CN106984879A - 一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，由多个零件组装成一个热交换器，放入可控气氛保护钎焊炉中进行钎焊，其特征在于：待钎焊的两个相邻零件中至少有一个零件采用带钎料层的5层钎焊复合板制造，并经激光清洗除去表面的原始氧化膜。本发明通过激光清洗破碎、去除铝合金钎焊板冷热加工过程中产生的致密、较厚的氧化膜，重新在室温条件下在空气中生成一层较为疏松、较薄的自然氧化膜，并且不损伤铝合金基体。同时，本发明不需要添加任何钎剂或真空设备，也不需要增加不锈钢箱子、挡风夹具，也不会像酸洗一样产生大量废水，造成环境污染。

Description

一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法

技术领域

本发明涉及铝合金热交换器，如油冷器、中冷器、水箱、电池冷却器、冷凝器和蒸发器的钎焊方法，具体地说是一种铝合金热交换器在可控气氛保护钎焊炉中进行无钎剂钎焊的方法。

背景技术

铝合金热交换器在汽车、家用空调等领域得到广泛应用。由于其结构复杂，通常采用整体钎焊的方式完成产品的制造。炉中钎焊效率高，产品质量稳定，目前绝大多数热交换器都采用炉中钎焊方法进行产品制造。目前炉中钎焊方法主要有两种，一种为真空钎焊，另外一种为可控气氛保护钎焊。

真空钎焊利用三级抽真空系统对钎焊炉膛进行抽真空，保证炉膛真空度低于3×10^-3Pa，钎焊时利用钎焊复合板中的Mg元素在高温、高真空条件下的挥发去除铝合金表面氧化膜，从而实现钎焊。因此真空钎焊对炉体密封性要求高，抽真空系统复杂，并且真空条件下利用辐射加热，加热速率低，钎焊时间长。

可控气氛保护钎焊采用非氧化性气体进行保护，在可控气氛保护钎焊炉中进行钎焊。钎焊时采用对流与辐射复合加热，并且无抽真空工序，解决了真空钎焊效率低的缺点。目前的可控气氛保护钎焊普遍采用Nocolok钎剂，用于钎焊时去除铝合金表面的氧化膜，保证钎焊过程的顺利进行。可控气氛Nocolok钎焊增加了喷钎剂工序，造成了粉尘污染问题。此外，Nocolok钎焊的产品内部有钎剂残留，清洁度低，无法满足某些热交换器的高清洁度需求。并且Nocolok钎焊容易出现钎剂堵塞导致虚焊，该缺陷无法在产品制造过程中检出，存在重大的质量隐患。

对此，最近提出了作为解决上述问题的钎焊方法的可控气氛保护无钎剂钎焊。

在日本专利特开平09-085433号公报中，提到了一种在钎焊件外部覆盖不锈钢箱子，阻断炉体气氛与钎焊件的接触，减少钎焊件外部氧化，进行非氧化性气氛大气压下的无钎剂钎焊。

在日本专利特开2006-175500号公报中，提出了在炉内利用事先在钎焊炉内进行了加热的挡风夹具来覆盖钎焊件，以此改善了升温速度的下降，并减少炉体气氛与钎焊件的直接接触。由于不锈钢箱子需根据产品尺寸定做，在量产中存在箱子数目巨大，箱子存放成为问题，而不锈钢挡风夹具虽可在炉子中循环使用，但炉子结构复杂。不锈钢箱子和不锈钢挡风夹具都存在降低钎焊件加热速率的缺点。

在中国专利CN102089117B中，公开了一种钎料外层为低Si无Mg钎料层，钎料内层为高Si含Mg钎料层的5层复合铝合金钎焊板，实现了角焊缝的100％钎焊，但钎焊油冷器产品时，由于产品结构复杂，加热速率低，并且其外部与炉体气氛直接接触，钎焊时炉体气氛中的残留O₂不断与钎料外层发生反应，导致钎料外层覆盖的氧化膜大幅增厚，油冷器钎焊后外部钎缝质量差，需要采用油冷器外部刷钎剂的方法进行处理。虽然通过添加钎剂的办法解决了该问题，但没有实现完全无钎剂钎焊。并且钎剂熔化后流入油冷器内部，无法彻底解决油冷器清洁度问题。

