换热器铜管钎焊工艺

点击：1879 日期：[ 2014-04-26 21:39:19 ]

p; 换热器铜管钎焊工艺周斌（安徽省芜湖市基伊埃工业热交换器系统(芜湖)有限公司，安徽芜湖241007）摘要：随着现代工艺技术的发展，钎焊技术应用越来越广，特别是在换热器行业，钎焊得到了迅速的发展，无论在钎焊工艺方面，还是钎料及钎剂的成分方面都有新的突破。本文针对换热器行业的特点，通过对钎焊的机理及其工艺特点进行了全面的评述，提出了采用低银钎料，取消钎剂，并加入气体助焊剂的改进措施，在生产中实施后，提高了产品质量，取得了良好的生产效益。关键词：钎焊机理；润湿作用；毛细作用；钎料；工艺措施；焊接质量换热器用小口径紫铜管钎焊焊缝间隙很小，钎料难以填满钎缝，要获得良好的钎料接头，必须深入理解钎焊的机理、认真选好钎料和采取有效的工艺措施。本文对换热紫铜钎焊进行了选材分析和工艺研究，在工程中实施后，取得了成功。 1·钎焊机理钎焊是利用熔点比焊件金属低的钎料作填充金属，适当加热后，钎料熔化将处于固态的工件联接起来的一种焊接方法。即使在母材不溶化的情况下，钎料熔融、润湿及填满两母材连接处的间隙，形成钎缝，得到牢固接头。但钎焊时并非任何液体金属均能填充接头间隙，必须具备一定的条件，此条件就是润湿作用和毛细作用。 1.1钎料的润湿作用钎料的润湿作用。湿润是液态物质与固态物质接触后相互沾附的现象。液体处于自由状态时，为使其本身处于稳定状态，会力图保持球形的表面。当液体与固体接触时，这种情况将发生改变，其变化取决于内部的凝聚力和液固两相间的相互关系。如果内聚力大于附着力，则液体不能粘附在固体表面上，当附着力大于内聚力时，液体就能粘附在固体表面，即发生润湿作用。钎焊时，熔态钎料如果不能粘附在固态母材表面，就不可能填充接头间隙，只有在熔态钎料能润湿母材，间隙作用才有可能实现。熔化的钎料要润湿固体金属表面必须具备两个条件：（1）液态钎料与母材之间应能相互溶解，即两种原子具有良好的亲和力。通常两种不同金属互溶的程度取决于原子半径及它们在元素周期表中的位置和晶体类型。一般地，周期表中位置相近，晶格类型相同，它们互溶的比例就大。此外，还与两者原子之间的半径有关。液态钎料与母材间如有一定的互溶度，通常能很好润湿；反之则较难润湿，因此，对合金钎料，各成分与母材的相关系决定了合金钎料与母材润湿的综合效果。钎焊时，熔态钎料如果不能黏附在固态母材的表面(即不润湿母材)就不可能填充接头间隙。只有在熔态钎料能润湿母材的情况下，填隙作用才有可能实现。因此钎焊过程中，不但希望液态钎料能够润湿母材，而且希望在母材上铺展。也就是钎料与母材不断相互溶解、扩散的过程。实践证明，液态钎料和母材有不大的互溶度则更有利于铺展。互溶度过大，铺展性能反而差，这是因为过大的互溶度将使液态钎料向母材晶间中渗透而难以向表面铺展。液态钎料如果和母材间产生金属间化合物也有利于二者的润湿，但化合物的量过大，铺展反而较差，同时使得钎缝强度和韧性降低，甚至促使钎缝产生间隙腐蚀。（2）钎料与母材表面必须“清洁”，这里的“清洁”是指钎料与母材两者表面没有金属氧化层，更不应有污染。这是因为金属氧化层的存在，妨碍了钎料的原子与母材直接接触，使液态钎料团聚成球状，形成了不润湿现象。衡量钎料对母材润湿能力的大小，可以用钎料(液相)与母材(固相)相的接触夹角来表示，液、固两相的切线夹角Φ为润湿角(接触角)。只有液态钎料填能润湿母材，即cosΦ为正值液态钎料才能流入钎缝；反之则不能润湿母材。 1.2毛细作用钎焊作用是毛细作用的过程，即钎焊时液态钎料不是单纯地沿固态母料表面铺展，而是流入并填充接头间隙，通常间隙很小，类似毛细管，钎料就是依靠毛细作用在间隙内流动。因此，钎料的填缝作用取决于它的毛细管作用性质。