鋁合金板式換熱器真空釬焊泄漏原因分析

    鋁合金板式換熱器真空釬焊泄漏原因分析   鋁合金板式換熱器(以下簡稱換熱器)屬壓力容器,在其應用過程中必須滿足相應的承壓要求。由于其結(jié)構(gòu)特點,其焊接過程只有通過真空釬焊方式才能實現(xiàn)。
    真空釬焊是在真空狀態(tài)下,對結(jié)構(gòu)件進行加熱和保溫,使釬料在適宜的溫度和時間范圍內(nèi)熔化,在毛細力作用下與固態(tài)金屬充分浸潤、溶解、擴散、焊合,從而達到焊接目的的一種先進焊接方法。真空釬焊的突出優(yōu)點是可連接不同的金屬、實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的同時焊接,焊接后的焊接頭光潔致密、變形小且具有優(yōu)良的力學性能和抗腐蝕性能。然而,真空釬焊對換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配質(zhì)量,鋁合金復合板(以下簡稱復合板)的化學成分、釬料層厚度,釬焊工藝制度、工作環(huán)境等的要求甚為嚴格,否則,極易出現(xiàn)翅片彎曲倒伏、釬縫不連續(xù)、虛焊、熔蝕、直至泄漏等質(zhì)量缺陷。其中,泄漏屬重大質(zhì)量缺陷。
    1.2　生產(chǎn)工藝流程
    (1)備料:對復合板、翅片、封條等進行定型、定尺加工。
    (2)表面處理工藝流程:堿洗→水洗→酸洗→水洗→熱水洗→烘干。
    (3)組裝:將復合板、側(cè)板、翅片、封條等進行機械組合成型。
    (4)真空釬焊:對真空釬焊爐抽真空后進行三個階段的加熱、保溫。即:第一階段(a)預熱定溫、保溫;第二階段(b)蓄能定溫、保溫和第三階段(c)釬焊定溫、保溫;停電。待爐溫降至規(guī)定溫度出爐。
    (5)整形:對換熱器真空釬焊后的變形,采用機械法進行矯正。
    (6)導流板焊接:采用氬弧焊方式焊接換熱器的導流板,即換熱器兩端大封條位置。
    (7)壓力檢驗:采用吹入空氣方式檢驗換熱器承壓能力,即泄漏檢驗。
    (8)噴涂:對換熱器進行清洗、烘干、噴涂、烘干,改善外觀質(zhì)量。
    (9)包裝交貨。
    2　泄漏原因分析
    2.1　換熱器的裝配
    (1)結(jié)構(gòu)件的表面預處理
    換熱器的所有結(jié)構(gòu)件在組裝前均須經(jīng)過表面處理即酸堿洗,以除去表層污垢、油漬、氧化膜等。污垢會阻礙構(gòu)件間的有效接觸;油漬在真空高溫時將會分解氣化,降低真空釬焊爐內(nèi)真空度;由于鋁合金表層氧化膜致密,其熔化溫度遠比基體材料的要高,特別是復合板釬料層的氧化膜在釬焊時釬料層熔化不充分,造成不能與被焊金屬完全熔合,從而影響釬焊質(zhì)量。為此,必須嚴格控制原材料的表面預處理,包括必要的機械清理,同時縮短釬焊前的裝配時間。
    (2)結(jié)構(gòu)件尺寸公差
    復合板、大翅片、小翅片、大封條、小封條在進行定型、定尺加工后的尺寸偏差配合必須得到有效保證。翅片應控制在正偏差范圍,封條則應控制在負偏差范圍。否則無法保證裝配后復合板在與封條緊密配合后,再與翅片間有適宜的接觸面積即釬縫間隙,易造成虛焊、釬縫不連續(xù)或未焊合現(xiàn)象。
    (3)結(jié)構(gòu)件表面粗糙度及其形狀
