汽车换热器钎焊工艺研究.pdf

2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application汽车换热器钎焊工艺研究张磊，雷冬（比亚迪汽车工业有限公司，西安 710000）铝换热器的生产主要通过钎焊完成，其原理是加热熔点低于焊接金属的 Al-Si 共晶钎料，使其融化成液态填充焊接缝隙，以此连接焊件。由于这种钎料的钎焊温度基本在 600 益以上，非常接近于合金固相线温度，易发生溶蚀的现象1-3。已有较多文献对影响铝合金钎焊质量的因素进行研究。包括添加不同比例 Ge、Cu、Si、Zn 元素，开发低温钎剂，降低钎焊温度，减少溶蚀。具体以 Al-Si 共晶钎料为基础，添加 10%Ge、20%Cu 使 Al-Mg、Al-Mg-Si合金的钎焊温度降至 530 益以下；添加 15%Cu 和 4%Ni 使钎剂液相线温度降至 515 益；添加 1.0%Cu 或 Sn使 4343 合金钎焊温度降低 1520 益4-6。随着钎料中Cu、Si、Zn 含量的增加，焊接接头强度会相应升高，但是 Zn 元素增多会降低合金的腐蚀电位，降低零件抗腐蚀性能。如果使用 Al 元素含量低于 8%的 Al-Zn 钎料进行钎焊，3003 铝合金的火焰钎焊的接头成型效果较好，由于焊缝的金属固溶强化作用，焊缝的显微硬度会比母材高一点7-9。也有针对真空钎焊中不同的焊接温度、升温速率、保温时间和炉内氧含量等条件，分析其对产品钎焊质量的影响。其中保温时间适当加长，可减少 Si 偏聚，增强焊缝强度；炉内氧含量降低，钎剂去膜能力增强，可提高产品爆破压力；钎焊温度升温较快，均匀化处理温度较高时，铝芯材的晶粒均匀细化，可适当提高产品屈服强度3，10-11。以上研究主要从理论或实验阶段进行钎焊研究，文献中提到的低温钎剂或延长保温时间等热处理改善措施，因成本和生产效率问题，工业生产中暂未普遍应用。本文针对某款汽车换热器的钎焊工艺过程进行分析，结合实验测试及生产应用，优化钎焊工艺参数，提高换热器钎焊的合格率，以期对后续的生产提供一定的技术参考。1换热器钎焊过程换热器钎焊生产时，常用隧道式钎焊炉，钎焊炉分为烘干区、预热区、钎焊区及冷却区，产品依次随钎焊炉网带进入炉内焊接。某款换热器钎焊时网带速度1 400 mm/min，氮气流量 25 m3/h，炉内氧含量 20 PPM。钎焊时的钎焊温度设定参数见表 1。产品焊接采用3003 芯材与 4343 皮材。第一作者简介：张磊（1991-），男，工程师。研究方向为汽车空调系统开发。摘要：为了改善换热器钎焊质量，设置 608、611、614 和 617 益的 4 组钎焊温度，观察焊缝金相及测试材料性能。结果显示随着钎焊温度的升高，材料的屈服强度会因为材料晶粒增长而逐渐减小。适当升高钎焊温度在 611614 益之间时，焊缝溶蚀少，气密检测合格率与爆破压力较高，焊接质量较好。该文提供一些钎焊质量优化措施，利于生产时参考执行。关键词：汽车；换热器；钎焊温度；铝合金；焊缝金相中图分类号院TG457.14文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0054-04Abstract:This study aims to improve the quality of brazing for heat exchangers by setting four different brazing temperatures(608 益,611 益,614 益,and 617 益冤 and observing the microstructure and properties of the test materials.The results showed thatincreasing the brazing temperature resulted in decreased yield strength due to the growth of material grains.However,when thetemperature was raised between 611 益 and 614 益,the weld corrosion is less,the qualified rate of airtight inspection and blastingpressure are higher,and the welding quality is better.This paper provides some measures to optimize the brazing quality,whichcan be used for reference in production.Keywords:automobile;heat exchanger;brazing temperature;aluminum alloy;weld metallographyDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.01354-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期换热器经钎焊后出炉，部分产品存在翅片与扁管溶蚀焊化的现象，使用 2 MPa 氦气压力进行气密检测，发现集流管与扁管部分区域泄露的问题，如图 1 所示。