汽車換熱器釬焊工藝研究

摘" 要：為了改善換熱器釬焊質量，設置608、611、614和617 ℃的4組釬焊溫度，觀察焊縫金相及測試材料性能。結果顯示隨著釬焊溫度的升高，材料的屈服強度會因為材料晶粒增長而逐漸減小。適當升高釬焊溫度在611～614 ℃之間時，焊縫溶蝕少，氣密檢測合格率與爆破壓力較高，焊接質量較好。該文提供一些釬焊質量優化措施，利于生產時參考執行。

關鍵詞：汽車;換熱器;釬焊溫度;鋁合金;焊縫金相

中圖分類號：TG457.14" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0054-04

Abstract： This study aims to improve the quality of brazing for heat exchangers by setting four different brazing temperatures （608 ℃， 611 ℃， 614 ℃， and 617 ℃） and observing the microstructure and properties of the test materials. The results showed that increasing the brazing temperature resulted in decreased yield strength due to the growth of material grains. However， when the temperature was raised between 611 ℃ and 614 ℃， the weld corrosion is less， the qualified rate of airtight inspection and blasting pressure are higher， and the welding quality is better. This paper provides some measures to optimize the brazing quality， which can be used for reference in production.

Keywords： automobile; heat exchanger; brazing temperature; aluminum alloy; weld metallography

鋁換熱器的生產主要通過釬焊完成，其原理是加熱熔點低于焊接金屬的Al-Si共晶釬料，使其融化成液態填充焊接縫隙，以此連接焊件。由于這種釬料的釬焊溫度基本在600 ℃以上，非常接近于合金固相線溫度，易發生溶蝕的現象[1-3]。已有較多文獻對影響鋁合金釬焊質量的因素進行研究。

包括添加不同比例Ge、Cu、Si、Zn元素，開發低溫釬劑，降低釬焊溫度，減少溶蝕。具體以Al-Si共晶釬料為基礎，添加10%Ge、20%Cu 使 Al-Mg、Al-Mg-Si 合金的釬焊溫度降至530 ℃以下;添加15%Cu和4%Ni使釬劑液相線溫度降至515 ℃;添加1.0%Cu或Sn使4343合金釬焊溫度降低15～20 ℃[4-6]。隨著釬料中Cu、Si、Zn含量的增加，焊接接頭強度會相應升高，但是Zn元素增多會降低合金的腐蝕電位，降低零件抗腐蝕性能。如果使用Al元素含量低于8%的Al-Zn釬料進行釬焊，3003鋁合金的火焰釬焊的接頭成型效果較好，由于焊縫的金屬固溶強化作用，焊縫的顯微硬度會比母材高一點[7-9]。

也有針對真空釬焊中不同的焊接溫度、升溫速率、保溫時間和爐內氧含量等條件，分析其對產品釬焊質量的影響。其中保溫時間適當加長，可減少Si偏聚，增強焊縫強度;爐內氧含量降低，釬劑去膜能力增強，可提高產品爆破壓力;釬焊溫度升溫較快，均勻化處理溫度較高時，鋁芯材的晶粒均勻細化，可適當提高產品屈服強度[3，10-11]。

以上研究主要從理論或實驗階段進行釬焊研究，文獻中提到的低溫釬劑或延長保溫時間等熱處理改善措施，因成本和生產效率問題，工業生產中暫未普遍應用。本文針對某款汽車換熱器的釬焊工藝過程進行分析，結合實驗測試及生產應用，優化釬焊工藝參數，提高換熱器釬焊的合格率，以期對后續的生產提供一定的技術參考。

1" 換熱器釬焊過程

換熱器釬焊生產時，常用隧道式釬焊爐，釬焊爐分為烘干區、預熱區、釬焊區及冷卻區，產品依次隨釬焊爐網帶進入爐內焊接。某款換熱器釬焊時網帶速度1 400 mm/min，氮氣流量25 m3/h，爐內氧含量20 PPM。釬焊時的釬焊溫度設定參數見表1。產品焊接采用3003芯材與4343皮材。

換熱器經釬焊后出爐，部分產品存在翅片與扁管溶蝕焊化的現象，使用2 MPa氦氣壓力進行氣密檢測，發現集流管與扁管部分區域泄露的問題，如圖1所示。

根據已有文獻及生產經驗，產品此時的問題主要是由于釬焊溫度過高，釬劑流動性加強，Si元素大量聚集，導致產品溶蝕泄露。為了滿足產品釬焊的需求，固定現有網帶速度，理論可通過降低釬焊溫度解決溶蝕問題。但是釬焊溫度及保溫時間一定程度會影響產品芯材的晶粒均勻化程度，導致材料的強度性能呈現不同的狀態[10]，為了將釬焊溫度設定在最有利于產品性能的狀態，需針對新工藝參數焊接后的樣件進行金相測試，觀察產品的焊縫狀態后再確定釬焊溫度調整范圍。

為此改變釬焊區的溫度設定，焊接實驗樣件，每組焊接20個，焊接4組，焊接后的樣件如下進行處理，焊接實驗參數見表2。

一是樣件進行線切割，對焊合面打磨、拋光、酸蝕后，進行焊縫金相觀察，并測量芯材晶粒大小變化。

二是測量不同焊接溫度下的芯材屈服強度。

三是針對樣件進行氣密檢測和爆破測試。

2" 結果及分析

經處理過的樣件金相如圖2所示，可以看出隨著焊接溫度的上升，釬劑中的Si元素會順著晶界逐漸聚集，導致焊接面開始溶蝕，出現零星的凹坑，直到617 ℃時，溶蝕凹坑顯著增大。

