劉洪斌

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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雷達饋線零部件低溫釬焊工藝優(yōu)化研究

劉洪斌

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：針對銅合金饋線波導(dǎo)器件工藝過程中出現(xiàn)的電鍍發(fā)黑、鍍層不牢等難題，進行了大量工藝試驗及低溫釬焊工藝的優(yōu)化研究。結(jié)果表明，鍍層發(fā)黑的主要原因為焊縫結(jié)合率不高、致密性不夠，電鍍過程中的清洗液殘留所導(dǎo)致。通過試驗，得到了優(yōu)化的饋線零部件低溫釬焊工藝，并對焊接結(jié)構(gòu)進行了改進，使釬焊質(zhì)量能夠滿足產(chǎn)品的尺寸精度、電鍍要求。

關(guān)鍵詞：黃銅；波導(dǎo)器件；低溫釬焊；電鍍發(fā)黑

0引言

黃銅為銅鋅合金，它比銅具有更高的強度、硬度，并能保持一定的韌性，所以，黃銅在波導(dǎo)類器件中的應(yīng)用非常廣泛[1-2]。然而，由于黃銅中兩種元素在真空中都具有揮發(fā)性，尤其是Zn的蒸氣壓高，在高溫真空下，鋅揮發(fā)后表面變紅，會影響釬焊性能和本身性能[3-4]。因此，解決黃銅材料零部件中Zn元素揮發(fā)的焊接方法中，最普遍的方法是手工火焰釬焊以及高頻感應(yīng)釬焊，其采用釬劑保護、局部加熱、快速加熱來控制Zn元素的揮發(fā)[5-7]。

本文針對目前低溫銀釬料手工火焰釬焊后電鍍出現(xiàn)發(fā)黑、電鍍鍍層不牢、表面質(zhì)量差等問題，并以提高銅合金波導(dǎo)組件的電鍍及電測性能為主要目的，通過關(guān)鍵技術(shù)的突破和驗證，進行大量的基礎(chǔ)工藝試驗，優(yōu)化低溫銀釬焊工藝，提高黃銅波導(dǎo)組件的焊縫質(zhì)量及焊縫均勻性，減少焊接缺陷，解決了波導(dǎo)器件表面鍍層不牢、電測性能差的問題。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

試驗件原材料為H62黃銅，采用模擬試件進行焊接試驗，試件的形狀及尺寸如圖1和圖2所示。

圖2　圓形波導(dǎo)器件

1.2試驗方法

試驗所采用的焊接設(shè)備為手工火焰釬焊設(shè)備、電鍍設(shè)備。

焊接方法：手工火焰釬焊。

電鍍：表面鍍銀(Cu/Ep.Ni10sAg8b)。

1.3釬料的選擇

在釬料的選擇過程中，主要考慮到滿足焊縫內(nèi)部圓角尺寸和飽滿性，所以，接頭的致密程度和釬著率、焊合率以及電鍍適配性是主要考查目標?，F(xiàn)有低溫銀釬料為S-SnAgSb，該釬料熔點235℃~270℃，雖然釬焊接頭的抗拉強度與抗剪強度可達30 MPa以上，但由于Sb元素的添加，導(dǎo)致流動性下降。在饋線零部件中，如果釬料的流動性、填縫性不能滿足要求，會造成內(nèi)腔焊縫不飽滿，存在焊縫間隙。

查詢資料后，本次試驗選擇了流動性相比S-SnAgSb更好，并且熔點滿足要求的新型低溫銀釬料，如表1所示。

表1　手工火焰釬焊用低溫銀釬料　℃

1.4釬劑

在確定了備選釬料后，要選擇合適的釬劑與之匹配。釬劑首先要能去除氧化膜，使釬料有效鋪展，能夠保證接頭的釬著率。同時釬劑的熔化溫度應(yīng)與釬料的熔化溫度接近，保證在釬料熔化時，釬劑還未失效。

本次試驗中采用“氯化鋅+氯化銨水溶液”(Zn2Cl+NH4Cl+H2O)釬劑。

2試驗結(jié)果及分析

本文進行的試驗主要包括釬焊工藝的優(yōu)化及焊縫面積的優(yōu)化兩部分，分析手工火焰釬焊的工藝過程，主要包括釬料、釬劑、清洗幾個部分對釬料的填縫性能和焊縫成型的影響。