、渊a冤钎焊入炉渊b冤焊接缺陷图 1钎焊入炉及焊接缺陷根据已有文献及生产经验，产品此时的问题主要是由于钎焊温度过高，钎剂流动性加强，Si 元素大量聚集，导致产品溶蚀泄露。为了满足产品钎焊的需求，固定现有网带速度，理论可通过降低钎焊温度解决溶蚀问题。但是钎焊温度及保温时间一定程度会影响产品芯材的晶粒均匀化程度，导致材料的强度性能呈现不同的状态10，为了将钎焊温度设定在最有利于产品性能的状态，需针对新工艺参数焊接后的样件进行金相测试，观察产品的焊缝状态后再确定钎焊温度调整范围。为此改变钎焊区的温度设定，焊接实验样件，每组焊接 20 个，焊接 4 组，焊接后的样件如下进行处理，焊接实验参数见表 2。一是样件进行线切割，对焊合面打磨、抛光、酸蚀后，进行焊缝金相观察，并测量芯材晶粒大小变化。二是测量不同焊接温度下的芯材屈服强度。三是针对样件进行气密检测和爆破测试。预热 1 区 预热 2 区 钎焊 1 区 钎焊 2 区 钎焊 3 区 钎焊 4 区 钎焊 5 区 钎焊 6 区 580 590 605 615 620 620 610 605 表 1钎焊温度益编号 钎焊 1 区 钎焊 2 区 钎焊 3 区 钎焊 4 区 钎焊 5 区 钎焊 6 区 1 600 605 608 608 605 600 2 605 608 611 611 608 605 3 605 610 614 614 610 605 4 605 612 617 617 610 605 表 2实验温度2结果及分析经处理过的样件金相如图 2 所示，可以看出随着焊接温度的上升，钎剂中的 Si 元素会顺着晶界逐渐聚集，导致焊接面开始溶蚀，出现零星的凹坑，直到 617 益时，溶蚀凹坑显著增大。608 益时，焊缝与芯材的分界面较为清晰，焊接温度继续升高，钎剂中的金属元素向芯材扩散增强，611 益时焊缝与芯材边界出现参差交错的现象，焊缝较宽，此时焊接强度较高。614 益到 617 益时，钎剂流失加剧，焊缝的宽度逐渐降低。渊c冤614 益渊d冤617 益图 2不同温度下的焊缝金相渊a冤608 益渊b冤611 益益55-2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application以上现象主要原因是液态钎剂靠毛细作用填充焊缝，温度轻微升高时，液体的表面张力减小，流动性增强，液态钎剂浸润性增强，利于液态钎剂的填充。温度过高时，又会造成钎剂流失严重，导致焊缝变窄。对于不同的焊接区域，竖直焊缝由于重力和毛细作用的相互影响，焊接温度不能过高，否则会导致钎剂浸润性过高，造成钎剂流失严重。平铺的焊缝可适当提高温度，使得钎剂填充焊缝饱满12。样件钎焊后，测量其芯材晶粒大小及屈服强度，测量结果如图 3 所示。图 3晶粒大小与屈服强度变化趋势晶粒平均截距测量可以看出，芯材随着焊接温度的升高，晶粒也在逐渐增大。晶粒越小，晶界越多，由于晶界渗透发生的溶蚀越严重13。晶粒在增大时，晶界减少，一定程度上有助于缓解产品溶蚀的发生，611 益时的金相图，溶蚀发生的数量及面积稍微降低。温度继续上升，钎剂流动性和 Si 扩散加剧，溶蚀会开始加剧。钎焊后的产品整体屈服强度会比钎焊前减小，这是由于芯材晶粒增长的原因14，并且随着钎焊温度进一步升高，屈服强度也会进一步减小，但是整体减小的数值并不是很大。每组温度钎焊产品后进行气密检测，每组样件挑选 1 个产品进行爆破测试，统计气密检测合格率及爆破压力，结果如图 4 所示，爆破泄露点如图 5 所示。根据统计结果可看出，焊接温度设定在 611 益及614 益时，产品的整体气密检测合格率均在 95%。608 益及 617 益时，焊接合格率为 90%及 85%，可能原因是608 益时，有部分焊接区域焊缝不饱满产生虚焊，导致无法通过 2 MPa 的氦检气压，617 益时，则因为溶蚀影响，导致泄露。以上温度的气密检测合格率数值差别较大的原因是样件的数量较少导致。图 4气密检测合格率与爆破压力图 5爆破泄漏位置3钎焊工艺改善产品在钎焊炉内主要通过辐射热升温，内部靠热传导。