汽车热交换器钎焊工艺.docx

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汽车热交换器钎焊工艺

汽车热交换器钎焊工艺

钎焊技术：

是采用比母材熔点低的材料作钎料，将焊件与钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔化的温度（使母材仍保持为固态），利用液态钎料的润湿作用填充接头间隙，与母材相互扩散实现被焊工件连接的一种方法。

铝合金比强度高、导热性好、耐腐蚀、易成形，是制造热交换器的理想材料。

为减轻重量，提高换热效率，轿车空调热交换器普遍采用管带式、平流式与层叠式等全铝热交换器。

铝热交换器生产的关键技术是钎焊，无腐蚀性钎焊方法有钎剂炉中钎焊（以下简称钎焊）与真空钎焊，钎焊主要用于管带式与平流式冷凝器的大规模钎焊。

1钎焊炉

钎焊炉有连续隧道炉与分批式单室炉两种类型，保护气氛可采用静态或强迫对流方式，国内引进的钎焊炉都是静态气氛隧道炉。

隧道炉一般由钎剂涂敷装置（喷淋室）、干燥室（烘干炉）、钎焊室、水冷罩室、空冷室几部分组成。

钎剂涂敷装置依靠传送带运输，对热交换器喷涂钎剂悬浮液，然后吹除多余的液体。

干燥室在200℃左右烘干钎剂。

钎焊室为整体不锈钢马弗结构，马弗进口端固定，出口端浮动，不锈钢网带从马弗内穿过，马弗内为氮气保护环境，工件在马弗内完成钎焊。

氮气从工件升温到钎焊温度的那一段进入马弗，向钎焊室进出口方向排出，同时钎焊室进出口处用大流量氮气隔离车间气氛。

马弗上下布置电加热元件，分区PID控制，四周为绝热层与外部钢壳。

水冷罩室与空冷室位于钎焊室的尾部，钎焊后的热交换器先后经过水冷罩室与空冷室，被冷却至室温。

2钎焊用材料

2．1钎剂

钎焊熔剂（钎剂）是钎焊过程中用的熔剂，与钎料配合使用，是保证钎焊过程顺利进行与获得致密接头不可缺少的。

钎剂的作用是清除熔融钎料与母材表面的氧化物，保护钎料及母材表面不被继续氧化，改善钎料对母材的润湿性能，促进界面活化，使其能顺利地实现钎焊过程。

钎剂与钎料的合理选用对钎焊接头的质量起关键作用。

钎剂（钎剂最早是加拿大Alcan铝业的注册商标）是通用分子式为K1－3AlF4-6的氟铝酸钾盐的混合物，其中可能存在一个结晶水。

SOLVAY公司的钎剂®100FLUX熔化温度为560～577℃，组成为：

28～31％K，16～18％Al,49～53%F,≤0.03%Fe,≤0.02%Ca，≤2.5%H2O（550℃），钎剂呈白色粉末状，50％的粉粒粒度小于12μm，不吸潮，微溶于水（20℃时4.5g/l），20℃时松密度为450～600kg/m3,密度为2.8g/cm3。

日本森田公司的钎剂组成为:

76%KAlF4,24%K2AlF5•H2O，熔融开始温度为558℃。

国内常用钎剂牌号规格见表1常用的铝用硬钎剂成分、特点及用途。

钎剂在室温与钎焊温度下不与Al发生反应而仅在熔融（至少部分熔融）下才具有反应活性，钎剂熔融后溶解Al表面的Al2O3，润湿接合面，降低液态钎料的表面张力,使液态钎料利用毛细作用自由地流入接合面,并防止表面重新氧化。

冷却后，钎剂在部件表面形成一层1～2μm的残余物（钎剂载有量为5g/m2时），附着力强，不吸湿，无腐蚀性，在热交换过程中不会出现碎裂，毋需清除，可直接喷漆。

2．2适合钎焊的铝合金

铝合金钎焊要求母材固相线温度不低于615℃，同时由于钎剂对合金表面的MgO的溶解有一定的限度，且Mg与MgO与钎剂反应生成MgF2，使得钎剂熔点升高失去活性，故要求Mg含量不超过1％（最好不超过0.5％）。

因此适合钎焊的铝合金有工业纯铝与Mg含量较低的Al－Mn合金（如AA3003、AA3102、AA3005、AA3105等）与Al－Mg－Si合金（如AA6063、AA6951、G77、K70A等）。

