鋁釬焊介紹剖析

1、鋁釬焊的過去、現(xiàn)在和將來Ralph A Woods 博士薩帕技術中心顧問汽車上廣泛使用的熱交換器（包括汽車空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、水箱散熱器、油冷卻 器等部件）的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。20世紀70年代以前汽車使用的大多為銅制熱 交換器；20世紀70年代開始出現(xiàn)鋁制熱交換器。鋁質熱交換器較之傳統(tǒng)的全銅熱 交換器有熱交換效率高，重量輕，節(jié)約成本，降低汽車油耗等特點，是20世紀末期汽車工業(yè)輕金屬化的杰出典范。第一代全鋁熱交換器為蛇形管結構，利用 液壓方法將鋁管材機械脹管與散熱片裝配而成。熱交換器內(nèi)部使用氟里昂作制冷 劑。1970年由法國的Sofic公司首先研制成功并投入批量生產(chǎn)。與銅制熱交換器相 比，鋁制

2、熱交換器的自重輕 3545%。1978年Alcan公司發(fā)明了 NOCOLOK無腐 蝕釬劑焊接工藝。隨后日本古河鋁業(yè)公司成功開發(fā)了高精度、高性能的鋁合金釬焊 散熱片，成為第二代全鋁熱交換器？?釬焊管帶式熱交換器生產(chǎn)的先驅。20 世紀90年代末期，隨環(huán)保要求的日漸增高，全鋁熱交換器又向環(huán)保型發(fā)展。與前 面產(chǎn)品相比，最新一代全鋁熱交換器屬環(huán)保型產(chǎn)品，它使用無氟制冷劑。為保持熱 交換效率不下降，新型全鋁熱交換器被設計成平行流式結構，以保證高的熱交換效 率。1介紹因個人需要而使用汽車在很多地方已經(jīng)成為日常生活的一部分。然而，世界范 圍內(nèi)汽車使用的巨大增長已經(jīng)引發(fā)了一系列的新問題。這一系列問題中，汽車發(fā)動

3、 機污染對環(huán)境的影響相當重要。因此，通過減輕車重和降低燃油消耗，人們一直在 探索提高性能的改進措施。此外，隨著在車上度過的時間越來越長，人們也希望車 內(nèi)環(huán)境盡可能舒適。為了適應這一要求，尤其是在那些環(huán)境溫度和/或濕度高的地方，空調(diào)日益為人們所求。因此，圍繞著汽車發(fā)動機熱交換器和空氣調(diào)節(jié)部件，已經(jīng)出現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。由于熱交換器的生產(chǎn)處于空調(diào)領域的核心部分，空調(diào)熱 交換器的開發(fā)因而常常與發(fā)動機冷卻部件的開發(fā)并行進行。幸運的是，鋁具有許多 適合用于熱交換器的理想特點。它具有很高的熱傳導率，蘊藏豐富，抗腐蝕，可回 收，易于接合。在重量節(jié)省方面，鋁也優(yōu)于銅，最終表現(xiàn)為低油耗、低空氣污染和 低成本，鋁

4、部件在可靠性方面已經(jīng)顯示出其清晰的優(yōu)勢。2蒸發(fā)器最初大多數(shù)汽車冷卻系統(tǒng)中使用的熱交換器都是用銅/黃銅制作的。最早用鋁制作的熱交換部件是蒸發(fā)器。20世紀50年代和60年代初，鋁蒸發(fā)器采用的是鹽 池浸焊。拔管和沖壓帶筋板的基本設計與今天相比幾無二致。只要結合部位填充良 好，釬焊結果一般就會不錯，因為熔鹽去除了材料表面的氧化層從而使熔化的釬料 金屬得以流動并潤濕開。但主要的問題是如何去除蒸發(fā)器內(nèi)部殘留的浴鹽。殘鹽必 須有效去除，否則潮濕狀態(tài)下氯鹽對鋁具有強烈的腐蝕性。這使得有效的清洗成為 必要工序，而清洗的本身又因污水不易處理而帶來一個新的問題；第二個問題是使 用過的浴鹽。第三個問題是，為了防止外部