由于翅片与扁管的辐射热接收面积比集流管与扁管区域要大得多，翅片与扁管的升温及降温速率比扁管和集流管要快，也就更快达到钎焊的温度点15。当翅片与扁管在钎焊温度下保持时间过长时，可能发生焊料流失，或者由于钎剂喷涂较厚，钎剂中的 Si 元素聚集严重，导致翅片部分区域溶蚀。因此在生产中，要保证各焊接区域的升温速率与最高温度保证一致，避免某些区域已经发生溶蚀，其他区域仍处于钎焊欠温的状态。上述样件实验结果表明，钎焊温度最高点设定在611614 益之间时，焊缝溶蚀少，且与芯材的融合较好，芯材屈服强度减弱较少，整体的焊接质量高。翅片与扁管的焊接，在喷淋钎剂时，应考虑适当减少钎剂的喷涂流量，原有喷涂流量为 1 L/min，减少到0.8 L/min，增大喷涂气枪的喷涂气压由 2 MPa 增加到2.5 MPa，使得钎剂在扁管及翅片间的附着更加均匀，5.68泄漏点56-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期避免局部钎剂喷涂过厚，导致 Si 元素聚集，溶蚀翅片的现象发生。钎焊主要靠毛细作用将液态钎料吸入焊缝，焊接区域的配合间隙越小，毛细作用越大，焊料铺展的长度越大。配合间隙增大，毛细作用减弱，液态钎料的铺展受阻，导致其在焊缝中铺展较短，造成钎料流失或聚集，无法有效填充焊缝所有部位，焊接泄露16。因此产品设计时，优先要考虑钎焊工艺要求，将零件配合间隙设计合理，优先满足小于等于 0.2 mm 的零件配合间隙。一些常见的钎焊问题处理方法见表 3。现象图示原因分析处理方法溶蚀焊接温度过高降低钎焊温度或调快钎焊速度吸热不均匀调整产品摆放间隙溶蚀部位钎剂喷涂过厚降低钎剂喷涂量虚焊焊接位置装配间隙过大检查调整配合尺寸钎剂过少，无法有效焊接适当增大钎剂喷涂量焊接温度过低适当调高焊接温度或降低网带速度产品表面脏污零件清洗焊接位置氧化适当提高产品烘干温度，保证钎剂溶液水分烘干4结论1）随着钎焊温度从 608 益升高到 617 益时，材料晶粒会逐渐增大，导致材料的屈服强度逐渐降低。产品在进行钎焊温度设定时，应考虑焊接后对产品强度性能的影响，优先设置最佳温度范围，此款换热器设定的钎焊温度最高为 611614 益之间。2）钎焊温度在满足焊接的情况下，适当升高 2 益，有利于减少晶界，缓解溶蚀，并且能够兼顾到竖直焊缝与平铺焊缝的钎焊需求，提高整体的焊接合格率。3）本款换热器焊接质量优化采用的是控制变量，即控制产品钎焊网带速度，降低钎焊温度。实际生产时可根据需求，适当提高钎焊网带速度跟钎焊温度，匹配出新的工艺参数，以此满足生产效率需求。参考文献院1 青如娇.铝制散热器的钎焊工艺研讨J.科技传播，2012，4（17）：81，94.2 李龙，陈鑫，宋友宝，等.铝合金钎焊技术研究进展及展望J.焊接技术，2017，46（6）：1-9.3 刘平，李强.铝合金低熔点钎焊料试验研究J.铝加工，2016（5）：34-38.4 CHANG S Y，TSAO L C，LEI Y H，et al.Brazing of6061 aluminum alloy/Ti-6Al-4V using Al-Si-Cu-Gefiller metals J.Journal of Materials Processing Technology，2012，212（1）：8.5 LUO W，WANG L T，WANG Q M，et al.A new fillermetal with low contents of Cu for high strength aluminumalloy brazed jointsJ.Materials&Design，2014（63）：263.6 赵媛媛，章桢彦，靳丽，等.Cu 和 Sn 对钎焊料4343Al 合金组织性能的影响J.材料研究学报，2016，30（4）：292-298.7 刘平，祁艳华，刘超，等.不同钎焊料对 3003 铝合金焊接接头组织与性能的影响J.轻合金加工技术，2016，44（12）：50-54.8 康绍海，丁冬雁，张俊超，等.锌元素对钎焊态 3003 铝合金显微组织与性能的影响J.上海有色金属，2012，33（1）：1-6.9 DAI W，XUE S B，LOU J Y，et al.Torch brazing 3003aluminum alloy with Zn-Al filler metalJ.Transactions ofNonferrous Metals Society of China，2012（1）：30-35.10 唐超兰，温竟青，薛喜丽，等.均匀化对高 Mn 3003 铝合金析出相及 3003/4343 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