铝合金板式换热器真空钎焊泄漏原因分析

点击：1898 日期：[ 2014-04-26 22:01:07 ]

铝合金板式换热器真空钎焊泄漏原因分析孙荣滨马英义王国军 (东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060) 摘要:分析了铝合金板式换热器构件的预处理工艺、装配状况、复合板化学成分、钎料层厚度、真空钎焊工艺及工作环境等,找出了导致铝合金板式换热器泄漏的原因。关键词:铝合金;换热器;真空钎焊;泄漏;工艺中图分类号:TG146·21　文献标识码:A　文章编号:1007-7235(2009)03-0047-04 铝合金板式换热器(以下简称换热器)属压力容器,在其应用过程中必须满足相应的承压要求。由于其结构特点,其焊接过程只有通过真空钎焊方式才能实现。真空钎焊是在真空状态下,对结构件进行加热和保温,使钎料在适宜的温度和时间范围内熔化,在毛细力作用下与固态金属充分浸润、溶解、扩散、焊合,从而达到焊接目的的一种先进焊接方法。真空钎焊的突出优点是可连接不同的金属、实现复杂结构的同时焊接,焊接后的焊接头光洁致密、变形小且具有优良的力学性能和抗腐蚀性能。然而,真空钎焊对换热器的结构设计、装配质量,铝合金复合板(以下简称复合板)的化学成分、钎料层厚度,钎焊工艺制度、工作环境等的要求甚为严格,否则,极易出现翅片弯曲倒伏、钎缝不连续、虚焊、熔蚀、直至泄漏等质量缺陷。其中,泄漏属重大质量缺陷。 1.2　生产工艺流程 (1)备料:对复合板、翅片、封条等进行定型、定尺加工。 (2)表面处理工艺流程:碱洗→水洗→酸洗→水洗→热水洗→烘干。 (3)组装:将复合板、侧板、翅片、封条等进行机械组合成型。 (4)真空钎焊:对真空钎焊炉抽真空后进行三个阶段的加热、保温,其工艺曲线如图2所示。即:第一阶段(a)预热定温、保温;第二阶段(b)蓄能定温、保温和第三阶段(c)钎焊定温、保温;停电。待炉温降至规定温度出炉。 (5)整形:对换热器真空钎焊后的变形,采用机械法进行矫正。 (6)导流板焊接:采用氩弧焊方式焊接换热器的导流板,即换热器两端大封条位置。 (7)压力检验:采用吹入空气方式检验换热器承压能力,即泄漏检验。 (8)喷涂:对换热器进行清洗、烘干、喷涂、烘干, 改善外观质量。 (9)包装交货。 2　泄漏原因分析 2.1　换热器的装配 (1)结构件的表面预处理换热器的所有结构件在组装前均须经过表面处理即酸碱洗,以除去表层污垢、油渍、氧化膜等。污垢会阻碍构件间的有效接触;油渍在真空高温时将会分解气化,降低真空钎焊炉内真空度;由于铝合金表层氧化膜致密,其熔化温度远比基体材料的要高, 特别是复合板钎料层的氧化膜在钎焊时钎料层熔化不充分,造成不能与被焊金属完全熔合,从而影响钎焊质量。为此,必须严格控制原材料的表面预处理, 包括必要的机械清理,同时缩短钎焊前的装配时间。 (2)结构件尺寸公差复合板、大翅片、小翅片、大封条、小封条在进行定型、定尺加工后的尺寸偏差配合必须得到有效保证。翅片应控制在正偏差范围,封条则应控制在负偏差范围。否则无法保证装配后复合板在与封条紧密配合后,再与翅片间有适宜的接触面积即钎缝间隙,易造成虚焊、钎缝不连续或未焊合现象。 (3)结构件表面粗糙度及其形状结构件表面粗糙度影响毛细力。一般说来,表面过于光滑,钎料难以在整个接触面积上分布均匀, 由此产生的空穴会使钎焊强度降低,特别是封条的表面粗糙度。为了保证钎料均匀分布于接触焊缝上,结构件的钎焊面应有适宜的粗化。通常,表面粗糙度参考值可选Ra0·7mm~2·0μm的平方根为宜。另外,封条的内侧应制成30°的倒角,有利于在真空钎焊时降低焊料的表面张力,增加润湿性,减少钎焊缺陷。 (4)夹具的夹持力由于换热器装配后采用不锈钢夹具进行夹持, 而不锈钢夹具的热膨胀系数小于铝合金制品的,故夹紧力太大,易造成钎焊后翅片弯曲倒伏;夹紧力太小,翅片易松脱。故应根据具体换热器的结构设计设定适宜的夹紧力。 2.2　复合板的质量指标 (1)钎料层化学成分中主要元素的影响 Si含量:复合板的钎焊性能体现在钎料层的流动性、润湿性、间隙填充能力和焊接强度。在Al-S 合金二元相图中,温度达577℃、w(Si)=11·7%时, 发生共晶反应。当w(Si)≤11·7%时,二元合金熔化温度随Si含量的升高而降低。所以,钎料层中Si含量高时,其熔点则低。Si含量过高时,虽然可使包覆层合金熔点降低、流动性好,间隙填充能力强,但当其扩散到被焊金属界面,且使固相成分达到一定程度时,导致被焊金属固相熔化,产生熔蚀。Si含量越高,浓度梯度越大,对基体合金的熔蚀倾向也越严重;Si含量过低时,则产生相反的效果。真空钎焊用复合板的钎料层为4004铝合金,其w(Si)的标准范围为9·0%~10·5%。 