在美国专利公开号US2015053751(A1)中，公开了一种无钎剂钎焊材料的表面处理方法。对无钎剂钎焊铝合金的钎料层表面进行酸洗处理，去除铝合金表面的氧化膜，重新生成一层更薄的氧化膜，并且保证Si颗粒裸露出来，破坏氧化膜的连续性，从而促进钎焊的进行。然而，为了使得Si颗粒裸露出来，需要腐蚀掉铝合金表面3μm左右的铝合金，酸洗液的消耗量非常大，增加了污水处理成本。同时酸洗的时间较长，效率不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，由多个零件组装成一个热交换器，放入可控气氛保护钎焊炉中进行钎焊，其特征在于：待钎焊的两个相邻零件中至少有一个零件采用带钎料层的钎焊复合板制造，并经激光清洗除去表面的原始氧化膜；所述的钎焊复合板为5层结构，中心层为铝合金芯层，两侧各分布有两层钎料层，其中钎料内层Si含量为5％～20％，Mg含量为0.01％～3％，Bi含量为0.01％～0.50％，其余为不可避免的杂质和Al；钎料外层Si含量为0～14％，Mg含量＜0.05％，其余为不可避免的杂质和Al。

实现铝合金钎焊的关键是钎料熔化时其表面氧化膜的去除。钎焊时的氧化膜厚度与炉体气氛、加热速率、钎焊板化学成分、钎焊板复合层厚度、钎焊板原始表面状态、钎焊件结构等有关。

不同于Nocolok钎焊利用钎剂的溶解、破碎氧化膜；真空钎焊利用高真空条件下加热时Mg蒸汽的挥发破碎氧化；可控气氛保护无钎剂钎焊既无钎剂的作用，也无Mg蒸汽的作用，只是依靠材料中的微量Mg元素的适时扩散逸出去除氧化膜。因此钎焊复合板的各层化学成分和复合率对钎焊质量影响很大。此外，无钎剂钎焊对铝合金表面的氧化膜厚度非常敏感。

如果氧化膜厚度大，Mg扩散逸出后与Al₂O₃生成MgO薄膜，连续覆盖在铝合金表面，阻碍钎焊过程的进行。

如果氧化膜厚度小，Mg与与Al₂O₃生成颗粒状的MgAl₂O₄，弥散分布在铝合金表面，从而破坏了氧化膜的连续性，促进了钎料的润湿铺展。

目前，由于热交换器结构复杂，加热速率低，而炉体气氛中的氧含量普遍高于20ppm，因此，原材料供应商开发的5层复合无钎剂钎焊板仍然无法直接用于热交换器产品的钎焊。钎焊后，热交换器表面与炉体气氛直接接触的部分钎缝圆角小，甚至没有钎焊成形。

本发明通过激光清洗时激光与铝合金钎焊板表面相互作用产生的等离子体冲击波破碎、去除铝合金钎焊板冷热加工过程中产生的致密、较厚的氧化膜，重新在室温条件下在空气中生成一层较为疏松、较薄的自然氧化膜。由于铝合金材料加工过程中产生的氧化膜厚度不到10nm，利用激光清洗可以高速去除铝合金表面氧化膜，并且不损伤铝合金基体。同时，本发明不需要添加任何钎剂或真空设备，也不需要增加不锈钢箱子、挡风夹具，也不会像酸洗一样产生大量废水，造成环境污染。

本发明采用五层钎焊复合板，钎料外层为低Si无Mg钎料层，钎料内层为高Si含Mg钎料层。在钎焊过程中，钎料层内的Mg加热后扩散逸出，Mg与Al₂O₃生成颗粒状的MgAl₂O₄，弥散分布在铝合金表面，从而破坏了氧化膜的连续性，促进了钎料的润湿铺展，从而实现CAB无钎剂钎焊。同时，钎料层还含有浸润元素铋，可增加材料的流动性，使焊钎缝饱满。

与钎焊复合板零件相邻的零件可以采用五层钎焊复合板、三层复合板或者无钎料层的单层铝合金。优选最后者。当焊接部位位于换热器内部时，不易接触到炉体气氛中残留的氧，在焊接过程中单层铝合金表面不会产生氧化膜，因而也无需进行除膜处理。

根据本发明，钎料内层的复合率为3％～20％，钎料外层的复合率为3％～15％。所述的复合率为钎料层厚度占复合板总厚度的比率。钎料内层的复合率低于3％时，钎料填充量不足，填充量超过20％时，容易造成钎料局部堆积、溶蚀。钎料外层太薄，不利于抑制Mg元素的提前扩散。钎料外层太厚，钎料熔化时，Mg元素来不及扩散至钎焊复合板表面。

