制作夹具。例如，真空钎焊钛时切勿使用镍基合金的夹具，反之亦然。因在943℃时会形成镍钛共晶，这个温度通常低于钛或镍基合金的真空钎焊温度。
10.通过使用柔性的高熔点镀层垫片、钢球或销钉，可使夹具对钎焊构件施加局部压力。
11.钎焊组件要求保持精密外形公差时，需要有十分稳定的夹紧作用。金属夹具经重复使用后往往缺乏稳定性，因此为保持精密公差，通常都采用陶瓷夹具。采用可铸陶瓷材料，如熔融氧化硅，效果极佳，它们具有优良的尺寸稳定性，
并可铸造出精密公差而不需机加工。氧化铝也可用来制作真空工装钎焊夹具，但难以加工出精密的公差，并且耐热冲击性能也差。
12.选择真空钎焊工装夹具时，应同步考虑如所用真空钎焊方法、真空钎焊温度、保护气体、基体金属材料性能，不同材料的真空钎焊方法具有不同的要求，具体举例如下：
1）在真空钎焊时，工装夹具材料的唯一限制是在真空钎焊温度下必须稳定，具有与真空钎焊工件相匹配的膨胀性能，不含有气化物质和可能污染真空钎焊气氛的物质。
2）感应钎焊时通常要求把工装夹具放在感应器的附近。如果这种情况的存在的话，工装夹具材料则受限于不受感应场影响的材料。
3）盐浴钎焊中，所用工装夹具应当无水分，且始终有夹紧作用，且必须考虑熔盐的浮力作用。且工装夹具材料不得与熔盐起反应。
4)由于铝和镁的热膨胀系数很大，在真空钎焊此类材料的工装夹具必须带有弹簧或某些其它形式的调节装置，一般可采用镍基耐热合金和不锈钢作为耐高温弹簧的材料。
5）火焰钎焊所用工装，不得妨碍钎焊火焰，阻挡焊工视线或妨碍钎料的施加。

如图1所示，

    零件为箱式真空钎焊件，上下导轨板与前后支撑框组成一个可拔插插件的箱体，上下盖板与上下导轨板之间放置波纹板起到散热作用。总体而言此零件有一个显著地要求，尺寸精度及装配精度要求高，成型后不经过加工，上下导轨板之间插槽定位精度不超过0．15mm，上下间距尺寸精度不超过0．2 mm，插件需拔插自如。在实际生产中经过对夹具及焊件材料热膨胀量精确地分析计算，设计弹性不锈钢垫和钢性C形夹配合使用，消除了热膨胀差对钎焊的影响。如图1夹具系统所示，箱体周边上下依靠小的刚性C形夹(图件6)及垫板夹紧，箱体上下四个角在整个高度上用C形夹及弹性元件整体夹紧(图件9、10)。按照两种材料热膨胀系数计算产生的膨胀量差。

真空钎焊工装夹具变形量计算公式为：

△L=L× △T× △ =L× △T×( a2一 a1)

其中：△ 是热膨胀产生变化的膨胀量差；L是夹持距离；△T是钎焊温度减去室温，这里取570℃～580℃；a2是夹持件平均热膨胀系数，℃； a1是被夹持件平均热膨胀系数，℃。箱体总高为410 mm，四周小夹头夹持距离为35～ 40 mm。经过计算，箱体总高度方向夹持后受热产生间隙量为一2.38 mm，四周小夹头夹持后受热产生间隙量为一0.19 mm(间隙量为负值说明加热膨胀后被夹持物长度大于夹头夹持间距)。在小C形夹头夹持位置受热后间隙为0．19 mm，分析认为：此处包括两个钎焊面，由于钎焊料填充接头间隙。每一个钎焊面存在0．10 mm的塌陷，两项相抵，采用刚性夹头是可行的；而箱体整体高度上受热后间隙为2．38 mm，减去四个钎焊面塌陷，还存在的间隙为2 mm左右，如果间隙调整太大，受热后夹持物不能有效夹紧，钎焊需要间隙无法保证，易于产生焊接不充分或焊缝明显不均匀的现象；如果间隙调整太小，受热后夹头形变量不能满足焊件的形变要求，箱体会因夹持物限制而变形，即四角支撑柱由于热膨胀空间不足而产生弯曲或扭曲变形，造成零件报废。通过自制不锈钢弹簧垫(图中件10)(弹簧垫的变形量控制在2 mm)的配合使用较好地解决了这个问题，钎焊件焊接充分，包括上下四角部分焊缝均匀一致，符合设计要求。

