什么是钎焊？
有很多方法可以在不使用紧固件的情况下将一个金属部件永久地连接到另一个金属部件上。最常见的方法包括锡焊、焊接和钎焊。
锡焊
大多数人在生活中都见过或实际使用过锡焊。常见的就是中学实验时将熔融金属焊锡滴在铜线上，将电池与灯泡相连接。在这个实验中，用烙铁加热含有合金的焊料，这种焊料通常主要由锡制成锡和其他金属（如铜、锑或银）混合而成。合金悬浮在助焊剂中，助焊剂有助于焊料的流动，并且保持被焊接元件表面清洁且无氧化物。随后助焊剂蒸发，只留下所需的锡或金属合金。由于助焊剂和合金的性质，焊料的融化温度比铜导线低，因此它可以像胶水一样使用，冷却后就可以将两根导线固定在一起。由于合金的金属性质，焊料在连接处也可以导电。
焊接
焊接在连接金属方面更进一步。焊接不止加热填充金属，同时还加热要连接在一起的两块金属，以使两种金属熔合在一起。您可能在汽车修理厂看到过焊工的工作。汽车事故可能使车身部分位置的金属零件变形，需要拆卸和更换，因此汽修厂的技术人员会使用乙炔气割切掉损坏的部件并更换上新部件，切割并匹配原来的部分，并焊接到位。
将两种金属焊接在一起可以形成牢固的结合，因为在交界处两个部件的金属已经熔合在一起。两个不同部件的晶体结构相互融合，表现得好像它们是同一结构的一部分。焊接的强度取决于被焊接的两个部件是否具有相似的原始晶体结构，这通常意味着用相同或相似的金属合金进行焊接效果最好。
不要直视焊接电弧。焊接处的温度可能远高于 3,000 摄氏度，火花可能比太阳还亮，且含有大量紫外线。
钎 焊
钎焊介于锡焊和焊接两者之间。与锡焊一样，钎焊使用的填料会熔化并冷却，将两个部件沿接缝连接在一起，或利用毛细作用充分填充间隙。根据美国焊接协会 (AWS) 的定义，锡焊使用的填充材料在 840 华氏度（450 摄氏度）或更低的温度就可熔化，而钎焊使用的填充金属需要更高温度才能熔化并流动。不过，钎焊的温度也不会太高，不会将本体材料的晶体结构熔化并融合在一起。
钎焊的钎料一般具有与本体材料相似的材质，但它的合金化方式使钎料的熔点略低。为了确保钎料在熔化时不改变原材料结构，钎焊工艺对温度均匀性和工艺过程的控制有着更高的要求。通过精密的控制，钎料可以在预定的温度准确地熔化，利用毛细作用均匀地填充接缝或空隙，以形成牢固、气密的连接。
钎焊可以形成洁净、美观的接缝，而通常不需要大量的额外处理。零件钎焊后，无需进再进行热处理来恢复零件的原始金属特性，因为只有钎料被加热到固液态转变的程度——本体材料中金属晶体结构的完整性没有受到影响。
钎焊部件在接缝处通常会有圆角。这种圆角的设计增加了零件的稳定性，减少了应力集中并改善了接头处的疲劳特性。
为什么选择真空钎焊？
真空钎焊可以使用无需助焊剂来防止氧化的钎料来进行钎焊。且在整个钎焊过程中保持真空，可以在最大程度上防止氧气进入钎焊过程。这些特性对于某些处理特殊部件的客户来说非常重要，在处理这些部件时，助焊剂中包含的化学品或金属可能在最终钎焊连接处产生不必要的杂质。因此，真空钎焊后的零件都非常干净。
由于真空炉在设计时考虑了温度控制，因此冶金专家知道真空炉可以精确、均匀和可重复地加热钎料和要连接的部件。需要在难以触及的地方进行连接的复杂结构部件，或具有大量接头的组件，更容易在真空炉环境中进行钎焊。
当两个横截面很薄或很厚的部件需要以一定的结构完整性进行连接时，真空钎焊也能发挥出色的作用。薄板工件需要依靠精确的温度控制才不会变形，而截面较厚的工件则需要依靠工件热电偶监测来确保适当的保温时间，使工件加热均匀。
真空炉中的气氛和温度控制可以使具有复杂表面的零件获得较高的温度一致性。通过以可控的速率对零件进行加热和淬火，真空炉可以精确地将钎料转换为液态而不使待钎焊的零件本体因高温而变形，从而提供出色的控制。
使用真空钎焊解决方案的另一个显著优势是能够控制工艺副产品。真空炉系统在控制和处理废气方面明显优于同类盐浴炉或气氛炉，并且不需要小心控制和处理的刺激性化学品或熔盐。真空钎焊工艺也不需要额外的后续处理和清洁工作，这也减少了化学废物产生。
为什么选择铝钎焊？
虽然很多常见金属，如铜、银、黄铜和镍基合金等都可以用来钎焊零件，但铝提供了一种重量轻但强度高的解决方案，同时可以用于各种其他金属合金的钎焊。
在气液热交换器领域，铝钎焊的应用随处可见，如汽车散热器、中冷器、空调机组或蒸发器等。在这些换热装置中，管道的几何形状复杂，且沿着具有大表面积的严格路径来回蜿蜒，这种情况非常适合使用真空铝钎焊工艺，以确保整个零件所有弯曲和凹陷处实现完全密封。