2.1釬劑的優(yōu)化試驗

在焊接的過程中，對不同狀態(tài)下的釬劑配合S-SnAgSb釬料進行焊接試驗，不同的釬劑與釬料配合情況如表2所示。

表2　釬劑與釬料配合情況

試驗證明，Zn2Cl為強吸水物質(zhì)，NH4Cl為揮發(fā)性物質(zhì)，所以配置的釬劑放置以后，會造成釬劑成分變化、熔點升高、去膜效果差，并且非標準配比釬劑與釬料的配合較差。所以，在低溫銀釬焊操作前，每次應(yīng)按標準配比重新配置新的釬劑。

2.2釬料優(yōu)化試驗

對方波導(dǎo)試件進行四種釬料的手工火焰釬焊試驗，釬焊后的工件焊縫情況如圖3所示。

圖3　采用不同釬料焊接的方波導(dǎo)焊焊縫表面

由圖3可以看出，在使用不同的釬料對方波導(dǎo)進行手工火焰釬焊后，S-PbSnAg5的填縫性能最差，S-SnAg的填縫腔體內(nèi)部形成圓角較小，腔體內(nèi)部焊縫很均勻、一致，而產(chǎn)品中采用的S-SnAgSb與S-PbSnAg60方波導(dǎo)墻體內(nèi)部焊縫飽滿。

因S-PbSnAg5釬料的流動性、明顯填縫性能較差，采用其余三種釬料對圓波導(dǎo)進行釬焊試驗，并與采用B-Ag40CuZnCdNi的高溫銀釬焊的試件效果進行對比，如圖4所示。

圖4　圓波導(dǎo)焊后焊縫表面

從圖4中可以看出，這三種釬料都可以形成飽滿的腔體內(nèi)部焊縫，但在焊接的過程中，為保證腔體內(nèi)部焊縫較為飽滿，須持續(xù)對工件進行加熱一段時間，并且觀察腔體內(nèi)部焊縫，必要時對腔體內(nèi)部焊縫二次添加釬劑?？傮w來看，使用S-SnAg和S-PbSnAg60兩種釬料比使用釬料S-SnAgSb焊接時所需要的加熱時間要短，說明釬料2和釬料3的填縫性能要比原產(chǎn)品中使用的釬料S-SnAgSb好。

在手工火焰釬焊的過程中，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，圓形波導(dǎo)工件由于焊縫寬度達到14.5 mm，需要較長的加熱時間，促進釬料的流動、填縫，并且二次添加焊劑有利于腔體內(nèi)部焊縫成形。在幾種低溫銀釬料中，流動性S-PbSnAg60 > S-SnAg > S-SnAgSb > S-PbSnAg5。

2.3釬焊后的電鍍試驗

將焊后的工件采用“電鍍前清洗-Cu/Ep.Ni10sAg8b(不鍍鎳打底)”工藝流程，得到的工件表面情況如圖5和圖6所示。

圖5　方波導(dǎo)電鍍后焊縫表面

圖6　圓波導(dǎo)電鍍后焊縫表面

從圖5和圖6可以看出，當釬料的流動性不好時，不能填滿腔體內(nèi)部的焊縫，在焊縫末端形成一定的縫隙缺陷，缺陷處進行電鍍后，即發(fā)生焊縫表面發(fā)黑、發(fā)黃、電鍍質(zhì)量差的問題，如圖5 a)所示，而當焊縫飽滿、釬料流動形成均勻一致的焊縫時，電鍍后即不會發(fā)生表面發(fā)黑、發(fā)黃的情況。

所以，電鍍發(fā)黑、發(fā)黃的主要原因為：釬料流動性不好，或者釬料溶化后填縫過程中形成缺陷，造成釬焊焊縫的致密性不夠，焊縫結(jié)合率不高，縫隙缺陷或孔狀缺陷在電鍍時，形成溶液殘留。

