壓縮機排氣管釬焊無銀化研究

徐利華，衛(wèi)國強，余偉鋒

1.廣東美芝制冷設備有限公司，廣東 順德 528333；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640

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壓縮機排氣管釬焊無銀化研究

徐利華1，衛(wèi)國強2，余偉鋒1

1.廣東美芝制冷設備有限公司，廣東 順德 528333；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640

通過化學成分設計，微觀組織觀察和焊接參數優(yōu)化，研制出一種不含Si和P元素的新型Cu-Zn釬料．研究結果表明，當上殼體排氣管孔倒角為0.5×45 °～1×45 °，焊接頭間隙0.5～0.6 mm，以Cu-Zn合金為釬料，于溫度900～950 ℃下對壓縮機排氣管釬焊，可獲得滿足壓縮機服役要求的釬焊接頭．

排氣管；釬料；界面；釬焊

目前空調壓縮機排氣管都采用銅管(為對應空調配管的焊接)，而且大都是通過釬焊(采用高含銀釬料)實現與壓縮機上殼體焊接，釬焊時行業(yè)內普遍采用含銀34%～45%的銀基釬料．在壓縮機吸排氣管的焊接上未能使用低銀或無銀釬料，主要是因為隨著含銀量的降低，釬料熔點提升，鋪展性及潤濕性下降，焊接不良率升高，導致壓縮機吸排氣管的焊縫不達標．

為解決上述問題，通過研制一種新型的釬料，再選擇合適的焊縫間隙及殼體樣式，配合新的焊接工藝，以實現壓縮機吸排氣管焊接的無銀化．

1 釬料研制

首先選用的釬料為國標黃銅釬料H60，用其對空調壓縮機排氣管與上殼體進行釬焊焊接．結果發(fā)現，不僅焊接不良率高，最為致命的是壓縮機氣密水檢時泄漏不良率遠高于量產高銀釬料的．為查明焊縫泄漏高發(fā)原因，將對H60釬料焊接的上殼體排氣管泄漏焊縫進行切割，并制成水晶膠鑲樣，用金相顯微鏡、掃描電鏡及電子探針對焊縫的釬料-鋼界面進行觀察及探測，以便研制出一種新型釬料．

1.1 黃銅釬料H60

圖1為高倍顯微鏡下觀察鋼-釬料界面形貌．從圖1可以看出，在鋼-釬料界面出現一條明顯的黑線．圖2為掃描電鏡下觀察的鋼-釬料界面形貌．從圖2可見，黑線為一條明顯的溝槽，寬度大約為1.5 μm，深度大約有1 μm．

對圖2的矩形處進行點的能譜分析(圖3)．面元素分布分析結果顯示，在鋼-釬料界面處形成了硅的化合物．根據合金相圖[1]分析，這應是硅-鐵金屬間化合物．另外，界面處存在Si的偏聚，溝槽的形成應是Fe-Si化合物引起的，而Si來自釬料．

圖1 鋼-釬料界面形貌Fig.1 Macrograph of steel-brazing alloy interface

圖2 黑線處掃描電鏡形貌Fig.2 Surface SEM images of black line

圖3 界面溝槽處點成分能譜分析Fig.3 EDS spectrum analysis of interface channel

上述原因明確后，委托釬料廠家熔煉了一爐不含Si的黃銅釬料進行釬焊試驗，并在金相顯微鏡及掃描電鏡下，對不含Si元素的釬料的焊縫進行分析．

圖4和圖5分別為高倍顯微鏡下鋼-釬料界面的形貌和掃描電鏡觀察的界面形貌．在釬料-鋼界面有一條黑線存在(圖4)，黑線為一條明顯的溝槽(圖5)，初步估計是試樣制備時出現的界面疏松脫落．為探明其成分，進一步進行電子探針確認．

圖4 含P元素樣件鋼-釬料界面形貌Fig.4 Micrograph of steel-brazing alloy interface(with element P)

試樣經腐蝕后，發(fā)現在界面處存在一條淺的溝槽，對溝槽位置進行電子探針分析，探測位置如圖6所示,所測結果列于表1．

圖6 含P元素樣件電子探針釬縫界面成分分析位置Fig.6 Welding line interface under electron probe(with element P )

探測位置元素含量w/%PFeCuZnSn譜圖11.0180.3613.065.57-譜圖20.4793.994.041.50-譜圖3-3.5067.7328.77-譜圖4-1.3359.5730.128.98譜圖5-1.3865.4231.921.28譜圖6-11.0760.7828.15-譜圖7-11.7361.6226.65-譜圖8-5.6266.3228.06-

由表1可知：在譜圖1和譜圖2處檢測到了P元素，并且Fe元素的含量極高，說明在界面出現了Fe-P金屬間化合物；譜圖3為釬焊時Fe溶入黃銅釬料中形成的α-Cu固溶體；譜圖6～8的位置為溝槽處，其成分為Cu-Zn-Fe，w(Fe)約為10%．根據Cu-Zn-Fe三元相圖，初步估計為Cu-Zn固溶體及Fe取代Zn的部分位置而形成的Cu-Zn-Fe固溶體．綜上所述，在黃銅釬料中添加微量的P元素，將在界面形成Fe-P金屬間化合物．

