高溫真空釬焊爐鉬屏開裂原因分析

真空釬焊 廖正貴 中國電子科技集團公司第二研究所

  在高溫真空釬焊爐中對汽車用三元催化凈化器金屬蜂窩載體進行真空釬焊,設備使用較短時間內,爐膽鉬屏出現變形、開裂失效現象。對開裂的高溫真空釬焊爐鉬屏進行了使用前后的形貌對比及化學成分分析。結果表明,鉬屏加速變形、開裂的原因是鎳基釬料在鉬屏表面的沉積,沉積物改變了鉬屏表面的組織成分并帶來鉬屏物理性能的改變。據此提出高溫真空釬焊爐爐膽鉬屏的設計要點。

  高溫真空釬焊爐廣泛應用于解決一般方法難以連接的結構件釬焊,特別適用于鈦合金、不銹鋼等金屬材料的真空釬焊。利用高溫真空釬焊爐焊接各種結構件過程中,釬料的沉積都會造成爐膽鉬屏出現變形、開裂等失效形式。正常使用情況下,高溫真空釬焊爐的爐膽鉬屏會因冷熱交替沖擊變形及鉬屏本身金相組織變化出現變形、開裂失效的情況,時間為5 年左右。

  在利用高溫真空釬焊爐釬焊應用于汽車工業中的三元催化凈化器金屬蜂窩載體工藝過程中,大量應用的鎳基釬料大量揮發,一部分被真空釬焊爐的真空機組抽走排出,另有相當一部分則沉積粘接在爐膽的隔熱保溫層上,主要是面對高溫的第一層鉬屏沉積明顯。大量的鎳基釬料沉積物使高溫真空釬焊爐爐膽鉬屏出現變形、開裂等失效形式,且時間較短,一般1 年左右就需要更換爐膽鉬屏。

  針對三元催化凈化器金屬蜂窩載體真空釬焊工藝中,設備使用較短時間內爐膽鉬屏即出現變形、開裂失效的現象,對開裂的高溫真空釬焊爐鉬屏進行了使用前后的形貌對比及化學成分分析。結果表明,鉬屏加速變形、開裂的原因是鎳基釬料在鉬屏表面的沉積,沉積物改變了鉬屏表面的組織成分并帶來鉬屏物理性能的改變。

  據此提出高溫真空釬焊爐爐膽鉬屏的設計要點。在高溫真空釬焊爐中,用于隔熱保溫的鉬屏一旦出現變形、開裂等失效形式,就會造成高溫真空釬焊爐爐膽出現漏熱、保溫失效情況,最終結果可能是高溫真空釬焊爐溫度指標達不到;更嚴重的情況是:翹曲的鉬屏會和加熱帶短接,造成加熱帶電短路,損壞真空爐。圖1 所示為應用于三元催化凈化器金屬蜂窩載體釬焊的高溫真空釬焊爐的爐膽鉬屏開裂情況:如圖所示,加熱帶基本沒有變形,鉬屏有翹曲、開裂現象。

高溫真空釬焊爐鉬屏開裂原因分析

圖1 鉬屏開裂照片

1、試驗方法

  通過對高溫真空釬焊爐開裂鉬屏使用后的外觀、裂口形貌進行目視觀察,對使用后有釬料沉積的鉬屏成分進行測試分析對比,在此基礎上對鉬屏開裂的原因進行分析。分析儀器采用德國OBLF QSN750 通用型多基體火花直讀光譜儀對樣品進行成分分析。

2、試驗結果及分析

  2.1、樣本外觀檢查

  送檢的兩塊鉬屏樣本為同一塊已使用兩年的鉬屏塊上截取,其中一塊為沒有沉積物(圖2箭頭指示黑框圈示處為截取位置),另一塊表面覆滿釬料沉積物。圖2 為截取前鉬屏的局部照片。仔細檢查截取前已開裂的鉬屏,釬料沉積物只覆著在面對爐膛溫區一側,而鉬屏相互搭接處(箭頭指示黑框圈示處)并無釬料沉積物。使用游標卡尺測量,覆著釬料沉積物的鉬屏厚度比沒有釬料沉積物的鉬屏厚度增加0.1 mm。目視觀察已開裂的鉬屏,肉眼可見釬料沉積物分層,且兩處表面粗糙度差異明顯。

高溫真空釬焊爐鉬屏開裂原因分析

圖2 樣品圖片

  2.2、樣本成分分析

  送檢的兩塊鉬屏樣本為同一塊已使用兩年的鉬屏塊上截取,樣本1 上無釬料覆著,樣本2為有釬料覆著,樣本化學成分分析結果見表1。從表1 可以看出樣本成分中雜質含量的變化情況:樣本1(無釬料覆著鉬片)中,鉬含量顯著較高,雜質含量較少且有些金屬雜質成分如錳和鎳含量為0;樣本2(有釬料覆著的鉬片)中,鉬含量質量百分數減少,雜質含量成倍增加且原本鉬屏中不含有的金屬雜質成分如錳和鎳含量增加明顯。分析雜質來源,三元催化凈化器金屬蜂窩載體真空釬焊工藝中大量使用的液態鎳基釬料是主要來源。

表1 樣本化學成分(質量分數,%)

高溫真空釬焊爐鉬屏開裂原因分析

3、鉬屏加速變形及開裂原因分析

  送檢的兩塊鉬屏樣本為同一塊已使用兩年的鉬屏塊上截取,從外觀和樣本成分分析中,可以看出鉬屏加速開裂失效的促進因素來源于真空釬焊時的釬料沉積,且鉬屏開裂失效的過程是隨高溫真空釬焊爐使用日積月累中逐次加深加重的過程。鉬屏表面成分改變必然引起鉬屏本身物理性能方面的改變,最終促使鉬屏加速變形及開裂。

  理論上,高溫下不同金屬元素的瞬時線脹系數是不同的。高溫下金屬元素的瞬時線脹系數計算公式為:αT=A+B(T-T0)+C(T-T0)2,式中,影響瞬時線脹系數αT 的三個常數A、B、C 中,金屬鉬的常數較小,亦即高溫下金屬鉬的線性變形量較小,雜質金屬元素的線性變形量較大,這就造成鉬屏表面的沉積物線性變形量(伸長)大于鉬屏自身的線性變形量(伸長);在釬焊工藝結束冷卻過程中,鉬屏表面的沉積物線性變形量(收縮)大于鉬屏自身的線性變形量(收縮)。

4、結論與建議

  (1)真空釬焊時鉬屏表面釬料沉積是不可避免的,鉬屏的不同軋制工藝和表面處理工藝會造成鉬屏表面的粗糙度不一樣(主要是表面結合力不同)并造成釬料沉積的速度不一樣。實際選型中,必須要求鉬屏軋制后經過真空退火爐進行退火處理,確保材料交貨狀態為退火態。

  (2)建議在高溫真空釬焊爐爐膽設計實踐中,要從結構設計方面調整鉬屏的設計和選型。在結構設計上,要沿鉬屏變形方向加強鉬屏的結構強度,要確保鉬屏在高溫下的變形趨勢符合設計意圖。

  (3)從圖1 可知,加熱帶基本沒有變形,除了加熱帶本身較鉬屏厚以外,加熱帶表面溫度高于鉬屏溫度也是主要原因,所以在高溫真空釬焊爐使用實踐中,定期清理爐膛并高于釬焊工藝溫度烘爐凈化爐膛是有效減少釬料沉積的辦法之一。