無鎘銀釬料對冰箱釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕研究

無鎘銀釬料對冰箱釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕研究

鄭州市豪諾焊接材料有限公司    王海彬

摘要   釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕研究對于保證釬焊構(gòu)件的可靠性具有重要意義。本文著重研究了無鎘銀釬料BAg30CuZnSn對冰箱管路系統(tǒng)中邦迪管釬焊接頭應(yīng)力腐蝕的影響，分析了釬焊接頭的應(yīng)力斷裂形成條件以及解決辦法，并比較了銅管—銅管釬焊接頭在相同條件下應(yīng)力斷裂情況。

關(guān)鍵詞   應(yīng)力腐蝕   釬焊接頭   冰箱釬焊   無鎘釬料 銀焊條 銀焊片 銀焊膏 銀焊絲

0 前言

近幾年，隨著國家對“清潔生產(chǎn)”的深入進(jìn)行，推行綠色釬焊越來越受到重視，冰箱行業(yè)紛紛使用無鎘銀釬料，以降低焊接時對人體的危害。同時，由于我國市場經(jīng)濟(jì)向縱深發(fā)展，家電市場競爭越來越激烈，市場競爭也就是質(zhì)量和價格的競爭。為了降低成本，增加產(chǎn)品的市場競爭力，各制冷廠家紛紛采用以邦迪管替代制冷管路中的銅管，但邦迪管在使用過程中，接頭易發(fā)生斷裂、泄漏現(xiàn)象。其斷裂主要原因是由熱損傷、應(yīng)力腐蝕損傷、疲勞損傷而引起的裂紋形成、擴(kuò)展和斷裂。因此，邦迪管接頭的釬焊質(zhì)量好壞是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。目前，國內(nèi)外在釬焊接頭斷裂方面開展了一系列的研究工作，而關(guān)于邦迪管接頭釬焊的應(yīng)力斷裂研究還處在起步階段，特別是無鎘銀釬料對邦迪管釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕影響無人研究。因此，開展無鎘釬料對冰箱釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕研究是十分必要的。

1 試驗材料、設(shè)備和方法

1.1 試驗材料

圖1 雙層卷焊管                      圖2 焊接冷減徑管

試驗用母材壁厚為0.7mm，直徑分別為8mm和6mm的低碳鍍銅鋼管，又叫邦迪管（BANDY）。

目前國內(nèi)使用的邦迪管通常有三種：①雙層卷焊管。用0.35mm厚的低碳鋼帶，兩面鍍上0.007mm厚的銅膜（圖1），卷成筒狀，放入加熱爐內(nèi)高溫釬焊而成，鍍銅膜作為釬料。②焊接冷減徑管。用0.7mm厚的低碳鋼帶卷管（圖2），利用高頻感應(yīng)焊接，管外表面鍍銅。③鍍銅無縫管。本文選擇雙層卷焊管。用于比較的銅管采用直徑分別為8mm、6mm，壁厚0.7mm，牌號為TP2型磷脫氧銅管。試驗用釬料選用Ag-Cu-Zn-Si、Ag-Cu-Zn-Cd、Ag-Cu-Zn-Sn系釬料，其成分見表1。

表1 試驗用釬料及其成分

1.2 試驗方法

試驗分別研究在相同條件，邦迪管接頭（A類試樣），銅與銅（B類試樣）釬焊接頭的應(yīng)力斷裂情況。A、B兩類釬焊接頭試樣分別由直徑8mm和6mm的管子插接而成，插接尺寸為10～15mm。試樣的釬焊處表面用砂紙打磨去銹，用丙酮和酒精清洗。取部分A、B兩類接頭試樣，在釬焊前為了模擬接頭受應(yīng)力的條件，在接頭處彎曲60o后，再校直，重復(fù)一次，使得接頭處產(chǎn)生一定的變形應(yīng)力。比較在相同釬焊溫度下應(yīng)力對釬焊接頭斷裂的影響和在相同應(yīng)力下釬焊溫度對釬焊接頭應(yīng)力腐蝕的影響，以及在相同條件下，不同釬料對釬焊接頭的影響。在試件待焊處放置適量的釬料和釬劑，置于硅碳棒加熱爐內(nèi)，在氬氣保護(hù)下釬焊。截取釬焊處，制備金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用2％FeCl3水溶液腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察釬焊界面處，分析斷裂原因。

