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无镉银钎料对冰箱钎焊接头的应力腐蚀研究

2022-05-23 12:09 BBIN·宝盈王海彬

无镉银钎料对冰箱钎焊接头的应力腐蚀研究

BBIN·宝盈王海彬

摘要钎焊接头的应力腐蚀研究对于保证钎焊构件的可靠性具有重要意义。本文着重研究了无镉银钎料BAg30CuZnSn对冰箱管路系统中邦迪管钎焊接头应力腐蚀的影响，分析了钎焊接头的应力断裂形成条件以及解决办法，并比较了铜管—铜管钎焊接头在相同条件下应力断裂情况。

关键词应力腐蚀钎焊接头冰箱钎焊无镉钎料银焊条银焊片银焊膏银焊丝

0 前言

近几年，随着国家对“清洁生产”的深入进行，推行绿色钎焊越来越受到重视，冰箱行业纷纷使用无镉银钎料，以降低焊接时对人体的�：�。同时，由于我国市场经济向纵深发展，家电市场竞争越来越激烈，市场竞争也就是质量和价格的竞争。为了降低成本，增加产品的市场竞争力，各制冷厂家纷纷采用以邦迪管替代制冷管路中的铜管，但邦迪管在使用过程中，接头易发生断裂、泄漏现象。其断裂主要原因是由热损伤、应力腐蚀损伤、疲劳损伤而引起的裂纹形成、扩展和断裂。因此，邦迪管接头的钎焊质量好坏是产品质量的重要保证。目前，国内外在钎焊接头断裂方面开展了一系列的研究工作，而关于邦迪管接头钎焊的应力断裂研究还处在起步阶段，特别是无镉銀钎料对邦迪管钎焊接头的应力腐蚀影响无人研究。因此，开展无镉钎料对冰箱钎焊接头的应力腐蚀研究是十分必要的。

1 试验材料、设备和方法

1.1 试验材料

银焊条-双层卷焊管

图1 双层卷焊管图2 焊接冷减径管

试验用母材壁厚为0.7mm，直径分别为8mm和6mm的低碳镀铜钢管，又叫邦迪管（BANDY）。

目前国内使用的邦迪管通常有三种：①双层卷焊管。用0.35mm厚的低碳钢带，两面镀上0.007mm厚的铜膜（图1），卷成筒状，放入加热炉内高温钎焊而成，镀铜膜作为钎料。②焊接冷减径管。用0.7mm厚的低碳钢带卷管（图2），利用高频感应焊接，管外表面镀铜。③镀铜无缝管。本文选择双层卷焊管。用于比较的铜管采用直径分别为8mm、6mm，壁厚0.7mm，牌号为TP2型磷脱氧铜管。试验用钎料选用Ag-Cu-Zn-Si、Ag-Cu-Zn-Cd、Ag-Cu-Zn-Sn系钎料，其成分见表1。

表1 试验用钎料及其成分

钎料牌号	Ag wt%	Cu wt%	Zn wt%	Cd wt%	Si wt%	Sn wt%	钎焊温度/℃
BAgCuZnCd	30	33	17	余量	――	――	605～730
BAgCuZnSi	30	36	32	――	余量	――	670～750
BAgCuZnSn	30	36	32	――	――	余量	630～730

1.2 试验方法

试验分别研究在相同条件，邦迪管接头（A类试样），铜与铜（B类试样）钎焊接头的应力断裂情况。A、B两类钎焊接头试样分别由直径8mm和6mm的管子插接而成，插接尺寸为10～15mm。试样的钎焊处表面用砂纸打磨去锈，用丙酮和酒精清洗。取部分A、B两类接头试样，在钎焊前为了模拟接头受应力的条件，在接头处弯曲60?后，再校直，重复一次，使得接头处产生一定的变形应力。比较在相同钎焊温度下应力对钎焊接头断裂的影响和在相同应力下钎焊温度对钎焊接头应力腐蚀的影响，以及在相同条件下，不同钎料对钎焊接头的影响。在试件待焊处放置适量的钎料和钎剂，置于硅碳棒加热炉内，在氩气保护下钎焊。截取钎焊处，制备金相试样，经研磨、抛光，用2％FeCl3水溶液腐蚀后，在金相显微镜下观察钎焊界面处，分析断裂原因。

