空調加工過程火焰釬焊過燒的影響因素研究和預防

黃時華 查佳朋 方 正 阮晉如 杜 健 劉 凱

（格力電器（合肥）有限公司 合肥 230088）

前言

國內空調行業，熱交換器、管組件焊接主要為紫銅接黃銅焊接和紫銅接紫銅焊接，此兩種焊接方式均為釬焊，而影響釬焊的因素多產生于現場環境、人員操作和生產輔料等。

統計某空調企業售后焊接類系統漏故障數據顯示，焊接過燒缺陷占手工焊接故障的50 %以上，為最高缺陷。焊點過燒是影響銅管強度和空調壽命的重大隱患之一。

1 過熱和過燒定義

1）過熱：

在加熱過程中，由于溫度過高或加熱時間長，導致組織及晶粒粗大的現象稱為過熱。

現象：過熱后被加熱母材表面出現粗糙的麻點、桔皮、晶粒大等；如圖1所示。

2）過燒：

圖1 表面粗糙

圖2 過燒凹坑

圖3 晶粒粗大

當金屬在近于熔化溫度下加熱或嚴重過熱時，晶間局部低熔點組員熔化或晶界弱化現象稱為過燒。

現象：表面粗糙、凹坑、熔蝕，晶界變粗、變直，甚至出現裂紋，還會出現易熔化和氧化薄膜層，使金屬結合力大大降低；如圖2、圖3所示。

2 熱加工變形

紫銅管在加熱情況下，隨著溫度的升高，變形抗力通常都不斷下降，塑性升高（有些合金在某溫度范圍內塑性反而隨溫度的升高而降低，這就是脆性區）。在熱加工時要避開脆性區，以防材料的破壞，如圖4所示。

圖中可見在400～600 ℃之間出現低塑性區，即脆性區。

在廠內釬焊使用的焊料為硬釬料（熔化溫度高于450 ℃），在焊接添加焊料熔化的過程為銅合金的脆性期，在此階段應避免焊接點受力、晃動、局部受熱，添加焊料期間應均勻加熱，防止定點加熱造成過燒。

3 失效機理研究及分析

1）助焊劑添加不當

我公司使用的助焊劑為無色透明或微黃色液體、有特殊氣味，無可見雜質。其主要成份為：硼酸三甲酯+甲醇（（CH3O）B），硼元素含量：6.5 %～7.2 %；比重：0.82 ～ 0.95 Kg/M 。

硼酸三甲酯在高溫條件下，與氧氣發生化學反應放出二氧化碳，水蒸氣和三氧化二硼，反應方程式如下：

2(CH3O)3B +5O2= 2CO2+ B2O3+9H2O（汽態）

三氧化二硼(又稱氧化硼、硼酸酐) 為無色玻璃狀晶體或粉末。

助焊劑主要作用是清除母材表面雜質增加焊料流動性，若過量添加銅管表面會產生大量白色晶狀硼化物阻礙焊料的流動，焊料無法正常熔深，員工會延長加熱時間造成焊點過熱或過燒。

助焊劑調節方法：

①當焊接樣件表面光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區保持本色或紅色，說明助焊劑添加適量，可以進行焊接；如圖5、圖6所示。

②當焊件表面發黑，產生較多氧化皮，說明助焊劑添加不足，可以適當調節閥門，加大助焊劑流量；

③當焊接時有白色粉末噴出或焊料難加上去，說明助焊劑添加過多，這時可以適當調小閥門，減小助焊劑流量。

助焊劑正確調節焊接：火焰燃燒顏色呈明亮的綠色火焰；焊縫外觀光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區保持本色或桔紅色；

2）火焰調節不當

圖4 表面粗糙紫銅在不同溫度下的拉力試驗值

圖5 助焊劑正常調節

圖6 焊接后銅管呈本色或桔紅色

圖7 中性焰焊接

圖8 氧化焰焊接

火焰釬焊是利用可燃氣體與氧氣，在焊炬內混合噴出燃燒的火焰進行加熱的—種釬焊方法。在火焰釬焊完成釬料熔化和流動所需要的熱量是靠燃氣火焰來實現的，燃氣與氧或空氣燃燒形成火焰，直接加熱工件。燃氣包括乙炔氣、氫氣、丙烷氣和液化氣等。隨著氧氣與燃氣的比例不同，火焰的特性也不同，常用的火焰狀態是還原焰和中性焰。空調焊接操作中以中性焰為主，如圖7所示。

釬焊過程火焰調節為氧化焰極易產生過燒；氧化焰溫度可達2 600～2 850 ℃，火焰結構分為焰心、內焰、外焰三部分，當氧氣與可燃氣體的混合完全反應后，會有大量的氧氣剩余，這種火焰就是氧化焰；如圖8所示。

為避免因調節氧化焰造成的過燒現象，實際釬焊過程中，推薦采用中性焰焊接，紫銅接紫銅焊接可適當降低氧氣混合量以控制火焰溫度，氧氣壓力不超過0.6 MPa（設計值：0.4～0.7 MPa）；黃銅接紫銅焊接根據實際生產情況，結合母材狀態可調節為氧化焰進行焊接，但需注意調整加熱方式及加熱時間。