國標銅鋅釬料中的Si作為關鍵元素添加在釬料中，其可防止鋅蒸發(fā)及細化晶粒．此外，各釬料廠在制作銅鋅釬料時，為改善釬料潤濕性及焊縫的外觀質量，會在釬料中添加一定量的P元素．在釬料的研制過程中，對于母材為銅-鋼或鋼-鋼的材料進行釬焊時發(fā)現，Si和P兩種元素在釬料與鋼的結合界面會形成金屬間化合物，從而成為有害元素．

1.2 新研制釬料BCuMZ

經過上述分析，初步確認新釬料配方為w(Cu)=59%，w(Zn)=39%，w(Sn)=2%，不含有Si和P元素．

新研制的釬料BCuMZ用于上殼體排氣管釬焊的焊縫，在金相顯微鏡下鋼-焊縫界面形貌如圖7所示．從圖7可見，在焊縫-鋼界面無黑線存在．

圖7 鋼-銅界面形貌(焊縫環(huán)切圖)Fig.7 Micrograph of Steel-copper interface

圖8 黃銅/鋼界面顯微組織形貌(腐蝕后)Fig.8 Microstructure of steel/copper brazing interface (after corrosion)

新研制的釬料BCuMZ用于上殼體排氣管的釬焊，在掃描電鏡下鋼-焊縫界面的顯微組織形貌圖(腐蝕后)如圖8所示．從圖8可以明顯看出，界面未出現金屬間化合物(IMC)，交界面兩邊各為固溶體組織，分別為Cu擴散進入α-鐵素體中及Fe擴散進入Cu基體中，界面通過Cu和Fe的互擴散形成冶金結合，這樣的界面就類似用量產的Ag45釬料釬焊鋼時的界面形貌，同Ag釬料擁有一樣的結合機理，即冶金結合．

新的釬料配方解決了銅-鋼界面存在IMC脆性層的問題．但是新配方中由于不含Si成分，如何解決Zn的蒸發(fā)，這成了需要在工藝及設備研究中解決的問題．

2 釬焊工藝

釬料成分確定后采用不同助焊膏配方方案進行試焊，并對釬料流動性進行觀測，以及對焊縫切片進行分析．結果表明，是否添加助焊膏，對釬料流動及焊縫滲透情況無顯著影響．圖9為上殼體樣式示意圖，其中焊縫間隙D-d=0.5～0.6 mm，倒角為0.5×45 °～1×45 °．

圖9 上殼體樣式示意圖Fig.9 Schematic diagram of compressor upper shield

2.1 釬焊參數

2.1.1 焊槍加熱位置、角度及距離

釬焊機為六工步雙工位的自動火焰釬焊機，其加熱工步為第3及第4工步，第3工步用于焊縫預熱，第4工步可添加焊絲進行焊接．確認預熱溫度及加熱時間，主要考慮節(jié)拍的均衡性及釬料流動、滲透和工件的氧化程度等因素．綜合考慮并經反復試驗后確定，在第3工步將工件加熱到600 ℃左右，預熱時間10 s左右，而加熱到可送絲焊接的焊接溫度，則在第4工步的焊接工步完成．

對焊槍的加熱角度進行了研究，加熱角度分別為45°和60°(與上殼體的夾角)．結果顯示，采用60°加熱角度的焊接不良率低于45 °的．

對焊槍距離工件的高度也進行了研究．由于使用的焊接火焰焰長為150～180 mm，綜合考慮焊接節(jié)拍及焊件的氧化程度，所以使用外焰偏內的部分進行焊接，即焊槍高度距工件距離為20～30 mm．

2.1.2 焊接溫度

在不同焊接溫度下釬料的釬焊性及焊縫的泄漏率不同，當最高焊接溫度超出1050 ℃后，釬料流動性變好，焊接不良率降低，但焊縫泄漏率明顯增加．因此，將溫度控制加熱的方法引入到火焰釬焊或感應釬焊中．

為比較新研制的釬料BCuMZ與高銀釬料BAg45CuZn的焊接性，對兩者的焊接溫度(焊料熔化，母材不熔化)進行了比較，結果列于表2．由表2可知，與BAg45CuZn釬料相比，新研制的釬料可焊接的溫度范圍明顯變小，這對焊接工藝提出了更高的要求．

表2 焊接溫度對比

2.2 焊縫可靠性

2.2.1 焊縫的填充

分別用新研制的釬料BCuMZ及擬替代的高銀釬料BAg45CuZn對壓縮機上殼體與排氣管進行焊接，焊縫切片分析結果列于表3．

表3 BCuMZ釬料與高銀釬料焊縫填充情況對比

由表3可知：由于受釬料成本影響，在使用高銀釬料焊接時，會控制釬料使用量，故BAg45CuZn焊縫反面未形成R角，而新研制的釬料因成本低廉，在用量上不會進行過多的控制，從而使得焊縫飽滿，反面可形成R角，這于焊縫可靠性而言是有益的；從焊縫填充狀況看，新研制的釬料填充情況與相比較的高銀釬料的相當，兩者均填充良好．

