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汽车空调暖风芯体钎焊扁管溶蚀缺陷的分析研究

【摘要】介绍了铝制空调暖风芯体钎焊后的扁管熔蚀缺陷。针对有此缺陷的钎焊接头详细分析了其微观组织结构并从原材料和工艺参数两方面分析了扁管熔蚀缺陷产生的根本原因结果表明原材料复合层的钎料过多钎焊工艺参数选择不合理等都是造成扁管烧损的重要原因为获得良好的暖风芯体钎焊接头提供理论依据

【关键词】NOCOLOK 钎焊汽车空调平行流式暖风芯体扁管熔蚀


在汽车空调暖风芯体的生产中,扁管溶蚀缺陷是比较严重的缺陷,它不仅影响暖风芯体的生产产能,而且增加了暖风芯体的压力破坏和腐蚀破坏的潜在风险。全铝平行流式暖风芯体是一种应用愈加广泛的汽车空调换热器在其工业化生产中普遍使用氮气保护连续隧道式NOCOLOK 钎焊炉简称氮气炉进行钎焊由于我国应用该钎焊工艺有些技术还不是很成熟故在生产中还存在一些影响空调可靠性和换热器质量的问题扁管熔蚀缺陷就是生产中遇到的问题之一显然针对此问题进行研究提出解决方案是提高暖风芯体质量的重要手段之一。本文将针对WQT61-015暖风芯体扁管溶蚀缺陷进行失效模式分析,并研究确定如何解决此类问题和如何规避此类问题的发生。


一.平行流式暖风芯体结构

暖风芯体WQT61-015为平行流式暖风芯体,主要由上下端盖、主板、隔板、扁管翅片三部分组成,上下端盖、主板和隔板构成上下水室。其结构如图1 所示。端盖和主板材料为Q111,为双面复合铝板复合层占管壁厚的8%12%,端盖材料厚度1.2mm,主板材料厚度1mm扁管材料为FA815A4为双面复合铝板复合层占管壁厚的8%12%,材料厚度0.23mm翅片材料为FA6815,材料厚度0.07mm

图 1

二.扁管溶蚀问题

该暖风芯体入炉焊接后,经水试检查泄露率100%,检测时泄露部位集中在A、B、C三个圆形区域,解剖分析后发现扁管在3个区域内溶蚀,最长溶蚀缝隙长达35mm。溶蚀区域和形态如图2所示。

                          图 2

    三.扁管溶蚀缺陷的产生机理

扁管熔蚀产生的根本原因是钎焊温度达到了扁管芯材的熔点而使扁管在局部位置熔化从而导致芯体泄漏

1.原材料本身的原因

1.1 原材料钎料层的问题

由上可知,该暖风芯体除翅片外其余组成零件的原材料均是复合材料芯层是母材复合层是钎料层钎焊要求母材不熔化而是使熔化的钎料在母材表面润湿铺展利用重力及毛细作用填缝与母材发生互相作用达到原子间结合为了保证填缝充分要求钎料有一定的润湿性和流动性

选用的钎料层为4343属于Al-Si系钎料Si能降低钎料的熔点同时能增加钎缝处的力学性能和抗腐蚀能力钎焊时熔融液态钎料在重力和毛细作用下流入到预留间隙的同时进行物质交换如钎料中的SiCu 等元素向基体中扩散同时基体中的Al等元素将向钎料中扩散迁移由于上下水室较扁管和翅片体积大得多含热量多故其钎料层熔化先于其他部位率先流向主板与扁管接触的间隙处冷却后形成钎缝为了进一步了解钎缝的组织结构本文对焊缝进行了金相分析

将图1中圆圈B 所示区域截取下来截取部位为B形扁管三角区钎接接头垂直于钎缝做研究以清楚地观察钎缝组织将试样多次砂纸打磨和抛光后0.5%HF 酸溶液腐蚀得到SEM 微观形貌如图3 所示

图 3  不同放大倍数钎焊接头形貌(SEM)

3a)、(b中上下浅色部位是母材组织中间为钎缝组织浅色基体为铝合金的回复与再结晶组织深色的网状花纹组织为Al-Si共晶组织延伸入钎缝的块状组织为α-Al固溶体α-Al相和Al-Si共晶相一起填充缝隙同时母材溶解于液态钎料母材在液态钎料中的溶解量用式1表示

    (1)

