不銹鋼與鋁爐中釬焊保護(hù)氣體選擇的研究*

余華鋼，張碧波，劉福平，陳妙清

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東 廣州 510651）

1 引言

分不銹鋼與鋁的釬焊作為釬焊領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，具有兼顧不銹鋼耐腐蝕、強(qiáng)度高特點(diǎn)的同時(shí)，又利用了鋁傳熱速度快的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于民用家電、電站、海洋平臺、船舶大型設(shè)備散熱系統(tǒng)，以及炊具底部復(fù)合等領(lǐng)域［1-2]。隨著工業(yè)發(fā)展、環(huán)保要求和商業(yè)行為的不斷進(jìn)步，對不銹鋼與鋁釬焊的應(yīng)用日益增加，對焊縫的質(zhì)量要求也越來越高［3]。

不銹鋼與鋁的焊接工藝主要有火焰釬焊、高頻釬焊、保護(hù)氣氛爐中焊、壓力摩擦焊、真空釬焊等［4-5]。根據(jù)不同的工藝要求，選擇不同牌號和形態(tài)的釬焊材料。但在實(shí)際應(yīng)用中焊接不銹鋼與鋁時(shí)，火焰釬焊難以實(shí)現(xiàn)大面積焊接，真空釬焊則因其效率低、成本高昂等缺點(diǎn)暫時(shí)未能規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，綜合考慮焊接效率、成本與質(zhì)量穩(wěn)定等因素，不銹鋼與鋁的焊接發(fā)展至今，就形成了以高頻釬焊、壓力摩擦焊、保護(hù)氣氛爐中焊等為主的焊接工藝。

上世紀(jì)90年代初，我國開始推廣采用高頻釬焊工藝焊接不銹鋼與鋁，隨著焊接工件形狀的變化和焊接工藝要求的提高，高頻釬焊工藝在設(shè)備節(jié)能、便攜性等方面取得了進(jìn)步，并根據(jù)不同牌號的母材，研發(fā)出一些熔點(diǎn)更低、強(qiáng)度更高、去膜能力更強(qiáng)的釬焊材料。壓力摩擦焊則是在高頻釬焊基礎(chǔ)上探索出的一種新型焊接工藝，取代了部分炊具復(fù)底高頻釬焊工藝。壓力摩擦焊因?yàn)樵诤附舆^程中不需要加入釬焊材料，而不屬于釬焊范疇，但焊接質(zhì)量優(yōu)于高頻釬焊，為不銹鋼與鋁的焊接方法帶來了嶄新的焊接工藝。然而，壓力摩擦焊局限于類似復(fù)合底炊具純平面結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的焊接，對于異形及多部件的焊接，則無法適用［6-7]。

保護(hù)氣氛爐中焊以其焊接效率及自動(dòng)化程度高、工藝可控、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)迅速得以發(fā)展壯大。由于不銹鋼與鋁的熱物理性能差異懸殊，焊接時(shí)較易出現(xiàn)裂紋、未熔合等現(xiàn)象［8]，同時(shí)在釬焊時(shí)鋁表面極易生成氧化膜，并且在其接合處產(chǎn)生Fe/Al金屬間化合物脆性相，明顯降低可接頭的力學(xué)性能［9]。

所以本文針對不銹鋼與鋁在爐中釬焊工藝中使用的保護(hù)氣氛進(jìn)行研究，旨在為異種金屬不銹鋼與鋁爐中釬焊工藝使用的保護(hù)氣氛提供選擇依據(jù)，有效減少焊接時(shí)金屬氧化物的形成，利于焊接過程的順利進(jìn)行，保證焊接質(zhì)量、安全性，降低成本。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的原輔材料列于表1。

表1 原輔材料

2.2 爐中釬焊試驗(yàn)

采用電火花切割和線切割的方法分別將不銹鋼板和鋁板加工成尺寸為100mm×20 mm×2mm的母材試件。在試件上放置0.1g按比例混合好的粉狀釬料和釬劑，放入SX-4-10型箱式電阻爐進(jìn)行搭接釬焊實(shí)驗(yàn)。向爐中沖入保護(hù)氣體，以一定的升溫速率將爐子加熱到620℃，保溫20min，冷卻后取出釬焊樣品。

釬焊樣品橫向剖切后，用ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察焊縫區(qū)的金相顯微組織。

使用CMT5305型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對釬焊樣品做焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

爐中釬焊較火焰釬焊操作簡單，適合批量生產(chǎn)；為防止焊接時(shí)焊件的氧化，需添加保護(hù)氣氛［10]。因此在爐中釬焊時(shí)，根據(jù)不同的焊件選擇合適的保護(hù)氣氛，對于獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量就顯得尤為重要。

