防止薄钢板与铜管火焰钎焊产生裂纹的研究.doc

防止薄钢板与铜管火焰钎焊产生裂痕的研究本文在介绍钎焊的基础上分析了钎焊的应用特点，并以薄钢板与铜管火焰钎焊为例，指明了钎焊过程中产生裂痕的原因，提出了消除此种现象的方法。钎焊是一种有着久远历史的焊接方法，我国早在青铜器时代就已经出现了采纳钎焊进行连接的物件，它的原理是采纳熔点比母材低的金属原料作为钎料，当材料被加热之后，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙、并使钎料与母材互相扩散从而实现连接焊接。从宏观上来讲钎焊过程中母材金属不熔化，但是从微观上来看，在液态钎料和固态母材之间发生母材向钎料中溶解和钎料向母材扩散的互相扩散反应，即存在母材表面的微区熔化。而且在钎焊时，液态钎料依靠毛细作用在钎缝间流动，这种液态钎料对母材金属的浸润和附着的能力被称之为润湿性。润湿性越好则毛细作用越强，填缝也会更充分。钎焊的应用特点钎焊加热的温度并不高，接头平滑美观，组织和机械性能变化比较小，工件的尺寸比较准确，能够焊接不同种的金属和不同种的材料；钎焊的过程比较简单，设备也不复杂，生产成本费用较低；有的钎焊方法能够同时焊多焊件、多接头等，因而生产效率比较高。不过，钎焊接头的强度比较低、耐热性较差，对焊前的清洗要求比较严格且钎料价格昂贵。正是因为上述特点，在进行动载机、一般钢结构以及重载机的焊接时钎焊不有用，而在机械、仪表等部门得到了广泛的应用。钎焊过程和裂痕的产生本文以氧乙炔火焰在处理钎焊铜管和薄钢板时出现裂痕的状况为例，当给某一款摩托车的燃料箱壳体与通气管进行焊接加工时，燃料箱壳体材料使用上海宝钢生产的DC04镀锌镍钢板、基本厚度为0.8mm，通气管材料使用外径为10mm、厚度1.5mm的铜管，需要在燃料箱壳体上钻一个直径为10.15mm的小孔，然后将铜管插入该孔内进行火焰钎焊，焊接完成后要求给燃料箱内部施加0.05MPa的空气压力并坚持90秒，燃料箱不能有泄漏故障。在钎焊的过程中，只有在钎料熔化成液体材料后才能充分的填充母材的钎缝并润湿母材的外表面，因此钎料和母材的成份对润湿能力的影响作用甚大。为了控制钎焊生产成本，钎料选用102的48%铜锌焊料，钎剂选用硼砂。首先将清理完表面氧化物的燃料箱壳体与铜管装配定位，利用碳化焰的外焰对钎缝周边进行局部加热，此时焰心距离钎缝的距离坚持在15到20mm范围内，再将钎剂涂到钎缝处并利用外焰继续加热直至其完全熔化后，立即使钎料熔化进入到钎缝中，并将钎缝到火焰焰心的间距增加到35至40mm以避免钎料过于灼热。鉴于过高的钎焊温度可能导致铜管与燃料箱壳体出现过烧的现象，所以在此选择钎焊温度比铜管的熔点高30到40摄氏度。依据燃料箱大批量生产的工艺要求，在钎焊过程完成后选择自然冷却，并用钢丝电刷打磨清理钎剂残渣。最后给燃料箱内部加压检查，发现钎缝处有泄漏，取样做金相检查发现有环形的裂痕。进一步选用钎料为103的54%铜锌焊料，钎剂为60%硼砂和40%硼酸进行重新钎焊，钎焊完成后仍有环形裂痕出现。经过研究发现，焊后燃料箱壳体钢板发生较小的变形，在火焰直接加热的区域尤其是焊缝四周的变形最为显然。裂痕产生原因经过认真的研究分析，环形裂痕的产生和钎焊的焊接工艺、钎料和钎剂的选择关系并不大。焊接前燃料箱壳体与铜管均已清洗到位，钎焊接头的间隙大小设置合理，钎料、钎剂的选材与用量都适当，且有效利用了钎料的润湿作用、钎剂的去膜作用，避免了填隙不良、钎缝气孔、钎缝夹渣及钎料流失等常见钎焊缺陷。究其裂痕产生的根本原因，主要是因为料箱壳体钢板较薄、刚度较小、抵抗变形的能力较差，在火焰钎焊时受到比较严重的加热，在冷却后发生了变形，同时燃料箱壳体与铜管的热膨胀系数不同导致冷却过程中形成的内应力过大，再加上钎料组元扩散到燃料箱壳体的晶粒边界，进而使得晶界发脆，最终导致裂痕的产生。故而可以合计增加燃料箱壳体钢板的厚度或强度来提升抵抗变形的能力。改善方法为了找寻有效改善方案，将燃料箱壳体局部进行重新制定，分别对以下3个方案进行对比研究：①.将原制定钻小孔的方案改为冲带2.0mm高翻边的小孔；②.在①的基础上给燃料箱壳体上以所述小孔为中心冲压增加一个直径20.0mm、深2.0mm的下凹强化形状；③.将原制定钻直径10.15mm小孔的方案改为钻直径10.5mm的小孔、并在燃料箱壳体上以所述小孔为中心先采纳电阻点焊增加一个外径40.0mm、厚1.5mm、内孔径10.15mm的强化钢板。首先，通过CAE软件对原制定方案及上述3种燃料箱壳体钎焊铜管后的方案进行模拟受力分析，固定约束燃料箱壳体的边缘，沿铜管的轴向给铜管施加100N的推力，结果发现原制定方案与改善方案①、②、③在钎缝处燃料箱壳体的应变量分别约为35%、28%、20%、11%。CAE模拟分析结果说明，结构制定上适当改变燃料箱壳体的局部形状或强化其局部厚度，都能使刚度得到提升，抵抗变形的能力也显然上升