    結(jié)構(gòu)件表面粗糙度影響毛細力。一般說來,表面過于光滑,釬料難以在整個接觸面積上分布均勻,由此產(chǎn)生的空穴會使釬焊強度降低,特別是封條的表面粗糙度。為了保證釬料均勻分布于接觸焊縫上,結(jié)構(gòu)件的釬焊面應有適宜的粗化。通常,表面粗糙度參考值可選Ra0·7mm~2·0μm的平方根為宜。另外,封條的內(nèi)側(cè)應制成30°的倒角,有利于在真空釬焊時降低焊料的表面張力,增加潤濕性,減少釬焊缺陷。
    (4)夾具的夾持力   由于換熱器裝配后采用不銹鋼夾具進行夾持,而不銹鋼夾具的熱膨脹系數(shù)小于鋁合金制品的,故夾緊力太大,易造成釬焊后翅片彎曲倒伏;夾緊力太小,翅片易松脫。故應根據(jù)具體換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)定適宜的夾緊力。
    2.2　復合板的質(zhì)量指標
    (1)釬料層化學成分中主要元素的影響   Si含量:復合板的釬焊性能體現(xiàn)在釬料層的流動性、潤濕性、間隙填充能力和焊接強度。在Al-S合金二元相圖中,溫度達577℃、w(Si)=11·7%時,發(fā)生共晶反應。當w(Si)≤11·7%時,二元合金熔化溫度隨Si含量的升高而降低。所以,釬料層中Si含量高時,其熔點則低。Si含量過高時,雖然可使包覆層合金熔點降低、流動性好,間隙填充能力強,但當其擴散到被焊金屬界面,且使固相成分達到一定程度時,導致被焊金屬固相熔化,產(chǎn)生熔蝕。Si含量越高,濃度梯度越大,對基體合金的熔蝕傾向也越嚴重;Si含量過低時,則產(chǎn)生相反的效果。真空釬焊用復合板的釬料層為4004鋁合金,其w(Si)的標準范圍為9·0%~10·5%。
    Mg含量:包覆層合金中的Mg是真空釬焊必不可少的金屬活化劑、吸氣劑,同時在增強復合板耐蝕性方面可產(chǎn)生積極的影響。Mg在550℃以上時開始大量蒸發(fā),在真空釬焊爐中形成含Mg的氣氛。鎂蒸氣既可與釬焊氣氛中剩余的氧或水蒸氣中的氧結(jié)合,保護加熱零件表面不致重新氧化,又能滲入到零件表面未清除干凈的氧化膜中,將其去除。所以,相對于真空釬焊爐的真空度而言,真空度高時,標準含量的Mg可以起到足夠的作用;而真空度低時,則需要將Mg含量控制在上限或者更高。4004鋁合金的w(Mg)=1·0%~2·0%。
    (2)釬料層厚度
    復合板厚度及釬料層厚度的設(shè)定應與換熱器的承壓要求相匹配,必須結(jié)合理論計算和生產(chǎn)實踐來制定。這里特別指出當釬料層厚度過薄時,易造成焊接強度低、焊接不牢、承壓不達標等焊接缺陷;過厚時,則會造成芯層合金厚度過薄、承壓不達標、甚至出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象導致泄漏。因此,釬料層厚度及其均勻性是衡量其質(zhì)量的重要指標,也是影響釬焊質(zhì)量的重要因素之一。實際應用中釬料層厚度一般控制在復合板厚度的(10±3)%為宜。
    (3)復合板其它質(zhì)量要求
    復合板在換熱器中的另一個作用是作通道隔板,也有承壓要求。因此,不應有影響其承壓的內(nèi)在、外在缺陷。內(nèi)在缺陷如芯層合金的氣孔、夾渣、與釬料層的焊合不良等;外在缺陷除上述表面處理不潔凈外,還有在加工過程中的磕碰傷、劃傷,當其深度超過釬料層厚度時,會直接破壞金屬的連續(xù)性,導致承壓能力下降