1.3 钎焊工艺参数的选择

表2 钎焊工艺参数

材料类别	钎焊温度/℃			保温时间/s
邦迪管接头	950	850	750	20
铜管－铜管	950	850	750	20

钎焊工艺参数的选择标准是在应力大致相同的情况下，改变温度，注意双层卷焊管在大于930℃时，邦迪管容易退卷，具体参数见表2。

2 试验结果及分析讨论

在显微镜下观察A、B两类试样，得出的结果如表3、表4、表5所示。

表3 钎料BAgCuZnSi钎焊结果

钎焊温度 ℃	邦迪管接头		铜管－铜管接头
钎焊温度 ℃	有应力	无应力	有应力	无应力
950	界面处有的出现沿晶断裂裂纹，有熔蚀、黑洞	界面处有严重的晶间扩散，有熔蚀、黑洞	界面处出现熔蚀、黑洞，有扩散	界面处出现熔蚀、黑洞，有扩散
850	界面处有的出现猛烈的晶间扩散	界面处有晶间扩散	界面处晶粒细�。欣┥⑶�	界面处晶粒相对较大，有扩散
750	界面处有轻度晶间扩散	界面处几乎无扩散	界面处有扩散区	界面处有扩散

表4 钎料BAgCuZnCd钎焊结果

钎焊温度 ℃	邦迪管接头		铜管－铜管接头
钎焊温度 ℃	有应力	无应力	有应力	无应力
950	界面处有的出现猛烈的晶间扩散，有熔蚀、黑洞	界面处有晶间扩散，有熔蚀、黑洞	界面处出现熔蚀、黑洞，有扩散	界面处出现熔蚀、黑洞，有扩散
850	界面处有轻微晶间扩散	界面处有扩散区	界面处晶粒细小，有扩散区	界面处晶粒相对较大，有扩散
750	界面处有扩散区	界面处有扩散区	界面处有扩散区	界面处有扩散

2.1 应力对钎焊接头断裂的影响

由表3、表4、表5可看出钎焊接头在有应力的情况下，当钎焊温度过高时，有时会出现沿晶界断裂裂纹，熔化的钎料沿着晶界渗入，并完全填满裂纹。这种开裂现象在钎焊操作中瞬间发生，这种过程称作“应力腐蚀开裂”。如图3所示，邦迪管接头区的组织为铁素体，受应力作用的铁素体晶粒在晶界处位错堆积，晶界容易被腐蚀，熔化的钎料可看作腐蚀介质。当钎焊温度过高，升温太快，产生温度梯度，钎焊接头受到热应力的作用，加速了裂纹在晶界处发生、扩展，形成沿晶界处断裂微裂纹。由于硅原子的半径小，所以含硅钎料在焊接时易产生晶间扩散，遇到微裂纹，便迅速钻入，形成劈尖，使接头处形成沿晶应力断裂。

表5 钎料BAgCuZnSn钎焊结果

钎焊温度 ℃	邦迪管接头		铜管－铜管接头
钎焊温度 ℃	有应力	无应力	有应力	无应力
950	界面处出现猛烈的晶间扩散，有熔蚀、黑洞	界面处有晶间扩散，有较大熔蚀、黑洞	界面处出现较大熔蚀、黑洞，有扩散	界面处出现熔蚀、黑洞，有扩散
850	界面处有轻微晶间扩散	界面处有扩散区	界面处晶粒细�。欣┥⑶�	界面处晶粒相对较大，有扩散
750	界面处有扩散区	界面处有扩散区	界面处有扩散区	界面处有扩散