2．3 真空钎焊夹具要充分考虑到钎焊件加散热均匀性的要求钎焊时零件的加热和冷却速度也是重要的工艺参数，铝的真空钎焊，真空度控制在3×10ˉ3Pa左右，采用辐射加热，就是为了保证在钎焊过程中加热散热是一个均匀的过程，这样焊件的变形可以减少到最低，易于保证焊件的尺寸精度。

如图2所示

   为真空钎焊热循环温度曲线 如果加热过快，会使焊件内温度不均匀而产生内应力，加热过慢又会造成例如母材晶粒长大，钎料低沸点组元蒸发以及金属氧化钎剂分解等有害过程的急剧发展,焊件的冷却速度对于接头质量也有直接的影响，过慢的冷却可能引起母材晶粒长大，加快冷却速度有利于细化钎缝组织提高接头强度，但冷却过快可能使焊件因形成过大的热应力而产生裂纹，或钎缝过速凝固使气体不及逸出而产生气孔。在焊件的温度控制方面以上述曲线为基准，在钎焊中都可以取得很好的效果，曲线中加热速率主要由焊件的材料形状及结构尺寸来决定，也与使用钎料的形式及钎料的结晶温度范围有直接关系。但是如果钎焊夹具忽略了散热性要求，限制了零件的热交换，钎焊件焊缝质量就难以保证。

如图3所示

    真空钎焊零件是一个由上下导轨板及左右侧板通过钎焊连接而成的盒体，此零件不仅要求成型后插件拔插方便，而且对于盒体有气密性要求，这样在对钎焊精度有很高要求的同时，也提高了两侧焊缝的焊接标准，在实际钎焊过程中，经检验发现焊件存在气密检验不合格现象，这就是说焊缝的质量不达标准。经过分析，确认是钎焊夹具设计不合理，夹具限制了钎焊区的热传导进而影响了焊缝质量，在夹具设计时没有考虑散热性的因素，焊件处于前后定位板及配重平板的包围之中，影响到盒体内外的热交换，钎焊件的加热及散热过程受到夹具影响，在此过程中，盒体内外的温差可能引起热膨胀、冷收缩时变形不一致，而真空钎焊的作用过程是一个快速的过程，当钎焊件达到钎焊温度时，钎料的润湿和接头的形成大约只需要几秒钟的时间，钎焊件内外温度不一致，极易造成焊缝有气孔、夹渣，甚至是焊缝开裂，焊件报废。为了解决这一问题，在夹具(见图3)的前后定位板和盒体之间设计增加了垫柱(图示9)，定位板增加了散热孔，配重平板上设计了散热型腔及散热孔(图示10)，此措施解决了钎焊件加热及散热的均匀性问题，提高了焊缝质量，达到了零件气密性的要求。

3 真空钎焊工装夹具设计小结

   真空炉中钎焊夹具设计要考虑的因素比较复杂，在保证以上要求的条件下，还要考虑到重力影响，焊件加热后，接头因膨胀松弛，钎料会自然出现向下流动的趋势，所以必须注意夹具及焊件的夹持及放置形式；夹具结构要尽可能简单，钎焊是一个封闭进行的过程，具体过程不可见，夹具越简单，不可预见的问题越少，这样夹具可靠性高，可操作性强。总之，钎焊夹具设计应重点保证以下几个方面：保证钎焊件接头间隙，对于铝及铝合金的组装件，接头内有0．05～0．10 mm的间隙，此时钎料流动性最好；重视夹具与组焊件在钎焊温度时的膨胀和收缩，考虑膨胀系数的区别，保证零件相互协调；夹具对零件钎焊过程的影响最小，保证不影响钎焊区的热传导，不妨碍钎料的流动。铝合金真空钎焊根据铝合金钎焊组件结构和焊缝形式及形位公差等, 设计相应的工装夹具。