鋁合金板式換熱器真空釬焊泄漏原因分析

1、鋁合金板式換熱器真空釬焊泄漏原因分析真空釬焊是在真空狀態(tài)下 ,對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加熱和保溫,使釬料在適宜的溫度和時間范圍內(nèi)熔化 ,在毛細(xì)力作用下與固態(tài)金屬充分浸潤、溶解、擴(kuò)散、焊合,從而達(dá)到焊接目的的一種先進(jìn)焊接方法。真空釬焊的突出優(yōu)點是可連接不同的金屬、實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時焊接,焊接后的焊接頭光潔致密、變形小且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。然而 , 真空釬焊對換熱 器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配質(zhì)量 ,鋁合金復(fù)合板 (以下簡稱復(fù)合板 )的化學(xué)成分、釬料層厚度 ,釬焊工 藝制度、工作環(huán)境等的要求甚為嚴(yán)格,否則 ,極易出現(xiàn)翅片彎曲倒伏、釬縫不連續(xù)、虛焊、熔蝕、直至泄漏等質(zhì)量缺陷。其中, 泄漏屬重大質(zhì)量缺陷。1.2

2、 生產(chǎn)工藝流程(1) 備料 :對復(fù)合板、翅片、封條等進(jìn)行定型、定尺加工。(2) 表面處理工藝流程：堿洗t水洗t酸洗t水洗t熱水洗t烘干。(3) 組裝 :將復(fù)合板、側(cè)板、翅片、封條等進(jìn)行機(jī)械組合成型。(4) 真空釬焊 ：對真空釬焊爐抽真空后進(jìn)行三個階段的加熱、保溫,其工藝曲線如圖 2 所示。即：第一階段預(yù)熱定溫、保溫；第二階段(b)蓄能定溫、保溫和第三階段(c)釬焊定溫、保溫 ; 停電。待爐溫降至規(guī)定溫度出爐。(5) 整形 ：對換熱器真空釬焊后的變形 ,采用機(jī)械法進(jìn)行矯正。(6) 導(dǎo)流板焊接 ：采用氬弧焊方式焊接換熱器的導(dǎo)流板,即換熱器兩端大封條位置。(7) 壓力檢驗 ：采用吹入空氣方式檢驗換熱

3、器承壓能力,即泄漏檢驗。(8) 噴涂 ：對換熱器進(jìn)行清洗、烘干、噴涂、烘干,改善外觀質(zhì)量。(9) 包裝交貨。2 泄漏原因分析2.1 換熱器的裝配(1) 結(jié)構(gòu)件的表面預(yù)處理換熱器的所有結(jié)構(gòu)件在組裝前均須經(jīng)過表面處理即酸堿洗 ,以除去表層污垢、油漬、氧 化膜等。污垢會阻礙構(gòu)件間的有效接觸；油漬在真空高溫時將會分解氣化,降低真空釬焊爐內(nèi)真空度 ；由于鋁合金表層氧化膜致密 ,其熔化溫度遠(yuǎn)比基體材料的要高 ,特別是復(fù)合板釬料層 的氧化膜在釬焊時釬料層熔化不充分 ,造成不能與被焊金屬完全熔合 ,從而影響釬焊質(zhì)量。為 此, 必須嚴(yán)格控制原材料的表面預(yù)處理,包括必要的機(jī)械清理 ,同時縮短釬焊前的裝配時間。(2

4、) 結(jié)構(gòu)件尺寸公差復(fù)合板、大翅片、小翅片、大封條、小封條在進(jìn)行定型、定尺加工后的尺寸偏差配合必 須得到有效保證。翅片應(yīng)控制在正偏差范圍 ,封條則應(yīng)控制在負(fù)偏差范圍。否則無法保證裝 配后復(fù)合板在與封條緊密配合后 ,再與翅片間有適宜的接觸面積即釬縫間隙, 易造成虛焊、釬縫不連續(xù)或未焊合現(xiàn)象。(3) 結(jié)構(gòu)件表面粗糙度及其形狀結(jié)構(gòu)件表面粗糙度影響毛細(xì)力。一般說來,表面過于光滑 ,釬料難以在整個接觸面積上分布均勻 ,由此產(chǎn)生的空穴會使釬焊強(qiáng)度降低,特別是封條的表面粗糙度。為了保證釬料均勻分布于接觸焊縫上,結(jié)構(gòu)件的釬焊面應(yīng)有適宜的粗化。通常,表面粗糙度參考值可選 RaO 7mm2 0m的平方根為宜。另外，

