空調(diào)加工過程火焰釬焊過燒的影響因素研究和預(yù)防

黃時華 查佳朋 方 正 阮晉如 杜 健 劉 凱

（格力電器（合肥）有限公司 合肥 230088）

前言

國內(nèi)空調(diào)行業(yè)，熱交換器、管組件焊接主要為紫銅接黃銅焊接和紫銅接紫銅焊接，此兩種焊接方式均為釬焊，而影響釬焊的因素多產(chǎn)生于現(xiàn)場環(huán)境、人員操作和生產(chǎn)輔料等。

統(tǒng)計某空調(diào)企業(yè)售后焊接類系統(tǒng)漏故障數(shù)據(jù)顯示，焊接過燒缺陷占手工焊接故障的50 %以上，為最高缺陷。焊點過燒是影響銅管強(qiáng)度和空調(diào)壽命的重大隱患之一。

1 過熱和過燒定義

1）過熱：

在加熱過程中，由于溫度過高或加熱時間長，導(dǎo)致組織及晶粒粗大的現(xiàn)象稱為過熱。

現(xiàn)象：過熱后被加熱母材表面出現(xiàn)粗糙的麻點、桔皮、晶粒大等；如圖1所示。

2）過燒：

圖1 表面粗糙

圖2 過燒凹坑

圖3 晶粒粗大

當(dāng)金屬在近于熔化溫度下加熱或嚴(yán)重過熱時，晶間局部低熔點組員熔化或晶界弱化現(xiàn)象稱為過燒。

現(xiàn)象：表面粗糙、凹坑、熔蝕，晶界變粗、變直，甚至出現(xiàn)裂紋，還會出現(xiàn)易熔化和氧化薄膜層，使金屬結(jié)合力大大降低；如圖2、圖3所示。

2 熱加工變形

紫銅管在加熱情況下，隨著溫度的升高，變形抗力通常都不斷下降，塑性升高（有些合金在某溫度范圍內(nèi)塑性反而隨溫度的升高而降低，這就是脆性區(qū)）。在熱加工時要避開脆性區(qū)，以防材料的破壞，如圖4所示。

圖中可見在400～600 ℃之間出現(xiàn)低塑性區(qū)，即脆性區(qū)。

在廠內(nèi)釬焊使用的焊料為硬釬料（熔化溫度高于450 ℃），在焊接添加焊料熔化的過程為銅合金的脆性期，在此階段應(yīng)避免焊接點受力、晃動、局部受熱，添加焊料期間應(yīng)均勻加熱，防止定點加熱造成過燒。

3 失效機(jī)理研究及分析

1）助焊劑添加不當(dāng)

我公司使用的助焊劑為無色透明或微黃色液體、有特殊氣味，無可見雜質(zhì)。其主要成份為：硼酸三甲酯+甲醇（（CH3O）B），硼元素含量：6.5 %～7.2 %；比重：0.82 ～ 0.95 Kg/M 。

硼酸三甲酯在高溫條件下，與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出二氧化碳，水蒸氣和三氧化二硼，反應(yīng)方程式如下：

2(CH3O)3B +5O2= 2CO2+ B2O3+9H2O（汽態(tài)）

三氧化二硼(又稱氧化硼、硼酸酐) 為無色玻璃狀晶體或粉末。

助焊劑主要作用是清除母材表面雜質(zhì)增加焊料流動性，若過量添加銅管表面會產(chǎn)生大量白色晶狀硼化物阻礙焊料的流動，焊料無法正常熔深，員工會延長加熱時間造成焊點過熱或過燒。

助焊劑調(diào)節(jié)方法：

①當(dāng)焊接樣件表面光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區(qū)保持本色或紅色，說明助焊劑添加適量，可以進(jìn)行焊接；如圖5、圖6所示。

②當(dāng)焊件表面發(fā)黑，產(chǎn)生較多氧化皮，說明助焊劑添加不足，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)閥門，加大助焊劑流量；

