Active Only半連續保護氣氛鋁釬焊爐

武聲陽，梁 成

(西科沃克瑞泰克熱處理設備制造(天津)有限公司，天津 300385)

國內某換熱器制造公司引進一種先進的新型半連續保護氣氛鋁釬焊爐生產線，這是該種爐型在亞洲第一條，全球第三條應用。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品，這類換熱器受結構和材料原因限制，在傳統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、設備復雜、生產成本高等問題。此種半連續鋁釬焊爐結合了氣氛釬焊和真空釬焊的優點，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70年代末發明的一種無腐蝕釬劑技術，在全球應用已有40年歷史，這種工藝具有焊成率高、成本低、易操作、無污染、適合大批量生產的優點，是目前應用最廣泛的鋁合金釬焊技術。

NOCOLOK釬劑是由KF- A1F3系構成的氟鋁酸鉀混鹽，其化學總式可表示為nKF·AlF3(n一般為1～3)，熔點為565～572 ℃，在熔融狀態下可與Al2O3發生復雜的電化學反應以破壞鋁表面的氧化膜[1]。圖1為典型的釬焊接頭結構。

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復合層)開始熔化并潤濕結合面，液態釬料通過毛細作用填充接頭間隙。再通過進一步的升溫和保溫，釬料和芯材間相互擴散，經冷卻后最終形成穩定的合金接頭。

工業上基于NOCOLOK釬焊工藝的常用設備稱為可控氣氛鋁釬焊生產線(以下簡稱CAB生產線)。CAB生產線主要由干燥爐、釬焊爐、氣氛冷卻室、終冷室和其他一些輔助裝置組成，生產線通過一條閉環的耐熱鋼網帶相連，用于從前到后輸送產品。其中干燥爐用于除去釬劑中的水分及其他有機物(如黏結劑)，工作溫度一般為250 ℃左右。釬焊爐為生產線的核心，內有耐熱鋼制成的馬弗，馬弗內通入高純度的氮氣形成低氧含量的保護氣氛；釬焊爐分為若干個獨立的控溫區，工件在運行過程中逐漸達到釬焊溫度。氣氛冷卻室由馬弗、夾套、冷卻風機(或水冷套)等組成，用于將工件在保護氣氛中降溫至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生產線組成見圖2。

圖2 CAB生產線組成示意圖

CAB生產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與水反應產生有強腐蝕性的HF，會使焊接質量劣化、影響產品外觀并腐蝕設備，且HF有毒，因此爐內氣氛還要求露點小于-40 ℃，同時產品、夾具和網帶都會將氧氣和水分帶入爐膛，因此需要從爐膛中部向馬弗內充入高純氮氣以稀釋爐內有害氣氛。一般氣源取O2含量小于5×10-6、露點-70 ℃以下高純氮氣，其消耗量根據馬弗大小在100～250 m3/h(標準)。馬弗內廢氣會向馬弗進、出口擴散并排出，同時消耗大量熱能。以上原因導致CAB生產線使用中會有大量的高純氮氣消耗并降低爐子熱效率。

(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，尤其對鎂元素最為敏感。鎂會與氧化膜中的氧元素結合生成難熔的MgO，影響鋁表面氧化膜的去除；鎂會與氟鋁酸鉀反應生成MgF2、 KMgF3和K2MgF4，導致釬劑熔點上升，降低釬劑的流動性甚至使釬劑重新凝結。因此，在氣氛釬焊中，鋁合金中鎂元素的含量一般應控制在0.5%以下，超過這一限制時需要增加氮氣的注入量以降低氟化氫的濃度或使用特殊的含銫釬劑。當合金中的鎂含量超過1%時釬劑就會失去膜能力，故一些高強度的鋁合金，如6061，無法在CAB生產線中釬焊。

1.2 真空釬焊

真空釬焊是目前鋁制換熱器生產中另外一種得到廣泛采用的技術。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雜的物理化學作用實現的。Mg化學性質活潑，蒸氣壓較高(在427 ℃時約為1.3 Pa)，在真空中極易揮發。Mg的活化作用可用以下三個化學反應式表述：

3Mg+Al2O3=3MgO+2Al

(1)

2Mg+O2=2MgO

(2)

Mg+H2O=MgO+H2

(3)

由于 Al2O3的熱膨脹系數僅為Al的1/3(見表1)，當加熱到約400 ℃時，鋁表面的致密氧化膜會因受熱膨脹而開裂[2]。在真空釬焊的過程中，一方面Mg蒸氣會通過氧化膜表面的微小裂縫進入母材表面并和釬料中擴散出的Si一起形成低熔點的Al-Si-Mg合金，合金熔化后會破壞氧化膜與母材的結合，氧化膜會浮起并通過熔化釬料的表面張力將其從接頭區排除[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))，保護母材表面不被氧化，這樣釬料就可以有效潤濕母材，并通過毛細作用生成合金接頭。

表1 Al2O3和Al的熱膨脹系數

真空鋁釬焊工藝對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≤5×10-3Pa，壓升率≤0.5 Pa/h；換熱器有大量的微通道結構和內表面積，抽真空時會放出大量氣體，因此真空系統必須有足夠高的抽氣能力；鋁釬焊溫度接近母材的熔點，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，至少要達到≤±5 ℃和≤±1 ℃；為保證足夠高的升、降溫速率，真空爐還應具有足夠大的加熱功率和強制循環冷卻系統。圖3為典型的鋁真空釬焊爐結構。