5、腐蝕，必須對蒸發(fā)器進行鉻化處理，而 鉻化殘留物也需要處理。上述工藝沿用了很多年，但在 20世紀70年代，成本更為便宜的真空釬焊 技術開始被開發(fā)了出來。其秘訣是在釬料層金屬中加入了適量的鎂。這一工藝更為 清潔，釬焊過程中沒有廢棄物產(chǎn)生，但是在可焊性方面對焊前部件表面的清潔度更 為敏感，因此必須采用有效的除油系統(tǒng)，并且為處理除油劑帶來的空氣污染及其他 不利的環(huán)境影響付出一定代價。部件間焊料填充也變得更為緊要。除了維修成本以 外，更為復雜的爐子結構和氣泵系統(tǒng)帶來的資金成本似乎也較高。釬焊過程中通過 鎂的蒸發(fā)去除爐內(nèi)殘余氧氣和破除表面氧化皮是這一技術成功至關重要的因素。因 此，釬料合金通常作了一些改進

6、，含有最高達1.5%的鎂。釬焊過程中，蒸發(fā)的鎂將在爐壁冷卻部件上冷凝下來，最終帶來爐門密封等問題，隨之而來的是代價高昂 的停爐和清潔操作。真空釬焊依舊廣泛用于蒸發(fā)器生產(chǎn)。氣體保護釬焊（CAB）最近才開始采用，因此，釬焊工藝從以前的釬劑釬焊到真空釬焊又重新回到了釬劑 釬焊。但是氣體保護釬焊工藝非常困難，因為這一工藝中表面氧化皮的處理實際上 是通過釬劑溶解，物理去除而不僅僅是撐破的。這使得釬焊過程效率特別高。最 初，釬劑成本非常高，這也在某種程度上稍微進一步延緩了這一工藝相當慢的推 廣。此外在釬劑化學方面也存在一些自身的合金化限制，正如各位在本次和其他演 講中將要聽到的，這些問題正在解決之中。非常

7、成功的長壽命水箱合金技術，也正是后面我要探討的，已經(jīng)很難擴大范 圍應用到蒸發(fā)器上。這主要是因為從加工性能上說蒸發(fā)器管片沖壓加工要求材料狀 態(tài)為0態(tài)（退火態(tài)）。沖壓部件上的加工或變形量從某些地方不存在變形到其他 某些地方接近20%拉伸量不等。這種冷加工變形量導致沖壓后的板材在釬焊過程 中產(chǎn)生局部回復和再結晶差異。因此，加工板上的某些區(qū)域，尤其是深沖凸肩部 位，材料晶粒結構被弱化且容易形成腐蝕，因而用于蒸發(fā)器的長壽命合金依然在努 力研究開發(fā)之中。這種需求的原因，在于蒸發(fā)器工作于腐蝕性的工作環(huán)境。蒸發(fā)器 在工作過程中大多數(shù)時間因水汽的冷凝而處于潤濕狀態(tài)，而這種水汽又因吸收公路 大氣中的氣體而呈相當?shù)?/p>

8、酸性。除非采取改進措施，否則盡管如前所述，表面保護 性涂層還將在很大范圍內(nèi)繼續(xù)下去，法規(guī)的限制使得這種鉻化涂層的使用正顯著減 少。3鋁水箱這一部件出現(xiàn)的時間較蒸發(fā)器晚。隨著真空釬焊工藝成為蒸發(fā)器釬焊的成熟工 藝，作為成本高昂的銅/黃銅系統(tǒng)的替代，人們開始了鋁水箱設計的開發(fā)。由于 1970年代后期的石油危機，這一過渡獲得了最快的推進。高企的能源價格，特別 是在美國，使人們付出巨大的努力減輕汽車重量以便提高單位汽油行駛里程數(shù)。從 銅/黃銅換成鋁使得水箱重量減輕幾公斤，同時通過原材料成本下降而降低了單位 造價。然而最初的真空釬焊水箱被證實易于受到外部腐蝕，尤其是在那些海洋性環(huán) 境以及為了防止道路結冰

