CN114986023A - 一种预制低熔点钎料的工艺、低熔点钎料及其制备方法 - Google Patents
一种预制低熔点钎料的工艺、低熔点钎料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及一种预制低熔点钎料的工艺、低熔点钎料及其制备方法，预制低熔点钎料的工艺，包括配料、熔炼，其特征是所述熔炼得到的低熔点钎料经过雾化处理后通过激光熔覆的方式设置在待熔覆工件上，低熔点钎料的熔点不高于630°。所述低熔点钎料采用铜基合金并由以下质量份的组分组成：P：4.8~8.5%，Sn：3.0~15.0%，Ni：0.01~14%，Ag：0~18%，Cu为余量。所述低熔点钎料的制备方法，包括以下步骤：配料、熔炼、雾化处理、检测、包装。本申请工艺简洁方便成本低质量好。
Description
技术领域
本申请涉及一种预制低熔点钎料的工艺、低熔点钎料及其制备方法，主要适用于铜基钎料的生产和应用。
背景技术
在制冷行业、电工仪表等行业经常需要在火焰钎焊、炉内钎焊或者电阻钎焊前预先将焊环或焊片提前铆接或者套接在待焊工件上。由于需要经过穿孔工序，经常会出现钎料焊前脱落的问题，导致最终电阻钎焊时无法满足钎焊质量要求。另一方面，待焊工件结构及尺寸种类很多，因此需要制成各种尺寸规格及形状的焊环，焊环在套装前需要经过挤压、拉丝、制环、清洗等至少4道工序，不仅生产工序繁多，而且套环时因为尺寸形式多样，难以实现自动化，高度依赖人工操作。为了避免待焊工件在钎焊过程中过热导致晶粒粗大，且降低钎焊过程中能量消耗，寻求低成本低熔点的钎料成为行业热点。但是钎料熔点降低后，材料内部低熔点的脆性相过多，可加工性变差，在拉丝、制环等过程中容易脆断，无法加工成所需的各种规格尺寸的焊环。
发明内容
本申请解决的技术问题是克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种预制低熔点钎料的工艺、低熔点钎料及其制备方法，把原来的配料、熔炼、挤压、拉丝、制环、清洗、套环共7道工序缩减至配料、熔炼、雾化、熔覆4道工序，而且可实现批量化自动化操作。最重要的是，由于不需要拉丝及制环工序，可以在钎料中加入更多的低熔点元素，不用担心其对塑性造成的不利影响。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案包括：一种预制低熔点钎料的工艺，包括配料、熔炼，其特征是所述熔炼得到的低熔点钎料经过雾化处理后通过激光熔覆的方式设置在待熔覆工件上，低熔点钎料的熔点不高于630°。本申请用雾化处理后再激光熔覆的方式设置低熔点钎料.一方面扩大P、Sn、Ni的应用范围，另一方面提高低熔点钎料粉末颗粒中各种元素的均匀度，没有偏析，适于大批量生产；用激光熔覆替代原拉丝、制环、清洗、套环四个步骤，工艺简洁方便，成本低，质量好。
作为一种特例，所述低熔点钎料的熔点不高于560°。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种低熔点钎料，所述低熔点钎料采用铜基合金并由以下质量份的组分组成：P：4.8～8.5％，Sn：3.0～15.0％，Ni：0.01～14％，Ag：0～18％，Cu为余量。
本申请所述低熔点钎料与普通钎料相比，由于锡和镍的加入，钎料的液相线温度能降低到630℃以下。通常情况下，这种钎料由于组织中含有大量脆性相，无法进行挤压加工，所以无法制成丝或者环状，限制了这种材料的使用范围。然而申请人通过采用上述预制低熔点钎料的工艺方法，将低熔点钎料熔覆预制在各种待熔覆工件上，能够通过省略拉丝、制环工序克服其加工性差的缺点，又能在钎焊时保证极低的焊接温度，避免待熔覆工件在焊接过程中过热导致晶粒粗大，且能够大幅降低钎焊过程中能量消耗，从而实现既降低钎焊温度又回避加工性差的缺陷且提高焊接质量。
本申请钎料的要求是液相线温度低，结晶温度区间小，有较好的强度，配方设计的关键是使Cu、P、Sn、Ag、Ni五个组元获得最佳配合比。
本申请使用Cu作为基体，是因为应用场景中的被焊材料基本为紫铜、黄铜等材料，减少连接金属和被连接金属之间基体的成分差异，有助于保证钎焊质量。
P能降低铜的熔点，当P从零增至8.4％时，铜的熔点从1084.5℃降至714℃，平均每增加1％的P，约可降低铜的熔化温度44℃。但是在不同含P区段，P的增加对降温效果的影响不一样。在4.8～8.5％这一区段，降温效果最好。
Sn的主要作用是降低钎料液相线点温度和提高润湿性，Sn含量高于3％，即可以明显提高润湿性。在普通的钎料中，Sn含量高于8％时，脆性会明显增加，无法制成丝状或环状，但是本申请中不存在拉丝及制环工序，因此可以将Sn的范围扩大至15％，充分发挥其降低熔点的有效作用。
Ni可以更进一步降低钎料熔化温度，缩小结晶温度区间，但会增加脆性，因此在常规情况下，Ni含量控制在1.2％以下，但本申请中，可以通过粉末雾化的方式将含量提高到14％。
Ag在Cu-P-Ag合金中对合金的韧性影响不大，但随着Ag含量的增加，合金中共晶体总量增加，因此，合金的熔化温度随Ag的增加而下降，使合金流布有明显提高。
本申请解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：上述低熔点钎料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