对于复合铝箔，由于厚度仅有0.1～0.16mm，还要求它在钎焊温度下抗下垂（变形）能力强。

2．3钎料

复合钎料

表2为钎焊用复合钎料，一般采用AA4343或AA4045,AA4045用于填充大的钎缝或较低的钎焊温度环境,AA4145可用于更低的钎焊

表2钎焊用钎料合金每个合计温度

牌号

化学成分％

熔化温度℃

钎焊温度℃

SiFeCuMnMgCrZnTi其它Al

4343

6.8～8.20.80.250.10.020.050.15余量

577～615

600～620

4045

9.0～110.80.30.050.050.10.20.050.15余量

577～590

590～605

4N43

6.8～8.20.80.250.10.5～2.50.050.15余量

576～609

600～620

4N45

9.0～110.80.30.050.050.5～2.50.050.15余量

576～588

590～605

4145

9.3～10.70.83.3～4.70.150.150.150.020.050.15余量

520～585

570～605

4047

11～130.80.30.150.10.020.050.15余量

577～580

580～605

AA4N43与AA4N45中的Zn起阳极保护作用，商品化的钎料Zn含量一般为1～1.5％，过高的Zn含量降低钎料的流动性与钎焊性。

AA4047是共晶钎料，在推荐的钎焊温度下流动性太强而难于控制，溶蚀倾向较其它钎料高，一般用于火焰钎焊。

钎料一般作为复合材料的皮材，根据用途的不同皮材采用双面复合或单面复合，复合率（单面）为5～10％。

相互钎焊连接的两个零件，只需要一个零件采用复合材料，不便于采用复合材料时，可采用钎料箔、板或丝。

铝基钎料（焊丝、焊片、焊粉）

铝基钎适用于火焰钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊与真空钎焊等工艺方法。

根据GB/T13815—92《铝基钎料》标准规定，铝基钎料的分类、型号、形状及熔化温度范围见表3。

表3 铝基钎料的分类、型号、形状及熔化温度

分 类

钎料型号

熔化温度℃

钎焊温度℃

形  状

铝硅

BAl88Si

577

580

丝、带、条、粉

BAl90Si

577

590

丝、带

BAl92Si

577

615

丝、带

铝硅铜

BAl67CuSi

525

535

条

BAl86SiCu

520

585

丝、带、条

铝硅镁

BAl86SiMg

559

579

丝、带

BAl88SiMg

559

591

丝、带

BAl89SiMg

559

582

丝、带

BAl90SiMg

559

607

丝、带

铝基钎料的化学成分应符合表4规定。

丝状、带状、条状钎料表面应光洁，不应有影响钎焊性能的油污、夹杂物、起皮、分层与裂纹等缺陷。

每批钎料应在不同部位取三个代表性试样进行化学分析，在分析中如发现有其他元素时须作进一步分析。

如分析结果不符合表3规定应加倍取样对该项目进行复验。

表4 铝基钎料的化学成分/%

型 号

Mn

Si

Cu

Zn

Fe

Mg

Cr

Ti

Mn

其他

BAl88Si

余

量

11.0～13.0

＜0.30

＜0.20

＜0.8

＜0.10

－

－

＜0.05

0.15

BAl90Si

9.0～11.0

＜0.25

＜0.10

＜0.15

0.20

＜0.05

BAl92Si

6.8～8.2

27～29

＜0.20

－

－

＜0.10

BAl67CuSi

5.5～6.5

3.3～4.7

＜0.15

BAl86SiCu

9.3～10.7

－

＜0.15

BAl86SiMg

11.0～13.0

－

－

＜0.10

BAl88SiMg

9.0～10.5

－

BAl89SiMg

9.5～11.0

－

0.20～1.0

BAl90SiMg

6.8～8.2

－

2.0～3.0

3热交换器的钎焊生产过程

管带式冷凝器与平行流冷凝器的生产过程根据公司生产工艺与制造流程，不同生产厂家的制造工艺可能略有不同，不作详细介绍。

4影响钎焊质量的因素

铝热交换器钎焊常见缺陷主要有未钎透、溶蚀、翅片弯曲倒伏、钎料流失、热交换器颜色变灰发黑、钎剂残余物附着力差影响油漆附着与热交换器有异味等。

实际生产过程中影响钎焊质量的因素是多方面的,只对主要因素略作讨论。

4．1零件尺寸公差

加工时必须保证零件的关键尺寸公差，如管带式冷凝器蛇形扁管整形后弯头部分的尺寸、蛇形扁管与进出液管接头钎焊处的缩口尺寸、翅片高度尺寸公差、接头成形尺寸；平行流冷凝器集流管的冲孔尺寸、接头的加工成形尺寸、扁管的缩口尺寸等都很重要，否则无法保证装配后芯子的钎缝间隙。