9、而需要使用除冰劑的雪帶地區(qū)。即便使用鉻化保護性涂 層，這依然還是一個問題。現(xiàn)場檢索表明，在不到兩年的使用期內(nèi)，內(nèi)部粒狀腐蝕 可以使水箱扁管發(fā)生完全穿孔。幸運的是，腐蝕產(chǎn)物大量產(chǎn)生，由于腐蝕產(chǎn)物的阻 塞，使水箱使用中的失效相對較少發(fā)生。即便如此，有些事情顯然還是必須開展以 便提高產(chǎn)品的適用性。方案試過很多種，尤其是在美國和日本（在歐洲，車上使用 較小的引擎，這意味著能使用效率相對較低的機械組裝式水箱，腐蝕對釬焊工藝不 太敏感)。早期提高外部抗腐蝕能力的努力主要集中在調(diào)整合金成分和使用犧牲性 的翅片上。第二種努力不太成功，因為鋅元素不能用于真空釬焊。當冷卻劑老化、 等級降低或稀釋之后，內(nèi)部抗腐蝕性

10、也成了一個問題，但這種失效只是偶爾而不是 普遍發(fā)生的。冷卻劑化學成分的逐步改進和管內(nèi)保護層的采用從根本上解決了這個 問題。已經(jīng)逐步為人們所接受的保護概念，是把預先準備好的如同釬料金屬的犧牲 性內(nèi)層，在加工過程中通過軋制結合到熱交換器板材芯層上。已經(jīng)有多種合金用于 提供這種保護。鋅元素通常是首選，但是如前所述，由于其揮發(fā)性，鋅在真空釬焊 工藝中是限制使用的。錫和銦是已經(jīng)嘗試過的其他合金元素。結合冷卻劑化學的改 進，這種措施通過電化學腐蝕的方法使水箱的失效事故降低到了最小程度。偶爾也 可以看到侵蝕腐蝕的例子，盡管這種情況更多取決于冷卻劑流動模式、水箱中的 流體速度梯度以及冷卻劑質量和條件。因此，

11、80 年代早期最迫切的需要是有效地開發(fā)一種能夠野外實地使用至少10年的鋁水箱。很明顯，需要一種加速試驗以利于合金的快速開發(fā)， SWAAT 試驗被 發(fā)現(xiàn)能夠很好地模擬實際使用中釬焊件上形成的腐蝕形貌。因此這種測試很快成為 西方合金開發(fā)和質量控制測試時的標準測試。在本次研討會的后面部分，您也可以 聽到這一測試的情況。在日本，盡管會有銅從溶液中在鋁部件上嚴重沉淀下來， CASS 測試還是更為廣泛地采用。這創(chuàng)造了一種顯然在實際使用中不會出現(xiàn)的腐蝕 環(huán)境，盡管實際使用中的內(nèi)部粒狀腐蝕通過這種環(huán)境同樣可以清楚地模擬出來。因 此，能夠延長腐蝕壽命的合金在太平洋兩岸都被開發(fā)了出來。在日本，神戶制鋼所 的合金

12、HE45 也許是其中的佼佼者。在美國，共開發(fā)了兩套體系。其一是雷諾茲金 屬( Reynolds Metals )利用鈦元素在釬焊板芯層中的層片效應 (layering effect) 開 發(fā)的。 其次是愷撒鋁( Kaiser Aluminum )開發(fā)的一種技術，釬焊過程中在芯層材 料的淺表形成一層犧牲層。通過在焊后板材表面形成一層薄的富沉積物帶，使得幾 乎所有表面侵蝕都被限制在此沉淀帶內(nèi)，第二種方法被證明對消除內(nèi)部粒狀腐蝕非 常有效。這種內(nèi)在的腐蝕保護在水箱上如此有效，以至于在過去 15 年以來，這種 原因引起的失效率幾乎可以忽略。由于這類合金出色的抗腐蝕能力，造成成本和環(huán) 境問題的鉻化涂層再

13、也無需使用了。此外，傳統(tǒng)的 AA3003 、AA3005 釬焊板上使用的釬料金屬也獲得了改進。適用于氣體保護釬焊的合金變體也同時開發(fā)了出來并 且已經(jīng)取代真空釬焊成為首選釬焊工藝。但是氣體保護釬焊中Mg含量最高0.25%左右的限制使獲得滿意的焊后強度的要求面臨挑戰(zhàn)。鋁水箱的腐蝕防護技術目前獲得了充分的掌握，后面我們將會較多聽到的一個 例子是薩帕代號為3005LL的長壽命合金。合金的改進并未停止，而薩帕也在開發(fā) 新的合金以提供更好的抗腐蝕性能和更高的焊后強度。這些性能的改進，一方面是 為了滿足更高的疲勞強度的要求，另一方面也是出于彌補因不斷減薄管材厚度而造 成的部件強度下降的需要。4暖風機芯體盡管

