武聲陽，梁 成

(西科沃克瑞泰克熱處理設(shè)備制造(天津)有限公司，天津 300385)

國(guó)內(nèi)某換熱器制造公司引進(jìn)一種先進(jìn)的新型半連續(xù)保護(hù)氣氛鋁釬焊爐生產(chǎn)線，這是該種爐型在亞洲第一條，全球第三條應(yīng)用。該爐型可用于釬焊工程車輛、空分站用重型板翅式換熱器或類似產(chǎn)品，這類換熱器受結(jié)構(gòu)和材料原因限制，在傳統(tǒng)工藝中必須在真空爐中完成釬焊，但真空釬焊存在效率低下、設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等問題。此種半連續(xù)鋁釬焊爐結(jié)合了氣氛釬焊和真空釬焊的優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣泛的適用性，可以部分代替成本高昂的真空爐使用。

1 鋁合金的NOCOLOK釬焊和真空釬焊

1.1 NOCOLOK釬焊

NOCOLOK是加拿大Alcan公司在20世紀(jì)70年代末發(fā)明的一種無腐蝕釬劑技術(shù)，在全球應(yīng)用已有40年歷史，這種工藝具有焊成率高、成本低、易操作、無污染、適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的鋁合金釬焊技術(shù)。

NOCOLOK釬劑是由KF- A1F3系構(gòu)成的氟鋁酸鉀混鹽，其化學(xué)總式可表示為nKF·AlF3(n一般為1～3)，熔點(diǎn)為565～572 ℃，在熔融狀態(tài)下可與Al2O3發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)以破壞鋁表面的氧化膜[1]。圖1為典型的釬焊接頭結(jié)構(gòu)。

圖1 典型的釬焊接頭

釬焊過程首先是工件被加熱到565 ℃以上，釬劑開始熔化并破除鋁合金表面的氧化膜。然后升溫至577 ℃左右，釬料(Al-Si復(fù)合層)開始熔化并潤(rùn)濕結(jié)合面，液態(tài)釬料通過毛細(xì)作用填充接頭間隙。再通過進(jìn)一步的升溫和保溫，釬料和芯材間相互擴(kuò)散，經(jīng)冷卻后最終形成穩(wěn)定的合金接頭。

工業(yè)上基于NOCOLOK釬焊工藝的常用設(shè)備稱為可控氣氛鋁釬焊生產(chǎn)線(以下簡(jiǎn)稱CAB生產(chǎn)線)。CAB生產(chǎn)線主要由干燥爐、釬焊爐、氣氛冷卻室、終冷室和其他一些輔助裝置組成，生產(chǎn)線通過一條閉環(huán)的耐熱鋼網(wǎng)帶相連，用于從前到后輸送產(chǎn)品。其中干燥爐用于除去釬劑中的水分及其他有機(jī)物(如黏結(jié)劑)，工作溫度一般為250 ℃左右。釬焊爐為生產(chǎn)線的核心，內(nèi)有耐熱鋼制成的馬弗，馬弗內(nèi)通入高純度的氮?dú)庑纬傻脱鹾康谋Ｗo(hù)氣氛；釬焊爐分為若干個(gè)獨(dú)立的控溫區(qū)，工件在運(yùn)行過程中逐漸達(dá)到釬焊溫度。氣氛冷卻室由馬弗、夾套、冷卻風(fēng)機(jī)(或水冷套)等組成，用于將工件在保護(hù)氣氛中降溫至350 ℃以下的出爐溫度。終冷室也稱空冷，用于將工位在自然氣氛中降至室溫。典型的CAB生產(chǎn)線組成見圖2。

圖2 CAB生產(chǎn)線組成示意圖

CAB生產(chǎn)線在使用上有一些限制：

(1)在加熱過程中為限制氧化物的生成，要求氣氛中O2含量必須低于100×10-6(最好低于50×10-6)，另外氟鋁酸鉀釬劑會(huì)與水反應(yīng)產(chǎn)生有強(qiáng)腐蝕性的HF，會(huì)使焊接質(zhì)量劣化、影響產(chǎn)品外觀并腐蝕設(shè)備，且HF有毒，因此爐內(nèi)氣氛還要求露點(diǎn)小于-40 ℃，同時(shí)產(chǎn)品、夾具和網(wǎng)帶都會(huì)將氧氣和水分帶入爐膛，因此需要從爐膛中部向馬弗內(nèi)充入高純氮?dú)庖韵♂尃t內(nèi)有害氣氛。一般氣源取O2含量小于5×10-6、露點(diǎn)-70 ℃以下高純氮?dú)?，其消耗量根?jù)馬弗大小在100～250 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。馬弗內(nèi)廢氣會(huì)向馬弗進(jìn)、出口擴(kuò)散并排出，同時(shí)消耗大量熱能。以上原因?qū)е翪AB生產(chǎn)線使用中會(huì)有大量的高純氮?dú)庀牟⒔档蜖t子熱效率。

