管路釬焊接頭結構與釬焊滲漏

劉澳， 許貴琳， 王岱嶸， 湯耀， 周海宇， 趙越

(1.中國海洋大學,山東 青島 266100；2. 青島海爾股份有限公司,山東 青島 266000；3. 青島海爾特種制冷電器有限有限公司,山東 青島 266000；4.青島海爾生物醫療股份有限公司,山東 青島 266000)

0 前言

醫療柜、冰箱、冷柜、空調等制冷產品，采用金屬制冷管路連接各個制冷部件，形成的制冷管路接頭主要采用釬焊方法連接。生產廠家將制冷劑灌入制冷管路中，制冷劑通過壓縮機的驅動在制冷管路內進行循環，以達到制冷效果[1-4]。制冷管路中存在任何微小的滲漏，都將導致制冷系統內部制冷劑的流失，從而導致制冷產品不再制冷[5]，對制冷產品來說這是致命缺陷，對用戶來說這將導致家用電器喪失功能，必然引起市場投訴。中國從上世紀80年代引入制冷產品，到本世紀初已經成為世界上最大的制冷產品生產國和消費國，但是制冷管路滲漏問題一直沒有得到根本解決，許多企業為此投入大量的精力，包括培訓焊工、改進釬焊方法、改進釬焊材料等并沒有明顯改觀。

制冷管路的釬焊接頭均采用套接接頭，即先將管路接頭的一端擴口，將管路接頭的另一端插入到該擴口端，形成套接接頭。加熱方式主要采用火焰加熱和感應器加熱等加熱方法進行釬焊。釬焊接頭滲漏概率，以冰箱、冷柜常用的鋼管-銅管接頭為例，采用BAg30CuZnSn藥芯釬料，滲漏率在0.05%～0.1%, 這會導致0.2%以上的現場故障率及0.1%左右的社會反饋率，盡管均屬于小概率事件，但是對于大規模生產來說，造成的損失依然很大，距離企業的質量目標相差甚遠。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為TP2銅管和低碳鋼鋼管的套接接頭，分別采用2種結構：現有釬焊接頭和均勻間隙釬焊接頭，對其釬焊質量進行對比。2種試樣套管為TP2銅管，插管為低碳鋼管，采用高銀釬料，成分見表1。

表1 高銀釬料BAg30CuZnSn焊絲成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法及設備

制冷管路釬焊接頭質量檢驗方法——X射線探傷和金相分析使用自主研發的移動式X射線探傷箱對使用釬焊管件進行探傷，通過探傷底片能明顯看出釬焊的缺陷(大氣孔，未釬透等)，1次可以檢查20個管接頭，10 min即可完成，效率很高，且可以保存檢驗結果。需要的話，可以指定位置進行金相分析，有目標的進行解剖分析，或識別缺陷，從而能夠很客觀的判斷釬焊的質量。

X射線探傷技術是通過X射線照射在物體上，在底片上形成灰度不同的圖像來識別缺陷，其在焊接領域的應用已經非常成熟，但在制冷行業的應用還未普及。

傳統檢查釬焊接頭質量問題的手段是手工解剖(目視檢測)，如圖1所示。這樣即會破壞樣件，同時有很大的盲目性，難以剖切到存在缺陷的截面。最重要的是效率極低，效果差。

圖1 傳統解剖方式

2 試驗結果及分析

2.1 現行釬焊接頭結構的焊漏分析

制冷管路的釬焊接頭有為3類：銅-銅管釬焊接頭、銅-鋼管釬焊接頭和鋼-鋼管釬焊接頭。銅-銅管釬焊采用的是磷銅釬料，該接頭為同種金屬之間的釬焊，釬焊接頭的質量高，正常釬焊情況下，焊漏率小于0.02%。銅-鋼管、鋼-鋼管釬焊采用高銀釬料，焊漏的概率會明顯高于銅-銅管接頭[6-7]。

通常情況下，自釬劑釬料適用于小間隙。需要使用釬劑的銀基釬料，含銀量越高，適用的釬焊縫隙越小，反之，則適用于間隙稍大釬焊接頭。

在銅-鋼、鋼-鋼管2種釬焊接頭之間比較，銅-鋼管釬焊接頭滲漏率略高于鋼-鋼管接頭，這是因為異種材料的物理化學性能有較大差異[6]，導致釬焊性變差。因此，文中選定了滲漏率較高的銅-鋼管釬焊接頭為研究目標，研究管路釬焊接頭結構與釬焊滲漏之間的關系。