14、速度很慢，暖風機材料從銅/黃銅向鋁的過渡還是實實在在的。較小的整 體尺寸意味著減輕重量的潛力較小。由于暖風機部件在安裝位置上受到保護，外部 抗腐蝕的要求在此并不特別強烈，但是長壽命合金如薩帕的3005LL因其在水箱扁管上的普遍使用和優(yōu)異的可釬焊性而得到廣泛應用。內(nèi)部抗腐蝕性同樣重要，因此 用于水箱的觸水側覆層通常同樣適用于暖風機。5冷凝器冷凝器的設計在過去20年里發(fā)生了相當大的變化。鋁在很長時間里都是冷凝 器材料的一種選擇，但很多年來都是用于加工成擠壓管，經(jīng)機械擴孔以便能與翅片 和頭板“結合”良好。封閉管路是由U型彎管通過軟釬焊連接直管管端形成的。最近，隨著薄壁多孔擠壓技術的開發(fā)，其他設計形式

15、的冷凝器和更為高效的生產(chǎn)方 法變得可行。采用雙面復合材料如薩帕的 FA6815的冷凝器氣體保護釬焊現(xiàn)在已經(jīng) 相當普遍。由于位置處于引擎罩下、水箱之前，直接暴露在腐蝕性媒介之中，這些 部件的抗腐蝕性相當重要。但合金化學方面的改進使光擠壓管在今天經(jīng)常得到使 用，因而翅片中往往添加了最高 1.5%的Zn以便使翅片相對擠壓管形成保護。擠 壓管本身也可能預噴鋅，以形成陰極保護。不幸的是，釬焊過程中熔融狀態(tài)的釬料 熔體不但從翅片芯層，而且也從擠壓管表面涂層中通過擴散和分解吸收鋅。鋅的吸 收如此之多，以致翅片和擠壓管之間的焊角內(nèi)可能聚集的鋅含量最高，使得接頭處在整個體系中最為活潑而發(fā)生集中腐蝕，從而使管翅分

16、離，同時造成熱傳導能力的 下降。6中冷器隨著渦輪增壓技術，尤其是在大型車上的市場增長，采用氣體保護釬焊的中冷 器市場已經(jīng)發(fā)展了起來。中冷器工作溫度高，因此要求鋁合金的高強度在高溫下能 夠保持下來。這一性質并非鋁的特質，所以為適應這一要求而尋找更高強度合金的 開發(fā)工作依然在努力進行之中。7油冷器主要用于大功率發(fā)動機的油冷器以很多不同的設計形式出現(xiàn)。最初始由銅/黃銅、銅鎳或不銹鋼制成，但如今大多數(shù)是使用鋁釬焊而成。按照不同的系統(tǒng)設計， 他們可以是水冷的一一通常內(nèi)置于水箱中，或空冷的。目前真空釬焊和氣體保護釬 焊工藝都有采用但可能會逐步向氣體保護釬焊過渡。此類熱交換器的失效或泄漏造 成的后果可能是災

17、難性的，變速箱可能因此而遭到破壞。所以長壽命合金常常和標 準合金一樣使用。從美國市場趨勢看，似乎在朝采用擠壓管的聯(lián)合油冷器/冷凝器(combined oil cooler/condenser )設計發(fā)展。在歐洲，似乎結合發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的疊板式設計將會成為主流。8未來趨勢如各位所見，過去30年左右是鋁釬焊工業(yè)激動人心的時期。盡管如此，還有 很多挑戰(zhàn)存在，部分挑戰(zhàn)如下文所述。8.1更高強度隨著氣體保護釬焊成為主流，材料強度更高的要求至關重要。這一要求的原動 力是通過材料減薄節(jié)省成本。減薄水箱扁管厚度的努力仍在繼續(xù)。目前為止最為大 膽的一步可能是已經(jīng)發(fā)布的一種技術規(guī)格，要求管材厚度減薄到僅僅0.18