2.4清洗工藝優(yōu)化試驗

除了釬料、釬劑，因手工火焰焊的過程還涉及到釬焊前后的清洗，清洗質(zhì)量、溶液對焊縫質(zhì)量和焊縫的影響情況，也須進一步考察。

傳統(tǒng)的手工火焰釬焊中，焊前清洗主要使用混合強酸清洗，焊后清洗采用檸檬酸+熱水清洗。而電鍍前對工件的清洗是采用濃度更高的混合強酸進行清洗，強酸可能與焊縫金屬反應(yīng)，或者殘留在工件表面，形成鹽類等非導(dǎo)電物質(zhì)，造成電鍍質(zhì)量差。

考慮實際應(yīng)用，因為焊前清洗的目的主要為去除工件表面的氧化膜和油脂，焊后清洗的目的為去除釬劑，而精密饋線組件類的零件前面經(jīng)過機械加工，表面氧化膜較薄，較為容易清洗，并且低溫銀釬焊中使用的Zn2Cl+NH4Cl釬劑為水溶性釬劑，使用熱水可去除。所以，本次試驗中，嘗試進行了焊前采用檸檬酸洗、焊后采用熱水洗的清洗工藝，與原清洗工藝后焊接的工件進行對比，旨在滿足焊縫質(zhì)量的前提下，降低清洗工序?qū)ぜ砻妗⒑缚p的影響。

分別對圓形波導(dǎo)器件進行焊前混合酸洗和檸檬酸洗，采用常規(guī)低溫銀釬料S-SnAgSb，進行手工火焰釬焊，焊后采用熱水清洗，得到的焊縫如圖7所示。

圖7　采用不同清洗方法后的焊縫表面

從圖中可以看出，焊前清洗采用檸檬酸進行，釬焊后的焊縫仍然均勻、一致，與采用混合酸的工件焊縫質(zhì)量差別不大。焊后采用檸檬酸洗比采用熱水洗的表面狀態(tài)要好一些，更加光亮，焊接過程在工件表面形成的氧化膜得以去除。

對焊接后采用熱水清洗的圓形波導(dǎo)器件進行電鍍試驗，得到的腔體內(nèi)部焊縫如圖8所示。

從圖8可以看出，焊后采用熱水清洗，電鍍后的工件焊縫處，并無發(fā)黑、發(fā)黃等電鍍?nèi)毕?，可以滿足電鍍要求。

圖8　電鍍后的工件焊縫

綜合以上，若工件焊接表面為機加工表面，焊前采用檸檬酸洗即可滿足焊接要求。若工件采用低溫銀釬焊后，接下來的工序為電鍍工序，則采用熱水進行焊后清洗即可，因為Zn2Cl+NH4Cl釬劑為水溶性釬劑，容易去除，并且電鍍工序中，必須進行電鍍前清洗，而且是采用強酸，此過程可以清除工件表面的氧化膜，對電鍍影響不大。若低溫銀釬焊后，無電鍍工序，則可以采用檸檬酸進行10 S左右的清洗，去除氧化膜。

2.5焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗

以精密饋線組件為例，焊接調(diào)配塊零件時，一半焊縫寬度為2.5 mm，另外一半月牙形凸臺的焊縫寬度達到了14.5 mm，釬料、釬劑若從外部添加，需要較長時間流動、填縫，焊接時間較長時，釬料流動前端釬劑容易失效，造成釬料流動受阻，焊縫不飽滿。若從內(nèi)部添加，操作不便，會造成釬料重復(fù)添加，形成缺陷。而調(diào)配塊基本都位于腔體內(nèi)部，在焊接過程中，焊工無法判斷焊縫是否已經(jīng)飽滿，內(nèi)部圓角是否已經(jīng)形成，會有焊料重復(fù)添加的可能，這樣在焊縫表面，尤其是兩次焊料添加的結(jié)合部位形成微孔等缺陷，在后續(xù)的清洗過程中，會殘留洗液，電鍍工序中堆積在焊縫表面使電鍍金屬無法附著。若內(nèi)、外部都添加焊料，多次焊接更易導(dǎo)致重復(fù)添加，造成焊縫不致密。