3.1 氧化物的形成與去除機(jī)理分析

通常認(rèn)為母材和釬焊材料自身的表面氧化層與釬焊過程中新生成的氧化物層阻止了熔融焊料的潤濕和流動(dòng)。因此，在制定釬焊工藝時(shí)，一般會選擇還原性氣體做保護(hù)氣氛，還原性氣體與母材和釬焊材料表面的氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到去除這些表面氧化層之目的。

事實(shí)上，母材或釬焊材料表面的附著層并非簡單的金屬氧化層，而是以金屬氧化物、硫化物、硼化物、磷化物或者其他有機(jī)物等共同組成的混合物附著層。由于金屬氧化層是影響釬焊最主要的因素，所以本文僅討論金屬氧化層的形成與離解，盡可能地使母材在焊料熔化過程中露出潔凈的金屬表面，使釬焊順利進(jìn)行。為使金屬氧化物從金屬表面離解出來，可簡單地認(rèn)為此過程是使金屬氧化物中的氧離子與金屬離子分離的過程。這個(gè)過程進(jìn)行的難易程度主要取決于金屬氧化物中氧離子與金屬離子之間結(jié)合的化學(xué)鍵的強(qiáng)弱。金屬氧化物化學(xué)鍵強(qiáng)弱的表征可通過形成該化學(xué)鍵所需能量的多少來反映，氧化物形成能高，其穩(wěn)定性強(qiáng)，難于分離；反之亦然。

一些金屬氧化物形成能如表2所示［10]。

從表2中可以看出，貴金屬如金、銀、鈀的氧化物產(chǎn)生需要的能量較低，可以認(rèn)為這些氧化物的穩(wěn)定性較低，易于分解；而鐵、鉻、鋁的氧化物穩(wěn)定性則要高得多，通過分離來減少這類氧化物顯得更加困難。這也能解釋不銹鋼的光亮退火溫度要足夠高才能達(dá)到滿意的效果，以及紫銅焊料在一定溫度下能釬焊碳鋼而不能釬焊不銹鋼的原因。

表2 金屬氧化物的形成能

3.2 還原氣氛的選擇

在還原氣氛保護(hù)下釬焊不銹鋼與鋁的過程中，通常為了平衡效率和成本的因素，選擇氨分解氣作為保護(hù)氣體。氨分解氣中的氫氣可與大多數(shù)金屬氧化物（MO）發(fā)生還原反應(yīng)，生成金屬和水，化學(xué)反應(yīng)式如下：

在還原反應(yīng)過程中，生成的水會以蒸汽的形式停留在釬焊爐中。根據(jù)勒沙特勒定律(Le Chatelier's principle)［12]，當(dāng)反應(yīng)生成的水蒸氣達(dá)到一定濃度時(shí)，反應(yīng)開始向還原反應(yīng)的逆反應(yīng)方向進(jìn)行，使還原后的金屬重新被氧化，爐中釬焊將不能順利進(jìn)行。為了保證反應(yīng)向生成金屬的方向進(jìn)行，必須保證水蒸氣的濃度在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，亦即還原氣體的露點(diǎn)溫度與釬焊溫度之間需保持合適的對應(yīng)關(guān)系。

在不銹鋼表面，同時(shí)存在Fe2O、Fe3O4及Cr2O3。根據(jù)表2可知，F(xiàn)e2O3和Fe3O4的形成能較Cr2O3低，因此，F(xiàn)e2O3和Fe3O4的穩(wěn)定性要比Cr2O3差。當(dāng)Cr2O3能被氫氣還原時(shí)，F(xiàn)e2O3和Fe3O4均能得到還原。從圖1可看出［11]，在保護(hù)氣氛中氫氣的露點(diǎn)為-40℃的情況下，氧化鉻處在氧化和還原的臨界點(diǎn)B（約900℃），當(dāng)爐內(nèi)釬焊溫度低于B點(diǎn)時(shí)，金屬鉻氧化所需的能量大于還原所需的能量，反應(yīng)向生成Cr2O3方向進(jìn)行。只有當(dāng)爐內(nèi)釬焊溫度大于B點(diǎn)所對應(yīng)的爐內(nèi)溫度時(shí)，反應(yīng)才能向生成Cr方向進(jìn)行。

圖1 爐內(nèi)溫度和保護(hù)氣氛氫氣的露點(diǎn)對Cr2O3形成的影響

在不銹鋼與鋁的釬焊過程中，釬焊溫度最高不超過純鋁的熔點(diǎn)660℃。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［13]，保護(hù)氣氛中的氫氣在600℃可還原氧化鐵。由于釬焊不銹鋼與鋁的釬焊溫度為600～620℃，因此，保護(hù)氣氛中的氫氣可還原不銹鋼表面的氧化鐵，但不能將氧化鉻還原。