(2)在NOCOLOK焊劑釬焊中，芯體材料中金屬元素的含量是受限制的，尤其對(duì)鎂元素最為敏感。鎂會(huì)與氧化膜中的氧元素結(jié)合生成難熔的MgO，影響鋁表面氧化膜的去除；鎂會(huì)與氟鋁酸鉀反應(yīng)生成MgF2、 KMgF3和K2MgF4，導(dǎo)致釬劑熔點(diǎn)上升，降低釬劑的流動(dòng)性甚至使釬劑重新凝結(jié)。因此，在氣氛釬焊中，鋁合金中鎂元素的含量一般應(yīng)控制在0.5%以下，超過這一限制時(shí)需要增加氮?dú)獾淖⑷肓恳越档头瘹涞臐舛然蚴褂锰厥獾暮C釬劑。當(dāng)合金中的鎂含量超過1%時(shí)釬劑就會(huì)失去膜能力，故一些高強(qiáng)度的鋁合金，如6061，無法在CAB生產(chǎn)線中釬焊。

1.2 真空釬焊

真空釬焊是目前鋁制換熱器生產(chǎn)中另外一種得到廣泛采用的技術(shù)。鋁的真空釬焊較氣氛釬焊最大的不同是無須釬劑。真空鋁釬焊的去膜是在Al-Si釬料中加入Mg作金屬活化劑并通過一系列復(fù)雜的物理化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)的。Mg化學(xué)性質(zhì)活潑，蒸氣壓較高(在427 ℃時(shí)約為1.3 Pa)，在真空中極易揮發(fā)。Mg的活化作用可用以下三個(gè)化學(xué)反應(yīng)式表述：

3Mg+Al2O3=3MgO+2Al

(1)

2Mg+O2=2MgO

(2)

Mg+H2O=MgO+H2

(3)

由于 Al2O3的熱膨脹系數(shù)僅為Al的1/3(見表1)，當(dāng)加熱到約400 ℃時(shí)，鋁表面的致密氧化膜會(huì)因受熱膨脹而開裂[2]。在真空釬焊的過程中，一方面Mg蒸氣會(huì)通過氧化膜表面的微小裂縫進(jìn)入母材表面并和釬料中擴(kuò)散出的Si一起形成低熔點(diǎn)的Al-Si-Mg合金，合金熔化后會(huì)破壞氧化膜與母材的結(jié)合，氧化膜會(huì)浮起并通過熔化釬料的表面張力將其從接頭區(qū)排除[3]；另一方面Mg蒸氣可以還原Al2O3(見式(1))并吸附氣氛中的水和氧氣(見式(2)和式(3))，保護(hù)母材表面不被氧化，這樣釬料就可以有效潤(rùn)濕母材，并通過毛細(xì)作用生成合金接頭。

表1 Al2O3和Al的熱膨脹系數(shù)

真空鋁釬焊工藝對(duì)真空釬焊爐性能的要求很高，如：為保證氣氛中足夠低的氧含量，其工作真空度應(yīng)≤5×10-3Pa，壓升率≤0.5 Pa/h；換熱器有大量的微通道結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面積，抽真空時(shí)會(huì)放出大量氣體，因此真空系統(tǒng)必須有足夠高的抽氣能力；鋁釬焊溫度接近母材的熔點(diǎn)，因此釬焊窗口很窄，爐子必須有很高的爐溫均勻性和控溫精度，至少要達(dá)到≤±5 ℃和≤±1 ℃；為保證足夠高的升、降溫速率，真空爐還應(yīng)具有足夠大的加熱功率和強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)。圖3為典型的鋁真空釬焊爐結(jié)構(gòu)。

圖3 真空釬焊爐結(jié)構(gòu)