為了研究釬焊接頭滲漏的主要原因，對某公司社會反饋的18個銅-鋼管滲漏接頭故障件進行解剖和分析。如圖2所示,接頭的套管為TP2銅管，插管為低碳鋼管，釬焊采用銀基釬料BAg30CuZnSn(藥芯釬料)。

圖2 現有釬焊接頭結構(套接接頭)

2.1.1無損檢測結果

通過X射線探傷的結果分析，故障件中，大部分接頭發現了釬料未填滿間隙的缺欠，主要是大間隙的未釬透，甚至是貫穿性未釬透。裝配質量，如雙邊間隙偏到一側，或雙邊間隙都大造成的未釬透，是導致釬焊接頭焊漏的主要原因。

在故障件中還發現，在接頭縱向的某個區域釬料添充較好的接頭，依然出現滲漏，為了分析滲漏的原因，在接頭完好的位置進行了金相分析。

2.1.2金相分析結果

從故障樣件的X射線探傷照片中選取未發現缺陷的位置進行金相解剖分析，金相照片如圖3所示。根據金相圖片可以明顯看出，在窄間隙(0.02 mm)的釬焊區域存在未釬透現象。

圖3 小間隙未釬透的金相照片

2.1.3分析結果

通過X射線探傷發現，間隙過大會產生未釬透；金相分析顯示，間隙過小同樣會產生未釬透，尤其是貫穿于整個釬焊接頭的未釬透是導致接頭滲漏的主要原因。現有結構中忽視了小間隙對滲漏的影響，研究表明，2～3 μm的縫隙足以導致制冷劑流失[8]。

導致焊漏(未釬透現象)的主要原因是焊縫間隙不均勻，即間隙過大或過小。如圖2所示的現有結構在插入管與套管相向彈性的應力作用下，使其插入管和套管之間不同心是難以避免的，換句話說，間隙不均勻是難以避免的。因此，如何保證管路裝配后釬焊接頭的周邊間隙符合工藝要求(0.03～0.3 mm)，是解決管路接頭滲漏問題的關鍵。

2.2 均勻間隙釬焊接頭的設計與驗證

形成銅-鋼管釬焊接頭滲漏的主要原因是接頭釬縫的間隙不均勻，而引起間隙不均勻的原因有2個：①釬焊接頭結構設計不合理，導致過大間隙和過小間隙的產生，使釬料填充不滿釬縫，從而產生未釬透現象,如圖4所示；②接頭的插管或者套管加工尺寸不合格。有橢圓現象存在，使釬縫間隙不均勻，如圖5所示。

圖4 接頭插管插入套管的極端情況

圖5 插管加工不合格

解決制冷管路釬焊接頭的質量問題應考慮以下2個方面：①從源頭上保證釬焊接頭的質量，嚴格把控插管和套管管件的管口的尺寸；②保證釬焊工藝間隙，使釬縫的周邊間隙在一定范圍內，以保證釬焊質量，防止未釬透現象產生，從而防止焊漏。2個方面都是為了控制釬縫的周邊間隙，使得焊料能充分填充，形成合格的釬焊接頭。為此設計了一種新型銅-鋼釬焊接頭——均勻間隙釬焊接頭。均勻間隙，是指釬焊部位的間隙是均勻的，如圖6所示的位置[9]。

結構設計要點：均勻間隙釬焊接頭由釬焊段與定位段2部分組成，其目的是在釬焊位置上實現均勻間隙。制冷管路接頭的釬焊過程可簡單描述為，加熱、釬劑流入縫隙，清除金屬表面氧化膜、釬料熔化流進釬縫，在毛細作用和重力的作用下填滿釬縫[8]，其中毛細作用下促使釬料流動，填滿釬縫。理論上，間隙越小毛細作用越強，但實踐中，當間隙小到一定程度時，太小的間隙會阻礙釬料的流動，產生未釬透現象。同樣，當間隙大到一定程度時，毛細作用就不再起作用，也會產生未釬透的現象。通過試驗，推薦的接頭釬焊間隙(圖6，圖2)最合適的范圍應為0.2～0.03 mm[9-11]。新型釬焊接頭結構要點：①把原先釬焊接頭的釬焊段分成了2部分，即釬焊段和定位段；②對插入管進行整管，以保證插管的圓度和精度；③釬焊段間隙大于定位段間隙，即使在插管極端傾斜的狀態下，也能保證釬焊段擁有足夠的釬焊工藝間隙。如圖7所示。

