封條式鋁合金熱交換器氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊失效分析

麥小波，范正標(biāo)，錢(qián)乙余，蘇 林

(1.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 天臺(tái) 317200;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

熱交換器是汽車(chē)、工程機(jī)械、壓縮機(jī)等設(shè)備對(duì)高溫介質(zhì)進(jìn)行冷卻必須配備的部件。熱交換器的常用材料有銅、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，熱交換器可以分為油冷器(機(jī)油、液壓油或者其他潤(rùn)滑油)、中冷器、水箱、冷凝器、蒸發(fā)器等［1－4］。

鋁合金因?yàn)榫哂忻芏刃?、比?qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、抗腐蝕性好的特點(diǎn)，在熱交換器上被廣泛地應(yīng)用，而且隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐步替代銅或鋼的材料［5－6］。

熱交換器常用的結(jié)構(gòu)有板翅式、管殼式、圓盤(pán)式、管翅式、管帶式、箱體式等［7－8］。封條式熱交換器是熱交換器中一類(lèi)特殊的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐壓高、可靠性好和換熱效率高的特點(diǎn)，可以用作油冷器、水箱、中冷器等，而且可以用于汽車(chē)、工程機(jī)械、壓縮機(jī)、發(fā)電設(shè)備等的冷卻。

封條式鋁合金熱交換器的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝是釬焊［9］。釬焊是一種釬料熔化、母材不熔化的焊接技術(shù)，釬焊具有殘余應(yīng)力小、接頭強(qiáng)度高、可以大面積同時(shí)焊接等優(yōu)點(diǎn)［10］。鋁合金熱交換器的釬焊工藝廣泛應(yīng)用的有2種，即真空釬焊和氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊。因?yàn)殇X合金的氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊使用Nocolok 釬劑［11－12］，所以又稱(chēng)為 Nocolok 釬焊。國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)封條式鋁合金熱交換器用的是真空釬焊工藝，但是與氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊工藝相比，真空釬焊工藝生產(chǎn)效率非常低，氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊在爐內(nèi)擺放的密度和升溫時(shí)間都具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且設(shè)備采購(gòu)、使用和維護(hù)費(fèi)用都要比真空釬焊低。

雖然封條式鋁合金熱交換器的氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊工藝相比真空釬焊有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其工藝研究還比較少。釬焊失效模式包括形狀變化、尺寸變化、泄漏、變色等，往往導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。釬焊合格率的高低對(duì)生產(chǎn)成本影響很大，針對(duì)釬焊失效模式，研究失效原因和解決方案，是提高合格率的直接、快速、有效的方法。

1 封條鋁合金熱交換器結(jié)構(gòu)、材料和工藝

封條式熱交換器產(chǎn)品包括水室(氣室)和芯子，其中芯子由隔板、長(zhǎng)封條、短封條、熱側(cè)翅片和冷側(cè)翅片，圖1為封條式熱交換器產(chǎn)品芯子的結(jié)構(gòu)示意圖。相關(guān)材料選擇見(jiàn)表1，材料化學(xué)成分見(jiàn)表2。

圖1 封條式產(chǎn)品芯子的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch picture of the structure of plate－and－bar product

表1 封條式鋁合金熱交換器材料選擇Table 1 Material of plate－and－bar aluminum alloy heat exchanger

水室(氣室)是熱交換器與外界連接的部分，一般是采用氬弧焊焊接到熱交換器芯子上。熱交換器芯子由于焊點(diǎn)成千上萬(wàn)，適合于釬焊連接。隔板的厚度一般是0.5～1.2mm，作用是把熱交換器隔離為2個(gè)通道，分別流過(guò)冷、熱兩種介質(zhì)，并通過(guò)隔板傳熱進(jìn)行熱交換。長(zhǎng)封條、短封條主要起到通道密封和承受力的作用，熱側(cè)翅片和冷側(cè)翅片的厚度一般是0.1～0.3mm，作用是換熱和承受力。

表2 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2 Chemical composition of material(mass fraction/%)

生產(chǎn)工藝流程:零件清洗→隔板預(yù)噴添加了粘合劑的釬劑(主要化學(xué)成分KAlF4，又稱(chēng)為Nocolok釬劑)→組裝→夾緊→進(jìn)爐釬焊。