配料、熔炼、雾化处理、检测、包装；所述配料采用纯铜板、铜磷合金、高纯(纯度在99.9％以上)锡片、金属镍；熔炼时投料顺序为铜、金属镍、铜磷合金、高纯Sn片，按熔点从高到低的顺序投放，能够防止爆沸。
本申请的配料过程中各原料的加入比例按照质量百分比进行计算。
本申请熔炼过程中所用的炉衬材料为镁砂，用镁砂做炉衬材料，成本较低，不易开裂。
本申请所述雾化处理包括雾化、筛粉，雾化过程中采用的喷嘴直径为6mm，雾化漏嘴直径为5mm，雾化时间为12分钟。雾化时筒体最大压力5800Pa，雾化时保护气体为氮气，成本低，防止氧化和产生气孔。
本申请筛粉时优选规格100-200目的合金粉末作为最终使用的低熔点钎料。
本申请与现有技术相比，具有以下优点和效果：所述预制低熔点钎料的工艺简洁方便成本低质量好；所述低熔点钎料特别适用于预制低熔点钎料的工艺，能够既降低钎焊温度又回避加工性差的缺陷且提高焊接质量；所述低熔点钎料的制备方法制得的产品质量稳定性好，成分均匀性高。
附图说明
图1是本申请实施例预制低熔点钎料的工艺应用在待钎焊铜管上的结果示意图。
图2是本申请实施例预制低熔点钎料的工艺应用在待钎焊铜板上的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本申请作进一步的详细说明，以下实施例是对本申请的解释而本申请并不局限于以下实施例。
参见图1、图2，本申请实施例总体预制低熔点钎料的工艺特别适用于铜基待熔覆工件1(母材)和与其焊接的被连接工件两者之间的连接，例如紫铜、黄铜同种材质之间或者相互之间连接的应用场合，包括以下步骤：
配料；所述配料包括低熔点钎料原料准备和母材(设置低熔点钎料2的待熔覆工件1)准备：母材材质为紫铜或者黄铜，待熔覆工件的形状可以为管状，也可以为板状，铜管或铜板厚度为0.5-5mm，在待熔覆工件1与被连接工件相对面(位置)进行熔覆；
熔炼；熔炼前先将坩埚预热至暗红色，底部加入木炭，再进行投料，熔炼时投料顺序为铜、金属镍、铜磷合金、高纯Sn片；
雾化处理；采用水雾化法生产低熔点钎料(铜基钎焊粉末)。
激光熔覆，熔覆过程中同步填入本申请所述低熔点钎料，利用激光能量完成熔覆。
作为优选，激光熔覆时激光功率为1000-3000W，焊接速度为0.5-1.0m/min，离焦量为0～0.5mm，焊接时的保护气体为Ar、He、氮气中的一种，保护气体流量为3-15L/min，光斑直径1.0-1.5mm，送粉速度0.5-2.2g/min，送粉气体为保护气体，送粉气体流量为1-7L/min，采用同轴送粉方式。
进一步的，所述雾化处理包括雾化、筛粉。所述激光熔覆的运动轨迹为直线型。
进一步的，所述激光熔覆在收弧时，激光功率降低为300W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。可减小弧坑尺寸，避免出现弧坑裂纹。
熔覆完成后钎焊验证：
待熔覆工件1完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊或者隧道炉内钎焊、感应钎焊等方式进行钎焊验证。由于钎料熔点降低，钎焊过程中需要的温度更低，能耗更低，再加上钎料本身与铜合金优良的润湿性，最终钎焊结构不仅能够满足质量要求，而且减少了套环及组装工序，钎焊过程的能耗也能降低30％。
相比现有技术，本申请的有益效果在于：
(1)采用新配方的钎焊粉末，能够将钎料熔点降低100℃，因此钎焊温度更低，母材受热影响更小，钎焊过程能耗更低。
(2)采用激光熔覆的工艺方法，省去了挤压、拉丝、制环、清洗等工序，解决了低熔点钎料太脆无法制环的问题。
(3)采用本申请所用的工艺方法，省去了钎料套环或者钎料铆接等工作，在工件钎焊时不会出现钎料脱落等问题，提高了钎焊产品的一次合格率。
实施例1
采用各化学组分为本申请低熔点钎料下限的配方制作焊粉，熔覆工艺参数为本申请中间区域的参数完成实施例1的预制钎料工件。
一种用于紫铜和紫铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：4.81％，Sn：3.1％，Ni：0.01％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例1预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
焊接参数为：激光功率为1700W，焊接速度为0.7m/min，离焦量为0.1mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为12L/min，光斑直径1.5mm，送粉速度1.9g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为4L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
在紫铜管上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、感应钎焊三种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约610℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求，进行接头拉伸试验，断裂位置均在紫铜母材侧，满足要求。