2.2 钎焊温度对钎焊接头应力腐蚀的影响

由表3、表4、表5可看出，当钎焊温度降至750℃焊接时，存在应力的钎焊接头没有发生断裂现象，晶间扩散也被抑制。由于邦迪管的去应力退火大约在700℃左右，所以750℃焊接时邦迪管接头区的应力被消除。而邦迪管接头在无应力状态下钎焊，当钎焊温度偏高时，若选择钎料不当，会出现猛烈的晶间扩散，整体的熔融钎料猛烈扩散到铁素体晶粒晶界中，使钎焊接头性能变差，当钎焊接头遇到外力时非常容易出现应力腐蚀断裂或泄漏。有时当钎焊温度过高时，由于邦迪管钎焊接头受热应力的影响，会出现微裂纹，在钎焊时熔融钎料发生猛烈晶间扩散，从而产生沿晶应力断裂。

银钎料-有应力的邦迪管接头在850℃用钎料BAgCuZnSi焊接后的组织 450×

图3 有应力的邦迪管接头在850℃用钎料BAgCuZnSi焊接后的组织 450×

2.3 母材对钎焊接头断裂的影响

由表3、表4、表5可看出，紫铜管接头由于有好的塑性、导热性，无论钎焊温度高低，有无外应力，界面处均没有出现应力断裂。一般的含镉、含锡銀基钎料在紫铜中多为体积扩散，钎料组分向整个紫铜管晶粒内部扩散，形成一层固溶体，对晶界的应力腐蚀能力差。而邦迪管的塑性及导热性均不及紫铜管，当有应力存在时，遇到过高的钎焊温度，易产生沿晶断裂或晶间扩散腐蚀。一般的含硅銀基钎料在钎焊邦迪管时，多位晶间扩散，钎料组分集中扩散到铁素体晶粒晶界上，若有微裂纹存在，会使裂纹加速扩展造成沿晶断裂。

2.4 钎料对钎焊接头应力腐蚀的影响

由表3、表4、表5可看出，钎料的不同，对冰箱接头的影响不同。钎料BAgCuZnSi对存在应力的邦迪管接头应力腐蚀能力较强，由于硅的存在，在钎焊时遇到过高的钎焊温度，会造成猛烈的晶间扩散，使接头性能变差，当有微裂纹存在时，会出现沿晶断裂。钎料BAgCuZnCd和BAgCuZnSn的试验结果相近，这是由于加入了金属镉和锡，有效的改善了钎料和邦迪管表面的自由能，抑制了晶间扩散，促进了体积扩散，消除了应力腐蚀的条件，没有出现沿晶断裂现象，接头金相如图4所示。同时钎料BAgCuZnCd和BAgCuZnSn的熔点比钎料BAgCuZnSi低，在750℃钎焊时，避免了由于高温造成应力腐蚀断裂的可能性。

锡银基钎料-带应力的邦迪管接头在850℃用钎料BAgCuZnSn钎焊后的显微组织 500×

图4 带应力的邦迪管接头在850℃用钎料BAgCuZnSn钎焊后的显微组织 500×

3 生产应用

在家电制冷行业中，邦迪管应用非常广泛，为了避免应力断裂，通常的补救方法是去除应力源，消除应力有以下几种方法：

⑴ 采用退火材料而不用淬火材料。

⑵ 钎焊前将冷加工的构件退火。

⑶ 去除外加应力源，例如零件装配不适当，夹具夹持零件过紧，或悬挂而未加支撑重物。

⑷ 重新设计零件或修改接头设计。

⑸ 适当调整加热速度，避免热应力的产生。

⑹ 选择一种不易产生应力开裂的钎料如钎料BAgCuZnSn，即其钎焊温度应在能消除母材应力退火的温度范围内且避免形成晶间扩散。

⑺ 若母材去应力退火温度偏高，应用火焰钎焊时，把添加了钎剂和装配好的零件先加热到能消除应力的温度，再冷却至钎焊温度，然后手工送进钎料。

4 结论

⑴ 应力断裂在铜管上不易发生。

⑵ 存在应力的邦迪管接头在偏高的钎焊温度下，易产生沿晶断裂裂纹。

⑶ 无镉含锡銀基钎料在适当的钎焊温度下可以消除钎焊接头的应力腐蚀断裂。

参考文献

1 美国焊接学会. 钎焊手册. 北京: 国防工业出版社, 1982

2 束德林. 金属力学性能. 北京: 机械工业出版社, 1987

3 邹僖. 钎焊. 北京: 机械工业出版社, 1989

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