與其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同的是，由于封條式熱交換器的零件組成沒(méi)有設(shè)計(jì)零件的自鎖固定定位，組裝時(shí)是自下而上靠模具定位依次擺放，組裝完成后依靠夾具夾緊固定相對(duì)位置，在釬焊過(guò)程中如果在連續(xù)爐中平放在網(wǎng)帶上釬焊容易隨著釬料的熔化而發(fā)生移位，所以比較適合于在批處理釬焊爐內(nèi)立式擺放釬焊(圖2)。

圖3為釬焊工藝曲線，根據(jù)產(chǎn)品大小擺放的不同，工藝參數(shù)需要適當(dāng)變化，釬焊溫度一般設(shè)定為600～630℃，保溫時(shí)間20～50 min。

2 釬焊失效模式分類(lèi)及原因分析

封條式鋁合金熱交換器在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中釬焊的主要失效模式，根據(jù)引起的原因不同，大致分為4類(lèi)，每一類(lèi)的特點(diǎn)、原因及對(duì)策如下:

第1類(lèi)失效模式是與釬焊夾具接觸的隔板發(fā)生變形脫焊，變形的間隙尺寸可以是零點(diǎn)幾到幾mm(圖4)。

圖2 封條式鋁合金熱交換器在批處理釬焊爐中的照片F(xiàn)ig.2 Picture of plate－and－bar aluminum alloy heat exchanger in brazing batch furnace

圖3 釬焊工藝曲線Fig.3 Brazing process curve

焊夾具設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成頂板的變形(圖4a)。這種由2～3mm厚的鋼板折邊而成的釬焊夾具，較節(jié)約材料，而且釬焊過(guò)程中吸熱量比較小，但是卻造成局部受力過(guò)大而使得產(chǎn)品接觸的位置變形，且釬焊夾具本身使用一段時(shí)間后也容易變形，卻很難通過(guò)整形恢復(fù)平整狀態(tài)。

解決此類(lèi)問(wèn)題的辦法，是要把釬焊夾具的設(shè)計(jì)為受力均勻、剛性好的結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中防止發(fā)生變形。一種建議方案是，用8～20mm厚度的304不銹鋼板加工成長(zhǎng)度和寬度與隔板尺寸一樣或稍微大幾mm的長(zhǎng)方體作為釬焊夾具，這樣的釬焊夾具不但可以防止變形，而且在釬料熔化后可以提供一定的壓緊力提高釬焊效果。在使用一段時(shí)間后，需要定期檢查釬焊夾具的平整度，不合格的需要矯正。

第2類(lèi)失效模式是零件移位或變形(圖5)。圖5a是隔板變形，圖5b是一根短封條移位，圖5c是熱側(cè)翅片變形抵在了長(zhǎng)封條下面導(dǎo)致長(zhǎng)封條與隔板不能接觸，圖5d則是兩層一起移位。

這些例子中一個(gè)小的變形往往導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品報(bào)廢。這類(lèi)失效模式的原因是在零件的轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)、組裝等操作過(guò)程中人為造成或者工藝、工裝不合理造成的。由于封條式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)上沒(méi)有零件的相互定位結(jié)構(gòu)，解決這類(lèi)失效問(wèn)題主要需要從管理和工藝過(guò)程控制上。需要做好作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，把失效圖片放入到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)上，并對(duì)工人進(jìn)行反復(fù)的培訓(xùn)，可以很好地防止問(wèn)題發(fā)生。

圖4 第1類(lèi)失效模式(頂板變形)Fig.4 Pictures of the first brazing failure mode(top plate deformation)

圖5 第2類(lèi)失效模式Fig.5 Pictures of the second brazing failure mode

第3類(lèi)失效模式是釬焊工藝參數(shù)設(shè)定不合理(圖6)。圖6a產(chǎn)品中間部分大幅度的凹陷下去，圖6b中翅片發(fā)生了明顯的熔蝕，圖6c的一個(gè)角完全沒(méi)有焊合(釬焊后可以直接把零件分離為圖中紅色圈內(nèi)所示)，取其中的一小塊隔板材料在金相顯微鏡下檢查截面復(fù)合層情況，圖6d顯示沒(méi)有釬焊上的隔板的釬料基本沒(méi)有熔化。