实施例2
采用各化学组分为本申请低熔点钎料上限的配方制作焊粉，熔覆工艺参数为本申请中间区域的参数完成实施例2的焊接接头。
一种用于紫铜和紫铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：8.5％，Sn：15％，Ni：14％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例2预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
焊接参数为：激光功率为1700W，焊接速度为0.7m/min，离焦量为0.1mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为12L/min，光斑直径1.5mm，送粉速度1.9g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为4L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
在紫铜管上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、感应钎焊三种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约530℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求，进行接头拉伸试验，断裂位置均在紫铜母材侧，满足要求。
实施例3
采用各化学组分为本申请低熔点钎料中间区域的配方制作焊粉，熔覆工艺参数为本申请中间区域的参数完成实施例3的焊接接头。
一种用于黄铜和紫铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：6.5％，Sn：6.1％，Ni：7.2％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例3预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
激光功率为1700W，焊接速度为0.7m/min，离焦量为0.1mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为12L/min，光斑直径1.5mm，送粉速度1.9g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为4L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
在铜板上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、电阻钎焊三种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约550℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求，进行接头拉伸试验，断裂位置均在黄铜母材侧，满足要求。
实施例4
采用各化学组分为本申请低熔点钎料中间区域的配方制作焊粉，焊接工艺参数为本申请下限的参数完成实施例4的焊接接头。
一种用于紫铜和紫铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：6.5％，Sn：6.1％，Ni：7.2％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例4预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
焊接参数为：激光功率为1000W，焊接速度为1.0m/min，离焦量为0.1mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为10L/min，光斑直径1.0mm，送粉速度0.5g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为3L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
在铜管上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、感应钎焊三种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约550℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求，进行接头拉伸试验，断裂位置均在紫铜母材侧，满足要求。
实施例5
采用各化学组分为本申请低熔点钎料中间区域的配方制作焊粉，黄铜板厚度5mm，焊接工艺参数为本申请上限的参数完成实施例5的焊接接头。
