环路热管作为一种新型热控技术,是一种两相的高效传热装置[1]。它具有传热温差小、传热性能高、可靠性好、远距离传输热量和控温特性良好等优点,已逐渐应用到航天器热控制系统中,其核心部分-蒸发器由铝合金集热座和内衬毛细芯的不锈钢管钎焊连接组成。目前,开展铝合金集热座与不锈钢管的软钎焊技术研究并获取质量和性能优异的钎焊结构已成为该领域内的关键技术[2, 3, 4]。
铝合金与不锈钢2种材料在物理、化学和力学性能上存在巨大差异,给铝合金与不锈钢的焊接带来一定的困难,如容易出现焊接接头性能差,易产生裂纹、夹渣和大变形等焊接缺陷[5, 6, 7]。本文中,要求控制适当的温度(170~250℃)进行2种材料的钎焊连接,故采用铝合金和不锈钢的低温钎焊连接技术[8]。
本文重点研究了LD30铝合金与304不锈钢的软钎焊润湿性。结合不锈钢和铝合金的钎焊性,对不锈钢和铝合金工件进行前期的表面处理,选择合适的钎料钎剂,进行润湿性试验对比,并进行了钎焊接头的X射线探伤、化合物相成分及微观组织分析。本文工作对环路热管的发展有很好的指导和评价意义,为新一代航天飞行器热控系统的研制和生产提供了理论依据和试验基础。
1 试验材料与方法 1.1 试验材料大量的研究表明铝的钎焊性不好,通过镀镍的方法可以降低铝合金表面的摩擦系数,改善润滑性,改善铝合金的焊接性,并且可以避免界面处的腐蚀[9, 10, 11, 12]。本试验采用304不锈钢和表面镀镍的LD30铝合金进行钎焊试验。
液相线温度低于250℃的钎料合金中常用的元素有锡、铅、银、铋、铟、锑和镉,由于锡元素容易与多种金属元素形成良好的结合,且其合金的熔点较低,因此,锡合金是本试验最理想的钎料[13, 14]。本试验采用3种钎料:60Sn-40Pb、Sn-3.5Ag和35Sn-40Pb-25Bi。
铝的软钎剂目前可分为2种:无机反应型铝软钎剂和有机型铝软钎剂。无机反应型铝软钎剂的基质是重金属盐,加入一些氟化物做破膜剂,但焊点周围较脏,清洗不干净容易引起腐蚀;有机型铝软钎剂主要由氟硼酸盐和有机胺组成[15]。
根据技术要求和母材的处理工艺,试验分别选用7种钎剂钎焊LD30铝合金和304不锈钢,其成分分别见表 1和表 2。按照表 1和表 2中的成分配置每种钎剂各10 g。
| 钎剂代号 | 主要成分 |
| A | 100wt%H3PO4 |
| B | 50wt%H3PO4,50wt%H2O |
| C | 10wt%CdCl2,5wt%SnCl2,41wt%H2O,40wt%甘油,4wt%盐酸 |
| D | 50wt%乙二醇,25wt%H3PO4,25wt%盐酸乙二胺 |
| E | 90wt%ZnCl2,8wt%NH4Cl,2wt%NaF |
| F | 75wt%ZnCl2,23wt%NH4Cl,2wt%NaF |
| G | 75wt%ZnCl2,25wt%NH4Cl |
| 钎剂代号 | 主要成分 |
| a | 50wt%H3PO4,50wt%H2O |
| b | 40wt%H3PO4,60wt%H2O |
| c | 35wt%H3PO4,65wt%H2O |
| d | 30wt%H3PO4,70wt%H2O |
| e | 25wt%H3PO4,5wt%盐酸乙二胺,70wt%H2O |
| f | 75wt%ZnCl2,25wt%NH4Cl,加酒精调成糊状 |
| g | 50wt%H3PO4,50wt%乙二醇 |
焊前将LD30铝合金与304不锈钢进行超声波清洗,将3种钎料与7种钎剂(A~G)分别组合,进行钎料在不锈钢304试片表面的润湿性试验。铝合金在镀镍后将3种钎料与7种钎剂(a~g)分别组合,在铝合金试片表面进行润湿试验。
将试样放进电阻炉中,加热至230℃,钎缝间隙为0.5 mm,然后进行炉中钎焊。采用X射线探伤仪对钎缝进行探伤,采用Olympus BX51M金相显微镜对钎缝金相组织进行观测,采用JSM-5800扫面电镜对化合物成分进行分析,判断钎缝质量。
2 试验结果与分析 2.1 润湿性试验通过对LD30铝合金和304不锈钢的焊接性分析,选择的钎料共有3种:60Sn-40Pb,Sn-3.5Ag,35Sn-40Pb-25Bi,针对这3种钎料,分别配制了适用于LD30铝合金和304不锈钢的钎剂各7种。每种钎剂配以同等质量的钎料,计算铺展面积进行对比。
为了优化钎料组分,选择出1种或2种最适于钎焊铝合金与不锈钢的焊料组合,使钎焊接头具有最优的性能,需要对选择的钎料和钎剂组合进行润湿性试验。