1.3 釬焊工藝參數(shù)的選擇

表2 釬焊工藝參數(shù)

釬焊工藝參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是在應(yīng)力大致相同的情況下，改變溫度，注意雙層卷焊管在大于930℃時，邦迪管容易退卷，具體參數(shù)見表2。

2 試驗結(jié)果及分析討論

在顯微鏡下觀察A、B兩類試樣，得出的結(jié)果如表3、表4、表5所示。

表3 釬料BAgCuZnSi釬焊結(jié)果

表4 釬料BAgCuZnCd釬焊結(jié)果

2.1 應(yīng)力對釬焊接頭斷裂的影響

由表3、表4、表5可看出釬焊接頭在有應(yīng)力的情況下，當(dāng)釬焊溫度過高時，有時會出現(xiàn)沿晶界斷裂裂紋，熔化的釬料沿著晶界滲入，并完全填滿裂紋。這種開裂現(xiàn)象在釬焊操作中瞬間發(fā)生，這種過程稱作“應(yīng)力腐蝕開裂”。如圖3所示，邦迪管接頭區(qū)的組織為鐵素體，受應(yīng)力作用的鐵素體晶粒在晶界處位錯堆積，晶界容易被腐蝕，熔化的釬料可看作腐蝕介質(zhì)。當(dāng)釬焊溫度過高，升溫太快，產(chǎn)生溫度梯度，釬焊接頭受到熱應(yīng)力的作用，加速了裂紋在晶界處發(fā)生、擴(kuò)展，形成沿晶界處斷裂微裂紋。由于硅原子的半徑小，所以含硅釬料在焊接時易產(chǎn)生晶間擴(kuò)散，遇到微裂紋，便迅速鉆入，形成劈尖，使接頭處形成沿晶應(yīng)力斷裂。

表5 釬料BAgCuZnSn釬焊結(jié)果

2.2 釬焊溫度對釬焊接頭應(yīng)力腐蝕的影響

由表3、表4、表5可看出，當(dāng)釬焊溫度降至750℃焊接時，存在應(yīng)力的釬焊接頭沒有發(fā)生斷裂現(xiàn)象，晶間擴(kuò)散也被抑制。由于邦迪管的去應(yīng)力退火大約在700℃左右，所以750℃焊接時邦迪管接頭區(qū)的應(yīng)力被消除。而邦迪管接頭在無應(yīng)力狀態(tài)下釬焊，當(dāng)釬焊溫度偏高時，若選擇釬料不當(dāng)，會出現(xiàn)猛烈的晶間擴(kuò)散，整體的熔融釬料猛烈擴(kuò)散到鐵素體晶粒晶界中，使釬焊接頭性能變差，當(dāng)釬焊接頭遇到外力時非常容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂或泄漏。有時當(dāng)釬焊溫度過高時，由于邦迪管釬焊接頭受熱應(yīng)力的影響，會出現(xiàn)微裂紋，在釬焊時熔融釬料發(fā)生猛烈晶間擴(kuò)散，從而產(chǎn)生沿晶應(yīng)力斷裂。