5、封條的內(nèi)側(cè)應(yīng)制成 30勺倒角，有利于在真空釬焊時 降低焊料的表面張力 ,增加潤濕性 ,減少釬焊缺陷。(4) 夾具的夾持力由于換熱器裝配后采用不銹鋼夾具進(jìn)行夾持，而不銹鋼夾具的熱膨脹系數(shù)小于鋁合金制品的 ，故夾緊力太大 ，易造成釬焊后翅片彎曲倒伏 ;夾緊力太小 ，翅片易松脫。故應(yīng)根據(jù)具體換 熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)定適宜的夾緊力。2.2 復(fù)合板的質(zhì)量指標(biāo)(1) 釬料層化學(xué)成分中主要元素的影響Si 含量:復(fù)合板的釬焊性能體現(xiàn)在釬料層的流動性、 潤濕性、 間隙填充能力和焊接強(qiáng)度。 在AI-S合金二元相圖中，溫度達(dá)577 C、w(Si)=11 %時,發(fā)生共晶反應(yīng)。當(dāng) w(Si) 11 - 7%, 二元合金熔化

6、溫度隨 Si 含量的升高而降低。所以 ，釬料層中 Si 含量高時 ，其熔點則低。 Si 含 量過高時 ，雖然可使包覆層合金熔點降低、流動性好 ，間隙填充能力強(qiáng) ，但當(dāng)其擴(kuò)散到被焊金屬界面 ，且使固相成分達(dá)到一定程度時 ，導(dǎo)致被焊金屬固相熔化 ，產(chǎn)生熔蝕。 Si 含量越高 ，濃度梯 度越大 ，對基體合金的熔蝕傾向也越嚴(yán)重 ;Si 含量過低時 ，則產(chǎn)生相反的效果。 真空釬焊用復(fù)合 板的釬料層為4004鋁合金,其w(Si)的標(biāo)準(zhǔn)范圍為9 0%10- 5%。Mg 含量 :包覆層合金中的 Mg 是真空釬焊必不可少的金屬活化劑、吸氣劑，同時在增強(qiáng)復(fù)合板耐蝕性方面可產(chǎn)生積極的影響。Mg在550 C以上時開始

7、大量蒸發(fā)，在真空釬焊爐中形成含 Mg 的氣氛。鎂蒸氣既可與釬焊氣氛中剩余的氧或水蒸氣中的氧結(jié)合,保護(hù)加熱零件表面不致重新氧化 ,又能滲入到零件表面未清除干凈的氧化膜中,將其去除。 所以,相對于真空釬焊爐的真空度而言 ,真空度高時 ,標(biāo)準(zhǔn)含量的 Mg 可以起到足夠的作用 ;而真空度低時 ,則需要 將Mg含量控制在上限或者更高。4004鋁合金的 w(Mg)=1 - 0%2- 0%。(2) 釬料層厚度復(fù)合板厚度及釬料層厚度的設(shè)定應(yīng)與換熱器的承壓要求相匹配,必須結(jié)合理論計算和生產(chǎn)實踐來制定。這里特別指出當(dāng)釬料層厚度過薄時,易造成焊接強(qiáng)度低、焊接不牢、承壓不達(dá)標(biāo)等焊接缺陷 ;過厚時 ,則會造成芯層合金厚

8、度過薄、承壓不達(dá)標(biāo)、甚至出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象導(dǎo)致 泄漏。因此 ,釬料層厚度及其均勻性是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo),也是影響釬焊質(zhì)量的重要因素之一。實際應(yīng)用中釬料層厚度一般控制在復(fù)合板厚度的(10 3)% 為宜。(3) 復(fù)合板其它質(zhì)量要求復(fù)合板在換熱器中的另一個作用是作通道隔板,也有承壓要求。因此 , 不應(yīng)有影響其承壓的內(nèi)在、外在缺陷。內(nèi)在缺陷如芯層合金的氣孔、夾渣、與釬料層的焊合不良等;外在缺陷除上述表面處理不潔凈外 , 還有在加工過程中的磕碰傷、劃傷 ,當(dāng)其深度超過釬料層厚度時 會直接破壞金屬的連續(xù)性 ,導(dǎo)致承壓能力下降。2.3 真空釬焊工藝制度在真空釬焊爐中 ,工件主要靠熱輻射進(jìn)行加熱。而輻射傳熱有其特