钎缝间隙一般不允许大于0.1mm。

4．2零件表面的脱脂

炉内钎焊对零件表面的脱脂要求比真空钎焊高，必须彻底清除零件表面的润滑油（脂）等赃物，获得可水润湿的表面，以便于均匀涂敷钎剂。

零件表面的脱脂，可采用有机溶剂（三氯乙烷或三氯乙烯）蒸气清洗、水基清洗剂清洗或碱洗等方法。

如果在原材料加工中不涂油或采用挥发性润滑油并在零部件加工过程中采用挥发性润滑油，根据润滑油挥发性的不同，可免清洗或采用热风干燥除油，为提高钎剂悬浮液的润湿性，可在悬浮液中加入0.1％的表面活性剂（NCH）。

表面活性剂太多，会降低钎焊性与产品的耐腐蚀性。

4．3零件的装配

保证芯子装配后的钎缝间隙，有利于获得良好的钎焊质量。

翅片（复合铝箔）与扁管，推荐采用无间隙配合，复合铝箔的皮材充当间隙，局部间隙过大时可插入钎料箔，但可能引起局部溶蚀、局部焊点过大。

其它部位的钎焊间隙主要依靠零件加工尺寸保证，钎焊间隙越大，所需钎剂载有量越大，最好不超过0.1mm。

钎焊芯子装配后一般要求夹紧松紧适中，由于铝与不锈钢夹具的热膨胀系数不同，夹紧力太大，易造成钎焊后翅片弯曲倒伏与芯子尺寸超差；夹紧力太小，翅片易虚焊、松脱。

4．4钎剂悬浮液的配制与涂敷

钎剂用蒸馏水、去离子水或饮用纯水配制成悬浮液使用，推荐表面钎剂载有量为5g/m2。

钎剂悬浮液的浓度、零部件清洗质量、涂敷方法、过量钎剂的吹除、工件的复杂程度与涂敷装置网带速度等均会影响钎剂的实际载有量。

一般钎剂悬浮液浓度为5～10％，对于扁管与集流管等重要钎缝，可单独刷扫浓度为30～50％的悬浮液以确保钎焊质量。

钎剂载有量过大（超过5g/m2），会造成钎焊后的芯子颜色变灰发黑、钎剂残余物附着力差影响油漆附着、热交换器有异味等，并降低钎焊炉马弗的使用寿命。

钎剂的残余物有一定的H2S气味，且钎剂残余物的存在影响芯体表面钝化与亲水处理，而又没有实用的方法去除，打磨会造成芯体局部变薄影响强度与外观的不均匀性。

4．5钎剂的干燥

涂敷钎剂后的工件需彻底干燥除去水分。

水分在钎焊过程中可与KAlF4反应生成HF，影响钎焊，加大马弗与网带等的腐蚀，增加HF废气处理工作量。

工件的干燥程度受干燥温度与网带速度的影响，一般温度控制在200℃左右，不可超过250℃，否则工件氧化严重，钎剂无法去除氧化膜。

4．6钎焊温度与网带速度

制定适宜的钎焊温度与网带速度是保证钎焊质量的关键。

采用AA4045，各区温度控制在600～610℃；采用AA4343，各区温度控制在610～620℃。

网带速度冷凝器为750～850mm/min。

钎焊温度太高，网带速度太慢，易造成钎料流失、溶蚀、翅片弯曲等缺陷；钎焊温度太低，网带速度太快，工件尚未达到必要的钎焊温度，各部位温度不均衡，容易造成虚焊、泄漏、钎缝不连续等缺陷。

