| 标题 | 铝制板翅式换热器真空钎焊技术的发展 |
| 范文 | 刘刚++李言军++蔡莲莲++陈永辉 摘 要：概述了铝合金真空钎焊技术的原理、铝制板翅式换热器真空钎焊设备及工艺。同时结合生产实际和试验情况，以本公司的高翅片板式换热器为例，着重探讨了换热器真空钎焊的工艺技术参数。 关键词：真空钎焊；板翅式换热器；铝及铝合金；工艺参数 铝制板翅式换热器真空钎焊技术对工艺参数的变化的敏感度很高，对于同一批次的钎料和原材料，只要参数受到微小的扰动，钎焊质量都会参差不齐。目前工业上对真空钎焊技术的理论认知还不够深入，阻碍了真空钎焊标准工艺的制定，导致大部分情况下只能依靠操作经验来进行[1]。 1 铝制板翅式换热器真空钎焊技术的发展历史 盐浴浸渍钎焊是铝制板翅式换热器的传统制造工艺[2]。该钎焊方法通常利用液体介质导热快热量大的特点，能够实现快速均匀地焊接的目的，生产效率相对较高。但由于该种方法所用的液体盐类含有大量的毒性物质如氰化物、氟化物和氯化物等，此类毒性物质会在作业过程中以气体的形式释放出来，对环境和操作人员的影响极大。另一方面，盐浴浸渍钎焊后往往会残留腐蚀性较高的氯盐在焊件上，需要对焊件进行后处理，步骤复杂。由于盐浴浸渍钎焊的缺点越来越突出，为了满足实际生产需要，寻找一种全新的钎焊技术已成必然，在这个条件下，真空钎焊技术应运而生。 真空钎焊是一种在真空状态下，无需钎剂就能进行高效钎焊的连接工艺技术。该方法相对于传统的钎焊方法，具有接头质量好、废品率低和环境污染少等优点，并且完全解决了盐浴浸渍钎焊残留氯化物对焊件的腐蚀问题。20世纪40年代，国外发达国家如美国，前苏联等均处于航空业高速发展阶段，传统的氩弧焊焊接技术不能达到新型高温合金高质量的焊接要求，焊接时容易产生热裂纹和时效应变缺陷。在这种情况下，真空钎焊开始应用于解决这一问题。随后，日本在20世纪50年代开始在不锈钢等高熔点材料领域进行真空钎焊研究。而铝合金的真空钎焊技术研究则是在20世纪70年代开始并且得到迅速发展的，目前已经在美、英、日等工业发达国家达到大批量高质量生产的水平[3]。 2 铝制板翅式换热器真空钎焊的原理 真空钎焊的工作原理是在一定真空度下，在真空炉内加热到母材熔点之下，钎料熔点之上的某个温度，使钎料熔化成为液态，但母材保持固态的情况下，利用毛细作用力使液态钎料填满固态母材之间的空隙，发生相互作用，最后冷却凝固，得到冶金结合的连接方法[4]。真空钎焊作用机理主要包含三个过程：一是真空条件下氧化膜的去除过程；二是液态钎料填满固态母材间隙的过程；三是液态钎料与固态母材之间进行物理化学作用的过程。 铝及铝合金的表面易生成一层稳定的致密氧化膜，严重阻碍钎焊过程中钎料和母材的润湿与结合。一般的铝制板翅式换热器真空钎焊都不使用钎剂，若仅靠真空条件，很难完全将氧化膜去除。金属Mg的蒸气压比铝高，对氧气的亲和力比铝大，常用于真空钎焊中铝合金氧化膜的去除过程。铝合金真空钎焊中氧化膜的去除过程比较复杂，去膜机理有多种解释，目前认知度比较高的机理如下[5]： （1）的热膨胀系数只有铝热膨胀系数的1/3，加热时铝膨胀迅速，膨胀速率稍低的氧化膜开裂。 （2）加热时Mg挥发变成Mg蒸汽，破坏钎料表面的氧化膜。 （3）Mg蒸汽与真空炉内残留的、和水蒸气产生化学反应。 （4）Si扩散进入母材表层，同时Mg蒸汽也穿透氧化膜渗入母材，使表层形成Al-Si-Mg低熔点合金，迅速熔化并将氧化膜浮起带走。 （5）钎料熔化后的吸附作用将氧化膜的强度降低，氧化膜破散并熔化进入钎料，最终液态钎料湿润母材[6]。 3 铝制板翅式换热器的真空钎焊设备 真空钎焊炉是制造铝制板翅式换热器的关键设备。按照炉内加热方式的不同，真空钎焊炉可以分为热壁真空钎焊炉和冷壁真空钎焊炉两种[7]。 早期传统的真空钎焊设备是热壁真空钎焊炉，它的加热部分包括真空室和箱式炉。热壁真空钎焊炉具有制造简单，生产效率高，经济性好，常用于中小零部件小批量生产的特点。可是该设备炉内温度分布很不均匀，不能很好地满足结构复杂零件和大型零件的生产需求。 炉温均匀性差的致命缺点导致热壁真空钎焊炉不能很好的满足迅猛发展的制造业需求，因此冷壁真空钎焊炉应运而生。冷壁真空钎焊炉将真空室与加热器一体化。该设备采用双层循环水冷结构，同时在炉壁和加热器之间放置了多层反射屏用于提高真空环境内的热辐射率，热量几乎没有散失，所以炉壁温度与室温相差不大，故称冷壁真空钎焊炉。随着真空钎焊技术的不断发展，冷壁真空钎焊炉从最早期的钟罩式结构发展成为如今的多功能结构，炉膛尺寸也相应地从0.1向数十立方米大规格的方向发展[8]。 4 铝制板翅式换热器真空钎焊的流程及工艺参数 目前工业上对真空钎焊技术的理论认知还不够深入，阻碍了真空钎焊标准工艺的制定，导致大部分情况下只能依靠操作经验来进行。铝制板翅式换热器真空钎焊所采用的一般工艺流程为：原料准备→清洁→组装→钎焊→产品检验→产品晾干及清洁[9]。实际生产中应根据焊接大小，结构复杂程度，生产规模来选择适用的真空炉。其中的钎焊过程包括抽真空，加热，保温，冷却等方面。 真空度是真空钎焊中最重要并且最难控制的工艺参数[10]。炉内的真空度往往决定了焊接的质量。在钎焊过程中，一定要保证炉内真空可靠。