3）焊接操作

紫銅接紫銅焊接主要使用銅磷釬料（BCu93P），磷在焊接過程中主要起到除雜、增加流動性的效果，磷易揮發，含量偏高會引起焊縫中氣孔偏多聚集，磷含量少則影響焊料的流動性。

為驗證磷在釬焊中成分含量的比重，取銅磷BCu93P焊條2根做焊前與焊后的成分對比，見表1：

①、取銅磷BCu93P焊條1根，以20 mm為標準截取5段鋪成一個平面再鑲嵌，焊條鑲嵌后在NO1000的砂紙上研磨平整后，做成分檢測磷含量為6.9 %。

②、取銅磷BCu93P焊條1根，使用焊槍燒熔焊料均勻的滴在鐵板上，聚集成直徑為約10 mm的餅狀釬料塊，做成分檢測磷含量為3.7 %。

根據以上實驗驗證分析，銅磷焊條BCu93P經焊接后磷含量由6.9 %下降至3.7 %，在焊接過程中損失3.2 %，由此可見，釬料在熔化后磷流失量較大，會造成焊料流動性差，持續焊接加熱易造成過燒，見圖9。

釬焊過程導致磷損失的主要錯誤操作有：

①、從焊點正面加焊，此種焊接方式必然產生火焰直接燒熔焊料，而在焊料在熔化的過程中磷損失量較大。

②、加熱點和焊料添加點過高，使焊料距管口上方15 mm到20 mm的銅管處燒熔流下，待焊料流至管口處大部分磷已損失，直接導致焊接流動性差，易形成虛焊和焊料不足，若持續加熱易造成焊點過燒。

4）焊點二次受熱驗證

取∮7冷凝器部件用焊槍（氧氣壓力：0.6 MPa）中型焰分別加熱彎頭焊點2 s、4 s、6 s具體情況見圖8～圖16。

①用焊槍外焰加熱2 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料未熔化，解剖后焊點無焊料下沉、焊料回流現象，管壁晶粒在0.130～0.150 mm之間，未過燒；見圖10、圖11、圖 12。

②用焊槍外焰加熱4 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料未熔化，解剖后焊點無焊料下沉、焊料回流現象，管壁晶粒在0.130～0.150 mm之間，未過燒；見圖13、圖14、圖 15。

③用焊槍外焰加熱6 s，彎頭呈暗紅色彎頭焊點中的焊料處于半熔狀態，解剖后焊點焊料下沉2～5 mm、內壁焊料回流6～13 mm；管壁晶粒在大于0.180 mm之間，嚴重過燒；見圖16、圖17、圖18。

表1 焊前與焊后銅磷焊條中磷成分（質量分數，單位%）的變化

圖9 焊前與焊后磷成分變化示意圖

由以上對比實驗可見，使用中性焰按正常方式返修均勻二次加熱彎頭，在2～4 s內彎頭未過燒，加熱6 s后焊點內壁出現下沉、回流、流失，且彎頭管壁嚴重過燒，因此彎頭返修加熱時間應保持在2～4 s之間為宜。

4 預防措施

1）使用正確的加熱方式；

用中性焰的外焰加熱焊件，焰芯距焊件表面應保持15～20 mm的距離，作左右擺動，使接頭均勻加熱。釬焊厚薄不同的焊件時，預熱火焰應指向厚件，以防薄件熔化。

2）釬料添加要求

焊件預熱到630～780 ℃時將釬料與焊件接觸，利用焊件的高溫使釬料熔化。不能用火焰直接加熱釬料，應加熱焊件，使釬料接觸焊件熔化。

待液態釬料填滿間隙后，移開焊料，同時火焰焰芯與焊件的距離應加大到35～45 mm，以防釬料過熱或焊件過燒，從而使接頭的性能變壞。釬焊后的零件，須待釬料凝固后方可挪動位置。

圖10 外焰加熱2 s

圖11 加熱2 s焊點解剖

圖12 加熱2 s管壁晶粒

圖13 外焰加熱4 s

圖14 加熱4 s焊點解剖

圖15 加熱4 s管壁晶粒

圖16 外焰加熱6 s

圖17 加熱6 s焊點解剖

圖18 加熱6 s管壁晶粒

3）助焊劑調節至合適范圍

助焊劑正確調節焊接：火焰燃燒顏色呈明亮的綠色火焰；焊縫外觀光亮、清潔、無焊渣及氧化物，焊接區保持本色或桔紅色；

4）合理調節焊接火焰及加熱時間

根據焊接母材的不同，可通過調整焊接參數、火焰進行規避焊接過燒；如紫銅接紫銅焊接，母材壁厚較薄，火焰必須使用中性焰，同時氧氣壓力可適當降低，防止過燒；部分紫銅接黃銅焊接，黃銅母材較厚，預熱時間長，可調整為氧化焰，采用合理的焊接手法防止過燒。

5 結論

綜上所述，影響紫銅管焊接產生過燒的主要因素有：助焊劑添加不當、火焰調節不合適、焊接操作不規范及返修二次受熱時間過長等。其中在焊接過程中銅管經過“脆性期”時應把握好焊點均勻受熱和保溫過程。過燒的產生原因均來自于員工的焊接基本功、焊炬調節和輔助材料的使用，在日后的檢查培訓過程中逐步完善，從細節鞏固員工的焊接技術。