一种铝合金热交换器的可控气氛保护钎焊方法与流程

本发明涉及铝合金热交换器，如油冷器、中冷器、水箱、冷凝器和蒸发器的钎焊工艺，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：

铝合金热交换器的炉中钎焊方法主要有两种，一种为真空钎焊，另外一种为Nocolok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。

Nocolok钎焊采用可控气氛保护钎焊炉进行钎焊，解决了真空钎焊效率低的缺点。但Nocolok钎焊增加了喷钎剂工序，造成了成本增加和粉尘污染问题。此外，Nocolok钎焊产品清洁度低，无法满足某些热交换器的高清洁度需求。而Nocolok钎焊存在的钎剂堵塞导致虚焊缺陷无法检出，存在重大质量隐患。

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。

在中国专利申请公开号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，由于其外部与炉体气氛直接接触，钎焊时N₂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，采用油冷器外部刷钎剂的方法进行处理。

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。

在美国专利授权公告号US4240574中，公开了一种钎料层为Al-Si-Mg系的3层复合钎焊板，钎焊加热时，当钎焊温度升至400～550℃，钎焊加热速率增加至50℃/min，防止钎料熔化前Mg的扩散逸出，从而实现无钎剂钎焊。

在美国专利授权公告号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。

技术实现要素：

但是，在中国专利申请公开号CN102089117B中，虽然实现了试板的100％无钎剂钎焊连接，当将5层复合钎焊板用于油冷器钎焊时，由于产品结构复杂，加热速率低，炉体气氛中的残留O₂源源不断地对钎焊板进行氧化，导致油冷器钎焊后外部钎缝不饱满。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。

在日本专利特开平09-085433号和日本专利特开2006-175500号公报中，提到了采用不锈钢箱子和不锈钢挡风夹具进行保护钎焊，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。

在美国专利授权公告号US4240574中，钎焊加热速率高达50℃/min，在产品钎焊中根本无法实现，只能用于小试板的钎焊试验，因此没有实用价值。

在美国专利授权公告号US2015053751(A1)中，需要保证钎料层中的Si颗粒裸露出来，破坏氧化膜的连续性。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。

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钎焊方法，由相应的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：相邻焊接的两个零件中至少有一个零件采用钎焊复合板制造，并经酸洗除去表面的氧化膜；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0.05％～0.20％，其余为不可避免的杂质和Al；钎料外层Si含量为6％～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。氧化膜的厚度与炉体气氛、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。

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。

本发明通过酸洗的办法去除铝合金钎焊板热加工过程中产生的致密氧化膜，重新在室温条件下在空气中生成一层较为疏松的氧化膜。由于铝合金材料加工过程中产生的氧化膜厚度不到10nm，酸洗处理时只需去除铝合金表面不到10nm的氧化膜，因此具有酸洗处理速度快、酸洗液用量少的优点。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，对钎焊炉加热速率也没有特殊要求。

根据本发明，所述钎焊复合板的钎料内层Si含量为8％～13％，Mg含量为0.05％～0.5％，Bi含量为0.05％～0.20％，其余为不可避免的杂质和Al；钎料外层Si含量为4％～10％，Mg含量＜0.05％，其余为不可避免的杂质和Al。这样，钎料外层为低Si无Mg钎料层，钎料内层为高Si含Mg钎料层。

根据本发明，钎料内层复合率为8％～15％，钎料外层复合率为3％～5％。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8％时，钎料填充量不足，填充量超过13％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，非钎焊复合板材料为1XXX、3XXXX或6XXXX铝合金。

根据本发明，非钎焊复合板制造的零件无需进行酸洗处理。

根据本发明，所述的可控气氛保护钎焊炉中氧含量为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。

本发明的一种铝合金热交换器的可控气氛保护钎焊方法，具体包括以下步骤：

1)将钎焊复合板开卷，连续通过酸洗槽、漂洗槽，烘干后通过轧机重新制成卷料；

2)将酸洗处理过的钎焊复合板冲压成零件；

3)将所有零件进行有机溶剂清洗处理；

4)将清洗处理后的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；

5)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；

6)热交换器冷却至100℃以下出炉，完成钎焊。

根据本发明，酸洗方法采用的酸洗液为无机酸、有机酸或复合酸。

根据本发明，酸洗液的浓度为1％～80％。

根据本发明，酸洗时间为5s～20min。

附图说明

图1是本发明热交换器产品结构俯视图。

图2是本发明热交换器产品结构俯视图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的一种铝合金热交换器的可控气氛保护钎焊方法，所述的热交换器由顶板1、翅片2、芯片3、垫板4和安装板5组成。其中芯片3和垫板4的材料为铝合金钎焊复合板；顶板1、翅片2和安装板5的材料为非钎焊复合板，具体可以是1XXX、3XXXX或6XXXX铝合金。按以下步骤进行：

1)将钎焊复合板开卷，连续通过酸洗槽、漂洗槽，烘干后通过轧机重新制成卷料；采用的酸洗液为无机酸、有机酸或复合酸，酸洗液的浓度为1％～80％，酸洗时间为5s～20min；

2)将酸洗处理过的钎焊复合板冲压成芯片3和垫板4；将铝合金材料冲压成顶板1、翅片2和安装板5；

3)将所有零件进行有机溶剂清洗处理；

4)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；

5)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；

6)热交换器冷却至100℃以下出炉，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。

将钎焊复合板和非钎焊复合板冲压成零件顶板1、翅片2、芯片3、垫板4和安装板5，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3与芯片3间的钎缝圆角不饱满，存在大量孔洞缺陷。

实施例1

采用的钎焊复合板和非钎焊复合板材料与比较例完全相同。

将钎焊复合板和非钎焊复合板冲压成零件顶板1、翅片2、芯片3、垫板4和安装板5，对零件顶板1、翅片2和安装板5采用有机溶剂进行清洗。

对零件芯片3和垫板4进行酸洗处理，酸洗液为5％浓度的稀盐酸，酸洗时间为20min，酸洗后钎焊复合板表面的Si颗粒裸露出来，酸洗后用清水漂洗，烘干。

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。钎焊后冷却至100℃以下出炉。

钎焊后发现热交换器外观亮白，热交换器芯片与芯片3间的钎缝圆角饱满。

实施例2

采用的钎焊复合板和非钎焊复合板材料与比较例完全相同。

钎焊复合板和非钎焊复合板冲压成零件顶板1、翅片2、芯片3、垫板4和安装板5，对零件顶板1、翅片2和安装板5采用有机溶剂进行清洗。

对零件芯片3和垫板4进行酸洗处理，酸洗液为20％浓度的柠檬酸和5％浓度的硝酸的复合酸，酸洗时间为如下表所示，酸洗后铝合金钎焊表面的原始氧化膜去除，重新生成一层氧化膜。当酸洗时间较长时，钎料外层中的部分Si颗粒裸露出来，破坏了氧化膜的连续性。酸洗后用清水漂洗，烘干。

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。钎焊后冷却至100℃以下出炉。

钎焊后发现热交换器外观亮白，热交换器芯片与芯片3间的钎缝圆角饱满。酸洗后Si颗粒是否裸露对钎焊结果没有影响。

本发明的一种铝合金热交换器的钎焊方法，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。