真空鋁釬焊有許多優(yōu)勢(shì)，如由于除氣凈化效果好，可以形成高質(zhì)量的焊接接頭；應(yīng)用范圍廣泛，可焊接6XXX、7XXX系的高強(qiáng)度鋁合金；可焊接一些大型的、必須立式裝入的換熱器產(chǎn)品等。但真空釬焊爐在使用中也存在一些弊端，如：

(1)鋁在真空爐中加熱效率低下。真空爐中幾乎沒有氣體介質(zhì)，因此爐內(nèi)主要的傳熱方式是輻射傳熱，因鋁合金反射率較高(吸熱慢)且比熱容較大(需要較多的熱量)，因此鋁在真空爐中的加熱效率低下。鋁與其他金屬的熱性能對(duì)比見表2。

表2 三種金屬材料的熱性能對(duì)比

(2)一般的真空釬焊爐都是間歇式爐，且因結(jié)構(gòu)原因真空爐裝爐量受限，因此無法實(shí)現(xiàn)大批量連續(xù)生產(chǎn)。半連續(xù)式真空釬焊爐的造價(jià)高昂，且效率提升有限，不是主流。

(3)真空爐的應(yīng)用成本非常高。真空爐構(gòu)造復(fù)雜，制造困難，因此造價(jià)較高。盡管真空釬焊爐中普遍配備有鎂捕集器，但釬焊過程中仍然會(huì)有部分鎂蒸汽進(jìn)入真空系統(tǒng)導(dǎo)致泵油污染，需經(jīng)常更換；鎂蒸汽還會(huì)在加熱器、水冷爐壁、爐門等部件上冷凝下來，最終帶來絕緣和密封問題，需要經(jīng)常停爐維護(hù)，因此真空釬焊爐的養(yǎng)護(hù)成本也非常高。

2 Active Only?半連續(xù)保護(hù)氣氛鋁釬焊爐

Active Only?半連續(xù)保護(hù)氣氛鋁釬焊爐(以下簡(jiǎn)稱A.O-CAB生產(chǎn)線)由若干不同功能的腔室組成，較一般的CAB生產(chǎn)線，增加了真空凈化室和真空冷卻室，用于凈化和隔絕氣氛。各腔室間都設(shè)計(jì)有獨(dú)立的隔熱門，保證相互之間沒有干擾。產(chǎn)品擺放在料筐上，料筐通過一條懸掛線以步進(jìn)方式依次在各腔室中運(yùn)行。各腔室允許根據(jù)每個(gè)料筐的裝料情況單獨(dú)設(shè)置工藝參數(shù)，因此切換產(chǎn)品和工藝時(shí)無需等待，使設(shè)備具有了柔性生產(chǎn)能力。單個(gè)料筐最大裝載量為400 kg(產(chǎn)品和工裝)，料筐在各腔室內(nèi)的處理和轉(zhuǎn)移節(jié)拍最快為15 min，最大生產(chǎn)率可達(dá)1.6 t/h。A.O-CAB生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)和外觀見圖4和圖5。

圖4 A.O-CAB的平面布置圖

2.1 重型板翅式換熱器的釬焊

板翅式換熱器芯體的基本單元由隔條、隔板和翅片組成(見圖6)。重型的板翅式換熱器在傳統(tǒng)工藝中都是在真空爐中以垂直擺放方式釬焊的，原因是這類換熱器的芯體普遍較厚重，當(dāng)平放釬焊時(shí)，隔板上附著的大量釬劑及釬料在熔化后會(huì)發(fā)生積聚并產(chǎn)生重力流動(dòng)，釬料不能均勻鋪展導(dǎo)致毛細(xì)作用無法順利展開，使焊接失敗；平放釬焊時(shí)還會(huì)引起換熱器的熱變形。一般CAB生產(chǎn)線的馬弗考慮熱態(tài)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、空間利用率等原因，截面都為寬而扁的馬蹄形，因此裝料高度受限，另外還受網(wǎng)帶強(qiáng)度、加熱方式、熱風(fēng)循環(huán)方向等限制，無法釬焊這類換熱器。