根据本发明，其余零件采用单层铝或单层铝合金材料制造。当采用铝合金材料时，优选Al-Mn铝合金。

根据本发明，所述的钎焊复合板在加工成零件前进行激光清洗处理。一种方式是整卷开卷处理后再加工成相应的零件。另一种方式是将整卷材料裁成样片，然后时行激光清洗，最后再加工成相应的零件。

根据本发明，所述的钎焊复合板也可以在加工成零件后进行激光清洗处理。此时，只需对焊接部位进行处理即可。

根据本发明，由激光器、压缩空气喷嘴和吸尘回收嘴构成激光清洗装置。激光器产生激光束作用于钎焊复合板表面，使表面的氧化膜快速熔化，并被压缩空气喷嘴喷出的高压气体吹走，最后由吸尘回收嘴吸出。

根据本发明，激光清洗的激光器为纳秒脉冲固体激光器，激光脉冲宽度小于100ns，峰值功率密度大于100MW/cm²，功率为10W～300W。

根据本发明，纳秒激光器发出纳秒激光束1，所述激光束1的光轴与待清洗零件4表面的夹角α满足30≤α≤60°，所述压缩空气喷嘴2与待清洗零件4表面的夹角β满足10≤β≤20°，所述吸尘回收嘴3与待清洗零件4表面形成的夹角γ为90°。清洗速度为1m/min～3m/min。

根据本发明，所述的可控气氛保护钎焊炉的保护气体为氮气、惰性气体(氩气、氦气)或氮气与惰性气体的混合气体，炉体气氛氧含量为20ppm以下。

根据本发明，组成钎焊件各零件的配合间隙需控制在0.08mm以内。

附图说明

下面，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的激光清洗过程示意图。

图2为本发明的铝合金热交换器的俯视图。

图3为本发明的铝合金热交换器的主视图。

具体实施方式

参照图1、图2和图3，本发明的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，所述的热交换器由顶板5、翅片6、芯片7、垫板8和安装板9组成。其中芯片7和垫板8的材料为铝合金钎焊复合板；顶板5、翅片6和安装板9的材料为无钎料层的单层铝合金板，具体可以是纯Al或Al-Mn铝合金。按以下步骤进行：

1)在加工成零件之前，采用激光清洗方法对钎焊复合板表面进行清洗去除其表面原始氧化膜。可以将整卷的钎焊复合板开卷后进行清洗，也可以把板状的钎焊复合板剪成板条状进行清洗；

2)激光清洗时激光束1与待清洗零件4表面的夹角30≤α≤60°，压缩空气喷嘴2与待清洗零件4表面的夹角10≤β≤20°，吸尘回收嘴3与待清洗零件4表面形成的夹角γ为90°。激光器功率为10～300W，清洗速度为1m/min～3m/min；

3)将激光清洗处理过的钎焊复合板加工成芯片7和垫板8；将单层铝合金板加工成顶板5、翅片6和安装板9；

4)将所有零件放入超声波连续清洗机进行水基清洗剂清洗或有机溶剂清洗；

5)将清洗处理后的各零件组装成一个热交换器，用夹具进行装夹，装夹后测量各零件间的配合间隙，保证配合间隙小于0.08mm；装夹前后无需在热交换器内部和外部涂覆钎剂；

6)将装夹好的热交换器放入可控气氛保护炉进行钎焊，钎焊炉体气氛中的O₂含量控制在20ppm以内；

7)钎焊温度为580-610℃，冷却出炉完成钎焊。

比较例

钎焊复合板为5层复合材料。芯层为常规的3003铝合金，钎焊内层为

4045MOD铝合金，Si含量为9.77％，Mg含量为0.12％，Bi含量为0.05％～0.20％，其余为不可避免的杂质和Al。钎料外层为4343铝合金，Si含量为7.62％，Mg含量＜0.05％，其余为不可避免的杂质和Al。非钎焊复合板采用常规的3003铝合金。