2.2.2 焊接滲透性與焊縫泄漏率的比較

分別用含Si元素的國標銅鋅釬料H60、新研制的釬料BCuMZ及BAg45CuZn釬料焊接壓縮機上殼體和排氣管，在4.3 MPa壓力條件下進行檢漏，焊料的滲透性及焊縫氣密檢漏結果列于表4．

表4 焊接滲透性及焊縫泄漏率對比

由表4中可知，新研制的釬料焊縫泄漏率與高銀釬料的相當，明顯優(yōu)于國標銅鋅釬料H60，而其滲透不良高于釬料BAg45CuZn，但該不良產生于焊接工序，在該工序即可檢出，不會流入成品，對產品的可靠性不產生影響．新研制的釬料BCuMZ，不但具有成本優(yōu)勢，而且從加工連續(xù)性或是品質可靠性角度看，都是可以接受的．

2.2.3 機械性能對比

分別對用新研制的釬料BCuMZ及高銀釬料BAg45CuZn釬料焊接的上殼體排氣管焊縫進行測試，驗證其機械性能可否滿足使用要求．檢測結果列于表5．

表5 焊接強度對照

由表5可知，新研制的釬料上殼體焊縫的焊接強度稍低于Ag45焊縫的，其剪切應力為187.05 MPa，較Ag45焊縫的下降．但相對于壓縮機24.5 MPa的耐壓要求而言，安全裕度充分．

2.3 焊接設備功能選擇

由于無銀釬料的熔點、鋪展?jié)櫇裥?、熔化特性等較Ag45釬料的明顯變差，需要控制的焊接溫度范圍小，要求精度高．所以，用無銀釬料釬焊時，其對設備火焰及溫度控制要求較高，需配備溫度控制、高精度燃氣流量控制及焊絲熔化檢測等裝置，以確保焊接過程的穩(wěn)定性及焊接品質的可靠性．同時，考慮焊接影響因素復雜，普通焊接設備調機技能要求高，為降低量產化難度，必須考慮該工藝實施的去技能化．因此，設備方案關鍵控制如下幾點．

(1)氣體流量控制：采用控制氣體質量的方式來控制流量(使用質量流量計)，確保能夠最大限度地防止氣壓波動及環(huán)境溫度波動對流量的影響．

(2)焊接控制：首先在主動控制方面，引入紅外溫度控制裝置，通過測量工件和工裝的溫度，并將信號反饋給釬焊機，自動對加熱的時間進行補償，確保最佳的焊接溫度，提高生產效率及降低不良率；其次，從避免滲透不良產生的角度出發(fā)，引入焊絲壓力檢測裝置，通過壓力感應方式檢測焊絲是否熔化，當焊絲未熔化頂住工件時，能夠自動抽回焊絲并提示后續(xù)操作．

(3)焊接參數記憶功能：具備參數記憶、一鍵完成開機設置，對員工技能要求低，開關機及機種更換時可直接調用相應程序，一般情況下不需要調機，使得員工去技能化成為可能．

焊接設備具備上述功能后，配合適當的焊接工藝及量產管理，實現上殼體排氣管的無銀和量產化焊接將不會困難．

3 結 論

研制出一種不含Si和P的新型Cu-Zn釬料，解決了鋼-釬料界面問題，通過擴大焊縫間隙、在殼體上增加倒角及優(yōu)化焊接參數等措施解決了焊接性問題，實現了壓縮機排氣管釬焊無銀化．

量產化推廣方面，在自動火焰釬焊設備上采用紅外溫度檢測技術測量焊縫溫度，用以控制焊接送絲，有效地提高了焊接滲透率．

新型釬料有 0.3%的焊接不良率，相對于壓縮機排氣管高銀釬焊不到萬分之一的焊接不良率還有很大的差距，還需進一步優(yōu)化釬料成分及制造工藝，降低其熔化溫度，提高其焊接性能，進而降低焊接不良率，這是下一步繼續(xù)努力的目標．

[1] 長崎誠三，平林真．二元合金狀態(tài)圖集[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2004．

[2] 趙越．釬焊技術及應用[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2004．

[3] 薛松柏，顧文華．釬焊技術問答[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[4] 張啟運，莊鴻壽．釬焊手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008．

Research of silverless brazing weld in compressor air drains

XU Lihua1，WEI Guoqiang2，YU Weifeng1

1.GuangdongMeizhiCompressorLimited，Shunde528333，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineeringSouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China

A novel Cu-Zn alloy with Si and P free solder was developed by means of chemical composition design, microstructure and welding parameters optimization. The results show that brazed joints can fulfill the requirement of compressor when air drains aligned with 45 degree Chamfer for 0.5-1mm and keeping the joints clearance of 0.5-0.6 mm by flame brazing in the temperature range of 900-950℃.

exhaust pipe；solder；interface；brazing weld

2015-03-30

徐利華(1969-)，女，貴州普定人，高級工程師，本科.

1673-9981(2015)02-0101-06

TG454

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