9、有的規(guī)律,即斯蒂芬玻 爾茲曼定律上式說明 ,高溫時即使是很小的溫度差也需要很高的熱能傳導(dǎo), 即真空加熱溫度越高 , 需要傳遞的熱量越大。 說明在相同情況下真空爐內(nèi)升溫速度要較其他加熱方式慢很多。 真空加 熱所需時間約是空氣爐的 3 倍、鹽浴爐的 6 倍。因此 ,制定真空爐加熱工藝制度時 ,不能照搬 空氣爐、鹽浴爐和氣氛爐的加熱工藝制度。上式同時說明:真空釬焊過程中 ,應(yīng)盡可能緩慢加熱, 以使換熱器內(nèi)外溫度保持一致 ,否則直接影響釬焊質(zhì)量。對工業(yè)化生產(chǎn)中的預(yù)熱定溫、保 溫,蓄能定溫、 保溫,釬焊定溫、 保溫以及停電降溫 ,是既能實現(xiàn)上述目的又能提高生產(chǎn)效率的 行之有效的工藝流程 ,其中釬焊溫度及

10、保溫時間是影響釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵。(1) 釬焊溫度 :溫度低時, 釬料尚未達(dá)到必需的溫度 ,釬料的流動性、 浸潤性均較差 ,易產(chǎn)生釬縫內(nèi)部氣孔、 釬縫不連 續(xù)、虛焊等缺陷 , 使釬焊接頭強(qiáng)度降低 ,承壓能力不達(dá)標(biāo)而產(chǎn)生泄漏 ,嚴(yán)重時甚至?xí)毫?;溫度 高時 ,釬料完全熔化且流動性過大 ,易產(chǎn)生釬料氧化形成氣孔和對焊縫的毛細(xì)力作用變差 , 造 成釬料流失、熔蝕、翅片彎曲等缺陷。適宜的定溫應(yīng)注重焊料的流點 ,通常焊料的流點應(yīng)比 被焊金屬熔點低60 C左右。此時,液態(tài)焊料對被焊金屬具有良好的浸潤性和流散性，能在毛細(xì)力作用下較好地填充釬焊間隙 ,并能與被焊金屬產(chǎn)生良好的合金化作用,形成高強(qiáng)度接頭。(2)保

11、溫時間 :釬焊時釬料的潤濕和接頭形成約需要1s2s, 因此保溫時間主要由換熱器心部溫度達(dá)到釬焊溫度所需的時間及氧化膜層消散所需時間決定。如果保溫時間過短,換熱器心部溫度沒有達(dá)到釬焊溫度 ;時間過長 ,液態(tài)釬料容易使被焊金屬熔蝕。2.4 真空釬焊爐的真空度高溫狀態(tài)下的真空度較低時 ,爐內(nèi)殘留的 O2 H2O 等氧化性氣體易與 Al 起化學(xué)反應(yīng)生成 質(zhì)硬的氧化膜即 Al2O3 。 Al2O3 組織致密、穩(wěn)定、熔點高 ,在普通釬焊溫度下不易分解 ,釬料 氧化后使其流動性浸潤性變壞;被焊金屬氧化后變得難以浸潤,從而導(dǎo)致焊料與基體間的焊接性能惡化。故需要盡可能提高釬焊時的真空度,減少 O2 、 H2O 等氧化性氣體的含量 ,控制AI2O3的生成量。一般要求,釬焊爐采用多溫區(qū)控溫，爐溫均勻性為犬C，工作真空度應(yīng)保證不 大于2 OX10-3Pa,預(yù)抽真空的極限真空度必須在10-4數(shù)量級。2.5 真空釬焊時環(huán)境狀況環(huán)境中的濕度會對換熱器釬焊質(zhì)量造成影響在高濕度下進(jìn)行換熱器組裝時 ,會有更多的 水分留在翅片、隔板及封條上。將高濕度下組裝的換熱器放入真空爐中釬焊,水分會蒸發(fā)、釋放出更多的氣體 ,且換熱器內(nèi)部的水分蒸發(fā)、氣體釋放是個緩慢的過程。水分需要大量蒸 發(fā)熱 ,影響換熱器內(nèi)部的溫度 ;水分還會影響真空度 ;水分將加劇鋁的氧化 ,從而影響釬焊質(zhì) 量。所以在進(jìn)行換熱器構(gòu)件表面處理、組裝及釬焊前都應(yīng)該