③當(dāng)焊接時有白色粉末噴出或焊料難加上去，說明助焊劑添加過多，這時可以適當(dāng)調(diào)小閥門，減小助焊劑流量。

助焊劑正確調(diào)節(jié)焊接：火焰燃燒顏色呈明亮的綠色火焰；焊縫外觀光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區(qū)保持本色或桔紅色；

2）火焰調(diào)節(jié)不當(dāng)

圖4 表面粗糙紫銅在不同溫度下的拉力試驗值

圖5 助焊劑正常調(diào)節(jié)

圖6 焊接后銅管呈本色或桔紅色

圖7 中性焰焊接

圖8 氧化焰焊接

火焰釬焊是利用可燃?xì)怏w與氧氣，在焊炬內(nèi)混合噴出燃燒的火焰進(jìn)行加熱的—種釬焊方法。在火焰釬焊完成釬料熔化和流動所需要的熱量是靠燃?xì)饣鹧鎭韺崿F(xiàn)的，燃?xì)馀c氧或空氣燃燒形成火焰，直接加熱工件。燃?xì)獍ㄒ胰矚狻錃?、丙烷氣和液化氣等。隨著氧氣與燃?xì)獾谋壤煌?，火焰的特性也不同，常用的火焰狀態(tài)是還原焰和中性焰?？照{(diào)焊接操作中以中性焰為主，如圖7所示。

釬焊過程火焰調(diào)節(jié)為氧化焰極易產(chǎn)生過燒；氧化焰溫度可達(dá)2 600～2 850 ℃，火焰結(jié)構(gòu)分為焰心、內(nèi)焰、外焰三部分，當(dāng)氧氣與可燃?xì)怏w的混合完全反應(yīng)后，會有大量的氧氣剩余，這種火焰就是氧化焰；如圖8所示。

為避免因調(diào)節(jié)氧化焰造成的過燒現(xiàn)象，實際釬焊過程中，推薦采用中性焰焊接，紫銅接紫銅焊接可適當(dāng)降低氧氣混合量以控制火焰溫度，氧氣壓力不超過0.6 MPa（設(shè)計值：0.4～0.7 MPa）；黃銅接紫銅焊接根據(jù)實際生產(chǎn)情況，結(jié)合母材狀態(tài)可調(diào)節(jié)為氧化焰進(jìn)行焊接，但需注意調(diào)整加熱方式及加熱時間。

3）焊接操作

紫銅接紫銅焊接主要使用銅磷釬料（BCu93P），磷在焊接過程中主要起到除雜、增加流動性的效果，磷易揮發(fā)，含量偏高會引起焊縫中氣孔偏多聚集，磷含量少則影響焊料的流動性。

為驗證磷在釬焊中成分含量的比重，取銅磷BCu93P焊條2根做焊前與焊后的成分對比，見表1：

①、取銅磷BCu93P焊條1根，以20 mm為標(biāo)準(zhǔn)截取5段鋪成一個平面再鑲嵌，焊條鑲嵌后在NO1000的砂紙上研磨平整后，做成分檢測磷含量為6.9 %。

②、取銅磷BCu93P焊條1根，使用焊槍燒熔焊料均勻的滴在鐵板上，聚集成直徑為約10 mm的餅狀釬料塊，做成分檢測磷含量為3.7 %。

根據(jù)以上實驗驗證分析，銅磷焊條BCu93P經(jīng)焊接后磷含量由6.9 %下降至3.7 %，在焊接過程中損失3.2 %，由此可見，釬料在熔化后磷流失量較大，會造成焊料流動性差，持續(xù)焊接加熱易造成過燒，見圖9。

釬焊過程導(dǎo)致磷損失的主要錯誤操作有：

①、從焊點正面加焊，此種焊接方式必然產(chǎn)生火焰直接燒熔焊料，而在焊料在熔化的過程中磷損失量較大。

②、加熱點和焊料添加點過高，使焊料距管口上方15 mm到20 mm的銅管處燒熔流下，待焊料流至管口處大部分磷已損失，直接導(dǎo)致焊接流動性差，易形成虛焊和焊料不足，若持續(xù)加熱易造成焊點過燒。