18、mm。實現(xiàn)這一要求需要創(chuàng)造性的方法。以CsF添加劑改進氣體保護釬焊釬劑的成分，以 便使氣體保護釬焊工藝能夠容許材料含有更高含量的鎂，將使這種努力朝著目標更 進一步。代價當然是增加了這種新型釬劑的成本。開發(fā)可熱處理合金，使合金在離 開釬焊爐時獲得淬火，也將為提高材料強度提供新的可能途徑。這類 6000 系合金 的合金化學已經(jīng)得到很好的開發(fā)并已為航空工業(yè)所掌握。不過這其中的挑戰(zhàn)是如何 使材料在離開現(xiàn)代氣體保護釬焊爐時適應其較慢的冷卻(淬火)條件。冶金專家和 釬焊爐制造商需要共同攜手開發(fā)出令人滿意的程序。8.2 釬劑敷用 釬劑敷用的備選方法正在研究之中，目前的噴涂和浸漬方式還不盡如人意。采 用輥涂工

19、藝在板材表面預敷釬劑的技術正在開發(fā)之中，試驗機已經(jīng)完成調(diào)試。據(jù)報 道，早先由熱交換器制造商完成的此類產(chǎn)品的評估結果令人鼓舞。這種在卷板上預 敷釬劑的革新給熱交換器制造商帶來諸多好處，但這種釬劑預敷卷材的生產(chǎn)留給板 材生產(chǎn)廠家的挑戰(zhàn)還是實實在在的。另外 一 種具 有革 新 意義 的方 法 是被 提議 的氟 硅 酸鉀 釬劑 (potassium fluorosilicate fluxes) ，這種釬劑可能不含傳統(tǒng)氣體保護釬焊所用的釬劑，或者只是 少量含有。這種釬劑的很大的好處是， Si 是從釬劑本身中提供的，熔化的時候在 鋁合金表面原位形成釬料金屬。這種工藝目前尚處于研發(fā)的非常早期的階段，現(xiàn)在 預

20、測其將會如何成功還為時尚早。如果商業(yè)化開發(fā)成功，那么，復合釬料板將不再 需要或者需求大量減少，傳統(tǒng)的釬焊復合板將為光板所取代，這種光板只是簡單的 商業(yè)產(chǎn)品。對客戶而言可以節(jié)省可觀的成本，但這對專業(yè)生產(chǎn)商如薩帕而言并不是 什么令人高興的場面。8.3 設計上的變化 除了工藝之外，設計上也在發(fā)生一些變化。塑料水室在水箱和暖風機芯體上廣 泛使用，但很長時間以來一直是一些問題的根源。塑料本身的裂紋或水室與水箱主 板結合處的壓合或密封經(jīng)常造成泄漏。如果能使用拉拔的鋁水室與水室焊接起來， 同時消除密封和壓合造成的問題，那么就能生產(chǎn)出既經(jīng)久耐用又價格便宜的產(chǎn)品。 這種想法在過去多年來已經(jīng)得到了幾次的嘗試，現(xiàn)在

21、隨著適用性更廣的氣體保護釬 焊工藝的應用，應該更易于獲得成功。最近的另外一種革新是折彎管（B型管，folded B-Tubes）。這使得單排水箱 扁管可以做得更寬，可以用單排管取代水箱的雙排管設計。這種扁管無需感應焊接 和管內(nèi)加強以防止塌陷。安裝和制造過程中，扁管中央的折彎可以為扁管提供剛性 支持。這種扁管的釬焊并未被證實如起先想象的那么簡單，有關完善此工藝的研發(fā) 正在繼續(xù)。這種折彎管也許同樣可用于冷凝器。8.4制冷劑在汽車空調(diào)系統(tǒng)中禁止氟利昂作為制冷劑的要求一一主要是出于環(huán)境的原因一一使幾種備選制冷劑進入人們的考慮之中。也許替代物的領先者是C02，樣機系統(tǒng)已經(jīng)完成并經(jīng)過測試。但是這種系統(tǒng)運行于比R134a系統(tǒng)高得多的壓力之下，這要求要么使用更厚的材料（從成本和重量的角度說并不讓人滿意），要么使 用強度更高的材料。據(jù)