将铝合金钎焊复合板加工成零件顶板5、翅片6、芯片7、垫板8和安装板9，将单层铝合金板加工成采用有机溶剂进行清洗，清洗后进行装夹，装夹后保证各零件配合间隙小于0.08mm，装夹后放入可控气氛保护炉中进行钎焊，钎焊时控制炉体气氛O₂含量＜20ppm。钎焊温度为580-610℃，钎焊后冷却至100℃以下出炉。

钎焊后发现热交换器外观发黑，热交换器芯片7与芯片7间的钎缝圆角不饱满，存在大量孔洞缺陷。

实施例

采用的铝合金钎焊复合板和单层铝合金板材与比较例完全相同。

对钎焊复合板进行激光清洗处理。激光清洗所用的激光器为纳秒脉冲激光器，激光器输出功率分别为10W、50W、100W、150W、200W、250W、300W，对应的清洗速率分别为为1m/min、1.5m/min、2m/min、2.5m/min、3m/min、3m/min。激光束1与待清洗零件4表面的夹角为45°。激光清洗时利用等离子体冲击波破碎、去除铝合金钎焊板表面的冷热加工时产生的致密氧化膜，重新生成一层天然的氧化膜。激光清洗后铝合金钎焊复合板基体无损伤，表面色泽没有发生变化。

将激光清洗处理过的钎焊复合板和供货态的单层铝合金板加工成零件顶板5、翅片6、芯片7、垫板8和安装板9，将所有零件采用有机溶剂进行清洗。

对清洗后的零件进行装夹，装夹后保证各零件配合间隙小于0.08mm，装夹后放入可控气氛保护炉中进行钎焊，钎焊时控制炉体气氛O₂含量＜20ppm。钎焊后冷却出炉。

采用6种激光清洗工艺处理的钎焊复合板加工成芯片钎焊后，热交换器外观亮白，芯片7与芯片7间的钎缝圆角饱满。

激光功率W	10	50	100	150	200	250	300
								清洗速度m/min	1	1	1.5	2	2.5	3	3
钎焊效果	合格	合格	合格	合格	合格	合格	合格

本发明的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，不添加钎剂，而在可控气氛保护钎焊炉中进行钎焊，因此具有以下特点：

1、采用可控气氛保护钎焊炉钎焊，实现对流与辐射复合传热，钎焊效率高。

2、热交换器内外部无钎剂存在，外观质量好，内部清洁度高。

3、与真空钎焊相比，加热时间短，元素扩散不明显，钎缝质量好。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，由多个零件组装成一个热交换器，放入可控气氛保护钎焊炉中进行钎焊，其特征在于：待钎焊的两个相邻零件中至少有一个零件采用带钎料层的钎焊复合板制造，并经激光清洗除去表面的原始氧化膜；所述的钎焊复合板为5层结构，中心层为铝合金芯层，两侧各分布有两层钎料层，其中钎料内层Si含量为5％～20％，Mg含量为0.01％～3％，Bi含量为0.01％～0.50％，其余为不可避免的杂质和Al；钎料外层Si含量为0～14％，Mg含量＜0.05％，其余为不可避免的杂质和Al。

2.如权利要求1所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于钎料内层的复合率为3％～20％，钎料外层的复合率为3％～15％。

3.如权利要求1所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于其余零件采用单层铝或单层铝合金材料制造。

4.如权利要求1所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于所述的钎焊复合板在加工成零件前进行激光清洗处理。

5.如权利要求1所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于由激光器、压缩空气喷嘴(2)和吸尘回收嘴(3)构成激光清洗装置。

6.如权利要求5所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于所述的激光器为纳秒脉冲固体激光器，激光脉冲宽度小于100ns，峰值功率密度大于100MW/cm²，功率为10W～300W。

7.如权利要求6所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于所述激光束(1)的光轴与待清洗零件(4)表面的夹角α满足30≤α≤60°，所述压缩空气喷嘴(2)与待清洗零件(4)表面的夹角β满足10≤β≤20°，所述吸尘回收嘴(3)与待清洗零件(4)表面形成的夹角γ为90°。

8.如权利要求1-7任何一项所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于清洗速度为1m/min～3m/min。

9.如权利要求1-7任何一项所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于所述的可控气氛保护钎焊炉的保护气体为氮气、惰性气体或氮气与惰性气体的混合气体，炉体气氛氧含量为20ppm以下。

10.如权利要求1-7任何一项所述的一种铝合金热交换器的可控气氛保护无钎剂钎焊方法，其特征在于各零件的配合间隙需控制在0.08mm以内。