一种用于黄铜和紫铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：6.5％，Sn：6.1％，Ni：7.2％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例5预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
焊接参数为：激光功率为2300W，焊接速度为0.5m/min，离焦量为0～0.5mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为135L/min，光斑直径1.4mm，送粉速度0.9g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为6L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
(4)在铜板上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、感应钎焊、电阻钎焊四种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约550℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求，进行接头拉伸试验，断裂位置均在黄铜母材侧，满足要求。
实施例6
采用各化学组分为本申请低熔点钎料中间区域的配方制作焊粉，紫铜板厚度5mm，焊接工艺参数为本申请上限的参数完成实施例5的焊接接头。
一种用于黄铜和黄铜连接的低熔点钎料(焊粉)，所述低熔点钎料包括以下质量份的组分：P：6.5％，Sn：6.1％，Ni：7.2％，Ag：2％，Cu为余量，焊粉规格100-200目。
实施例6预制低熔点钎料的工艺与上述总体预制低熔点钎料的工艺步骤一致，仅工艺参数不同：
焊接参数为：激光功率为2300W，焊接速度为0.5m/min，离焦量为0～0.5mm，焊接保护气体为Ar，保护气体流量为135L/min，光斑直径1.4mm，送粉速度0.9g/min，送粉气体为Ar，送粉气体流量为6L/min，采用同轴送粉方式。激光熔覆的运动轨迹为直线型。
在收弧时，激光功率降低为500W，激光熔覆枪头停止运动，送粉速度保持不变，其余参数保持不变，维持0.2S。
(3)熔覆完成后钎焊验证：
(5)在铜管上完成钎料预制以后，采用氧乙炔火焰钎焊及隧道炉内钎焊、感应钎焊、电阻钎焊四种方式均进行了钎焊验证。钎料熔点约545℃，钎料与铜合金润湿性良好，钎料流动性良好，接头密封性满足要求。
对本申请实施例所形成的设置有低熔点钎料2的待熔覆工件1与被连接工件配合定位好后进行钎焊，钎焊后的产品取样检测，对焊缝熔深、压力试验是否合格及拉伸试验断裂位置进行检测。结果如表所示。
| 焊接接头 | 焊缝熔深(mm) | 压力试验 | 拉伸试验断裂位置 |
| 要求值 | ≥4.0 | 不得有泄露 | 紫铜母材侧 |
| 实施例1 | 6 | 无 | 紫铜母材侧 |
| 实施例2 | 9 | 无 | 紫铜母材侧 |
| 实施例3 | 7 | 无 | 紫铜母材侧 |
| 实施例4 | 7 | 无 | 紫铜母材侧 |
| 实施例5 | 7 | 无 | 紫铜母材侧 |
| 实施例6 | 8 | 无 | 紫铜母材侧 |
由以上数据表可以看出，当填充材料化学成分及规格在本申请要求的范围内时，采用本申请要求的焊接工艺方法，既能满足焊缝熔深要求，又能保证压力试验及拉伸试验结果满足要求。改变填充材料的化学成分而不改变焊接工艺参数时，预制钎料的熔点会发生变化，焊缝熔深会发生变化，但密封性和拉伸试验结果均满足要求。但如果填充材料化学成分和焊接工艺方法无法满足本申请的要求，其焊缝熔深和接头密封性及强度无法满足要求。
凡是本申请技术特征和技术方案的简单变形或者组合，应认为落入本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种预制低熔点钎料的工艺，包括配料、熔炼，其特征是所述熔炼得到的低熔点钎料经过雾化处理后通过激光熔覆的方式设置在待熔覆工件上，低熔点钎料的熔点不高于630°。
2.根据权利要求1所述预制低熔点钎料的工艺，其特征是：所述低熔点钎料的熔点不高于560°。
3.一种低熔点钎料，其特征是：所述低熔点钎料采用铜基合金并由以下质量份的组分组成：P：4.8~8.5%，Sn：3.0~15.0%，Ni：0.01~14%，Ag：0~18%，Cu为余量。
4.一种权利要求3所述低熔点钎料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
配料、熔炼、雾化处理、检测、包装。
5.根据权利要求4所述低熔点钎料的制备方法，其特征是：所述配料采用纯铜板、铜磷合金、高纯锡片、金属镍；熔炼时投料顺序为铜、金属镍、铜磷合金、高纯Sn片。
6.根据权利要求4所述低熔点钎料的制备方法，其特征是：熔炼步骤中所用的炉衬材料为镁砂。
7.根据权利要求4所述低熔点钎料的制备方法，其特征是：所述雾化处理中采用的喷嘴直径为6mm，雾化漏嘴直径为5mm，雾化时间为12分钟，雾化时筒体最大压力5800Pa，雾化时保护气体为氮气。
8.根据权利要求4所述低熔点钎料的制备方法，其特征是：所述雾化处理包括雾化、筛粉，筛粉规格采用100~200目。
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