Mg含量:包覆层合金中的Mg是真空钎焊必不可少的金属活化剂、吸气剂,同时在增强复合板耐蚀性方面可产生积极的影响。Mg在550℃以上时开始大量蒸发,在真空钎焊炉中形成含Mg的气氛。镁蒸气既可与钎焊气氛中剩余的氧或水蒸气中的氧结合,保护加热零件表面不致重新氧化,又能渗入到零件表面未清除干净的氧化膜中,将其去除。所以,相对于真空钎焊炉的真空度而言,真空度高时,标准含量的Mg可以起到足够的作用;而真空度低时,则需要将Mg含量控制在上限或者更高。4004铝合金的 w(Mg)=1·0%~2·0%。 (2)钎料层厚度复合板厚度及钎料层厚度的设定应与换热器的承压要求相匹配,必须结合理论计算和生产实践来制定。这里特别指出当钎料层厚度过薄时,易造成焊接强度低、焊接不牢、承压不达标等焊接缺陷;过厚时,则会造成芯层合金厚度过薄、承压不达标、甚至出现熔蚀现象导致泄漏。因此,钎料层厚度及其均匀性是衡量其质量的重要指标,也是影响钎焊质量的重要因素之一。实际应用中钎料层厚度一般控制在复合板厚度的(10±3)%为宜。 (3)复合板其它质量要求复合板在换热器中的另一个作用是作通道隔板,也有承压要求。因此,不应有影响其承压的内在、外在缺陷。内在缺陷如芯层合金的气孔、夹渣、与钎料层的焊合不良等;外在缺陷除上述表面处理不洁净外,还有在加工过程中的磕碰伤、划伤,当其深度超过钎料层厚度时,会直接破坏金属的连续性, 导致承压能力下降。 2.3　真空钎焊工艺制度在真空钎焊炉中,工件主要靠热辐射进行加热。而辐射传热有其特有的规律,即斯蒂芬玻尔兹曼定律: 上式说明,高温时即使是很小的温度差也需要很高的热能传导,即真空加热温度越高,需要传递的热量越大。说明在相同情况下真空炉内升温速度要较其他加热方式慢很多。真空加热所需时间约是空气炉的3倍、盐浴炉的6倍。因此,制定真空炉加热工艺制度时,不能照搬空气炉、盐浴炉和气氛炉的加热工艺制度。上式同时说明:真空钎焊过程中,应尽可能缓慢加热,以使换热器内外温度保持一致,否则直接影响钎焊质量。对工业化生产中的预热定温、保温,蓄能定温、保温,钎焊定温、保温以及停电降温,是既能实现上述目的又能提高生产效率的行之有效的工艺流程,其中钎焊温度及保温时间是影响钎焊质量的关键。 (1)钎焊温度:温度低时,钎料尚未达到必需的温度,钎料的流动性、浸润性均较差,易产生钎缝内部气孔、钎缝不连续、虚焊等缺陷,使钎焊接头强度降低,承压能力不达标而产生泄漏,严重时甚至会撕裂;温度高时,钎料完全熔化且流动性过大,易产生钎料氧化形成气孔和对焊缝的毛细力作用变差,造成钎料流失、熔蚀、翅片弯曲等缺陷。适宜的定温应注重焊料的流点,通常焊料的流点应比被焊金属熔点低60℃左右。此时,液态焊料对被焊金属具有良好的浸润性和流散性,能在毛细力作用下较好地填充钎焊间隙,并能与被焊金属产生良好的合金化作用,形成高强度接头。 (2)保温时间:钎焊时钎料的润湿和接头形成约需要1s~2s,因此保温时间主要由换热器心部温度达到钎焊温度所需的时间及氧化膜层消散所需时间决定。如果保温时间过短,换热器心部温度没有达到钎焊温度;时间过长,液态钎料容易使被焊金属熔蚀。 2.4　真空钎焊炉的真空度高温状态下的真空度较低时,炉内残留的O2 H2O等氧化性气体易与Al起化学反应生成质硬的氧化膜即Al2O3。Al2O3组织致密、稳定、熔点高,在普通钎焊温度下不易分解,钎料氧化后使其流动性浸润性变坏;被焊金属氧化后变得难以浸润,从而导致焊料与基体间的焊接性能恶化。故需要尽可能提高钎焊时的真空度,减少O2、H2O等氧化性气体的含量,控制Al2O3的生成量。一般要求,钎焊炉采用多温区控温,炉温均匀性为±5℃,工作真空度应保证不大于2·0×10-3Pa,预抽真空的极限真空度必须在 10-4数量级。 2.5　真空钎焊时环境状况环境中的湿度会对换热器钎焊质量造成影响在高湿度下进行换热器组装时,会有更多的水分留在翅片、隔板及封条上。将高湿度下组装的换热器放入真空炉中钎焊,水分会蒸发、释放出更多的气体,且换热器内部的水分蒸发、气体释放是个缓慢的过程。水分需要大量蒸发热,影响换热器内部的温度;水分还会影响真空度;水分将加剧铝的氧化,从而影响钎焊质量。所以在进行换热器构件表面处理、组装及钎焊前都应该保持一定的环境湿度,或采取其他方法控制由于环境湿度造成的换热器构件表面水分含量。 3　结　论通过以上的分析,为了减少或降低真空钎焊后换热器的泄漏率,应做好以下工作: (1)所用原材料应确保产品质量,要从正规、专业厂家购进; (2)严格按照工艺程序进行备料、表面处理及组装; (3)要在实践中对钎焊温度、保温时间、真空度等工艺制度进行优化并严格控制; (4)控制环境湿度。

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