4）焊點二次受熱驗證

取∮7冷凝器部件用焊槍（氧氣壓力：0.6 MPa）中型焰分別加熱彎頭焊點2 s、4 s、6 s具體情況見圖8～圖16。

①用焊槍外焰加熱2 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料未熔化，解剖后焊點無焊料下沉、焊料回流現(xiàn)象，管壁晶粒在0.130～0.150 mm之間，未過燒；見圖10、圖11、圖 12。

②用焊槍外焰加熱4 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料未熔化，解剖后焊點無焊料下沉、焊料回流現(xiàn)象，管壁晶粒在0.130～0.150 mm之間，未過燒；見圖13、圖14、圖 15。

③用焊槍外焰加熱6 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料處于半熔狀態(tài)，解剖后焊點焊料下沉2～5 mm、內(nèi)壁焊料回流6～13 mm；管壁晶粒在大于0.180 mm之間，嚴(yán)重過燒；見圖16、圖17、圖18。

表1 焊前與焊后銅磷焊條中磷成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位%）的變化

圖9 焊前與焊后磷成分變化示意圖

由以上對比實驗可見，使用中性焰按正常方式返修均勻二次加熱彎頭，在2～4 s內(nèi)彎頭未過燒，加熱6 s后焊點內(nèi)壁出現(xiàn)下沉、回流、流失，且彎頭管壁嚴(yán)重過燒，因此彎頭返修加熱時間應(yīng)保持在2～4 s之間為宜。

4 預(yù)防措施

1）使用正確的加熱方式；

用中性焰的外焰加熱焊件，焰芯距焊件表面應(yīng)保持15～20 mm的距離，作左右擺動，使接頭均勻加熱。釬焊厚薄不同的焊件時，預(yù)熱火焰應(yīng)指向厚件，以防薄件熔化。

2）釬料添加要求

焊件預(yù)熱到630～780 ℃時將釬料與焊件接觸，利用焊件的高溫使釬料熔化。不能用火焰直接加熱釬料，應(yīng)加熱焊件，使釬料接觸焊件熔化。

待液態(tài)釬料填滿間隙后，移開焊料，同時火焰焰芯與焊件的距離應(yīng)加大到35～45 mm，以防釬料過熱或焊件過燒，從而使接頭的性能變壞。釬焊后的零件，須待釬料凝固后方可挪動位置。

圖10 外焰加熱2 s

圖11 加熱2 s焊點解剖

圖12 加熱2 s管壁晶粒

圖13 外焰加熱4 s

圖14 加熱4 s焊點解剖

圖15 加熱4 s管壁晶粒

圖16 外焰加熱6 s

圖17 加熱6 s焊點解剖

圖18 加熱6 s管壁晶粒

3）助焊劑調(diào)節(jié)至合適范圍

助焊劑正確調(diào)節(jié)焊接：火焰燃燒顏色呈明亮的綠色火焰；焊縫外觀光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區(qū)保持本色或桔紅色；

4）合理調(diào)節(jié)焊接火焰及加熱時間

根據(jù)焊接母材的不同，可通過調(diào)整焊接參數(shù)、火焰進(jìn)行規(guī)避焊接過燒；如紫銅接紫銅焊接，母材壁厚較薄，火焰必須使用中性焰，同時氧氣壓力可適當(dāng)降低，防止過燒；部分紫銅接黃銅焊接，黃銅母材較厚，預(yù)熱時間長，可調(diào)整為氧化焰，采用合理的焊接手法防止過燒。

5 結(jié)論

綜上所述，影響紫銅管焊接產(chǎn)生過燒的主要因素有：助焊劑添加不當(dāng)、火焰調(diào)節(jié)不合適、焊接操作不規(guī)范及返修二次受熱時間過長等。其中在焊接過程中銅管經(jīng)過“脆性期”時應(yīng)把握好焊點均勻受熱和保溫過程。過燒的產(chǎn)生原因均來自于員工的焊接基本功、焊炬調(diào)節(jié)和輔助材料的使用，在日后的檢查培訓(xùn)過程中逐步完善，從細(xì)節(jié)鞏固員工的焊接技術(shù)。