真空铝钎焊还适用于需要较高清洁度的零件——航空航天部件、医疗设备或其他高精度零件。这些零件在经过钎焊过程前清洁后，整个真空铝钎焊过程不会再产生其他氧化物或其他污染物导致零件污染。
为什么要购买专用的真空铝钎焊炉？
从理论上讲，真空铝钎焊几乎可以在任何带有金属热区的真空炉中进行，但我们不建议在普通真空炉中进行铝钎焊工艺。专用的真空铝钎焊炉，如Ipsen的 VAB 系列炉型，具有标准真空炉所不具备的特殊工艺，这些工艺在标准真空炉中很难实现。
虽然大多数Ipsen真空炉都对540 °C – 1320 °C之间的温度区间进行了优化，但 VAB 炉型针对于320 °C – 650 °C温度区间进行了特殊优化改进， 在这个温度区间内，大多数铝钎料都处于液态。
额外的控温偶可以确保整个炉膛内的温度从前到后、从上到下都严格地保持在要求的均匀性范围之内。要满足航空航天等行业的严格标准，就必须在较低温度下保持这种高精度。
您知道吗？
美国国家航空航天局 （NASA） 最近在国际空间站上完成了一项关于微重力条件下铝钎焊的研究，该研究名称为“太空中铝合金的钎焊/BRazing of Aluminum alloys IN Space”——简写为“BRAINS”。
该项研究考察了微重力对铝钎焊的影响，包括在低压氮气环境及高真空环境。
“除了与微重力条件下的铝钎焊相关的基础科学外，实用性研究还包括两个方面：
首先，可以使用钎焊工艺来降低高速微流星体和/或太空碎片撞击的后果及损失，以及铝制零部件在太空中可能发生的灾难性击穿事故。
其次，空间建筑需要连接复杂的组件（例如空间站和未来的太空城），钎焊提供了一种有效的永久粘合制造选择（无论是在开放空间的真空环境中，还是在密闭空间的受控大气环境下）。”
来源：NASA.gov
“大多数 4000 系列铝材料在 565 °C 至 575 °C 左右进入液态。气氛设定点通常在 625 °C 左右。重要的是不要让基材（通常是 3000 系列铝）超过 603 °C，以防止侵蚀。
– Jim Haggerty，Global Aluminum Brazing
在真空炉中进行钎焊铝时，操作员必须注意的重大问题之一是氧化镁的堆积。镁作为铝钎料的添加剂，其作用非常类似于助焊剂。含有镁的铝合金熔点低于纯铝或其他常见合金。随着钎料的加热，释放出的镁会气化并在真空炉中寻找残留的氧原子，使其远离钎焊位置。镁还会侵蚀铝表面的氧化铝，以确保剩余的钎焊材料均匀地附着在零件表面上。
当炉子达到并超过 570 °C时，上述这些化学反应会发生，从而产生“镁爆”——脱气的峰值。处理这种瞬间大量脱气的优秀真空设计需要具有足够强大的抽气系统，以始终维持 10-4 至 10-5 mbar的真空度。随着真空炉继续不断地抽出气体，这一过程可能会在热区壁上留下脱气残留物。
处理氧化镁的残留物非常棘手，因为这种残留物的化学成分与手持发焰筒相似。铝钎焊真空炉的大部分维护时间都用于清理这些氧化镁沉积物。必须使用非铁金属材料刮擦热区壁和热区防护罩，以避免产生火花点燃会快速燃烧的氧化物。如果氧化镁堆积太厚，难以刮除，则可以需要使用空气燃烧循环来分解较大的氧化镁晶体。当大部分残留物被清除后，就可以进行正常的真空清洁循环，使设备恢复到生产状态。扩散泵也需要按照制造商的规格定期进行清洁。
目前，Ipsen最新的 VAB 炉设计增加了镁收集板。这种设计创新可帮助客户减少维护停机时间，并防止镁在炉子电极和热电偶等难以保持清洁的区域积聚。
典型真空铝钎焊工艺后的氧化镁残留物
结论
真空铝钎焊作为一种经过测试和验证的解决方案，用于连接大起伏表面或复杂几何形状的金属件。而进行真空铝钎焊的企业需要一种能够提供高真空度、精确温度控制和出色温度均匀性的炉子。
与传统真空炉相比，铝钎焊工艺需要更高的工艺控制精度和更低温度下的温度均匀性。使用标准真空炉来处理常规的铝钎焊工艺，有点像用大锤在客厅里挂一幅画--铝钎焊需要更低的温度和更高的精度。
专用的真空铝钎焊炉，如Ipsen的VAB系列炉型，能够提供足以抵消“镁爆”的持续抽真空能力，且保持精确的温度和真空度控制，并最大限度地减少在其他炉中钎焊后通常需要的昂贵的停机时间和维护费用。
文章内容贡献专家：Jim Grann – 美国Ipsen技术总监，Mark Heninger – 美国 Ipsen设备销售总监，John Pease –美国Ipsen区域销售经理，Jim Haggerty – Global Aluminum Brazing, LLC
来源：易普森工业炉