鋁是親氧元素，氧化鋁形成能約為氧化鐵的兩倍，故其很穩(wěn)定。在不銹鋼與鋁的釬焊溫度下，氧化鋁不能被保護(hù)氣氛中的氫氣還原，但氫氣可起保護(hù)鋁，以及減少鋁被氧化的作用。

綜上所述，爐中釬焊不銹鋼與鋁選擇還原性氨分解氣作保護(hù)氣氛，可還原不銹鋼表面的氧化鐵，保護(hù)鋁被氧化，減少了釬焊過程母材的氧化程度，有助于釬焊過程順利進(jìn)行。

3.3 惰性氣氛的選擇

作為工業(yè)生產(chǎn)中常用的氣體，氮?dú)饪梢杂行У卦阝F焊過程中保護(hù)母材不被氧化，常被作為惰性氣氛使用，而且成本低廉。

由于在低于純鋁的熔點(diǎn)660℃下釬焊不銹鋼與鋁，氫氣不能還原不銹鋼表面的氧化鉻，達(dá)不到去除氧化鉻的目的，這表明由于不銹鋼表面的氧化鉻不能去除，鋁母材和鋁釬料表面的氧化鋁也不能去除，致使釬料不能完全熔化潤濕。通過試驗(yàn)我們還發(fā)現(xiàn)，不論是在還原氣氛還是惰性氣氛下，若沒有添加釬劑，釬料不能完全熔化潤濕。因此，釬焊不銹鋼與鋁，其表面氧化膜的去除必須依靠釬劑。為了保證釬焊質(zhì)量的穩(wěn)定和環(huán)保，通?？紤]選用無腐蝕的Nocolock釬劑［14]。無腐蝕釬劑起到去除不銹鋼和鋁表面氧化膜的作用，使釬料能熔化并在母材表面潤濕和流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不銹鋼與鋁的釬焊。

為此，在保證焊接材料，釬焊溫度、釬焊時(shí)間等工藝參數(shù)相同的條件下，分別采用還原氣氛氨分解氣和惰性氣體純氮?dú)膺M(jìn)行爐中釬焊試驗(yàn)。

使用CMT5305型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)分別對不同保護(hù)氣氛下釬焊樣品做焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種保護(hù)氣氛下釬焊樣品的焊縫強(qiáng)度均能達(dá)到65MPa。

釬焊樣品橫向剖切后，用ZEISS光學(xué)顯微鏡觀察焊縫區(qū)的金相顯微組織，如圖2所示。

圖2 氨分解氣和純氮?dú)獗Ｗo(hù)下釬焊不銹鋼與鋁的焊縫金相圖

從圖2（a）和（b）看出，爐中釬焊不銹鋼與鋁使用釬劑時(shí)，分別采用氨分解氣和純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣氛，釬料與不銹鋼之間的焊接界面幾乎沒有區(qū)別，釬料與鋁之間的焊接界面層均為冶金結(jié)合，釬料與鋁母材交互結(jié)晶，無明顯界面，結(jié)合強(qiáng)度高［15-16]，整個(gè)焊縫組織結(jié)合良好，保證了不銹鋼與鋁的釬焊強(qiáng)度。

對于不銹鋼與鋁的爐中釬焊，在加入釬劑的情況下，采用氨分解氣和純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣氛對焊縫質(zhì)量幾乎沒有影響。然而，氫氣屬易燃易爆氣體，其燃爆極限為4.1%～74.1%，燃點(diǎn)為400℃；遇微弱火源（如靜電或撞擊打火）將會引發(fā)嚴(yán)重爆炸。

因此，將氨分解氣保護(hù)換成惰性純氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，在降低成本的同時(shí)，還避免使用易燃易爆氣體，大大提高釬焊過程的安全性。

4 結(jié)論

（1）金屬氧化物的化學(xué)穩(wěn)定性可通過形成該氧化物的化學(xué)鍵所需能量的多少來間接表征。形成該氧化物的化學(xué)鍵所需能量高，其穩(wěn)定性強(qiáng)；反之亦然。

（2）爐中釬焊不銹鋼與鋁選擇還原性氨分解氣作保護(hù)氣氛，可還原不銹鋼表面的氧化鐵，保護(hù)鋁被氧化，減少了釬焊過程母材的氧化程度，有助于釬焊過程順利進(jìn)行。

（3）在爐中釬焊時(shí)，加入釬劑釬焊不銹鋼與鋁，分別采用氨分解氣和純氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣氛，整個(gè)焊縫組織結(jié)合良好，焊縫強(qiáng)度均能達(dá)到65MPa。將氨分解氣保護(hù)換成惰性純氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，在降低成本的同時(shí)，還避免使用易燃易爆氣體，大大提高釬焊過程的安全性。