钎焊温度与网带速度需通过测量工件在炉内的实际温度曲线确定，工件各部位升温到钎焊温度保温3～5分钟即可。

4．7钎焊气氛

推荐采用高纯液氮气化的氮气，钢厂生产的高纯液氮纯度达99.998%,其中氧含量小于3ppm,露点低于－73℃。

但在典型的隧道炉中,由于工件、夹具与连续运转的网带会将水分与空气带入炉内，以及氮气的进排气不平衡导致车间气氛返流，炉内气氛总是高于这一水平。

为保证钎焊效果，必须保证隧道炉钎焊段的气氛露点不超过－40℃，氧含量不超过3.5ppm。

如钎焊气氛差，需要提高钎剂载有量。

4．8复合材料皮材的均匀性

复合材料皮材复合不均匀会造成虚焊、烧损、钎缝不连续、泄漏等缺陷，国产复合材料皮材的均匀性不及进口材料。

4．9复合铝箔的抗弯曲性

复合铝箔在钎焊温度下的抗弯曲性是衡量铝箔质量的一个很重要的性能指标，复合铝箔的抗弯曲性差，钎焊时翅片弯曲、倒伏、粘连，严重影响热交换器的外观质量与换热性能。

研究表明，这是由于复合铝箔心材晶粒直径较小，皮材中的硅原子沿晶界向心材中心扩散所产生的溶蚀现象形成的。

复合铝箔轧制时严格控制冷作压延率与退火工艺，有利于获得粗大晶粒的心材，使复合铝箔具有优良的抗弯曲性。

4．10炉内摆放方式

产品在炉内钎焊时的摆放方式不合理，集流管皮材熔化后受重力作用可能向下流动，容易造成钎料流失、钎缝不致密，如集管钎料流向翅片，会完全溶解翅片。

5结论

钎焊是汽车铝热交换器无腐蚀性钎焊的主要方法,只有严格控制影响钎焊质量的各种因素，才能保证获得稳定的产品质量。

研究与正确掌握铝合金的钎焊对我国引进技术的消化、吸收及应用具有十分重要的意义。

表1常用的铝用硬钎剂成分、特点及用途

牌号

名称

化学成分/%

熔点

/℃

钎焊

温度℃

特点及用途

QJ201

铝钎焊

钎剂

LiCl24～35

KCl47～51

ZnCl26～10

NaF9～11

420

450～620

极易吸潮，能有效地去除Al2O3膜，促进钎料在铝合金上漫流。

活性极强，适用于在450～620℃温度范围火焰钎焊铝及铝合金，也可用于某些炉中钎焊，是一种应用较广的铝钎剂，工件须预热至550℃左右

QJ202

铝钎剂

LiCl40～44

KCl26～30

ZnCl219～24

NaF5～7

350

420～620

极易吸潮，活性强，能有效地去除Al2O3膜，可用于火焰钎焊铝及铝合金，工件须预热至450℃左右

QJ206

高温铝

钎剂

LiCl31～26

KCl31～33

ZnCl7～9

SrCl225

LiF10

540

550～620

高温铝钎焊钎剂，极易吸潮，活性强，适用于火焰或炉中钎焊铝及铝合金，工件须预热至550℃左右

QJ207

高温铝

钎剂

KCl43.5～47.5

CaF21.5～2.5

NaCl18～22

LiF2.5～4.0

LiCl25～29.5

ZnCl1.5～2.5

550

560～620

 与Al-Si共晶类型钎料相配，可用于火焰或炉中钎焊纯铝、LF21（3A21）及LD2等，能取得较好效果。

极易吸潮，耐腐蚀性比QJ201好，黏度小，湿润性强，能有效地破坏Al2O3膜，焊缝光滑

Y-1型

高温铝

钎剂

LiCl18～20

KCl45～50

NaCl10～12

ZnCl7～9

NaF8～10

AlF33～5

PbCl31～1.5

－

580～590

 氟化物-氯化物型高温铝钎剂。

去膜能力极强，保持活性时间长，适用于氧-乙炔火焰钎焊。

可顺利地钎焊工业纯铝、LF21、LF1、LD2、ZL12等，也可钎焊LY11、LF2等较难焊的铝合金，若用煤气火焰钎焊，效果更好

No.17

（YT17）

－

LiCl41,KCl51

KF·AlF38

－

500～560

 适用于浸沾钎焊

－

－

LiCl34,KCl44

NaCl12,

KF·AlF310

－

550～620

QF

氟化物共晶钎剂

KF42,AlF358（共晶）

562

＞570

 具有“无腐蚀”的特点，纯共晶（KF-AlF3）钎剂可用于普通炉中钎焊，火焰钎焊纯铝或LF21防锈铝

－

氟化物

钎剂

KF39,AlF356

ZnF20.3

KCl14.7

540

－

 是我国近年来新研制的钎焊铝用钎剂，活性期为30s，耐腐蚀性好。

可为粉状，也可调成糊状，配合钎料400适用于手工、炉中钎焊

129A

－

LiCl-NaCl-KCl-

ZnCl2-CdCl2-LiF

550

－

 可用于LY12、LF2铝合金火焰钎焊

171B

－

LiCl-NaCl-KCl-

TiCl-LiF

490

－