608 ℃時，焊縫與芯材的分界面較為清晰，焊接溫度繼續升高，釬劑中的金屬元素向芯材擴散增強，611 ℃時焊縫與芯材邊界出現參差交錯的現象，焊縫較寬，此時焊接強度較高。614 ℃到617 ℃時，釬劑流失加劇，焊縫的寬度逐漸降低。

以上現象主要原因是液態釬劑靠毛細作用填充焊縫，溫度輕微升高時，液體的表面張力減小，流動性增強，液態釬劑浸潤性增強，利于液態釬劑的填充。溫度過高時，又會造成釬劑流失嚴重，導致焊縫變窄。

對于不同的焊接區域，豎直焊縫由于重力和毛細作用的相互影響，焊接溫度不能過高，否則會導致釬劑浸潤性過高，造成釬劑流失嚴重。平鋪的焊縫可適當提高溫度，使得釬劑填充焊縫飽滿[12]。

樣件釬焊后，測量其芯材晶粒大小及屈服強度，測量結果如圖3所示。

晶粒平均截距測量可以看出，芯材隨著焊接溫度的升高，晶粒也在逐漸增大。晶粒越小，晶界越多，由于晶界滲透發生的溶蝕越嚴重[13]。晶粒在增大時，晶界減少，一定程度上有助于緩解產品溶蝕的發生，611 ℃時的金相圖，溶蝕發生的數量及面積稍微降低。溫度繼續上升，釬劑流動性和Si擴散加劇，溶蝕會開始加劇。

釬焊后的產品整體屈服強度會比釬焊前減小，這是由于芯材晶粒增長的原因[14]，并且隨著釬焊溫度進一步升高，屈服強度也會進一步減小，但是整體減小的數值并不是很大。

每組溫度釬焊產品后進行氣密檢測，每組樣件挑選1個產品進行爆破測試，統計氣密檢測合格率及爆破壓力，結果如圖4所示，爆破泄露點如圖5所示。

根據統計結果可看出，焊接溫度設定在611 ℃及614 ℃時，產品的整體氣密檢測合格率均在95%。608 ℃及617 ℃時，焊接合格率為90%及85%，可能原因是608 ℃時，有部分焊接區域焊縫不飽滿產生虛焊，導致無法通過2 MPa的氦檢氣壓，617 ℃時，則因為溶蝕影響，導致泄露。以上溫度的氣密檢測合格率數值差別較大的原因是樣件的數量較少導致。

3" 釬焊工藝改善

產品在釬焊爐內主要通過輻射熱升溫，內部靠熱傳導。由于翅片與扁管的輻射熱接收面積比集流管與扁管區域要大得多，翅片與扁管的升溫及降溫速率比扁管和集流管要快，也就更快達到釬焊的溫度點[15]。當翅片與扁管在釬焊溫度下保持時間過長時，可能發生焊料流失，或者由于釬劑噴涂較厚，釬劑中的Si元素聚集嚴重，導致翅片部分區域溶蝕。因此在生產中，要保證各焊接區域的升溫速率與最高溫度保證一致，避免某些區域已經發生溶蝕，其他區域仍處于釬焊欠溫的狀態。

上述樣件實驗結果表明，釬焊溫度最高點設定在611～614 ℃之間時，焊縫溶蝕少，且與芯材的融合較好，芯材屈服強度減弱較少，整體的焊接質量高。

翅片與扁管的焊接，在噴淋釬劑時，應考慮適當減少釬劑的噴涂流量，原有噴涂流量為1 L/min，減少到0.8 L/min，增大噴涂氣槍的噴涂氣壓由2 MPa增加到2.5 MPa，使得釬劑在扁管及翅片間的附著更加均勻，避免局部釬劑噴涂過厚，導致Si元素聚集，溶蝕翅片的現象發生。

釬焊主要靠毛細作用將液態釬料吸入焊縫，焊接區域的配合間隙越小，毛細作用越大，焊料鋪展的長度越大。配合間隙增大，毛細作用減弱，液態釬料的鋪展受阻，導致其在焊縫中鋪展較短，造成釬料流失或聚集，無法有效填充焊縫所有部位，焊接泄露[16]。因此產品設計時，優先要考慮釬焊工藝要求，將零件配合間隙設計合理，優先滿足小于等于0.2 mm的零件配合間隙。一些常見的釬焊問題處理方法見表3。

4" 結論

1）隨著釬焊溫度從608 ℃升高到617 ℃時，材料晶粒會逐漸增大，導致材料的屈服強度逐漸降低。產品在進行釬焊溫度設定時，應考慮焊接后對產品強度性能的影響，優先設置最佳溫度范圍，此款換熱器設定的釬焊溫度最高為611～614 ℃之間。

2）釬焊溫度在滿足焊接的情況下，適當升高2 ℃，有利于減少晶界，緩解溶蝕，并且能夠兼顧到豎直焊縫與平鋪焊縫的釬焊需求，提高整體的焊接合格率。

3）本款換熱器焊接質量優化采用的是控制變量，即控制產品釬焊網帶速度，降低釬焊溫度。實際生產時可根據需求，適當提高釬焊網帶速度跟釬焊溫度，匹配出新的工藝參數，以此滿足生產效率需求。

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