2.1.1 304不锈钢试片上润湿试验结果图 1为3种钎料在不锈钢钎剂表面润湿效果。
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| 图 1 不同钎料钎剂组合在不锈钢钎剂表面的润湿效果 Fig. 1 Wetting effects of different solder and solder flux combinations on solder flux of stainless steel surface |
用划分网格的方法对润湿试验后的钎料铺展面积进行计算,得出表 3的数据。
| cm2 | |||||||
| 钎料 | 钎剂种类 | ||||||
| A | B | C | D | E | F | G | |
| 60Sn-40Pb | 1.80 | 1.10 | 1.02 | 1.50 | 1.32 | 1.10 | 0.77 |
| Sn-3.5Ag | 0.70 | 0.60 | 0.78 | 1.30 | 0.70 | 0.90 | |
| 35Sn-40Pb-25Bi | 1.60 | 1.22 | 0.80 | 1.39 | 1.24 | 1.10 | 0.71 |
60Sn-40Pb钎料在230℃时与7种钎剂组合,在不锈钢表面均能润湿,有着较Sn-3.5Ag和35Sn-40Pb-25Bi好的润湿性,铺展面积大,钎料表面具有光亮的金属光泽,由图 1(a)可以看出,其焊点平整、规则,边界整齐,润湿性能良好。
Sn-3.5Ag钎料在230℃时与A~F这6种钎剂组合,在不锈钢表面均能润湿,清洗后钎料表面光洁,润湿性不及60Sn-40Pb,铺展面积最小,焊点较高。由图 1(b)可以看出,焊点平整、规则,边界整齐,润湿性能较好,与G钎剂组合出现不润湿现象。35Sn-40Pb-25Bi钎料在230℃时与7种钎剂组合,在不锈钢表面均能润湿,由图 1(c)可以看出,焊点平整、规则,边界整齐,润湿性能良好,铺展面积稍低于60Sn-40Pb钎料,但由于加入了Bi元素,使其熔点更低,故更适于低温软钎焊试验。
A~F这6种钎剂均能与3种钎料组合,润湿不锈钢表面,润湿效果各异,润湿效果最好的钎剂为A(H3PO4),焊后残留物最少,且为液态,容易清洗;钎剂B由于其中磷酸含量的降低,润湿效果较A差,活性时间短,但残留物更少、状态与A相同;钎剂C、E和F在3种钎料的试验温度下活性均不能达到最佳,试片冷却后在表面留有相对难于去除的固态残留;钎剂C和G的作用效果相近,钎料的铺展面积最小,且有黑色残留物。
2.1.2 镀镍铝合金试片上润湿试验结果在镀镍LD30铝合金钎剂表面,3种钎料的铺展润湿效果如图 2所示。
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| 图 2 不同钎料钎剂组合在铝合金钎剂表面的润湿效果 Fig. 2 Wetting effects of different solder and solder flux combinations on solder flux of aluminum alloy surface |
同样,用划分网格的方法对润湿试验后的钎料铺展面积进行计算,得出表 4的数据。
| cm2 | |||||||
| 钎料 | 钎剂种类 | ||||||
| a | b | c | d | e | f | g | |
| 60Sn-40Pb | 1.41 | 1.37 | 0.90 | 0.75 | 0.80 | 0.48 | 1.31 |
| Sn-3.5Ag | 0.58 | 0.51 | 0.46 | 0.40 | 0.46 | 0.34 | 0.59 |
| 35Sn-40Pb-25Bi | 1.28 | 1.27 | 0.68 | 0.52 | 0.55 | 0.40 | 1.24 |
3种钎料与a~g这7种钎剂分别组合进行润湿性试验,从表 4中可以看出,它们均能在热镀镍铝合金试片表面润湿。如图 2所示,焊点形状规则、铺展面积稳定,钎料表面整齐光洁,热镀镍层在钎剂的作用下不易破坏。Sn-3.5Ag钎料在热镀镍铝合金表面润湿性较差,铺展面积仅仅为35Sn-40Pb-25Bi和60Sn-40Pb钎料铺展面积的一半,但焊点光亮,形状为规则的圆形,如图 2(b)所示。