圖6 均勻間隙釬焊接頭(兩個范例)

圖7 均勻間隙釬焊接頭插管與套管在極端配合情況下

釬焊段為釬料填充部分，插管與套管之間的間隙滿足釬焊工藝間隙。定位段是為了給釬焊段做定位作用，保證釬焊段的間隙均勻。新型釬焊接頭的釬焊端保有一定的釬焊間隙，盡管深度只有3 mm，只要周圍一圈是嚴密無缺陷的釬縫，即可滿足密封要求。

基于將現有釬焊接頭的釬焊段分成定位段和釬焊段2段的基本設計思路，對新型釬焊接頭——均勻間隙釬焊接頭進行試驗驗證，對比釬焊接頭改進前后釬焊質量的差距。

在該次試驗中，現有釬焊接頭的雙邊間隙為0.2 mm，插管深度為11 mm(具體結構尺寸如圖8所示)；均勻間隙釬焊接頭的定位段的雙邊間隙為0.05 mm，長度為17 mm，釬焊段的單邊間隙為0.125 mm，深度為3 mm，插管總深度為20 mm(具體結構尺寸如圖9所示)，經過計算，能夠保證釬焊段的周邊間隙為保持0.08～0.17 mm之間(具體結構尺寸計算如圖7所示)，2種接頭的釬焊工藝采用手工火焰釬焊進行加工。

圖8 現有釬焊接頭的套管和插管

圖9 均勻間隙釬焊接頭的套管和插管

2種釬焊接頭的質量通過X射線探傷和金相分析進行判斷。金相分析結果如圖10～圖11所示。

圖10 均勻間隙釬焊接頭結構

圖11 現有釬焊接頭結構

由2種結構的探傷及金相(橫截面均為距管口大約2～3 mm處)結果可見，在相同釬焊條件下，現有釬焊接頭的大多數試樣存在間隙不均勻現象，并且有缺陷存在，釬焊接頭質量差，可能產生焊漏。均勻間隙釬焊接頭的釬焊質量好，間隙均勻，不存在極大間隙和極小間隙的現象，貫穿性未釬透的比例降低80%(在某公司生產線上小規模批量驗證得出)，可大大降低焊漏的概率。釬焊接頭上釬料均勻滲透的概率達到80%以上。根據上述2組試驗結果對比得出，均勻間隙釬焊接頭質量優勢明顯。新焊工完成的均勻間隙釬焊接頭也能取得和熟練焊工類似的結果。

3 結論

(1)通過試驗證明了釬焊接頭釬縫間隙不均勻是引起鋼-銅、鋼-鋼接頭滲漏的主要原因；且采用X射線探傷和金相分析相結合的方法，能準確的判斷釬焊接頭的質量。

(2)對現有釬焊接頭進行優化后的新型釬焊接頭——均勻間隙釬焊接頭由釬焊段和定位段2個部分組成，其釬縫結構呈階梯型結構分布。均勻間隙釬焊接頭結構能有效控制釬焊區周邊間隙，防止未釬透現象的產生，減少釬焊接頭滲漏率。

(3)管路接頭的滲漏與結構密切相關，與選擇火焰釬焊或感應釬焊關系不大，與焊工的操作水平關系也不大。對于釬焊接頭小間隙所產生的滲漏問題，通過熟練釬焊工人操作對小間隙未釬透的補救作用很小。在改進結構控制釬焊間隙后，能有效避免小間隙的產生，可以大大降低操作工位中工人釬焊操作技術上的要求。

(4)生產企業在設計管路釬焊接頭中，建議通過許可使用文中所列舉的專利技術，或采取其他能保證釬焊段的周邊間隙，防止未釬透現象的產生，降低焊漏率的管路接頭結構。