同时钎焊母材表面的粗糙度对其作用也有明显的影响，钎料在粗糙表面的润湿性比光滑表面好。这是由于纵横交错的细槽，对液体钎料起特殊的毛细作用，促进了钎料沿钎焊面的流动。钎料填充毛细间隙的能力可根据液体钎料在垂直或倾斜安置的母材板构成的缝隙之间上升的高度来衡量。一般认为，上升的高度越高及填充的间隙越大，则钎料充满间隙的能力越好。 2·钎料及其选用 2.1钎料钎料是钎焊时形成钎焊缝的填充金属，钎焊的质量很大程度上取决于钎料的性能，为了达到润湿和毛细作用，应满足以下要求：（1）钎料合适的熔化温度，钎料的熔点一般应低于母材的熔点40－60℃，若接头在高温下工作时，钎料的熔点应高于工作温度；（2）钎料在钎焊温度下能很好地润湿母材并具有与母材相互扩散溶解的能力，以利于填满接头间隙，获得牢固的钎焊接头；（3）与母材有适当的相互扩散和溶解能力，便于获得牢固的钎焊接头；（4）组分稳定，均匀，不含对母材和人体有害的元素；（5）钎焊接头应满足产品的技术要求。如机械性能（常温、高温或低湿下的温度、塑性、冲击韧性等）和物理化学性能（气密、导电、导热、抗氧化、抗腐蚀、色泽等）方面的要求；（6）应考虑钎料的经济性，尽量少用或不用稀有金属和贵重金属。钎料可按熔点分为两类，一种是熔点在450℃以下的钎料称为软钎料，又称为易熔钎料，常见的有锡、铅、铋、铟、镉、锌及其合金，接头的强度较低，一般不超过70MPa，只用于钎焊受力不大或工作温度较底的工件。常用的这类焊料为锡铅焊料。另一种是熔化温度在450℃以上的钎料，称为硬钎料，根据硬钎料成份及用途可分为铝基钎料、银钎料、紫铜及黄铜钎料、铜磷钎料、低银铜磷钎料、耐热钎料和贵重金属钎料等,为了保证钎焊接头具有较高的强度及在在较高温度下工作，必须用硬钎料进行钎焊。 2.2钎料的选用应根据钎焊接头的使用要求和母材的种类来选择合适的钎料和钎剂，对于管径小的紫铜管钎焊，应采用流动性能好、导热性好，能充分发挥毛细作用的钎料，为此选用B-Cu89PAg低银铜磷钎料。该钎料含磷5.8%－6.7%、银4.8%－5.2%、其余为铜。铜中加磷起到两个作用：一是大大降低熔点；二是银、磷可以还原氧化铜和氧化银，还原后的五氧化二磷与氧化铜形成复合化合物，在钎焊温度下呈液态覆盖于金属表面防止金属继续氧化，具有自钎剂的作用。银的加入也可以降低溶点，且提高钎焊接头抗拉强度。低银铜磷钎料的熔点低，流动性能好，能充分发挥毛细的作用填满间隙，选用此料较为合适。 3·钎焊工艺措施和焊接结果 3.1钎焊工艺措施（1）焊前处理。先把所需焊接的换热管焊接焊口端表面除去油污、杂物，用细砂布擦去氧化皮，再用酒精、丙酮等有机溶剂清洗，最后用毛巾擦干，立即进行钎焊,以避免焊件在常温下发生氧化。为保证钎焊接头间隙，对钎焊接头的接合面应达到合理的表面粗糙度要求，一般应达到Ra6.3um左右。（2）钎焊接头预留间隙的选择。钎焊接头预留间隙的大小与母材和选用的钎料的种类，以及钎焊方法、钎焊温度和钎料的安装方式均有关。组对时不能强行组对，要保留一定的间隙作为钎缝，见表一。间隙小，抗拉强度高；间隙的增大，抗拉强度降低。这是由于母材强度比钎料高，处在狭小间隙中的钎料层，在受力发生变形时，受到高强度母材的限制的结果。在一定的范围内，减小钎缝间隙可以提高钎缝的致密性，合适的钎焊接头间隙能使接头得到其最高的强度。必须指出钎焊工艺中，钎焊间隙的大小及其控制是十分重要的，所以选择符合标准规格的铜管尤为重要。（3）钎焊接头的装配和定位方法。钎焊接头装配时，接头形式为插入式，可采用专用的扩口器将换热芯组铜管束两端扩口，按图纸要求将铜管弯件连接至芯组管束内,连接应由内到外分次进行，待内部施焊完毕方可连接外部直至最外部。（4）钎焊前要进行预热，预热根据管径和壁厚大小而定，一般预热至暗红色为合适，预热温度一般为450℃左右。