圖3 真空釬焊爐結構

真空鋁釬焊有許多優勢，如由于除氣凈化效果好，可以形成高質量的焊接接頭；應用范圍廣泛，可焊接6XXX、7XXX系的高強度鋁合金；可焊接一些大型的、必須立式裝入的換熱器產品等。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，因此爐內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比見表2。

表2 三種金屬材料的熱性能對比

(2)一般的真空釬焊爐都是間歇式爐，且因結構原因真空爐裝爐量受限，因此無法實現大批量連續生產。半連續式真空釬焊爐的造價高昂，且效率提升有限，不是主流。

(3)真空爐的應用成本非常高。真空爐構造復雜，制造困難，因此造價較高。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有部分鎂蒸汽進入真空系統導致泵油污染，需經常更換；鎂蒸汽還會在加熱器、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，需要經常停爐維護，因此真空釬焊爐的養護成本也非常高。

2 Active Only?半連續保護氣氛鋁釬焊爐

Active Only?半連續保護氣氛鋁釬焊爐(以下簡稱A.O-CAB生產線)由若干不同功能的腔室組成，較一般的CAB生產線，增加了真空凈化室和真空冷卻室，用于凈化和隔絕氣氛。各腔室間都設計有獨立的隔熱門，保證相互之間沒有干擾。產品擺放在料筐上，料筐通過一條懸掛線以步進方式依次在各腔室中運行。各腔室允許根據每個料筐的裝料情況單獨設置工藝參數，因此切換產品和工藝時無需等待，使設備具有了柔性生產能力。單個料筐最大裝載量為400 kg(產品和工裝)，料筐在各腔室內的處理和轉移節拍最快為15 min，最大生產率可達1.6 t/h。A.O-CAB生產線的結構和外觀見圖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，當平放釬焊時，隔板上附著的大量釬劑及釬料在熔化后會發生積聚并產生重力流動，釬料不能均勻鋪展導致毛細作用無法順利展開，使焊接失敗；平放釬焊時還會引起換熱器的熱變形。一般CAB生產線的馬弗考慮熱態強度、穩定性、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，另外還受網帶強度、加熱方式、熱風循環方向等限制，無法釬焊這類換熱器。

A.O-CAB改變了傳統CAB設備裝料方式和加熱方式，并將對流風機安放于爐體一側，熱風的循環方式由垂直循環改為側循環(相當于把一臺臥式爐垂直擺放，見圖7)，因此這種爐型既能釬焊一般的換熱器產品，也能夠支持重型板翅式換熱器的垂直釬焊。同時A.O-CAB生產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，有助于提高焊接質量并顯著降低生產成本。

圖5 A.O-CAB外觀

圖6 板翅式換熱器的芯體結構

圖7 A.O-CAB釬焊爐結構

2.2 氮氣置換凈化和真空凈化

傳統的CAB生產線用氮氣凈化爐內氣氛，即用大量的高純度氮氣對馬弗進行吹掃和置換以使其氧濃度達到工藝要求，實質上是“稀釋”過程。目標氧濃度與耗氣量的關系可以用下式表示：

(4)

式中：VPN表示高純氮氣總耗量與馬弗容積的比值，也稱換氣次數；Kf為目標氧濃度，×10-6；Kc為高純氮氣的殘氧含量，氣源為液氮時為5×10-6；K0為開始置換時氣氛的氧濃度，取0.21。

A.O-CAB生產線采用真空凈化。真空凈化是先將容器抽至一定的真空度，然后再注入高純氮氣獲得低氧氣氛的方法。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，則真空凈化時目標氧濃度與真空度的關系可由下式表示：

(5)

式中：P0為標準大氣壓，101 325 Pa；P1為真空度，Pa。根據式(4)和式(5)可建立兩種凈化方式的等效關系，見表3。

表3 氮氣吹掃凈化和真空凈化的等效關系

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的真空度即可達到(屬于低真空級別)，且耗氣量僅為氮氣吹掃置換的約1/9。因此，真空凈化更具成本優勢。

使用真空凈化的另一個優點是除氣效果更好。使用氮氣吹掃置換時，換熱器內部空間(如集留管和扁管內)的氣體因流動性不佳很難置換掉，造成內部空間的氧濃度偏高，并對釬焊質量產生負面影響。采用真空凈化可以徹底清除換熱器內部空間的殘留氣體。另外換熱器比表面積較大，如板翅式換熱器可達到1 000～2 500 m2/m3,故其表面吸附的各種雜質氣體也不能忽視[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

A.O-CAB在繼承和發展常規CAB生產線質量穩定、成本低廉的等優勢基礎上，擴展了氣氛釬焊的適用范圍，對于一部分在傳統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量、更低成本和更高的產能。表4是三種不同鋁合金釬焊設備的性能對比。根據某用戶應用A.O-CAB一年來的統計，當連續生產時，其產能相當于3～4臺4 t裝爐量的真空釬焊爐，而單位生產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個百分點。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的一次重要創新。

表4 三種鋁合金釬焊設備的性能對比