因此在较长时间未使用真空钎焊炉的情况下，应先让设备空载运行几个小时后再投入生产使用。在批量生产的情况下，应尽量缩短每次真空钎焊炉的使用间隔，使真空度能够较快地达到生产要求，提高生产效率。 真空钎焊加热速率会对钎焊质量产生严重影响。加热速率过快，零件表面会失去色泽，同时造成零件表面粗糙不平。在加热时，只要炉内残留有微量的空气，即能使活跃的铝金属氧化，同时空气受热膨胀，阻碍炉内温度上升，为此要保证加热前炉内空气被尽可能多的抽走。另一方面，升温速率过快，零件温度不均匀，由此产生的热应力会导致工件变形[11]。但在温度接近保温温度时，又需要快速升温。因为在此过程中钎料处于固液相线温度区，如果升温速率过慢，钎料内熔点较低的成分便会大量挥发到空气中，剩下熔点较高的部分保持固态，无法润湿母材，导致钎焊不上。 真空钎焊温度应严格控制在高于钎料液相线温度但低于母材固相线之间。如果温度过低，容易出现钎料没有完全融化，钎焊接头强度过低等情况；如果温度过高，则容易产生溶蚀缺陷。钎焊保温时间应控制在工件达到钎料液相线温度以后3min为宜。保温时间直接决定焊缝质量，保温时间过短，钎料往往熔化不完全，焊缝的饱满度，圆滑度都会受到影响；保温时间过长，钎料容易流出母材间隙，导致漏焊。保温时间并非一成不变，而是取决于零件的大小和工装的热容量，热容量小的保温时间相对较短，热容量大的保温时间相对较长[12]。 同样的道理，真空钎焊的冷却控制也是影响钎焊质量的一大因素。冷却速率的制定应以零件的变形程度大小作为指导。冷却速度过慢，等同于保温时间过长，钎料容易流出母材间隙，导致漏焊。另外，常规零件对于冷却要求非常高，一般都需要快速均匀冷却，即使采用液体甚至气体强制冷却也难以达到满意的效果，因此应在设计时就考虑好工件需求，避免出现尺寸过大的情况，同时减少装炉量。 一般尺寸的铝翅片换热器单个翅片高度不超过10.3mm，其制造方法已经相当成熟。但是对于高翅片换热器，其真空钎焊工艺还未见报道。我司根据上述真空钎焊工艺的要求，摸索出关于高翅片换热器的温度参数，如附图所示。 由图可知，当炉内温度低于365℃的时候，温度控制相对不太重要，因此可以快速升温，只需保证炉内设定温度与工件实际温度相差不超过25℃即能满足工艺要求。365℃后真空钎焊开始进入循环过程，此时Si扩散，如果工件保持长时间的均热，则不利于产生足够的温度差促进Si扩散，因此需要控制好此阶段的保温时间。当温度达到525℃时，Mg开始升华，此时对温度的控制要求较高，炉温与工件实际温差不能超过20℃。设定温度达到 597℃时，Mg基本完全升华，与生成MgO，减少或者防止Al与生成致密稳定的氧化膜，使钎料能够顺利湿润母材工件，达到最终高质量钎焊的效果。 参考文献： [1]蒋金龙. 汽车铝热交换器的真空钎焊[J]. 焊接技术，1999，02：10-13. [2]张英，张瑾瑜，邓建德. 板式换热器真空钎焊的质量控制[J]. 压力容器，1999，02：47-50+2. [3]郑欣，王广海，陈建，陈玉宝. 6061铝合金真空钎焊技术的发展[J]. 轻合金加工技术，2014，01：8-12. [4]陈召松，高飞，涂勇，赵飞. 板翅式铝合金散热器真空钎焊技术的发展[J]. 轻合金加工技术，2011，04：11-14+42. [5]Diehm R， Nowottnick M， Pape U. Reduction of voids in solder joints an alternative to vacuum soldering[J]. Proc. of the IPC APEX EXPO， San Diego， CA， 2012， 28. [6]李伟，王英建. 影响铝合金真空钎焊质量的关键因素[J]. 真空科学与技术学报，2010，01：50-53. [7]姜举. 散热器真空钎焊技术的研究[D].吉林大学，2006. [8]刘怀玉. 汽车用铝合金油冷器真空钎焊工艺研究[D].重庆大学，2010. [9]Xuliang C， Weibing L. Application of Vacuum Soldering Technology[J]. Vacuum， 1995， 3. [10]Zabel C， Duck A. Vapour phase vacuum-soldering. A new process technology opens tremendous production capabilities when reflow-soldering[C]//Proceedings of International Conference on Soldering & Reliability at Toronto， Canada. 2009 （6）. [11]赵麟. 铝及铝合金的真空钎焊技术[J].山东纺织工学院学报，1989，04：66-74. [12]刘安华. 真空钎焊用低熔点铝基复合钎料的研制[D].兰州理工大学，2009. 广东省省部产学研项目：2013B090600012高效节能型板翅式换热器关键技术开发及应用 |
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