式中G 为单位面积母材的溶解量ρ 为液态钎料的密度C 为母材在液态钎料中的溶解度V 为液态钎料的体积S 为液固相的接触面积α 为母材原子在液态钎料中的溶解系数t 为液态下的接触时间可知钎料体积直接影响着熔蚀程度减轻熔蚀的方法之一就是减小钎料层厚度但钎料太少又会出现虚焊现象故要精确钎料层厚度从图3 中可明显看出有Si 蚀现象甚至部分的铝基体出现颈缩或脱落后进入钎料组织中可以认为钎料层较厚是引起Si蚀的原因之一为扁管熔蚀提供条件

将上端盖和隔板组件单独进炉焊接,组件开口朝下捆绑在焊接托盘上,其焊后状态如图4所示。从图4中可以很清晰的看到在隔板与端盖配合的角部位置形成大量钎料堆积。

图 4

分析如下一方面当上端盖复合层的钎料过多时液态的钎料受上端盖与隔板之间间隙的毛细作用和重力作用吸附堆积至主板的内下侧,由于B形扁管的成形工艺限制,在其两支脚搭接处存在三角区缝隙(如图5所示),在该缝隙的毛细作用下,将上端盖的多余钎料吸附堆积在B形扁管三角区内,致使扁管三角区处的钎料增加钎料中的SiCuZn 等元素和扁管芯材进行相互溶解扩散导致扁管芯材熔点降低另一方面上水室中积累的热量源源不断的向扁管传递比钎焊炉热辐射传递到扁管的热量高得多直至达到扁管芯材熔点扁管便开始部分烧损了

图 5

1.2 扁管成形缺陷的影响

6所示是另一种B形扁管溶蚀缺陷钎焊后B形扁管两支脚间产生溶蚀经检查装配焊接前扁管,可以发现两支脚间存在明显的间隙

图 6

这些间隙在钎焊时将引导水室多余的钎料流向扁管支脚间隙同时,由于其毛细作用加快液态钎料的流速加剧扁管的烧损造成芯体报废。虽然在暖风芯体WQT61-015的故障件中没有发生这种溶蚀缺陷,但在加工或外购B形扁管时要严格控制B形扁管两支脚的搭接质量,避免扁管存在图7所示间隙缺陷

图 7

2. 钎焊工艺的影响

2.1 网带速度

隧道式炉中钎焊时的网带速度快慢决定着其钎焊保温时间的长短当钎焊温度不变时网带速度过慢相当于延长了钎焊时的保温时间钎料流动时间也随之增长增大了钎料流向扁管三角区的机率出现扁管熔蚀的可能性及烧损程度也随之增加各元素的扩散量也随保温时间的增长而增加加剧烧损

    在调试过程中,我们也尝试把网带速度提高,发现扁管溶蚀有所改善,即溶蚀的区域有所减小。

2.2 钎焊温度

在网带速度不变时钎焊温度越高液态钎料流动时间相对而言就越长母材在液态钎料中的溶解度越大由式1熔蚀程度就越严重故扁管熔蚀就越明显

针对工艺方面的问题我们可以降低钎焊温度或者提高网带速度或者两者同时改变使其相协调

此外还有一些其他影响因素如暖风芯体送入炉膛的时间间隔即工件的摆放密度如果间隔过分不均匀就会影响炉内的环境温度导致实际钎焊温度波动焊接质量也不稳定而且由于设备本身的原因网带抖动也影响钎料的流动状况都为扁管熔蚀提供可能

四.结论

综合上述分析及试验结果我们认为全铝焊接平行流式暖风芯体扁管熔蚀缺陷的产生原因有以下几点

1)材料方面

当上端盖原材料的复合层过厚时会造成上端盖处过多的钎料流向扁管三角区钎料和母材相互扩散母材基体过多的溶解于钎料造成Si同时母材中Si等元素的含量增加扁管芯材熔点降低发生扁管熔蚀若扁管三角区过大,两支脚没有并紧而存在间隙这些间隙会充当引导者使钎料进一步延伸入扁管三角区,扁管熔蚀加剧

2工艺方面

网带速度过低或钎焊温度过高都会延长钎料的流动时间使钎料流向扁管三角区的机会和量增加烧损扁管材料和工艺是造成扁管熔蚀的主要因素

3其他方面

当工件进炉间隔时间变动过大时会导致炉内的气氛温度不均匀影响钎焊质量网带抖动也是出现扁管烧损的原因之一

 

【参考文献】

[1] 李宴辉胡伟管带式换热器氮气炉钎焊工艺及影响钎焊质量的因素[J]焊接技术200231(1)28-30

[2] 邹僖钎焊[M]北京机械工业出版社1988

[3] 周万盛姚君山铝及铝合金的焊接[M]北京机械工业出版社2006.