因此，在使用不同流動性能的釬料的同時，也需要討論和研究何種結(jié)構(gòu)形式，既能滿足組件的力學(xué)性能、電測性能要求，又具有結(jié)構(gòu)工藝性，便于加工、焊接，還能得到高質(zhì)量的焊縫和接頭。由于原波導(dǎo)器件的焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫寬度較大，圓形波導(dǎo)工件焊縫寬度達到14.5 mm，這樣不利于焊料流動、填縫，并且需要較長的加熱時間，會造成焊接變形較大，影響波導(dǎo)器件尺寸精度，所以對原焊接結(jié)構(gòu)進行改進，將精密饋線圓形波導(dǎo)的典型零件改為圖9所示的焊縫結(jié)構(gòu)，減小焊縫寬度，減小釬料流動的距離，同時降低焊工操作時，添加釬料、加熱控制難度，進行手工火焰釬焊試驗。

改進后的焊接寬度變?yōu)榈葘挼?.5 mm，焊縫面積與焊料流動距離大大減小，使用2.2節(jié)中焊接方波導(dǎo)時填縫效果最差的S-PbSnAg60釬料，對改進結(jié)構(gòu)的工件進行手工火焰釬焊試驗，焊后焊縫表面情況如圖10所示。

圖9　改進后的焊接結(jié)構(gòu)

圖10　改進結(jié)構(gòu)焊縫表面情況

從圖中可以看出，經(jīng)過改進后的焊接結(jié)構(gòu)件，在原來方波導(dǎo)焊接試驗中流動性最差的釬料，也可以形成飽滿的腔體內(nèi)部焊縫，并且在焊接過程中，添加焊料后，很短時間內(nèi)即可熔化，填縫，并且不需要二次添加釬劑，腔體內(nèi)部自然形成飽滿的焊縫。

對該工件進行電鍍銀試驗，電鍍后焊縫表面情況如圖11所示。

圖11　改進結(jié)構(gòu)后使用S-PbSnAg5焊接-電鍍后表面

從圖11可以看出，改進后的焊接結(jié)構(gòu)件，即使使用流動性較差的釬料，電鍍后表面質(zhì)量仍較好，沒有出現(xiàn)發(fā)黑、發(fā)黃、鍍層疏松的質(zhì)量問題。

以上分析說明，合理的焊接結(jié)構(gòu)具有較高的焊接工藝性，避免大面積焊縫可降低操作難度，提高工藝性，對焊接質(zhì)量、電鍍質(zhì)量的提高有好處。

3結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，銅合金雷達饋線零部件電鍍發(fā)黑的主要原因為：釬焊縫存在焊接間隙、孔洞等缺陷，在電鍍過程中形成溶液殘留，附著在表面，造成波導(dǎo)器件電鍍后發(fā)黑、發(fā)黃。釬料流動性不好，易造成釬焊焊縫的致密性不夠，焊縫結(jié)合率不高。銅合金饋線零部件的低溫銀釬料中，流動性S-PbSnAg60> S-SnAg> S-SnAgSb> S-PbSnAg5。在低溫銀釬焊操作前，應(yīng)按標準配比重新配置新的釬劑。對于饋線零部件的低溫釬焊，焊前采用檸檬酸洗即可滿足清洗要求。若焊接后的工序為電鍍，則采用熱水進行焊后清洗。若無電鍍工序，則采用檸檬酸進行10 s左右的清洗。饋線零部件應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小焊縫面積，能較好地提高焊接工藝性、焊接質(zhì)量和電鍍質(zhì)量。

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劉洪斌男，1982年生,高級工程師。研究方向為材料加工工程-焊接技術(shù)與工程，釬焊、電子束、攪拌摩擦焊技術(shù)。

張晨路男，1989年生，碩士研究生。研究方向為雷達信號處理。

Technology Study on Furnace Brazing of Brass Alloy Precision Waveguide

LIU Hongbin

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：In order to meet the requirement of joining the waveguide of feeder system, technology of flame brazing and soldering were studied. By analysising the results of experiments using the technical parameter determined in this paper, the quality problem that the waveguide was black in some area was solved. Improved technology of brazing and soldering the waveguides can meet the needs of design.

Key words：brass alloy; precision waveguide; soldering; brazing

DOI：·仿真技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.018

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-09-23

通信作者：劉洪斌Email：hit-gino@163.com

中圖分類號：TG439.1

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0078-05