a~g这7种钎剂与3种钎料组合,在热镀镍铝合金试片表面润湿效果各异,其中a、b和g润湿效果相差不大,残留物少,且为液态,容易去除。在钎剂作用的区域,LD30铝合金表面的热镀镍层无破坏现象。
综合以上试验分析结果,无论是在304不锈钢表面,还是在LD30铝合金表面,60Sn-40Pb都有着最好的润湿性,但钎焊温度略高,与H3PO4组合可以在不锈钢表面有良好的润湿性,同样在镀镍铝合金表面也能达到使用要求;35Sn-40Pb-25Bi具有试验温度低的特点,润湿性试验结果比60Sn-40Pb稍差一点,但也满足使用要求;Sn-3.5Ag的润湿性最差。
2.2 钎焊试件内部缺陷检测钎剂选择H3PO4(预涂不锈钢表面)和50%磷酸+50%乙二醇(钎焊铝合金和不锈钢),对采用3种不同钎料钎焊后的试样件,采用X射线进行内部焊接质量的检验。试样件接头为铝合金与不锈钢管接头。工艺采用的是钎焊温度230℃、钎焊间隙为0.5 mm，LD30铝合金采用了化学热镀方式镀镍层。由于钎缝间隙过小,组织中容易出现气孔等缺陷,钎缝间隙过大,毛细现象不能保证完全填满钎缝,综合考虑选择钎缝间隙是0.5 mm。
图 3为Sn-3.5Ag钎焊工件内部探伤照片。从探伤图中可以看出,钎焊接头内部存在较大面积的焊接缺陷以及未焊接的孔洞,难于修补。
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| 图 3 Sn-3.5Ag钎焊工件内部探伤照片 Fig. 3 Internal inspection photographs of brazing welding workpieces with Sn-3.5Ag |
图 4为60Sn-40Pb钎焊工件内部探伤照片。从图中可以看出钎焊接头内部质量较好,尽管单个缺陷依然存在,但钎着率和单个空泡的尺寸都可以满足技术要求。
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| 图 4 60Sn-40Pb钎焊工件内部探伤照片 Fig. 4 Internal inspection photographs of brazing welding workpieces with 60Sn-40Pb |
图 5为35Sn-40Pb-25Bi钎焊工件内部探伤照片。从图中可以看出钎焊接头内部质量极佳,内部几乎没有缺陷;对比图 4中所示的工艺照片,这是因为铋元素的添加大大减小了钎料的凝固收缩,使得钎焊接头的液态钎料在凝固过程中缩孔产生的降低。
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| 图 5 35Sn-40Pb-25Bi钎焊工件内部探伤照片 Fig. 5 Internal inspection photographs of brazing welding workpieces with 35Sn-40Pb-25Bi |
通过对3种不同钎料Sn-3.5Ag、60Sn-40Pb和35Sn-40Pb-25Bi钎焊效果的比较,可以看出钎料润湿性的好坏对钎焊质量有很大的影响,35Sn-40Pb-25Bi钎料相对比较理想。
2.3 钎焊接头微观组织分析选用润湿性好的35Sn-40Pb-25Bi钎料,通过扫描电镜观察该钎料钎焊接头,进行微观组织图以及各相成分分析。
图 6为35Sn-40Pb-25Bi钎料钎焊铝合金与不锈钢的钎焊接头微观组织图。可以看出35Sn-40Pb-25Bi钎料与304不锈钢表面和LD30铝合金的镀镍面均形成良好的连接,无气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷。钎料与LD30铝合金镀镍层之间的过渡区不明显。
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| 图 6 35Sn-40Pb-25Bi的钎焊接头 Fig. 6 35Sn-40Pb-25Bi braze welding head |
钎料之所以能在母材表面润湿,形成连接,主要是因为元素的相互扩散[16, 17],由图 7钎料与镀镍层的结合面线分析可看出,钎料中的3种元素向镀镍层中略有扩散,镀镍层中的铜元素向钎料中扩散,镍向钎料中的扩散相对较少。图 8为钎料与不锈钢之间过渡层的成分分析,发现Cr元素含量由高到低是一个突然下降的过程,说明不锈钢中的Cr元素向钎料中扩散一部分,比起不锈钢中的量要少得多,所以在界面上出现很明显的陡降现象;同时,钎料中的Sn、Pb和Bi均向不锈钢中渗透,钎料与不锈钢结合良好。