          圖3 有應(yīng)力的邦迪管接頭在850℃用釬料BAgCuZnSi焊接后的組織 450×

2.3 母材對釬焊接頭斷裂的影響

由表3、表4、表5可看出，紫銅管接頭由于有好的塑性、導(dǎo)熱性，無論釬焊溫度高低，有無外應(yīng)力，界面處均沒有出現(xiàn)應(yīng)力斷裂。一般的含鎘、含錫銀基釬料在紫銅中多為體積擴(kuò)散，釬料組分向整個紫銅管晶粒內(nèi)部擴(kuò)散，形成一層固溶體，對晶界的應(yīng)力腐蝕能力差。而邦迪管的塑性及導(dǎo)熱性均不及紫銅管，當(dāng)有應(yīng)力存在時，遇到過高的釬焊溫度，易產(chǎn)生沿晶斷裂或晶間擴(kuò)散腐蝕。一般的含硅銀基釬料在釬焊邦迪管時，多位晶間擴(kuò)散，釬料組分集中擴(kuò)散到鐵素體晶粒晶界上，若有微裂紋存在，會使裂紋加速擴(kuò)展造成沿晶斷裂。

2.4 釬料對釬焊接頭應(yīng)力腐蝕的影響

    由表3、表4、表5可看出，釬料的不同，對冰箱接頭的影響不同。釬料BAgCuZnSi對存在應(yīng)力的邦迪管接頭應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)，由于硅的存在，在釬焊時遇到過高的釬焊溫度，會造成猛烈的晶間擴(kuò)散，使接頭性能變差，當(dāng)有微裂紋存在時，會出現(xiàn)沿晶斷裂。釬料BAgCuZnCd和BAgCuZnSn的試驗結(jié)果相近，這是由于加入了金屬鎘和錫，有效的改善了釬料和邦迪管表面的自由能，抑制了晶間擴(kuò)散，促進(jìn)了體積擴(kuò)散，消除了應(yīng)力腐蝕的條件，沒有出現(xiàn)沿晶斷裂現(xiàn)象，接頭金相如圖4所示。同時釬料BAgCuZnCd和BAgCuZnSn的熔點比釬料BAgCuZnSi低，在750℃釬焊時，避免了由于高溫造成應(yīng)力腐蝕斷裂的可能性。

圖4 帶應(yīng)力的邦迪管接頭在850℃用釬料BAgCuZnSn釬焊后的顯微組織 500×

3 生產(chǎn)應(yīng)用

在家電制冷行業(yè)中，邦迪管應(yīng)用非常廣泛，為了避免應(yīng)力斷裂，通常的補(bǔ)救方法是去除應(yīng)力源，消除應(yīng)力有以下幾種方法：

⑴ 采用退火材料而不用淬火材料。

⑵ 釬焊前將冷加工的構(gòu)件退火。

⑶ 去除外加應(yīng)力源，例如零件裝配不適當(dāng)，夾具夾持零件過緊，或懸掛而未加支撐重物。

⑷ 重新設(shè)計零件或修改接頭設(shè)計。

⑸ 適當(dāng)調(diào)整加熱速度，避免熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

⑹ 選擇一種不易產(chǎn)生應(yīng)力開裂的釬料如釬料BAgCuZnSn，即其釬焊溫度應(yīng)在能消除母材應(yīng)力退火的溫度范圍內(nèi)且避免形成晶間擴(kuò)散。

⑺ 若母材去應(yīng)力退火溫度偏高，應(yīng)用火焰釬焊時，把添加了釬劑和裝配好的零件先加熱到能消除應(yīng)力的溫度，再冷卻至釬焊溫度，然后手工送進(jìn)釬料。

4 結(jié)論

⑴ 應(yīng)力斷裂在銅管上不易發(fā)生。

⑵ 存在應(yīng)力的邦迪管接頭在偏高的釬焊溫度下，易產(chǎn)生沿晶斷裂裂紋。

⑶ 無鎘含錫銀基釬料在適當(dāng)?shù)拟F焊溫度下可以消除釬焊接頭的應(yīng)力腐蝕斷裂。

參考文獻(xiàn)

1 美國焊接學(xué)會. 釬焊手冊. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1982

2 束德林. 金屬力學(xué)性能. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1987

3 鄒僖. 釬焊. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1989