A.O-CAB改變了傳統(tǒng)CAB設(shè)備裝料方式和加熱方式，并將對(duì)流風(fēng)機(jī)安放于爐體一側(cè)，熱風(fēng)的循環(huán)方式由垂直循環(huán)改為側(cè)循環(huán)(相當(dāng)于把一臺(tái)臥式爐垂直擺放，見圖7)，因此這種爐型既能釬焊一般的換熱器產(chǎn)品，也能夠支持重型板翅式換熱器的垂直釬焊。同時(shí)A.O-CAB生產(chǎn)線采用真空凈化方式，可以以低成本的方式獲得更加純凈的氣氛，有助于提高焊接質(zhì)量并顯著降低生產(chǎn)成本。

圖5 A.O-CAB外觀

圖6 板翅式換熱器的芯體結(jié)構(gòu)

圖7 A.O-CAB釬焊爐結(jié)構(gòu)

2.2 氮?dú)庵脫Q凈化和真空凈化

傳統(tǒng)的CAB生產(chǎn)線用氮?dú)鈨艋癄t內(nèi)氣氛，即用大量的高純度氮?dú)鈱?duì)馬弗進(jìn)行吹掃和置換以使其氧濃度達(dá)到工藝要求，實(shí)質(zhì)上是“稀釋”過程。目標(biāo)氧濃度與耗氣量的關(guān)系可以用下式表示：

(4)

式中：VPN表示高純氮?dú)饪偤牧颗c馬弗容積的比值，也稱換氣次數(shù)；Kf為目標(biāo)氧濃度，×10-6；Kc為高純氮?dú)獾臍堁鹾?，氣源為液氮時(shí)為5×10-6；K0為開始置換時(shí)氣氛的氧濃度，取0.21。

A.O-CAB生產(chǎn)線采用真空凈化。真空凈化是先將容器抽至一定的真空度，然后再注入高純氮?dú)猥@得低氧氣氛的方法。在真空度不高的容器中可將混合氣體視為理想氣體，假設(shè)混合氣中各組分在抽真空過程中被抽走的概率相同，且不考慮其他材料的真空放氣，則真空凈化時(shí)目標(biāo)氧濃度與真空度的關(guān)系可由下式表示：

(5)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101 325 Pa；P1為真空度，Pa。根據(jù)式(4)和式(5)可建立兩種凈化方式的等效關(guān)系，見表3。

表3 氮?dú)獯祾邇艋驼婵諆艋牡刃шP(guān)系

從表3可以看出采用真空凈化可以很輕松地獲得理想的低氧氣氛。以20×10-6的氧濃度為例，僅需7.2 Pa的真空度即可達(dá)到(屬于低真空級(jí)別)，且耗氣量?jī)H為氮?dú)獯祾咧脫Q的約1/9。因此，真空凈化更具成本優(yōu)勢(shì)。

使用真空凈化的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是除氣效果更好。使用氮?dú)獯祾咧脫Q時(shí)，換熱器內(nèi)部空間(如集留管和扁管內(nèi))的氣體因流動(dòng)性不佳很難置換掉，造成內(nèi)部空間的氧濃度偏高，并對(duì)釬焊質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。采用真空凈化可以徹底清除換熱器內(nèi)部空間的殘留氣體。另外換熱器比表面積較大，如板翅式換熱器可達(dá)到1 000～2 500 m2/m3,故其表面吸附的各種雜質(zhì)氣體也不能忽視[4]，在真空凈化中，這部分氣體通過抽真空過程也能夠輕松除去。

3 總 結(jié)

A.O-CAB在繼承和發(fā)展常規(guī)CAB生產(chǎn)線質(zhì)量穩(wěn)定、成本低廉的等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了氣氛釬焊的適用范圍，對(duì)于一部分在傳統(tǒng)工藝中必須使用真空爐釬焊的換熱器，使用這種爐型可獲得更好的質(zhì)量、更低成本和更高的產(chǎn)能。表4是三種不同鋁合金釬焊設(shè)備的性能對(duì)比。根據(jù)某用戶應(yīng)用A.O-CAB一年來的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，其產(chǎn)能相當(dāng)于3～4臺(tái)4 t裝爐量的真空釬焊爐，而單位生產(chǎn)成本僅為該種真空釬焊爐的約50%，焊成率在98%以上，比真空釬焊高3～5個(gè)百分點(diǎn)。A.O-CAB可以部分代替昂貴的真空釬焊爐的使用，是鋁合金換熱器釬焊技術(shù)的一次重要?jiǎng)?chuàng)新。

表4 三種鋁合金釬焊設(shè)備的性能對(duì)比