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| 图 7 35Sn-40Pb-25Bi钎料与镀镍层的结合面线分析 Fig. 7 Line analysis of 35Sn-40Pb-25Bi solder and nickel plating layer |
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| 图 8 35Sn-40Pb-25Bi钎料与不锈钢层的结合面线分析 Fig. 8 Line analysis of 35Sn-40Pb-25Bi solder and stainless steel layer |
图 9为钎焊接头35Sn-40Pb-25Bi钎料与镀镍层过渡区微观组织,过渡区存在2种组织,暗色部分和亮色部分,对该区域成分进行点分析,点1位置在亮色处,能谱仪(EDS)检测得到的主要成分元素见表 5。结合相图可知主要成分为Bi、β-BiPb3、金属间化合物η-Cu6Sn5和α-Sn;点2位置在暗色处,EDS检测得到的主要成分元素见表 6,主要为金属间化合物η-Cu6Sn5和少量δ-Ni3Sn4,α-Sn。
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| 图 9 35Sn-40Pb-25Bi钎料与镀镍层的结合面点分析 Fig. 9 Point analysis of 35Sn-40Pb-25Bi solder and nickel plating layer |
| 元素 | 元素占比/% | 原子占比/at% |
| Ni | 2.51 | 5.63 |
| Cu | 14.42 | 29.94 |
| Sn | 24.55 | 27.28 |
| Pb | 38.28 | 24.37 |
| Bi | 20.25 | 12.78 |
| 元素 | 元素占比/% | 原子占比/at% |
| Ni | 2.46 | 4.17 |
| Cu | 20.20 | 31.714 |
| Sn | 74.89 | 62.94 |
| Pb | 0.79 | 0.38 |
| Bi | 1.67 | 0.80 |
35Sn-40Pb-25Bi钎料是一种不常用的非共晶3元合金[18],组织如图 10所示,也存在亮色区域和暗色区域2种相差较大的区域,其中亮色区域(点3)的主要成分见表 7,主要为Bi和化合物β-BiPb3,暗色区域(点4)EDS检测得到的主要成分见表 8,组织主要为锡固溶体。
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| 图 10 35Sn-40Pb-25Bi合金组织状态 Fig. 10 35Sn-40Pb-25Bi alloy organization state |
| 元素 | 元素占比/% | 原子占比/at% |
| Sn | 2.8 | 4.8 |
| Pb | 65.29 | 64.12 |
| Bi | 31.91 | 31.07 |
| 元素 | 元素占比/% | 原子占比/at% |
| Sn | 95.90 | 97.63 |
| Bi | 4.10 | 2.37 |
由上可知,润湿性好的35Sn-40Pb-25Bi钎料钎焊形成的接头存在少许元素扩散形成的金属间化合物,但整体钎缝连接良好。
3 结 论1) 60Sn-40Pb钎料在不锈钢试片表面及镀镍铝合金试片表面都具有良好的润湿性,流动性好,铺展面积大。35Sn-40Pb-25Bi钎料的熔点低,在钎焊温度下润湿性接近60Sn-40Pb。Sn-3.5Ag润湿性相对较差,不适于304不锈钢与镀镍层LD30铝合金钎焊工艺性试验。
2) 60Sn-40Pb钎料和35Sn-40Pb-25Bi钎料匹配磷酸钎剂在不锈钢上的润湿性较好,60Sn-40Pb钎料和35Sn-40Pb-25Bi钎料匹配50%磷酸+50%乙二醇化学热镀镍的铝合金表面润湿性较好。
3) 35Sn-40Pb-25Bi钎料与304不锈钢表面和LD30铝合金的镀镍面均形成良好的连接,无气孔、夹渣和裂纹等焊接缺陷。钎料与LD30铝合金镀镍层之间的过渡区不明显,钎料与母材及镀层之间部分元素互相扩散。
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