（5）热源采用氧、乙炔气体，中性火焰或轻微的碳化焰，淡兰色的中性焰适于紫铜和黄铜的及紫铜和紫铜的接头，采用双嘴钳式焊炬；焊丝直径φ2、焊嘴规格H01－2和、乙炔流量100-140L/h±10%，焊接加热时，使钎焊区均匀加热，温度控制在650℃-750℃之间（橘红色）。在钎焊过程中，先用外焰离外管件12～25毫米处加热外管件，必须用外焰加热钎件，内焰应离钎件18～25毫米，如换热管的管径较小，焊炬火焰可以同时包容内管件和外管件，以尽可能均匀的速度加热两件至钎焊温度。前后和左右摆动焊炬，保持两件于钎焊温度和均匀的加热。这样可以防止热斑的出现及接头过热或加热不足，当紫铜变得橘红时，表明已达到钎焊温度；如变得鲜红，则金属已过热，为了使钎料充满整个接缝间隙，应用氧乙炔焰的外焰沿换热管接头处均匀加热，切不可直接加热钎料，否则熔化的钎料未流入接缝间隙就会迅速凝固，使钎焊焊缝不能填满。气体助焊剂及钎焊装置的使用,使助焊剂以气体形式加入焊接火焰中，在焊接时，火焰加热部分有助焊剂存在，实现了添加助焊剂自动化。（6）施加钎料时必须保持钎料清洁，脏的或受腐蚀的钎料会在接头区域产生夹杂，熔化的钎料会向高温区域流动，注意在紧挨接头处添加钎料。达到钎焊温度才可加钎料，如添加钎料时，钎料只是附于钎件表面而不熔化，表明尚未达到钎焊温度，需继续加热。（7）钎焊完成后，将钎焊件置于净水中，使钎焊件的温度降低，以免钎焊件在高温状态下被氧化；若钎焊换热芯组中无法直接置于净水中，钎焊后用湿布或湿海绵包附钎焊接头降温。并用水、毛刷把残留在焊缝表面的熔渣清洗干净，同时用压缩空气将其吹干，以防腐蚀。 3.2钎焊的焊接结果 3.2.1钎焊的焊接质量。检查焊接质量、焊接接头外观达到如下要求（1）焊缝所形成的角焊缝饱满、过渡圆滑、美观。（2）焊缝表面没有裂纹、气孔、咬边和未熔合等缺陷。（3）钎焊接头常见的缺陷有：填隙不良、部分间隙未填满、气孔、夹渣、开裂（包括母材开裂）、钎料流失和溶蚀。 3.2.2钎焊质量的检验钎焊接头的检验方法可分为无损检验和破坏检验等。下面主要是无损检验的方法：（1）外观检查。（2）着色检验和荧光检验。这两种方法主要用来检查因外观检查发现不了的微小裂纹、气孔、疏松等缺陷。（3）射线探伤。用来判定接头内部的气孔、夹渣、未钎透等缺陷。（4）超声检验。超声检验所能发现的缺陷与射线检验相同。（5）密封性检验。分3种，即水压检验适用于高压，气压检验适用于低压，煤油检验适用不受压容器。 4·结论（1）对于小管径换热器紫铜管的钎焊，由于钎焊间隙小，选用低银铜磷钎料能充分利用毛细作用填满钎缝，是钎焊这种小管径铜管的合适、有效的钎料。（2）合适的钎焊间隙、正确的火焰加热过程和正确的添加钎料的方法是保证钎焊质量的关键。（3）钎焊工艺措施严格按下列顺序：焊前处理、预热、钎焊和焊后处理。（4）所采用的工艺过程的实质是确保焊接接头加热、加料均匀，得到理想的毛细作用，钎料达到内件的根部。（5）采用气体助焊剂使换热器钎焊接头不易被腐蚀，同时保护工件金属和钎料在施焊过程中不被继续氧化。提高焊接接头质量提高生产效率，节约成本。参考文献 [1]赵越．钎焊技术及应用．北京，化学工业出版社，2004： [2]周炳森．新编金属焊接实用技术百科全书．北京：化学工业出版社，2006： [3]张启运，庄鸿寿．钎焊手册．第二版，北京：机械工业出版社，2008： [4]张学军．航空钎焊技术．北京，航空工业出版社，2008： [5]邹僖．钎焊．北京：机械工业出版社，1998： [6]中国机械工程学会焊接学会编．焊接方法及设备．北京：机械工业出版社，2001：

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