圖6 第3類(lèi)失效模式Fig.6 Pictures of the third brazing failure mode

溫度過(guò)高造成產(chǎn)品報(bào)廢，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品需要重新回爐釬焊，都會(huì)帶來(lái)大量的損失。其原因是釬焊爐溫度均勻性不好及升溫、保溫的溫度和時(shí)間設(shè)置不合理?？梢允褂霉ぜ犭娕疾迦氲疆a(chǎn)品上監(jiān)控產(chǎn)品的溫度，并且需要分別在最高和最低溫度的位置布置工件熱電偶，從而設(shè)定合理的工藝參數(shù)。由于釬料4045的液相線是590℃，而母材的固相線是543℃，所以一般應(yīng)控制工件熱電偶測(cè)量的產(chǎn)品溫度在(600±10)℃范圍內(nèi)。

第4類(lèi)失效模式是釬縫泄漏(圖7)。這類(lèi)失效模式從表面觀察不到異常情況，但在密封性測(cè)試中用0.6～2 MPa壓力下就會(huì)明顯泄漏。

對(duì)泄漏位置進(jìn)行金相分析，可以觀察到一條貫穿的空隙，配合間隙為0.07～0.1mm，隔板上還有約0.02mm的釬料殘余層，而短封條上并沒(méi)有釬料的痕跡(圖7c、圖7d)。隔板厚度為0.8mm，復(fù)合層厚度為板厚的(10±2)%，也就是復(fù)合層厚度為0.064～0.096mm。金相測(cè)量的釬焊后間隙為0.07～0.1mm，相當(dāng)于復(fù)合層的厚度，也就是說(shuō)在釬料熔化前隔板與短封條的配合間隙應(yīng)該是 ＜0.05mm。

圖7 第4類(lèi)失效模式Fig.7 Pictures of the fourth brazing failure mode

從釬焊合格的金相測(cè)量(圖8)上可以看到，0.12mm的配合間隙是完全可以填縫的。所以問(wèn)題應(yīng)該是零件的清潔或表面氧化問(wèn)題導(dǎo)致了釬料與短封條不能潤(rùn)濕，從而沒(méi)有焊合。實(shí)際上，對(duì)零件在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加工過(guò)程中防止表面氧化并對(duì)清洗過(guò)程改進(jìn)和加強(qiáng)控制后，此類(lèi)泄漏情況很少有發(fā)生。

在解決了上述4大類(lèi)失效問(wèn)題后，產(chǎn)品一次釬焊合格率由70%～80%提升到96%～98%。

3 結(jié)束語(yǔ)

封條式鋁熱交換器采用氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊工藝，比真空釬焊具有更高的生產(chǎn)效率和合格率。在生產(chǎn)實(shí)踐中，封條式鋁熱交換器氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊常見(jiàn)失效模式可分為4大類(lèi):

第1類(lèi)是釬焊夾具設(shè)計(jì)不合理造成的頂板變形，通過(guò)釬焊夾具設(shè)計(jì)改進(jìn)可以解決此類(lèi)問(wèn)題。

圖8 釬焊合格的釬縫Fig.8 Good brazing seam

第2類(lèi)是在組裝、搬運(yùn)等過(guò)程中造成的零件移位或變形，需要通過(guò)加強(qiáng)車(chē)間工藝過(guò)程管理控制來(lái)獲得解決。

第3類(lèi)是釬焊工藝不合理造成的產(chǎn)品溫度過(guò)高或過(guò)低。應(yīng)用工件熱電偶來(lái)輔助調(diào)整釬焊工藝參數(shù)，以獲得合理的釬焊工藝，試產(chǎn)品最高溫度和保溫時(shí)間處于合理范圍內(nèi)。

第4類(lèi)是釬縫泄漏，原因是零件表面清潔狀況導(dǎo)致釬料在表面不能潤(rùn)濕鋪展，通過(guò)改善和加強(qiáng)零件的清洗可以有效解決此類(lèi)失效。

針對(duì)上述4大類(lèi)失效模式，采取預(yù)防與改進(jìn)措施后，產(chǎn)品一次釬焊合格率顯著提高。

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