（材料加工工程专业论文）汽车空调热交换器氮气炉钎焊工艺的研究.pdf

中文摘要 摘要 汽车空调铝热交换器是现代社会中广泛应用的工业产品。随着铝热交换器向 高致密性、高传热效率、重量小和经济化的方向改进，对新型铝热交换器钎焊接 头质量问题提出了更高的要求。本文从型号为“渝电一 的新型铝热交换器实际 钎焊质量出发，分析了钎焊过程中各种影响因素，主要研究了钎焊温度对钎缝质 量的影响，通过实验和数值模拟相结合的方法探索该型号冷凝器的最佳钎焊设定 温度。 本文首先分析了“渝电一”型汽车空调冷凝器网带速度为8 0 0 m m m i n 时的钎 焊设定温度。根据重庆某企业生产现状，对长期生产“渝电一 型冷凝器，固 定钎焊网带速度为8 0 0 m m m i n 、钎剂浓度为5 、烘干温度为2 3 0 、氮气纯度 9 9 9 9 9 5 以上，通过改变钎焊设定温度，确定合理的焊接工艺。从5 9 5 - - - 6 2 5 以5 。c 为温度梯度，对实验样件逐一进行钎接，获得不同温度下的钎接焊缝，采用 水压试验、氦气检漏试验、金相组织观察以及盐雾试验等方法对钎缝质量进行分 析，结果表明在网带速度为8 0 0 m m m i n 、烘干温度为2 3 0 、钎剂浓度为5 时， 钎焊炉中央控制柜最佳钎焊设定温度为6 1 0 - - 6 1 5 。 其次，研究了元素扩散对接头形成的影响。通过s i 元素钎焊过程扩散行为、 钎缝组织的变化以及钎焊接头的迁移等分析了钎焊过程中的现象和机理，证实了 加热过程中存在钎料层s i 元素的扩散，并且造成了所谓的贫硅层现象，表明钎焊 接头中基体溶解现象随钎焊温度或保温时间升高而增大，其实质是固相和液相相 互扩散行为的综合结果。 最后，基于上述试验所得钎焊设定温度，采用有限元软件a n s y s ，对“渝电 一i ”型冷凝器钎焊温度场进行模拟，获得的数值模拟温度场与试验结果吻合良 好。随后，根据企业生产需要我们优化钎焊工艺方案，将生产效率提高1 5 倍，即 提高网带速度至1 2 0 0 m m m i n ，其它钎焊条件不变。预先采用有限元软件a n s y s 对钎焊温度进行预测，然后进行工艺试验论证。结果表明将钎焊设定温度提高至 6 8 5 。c 能够获得良好的钎接焊缝，这表明数值模拟预测的方法是可行的，不仅能够 缩短工艺试验周期，降低成本，还大大提高了企业的生产效率。 关键词：冷凝器，钎焊温度，数值模拟，a n s y s ，钎接焊缝 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e ri sak i n do fi n d u s t r i a lp r o d u c t ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e d i nm o d e r n s o c i e t y w i mt 1 1 ed e v e l o p m e n t so fn o v e ld e s i g nf o rh i g h d e n s e ，h i g hh e a te f f i c i e n c y ， s m a l lg r a v i t ya n d l o w c o s t ，t h em o r ec r i t i c a ld e m a n d i n go ft h eq u a l i t yo fb r a z e d j o i n ti n a 1h e a te x c h a n g e ri sp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ea c t u a lb r a z e dj o i n t q u a l i t yp r o b l e m so f “y u d i a n i i i ”a 1h e a te x c h a n g e r ，s e v e r a l i m p a c t i n ga s p e c t sw e r e a n a l y z e d b r a z i n gt e m p e r a t u r ew a sm a i n l ys t u d i e dt ot h ei n f l u e n c eo fb r a z e di o i n t q u a l i t y , a n do p t i m a l l ys e t t i n gt e m p e r a t u r ew a sf o u n db yu s i n gt h em e t h o do fe x p e f i m e n t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l ya n a l y z e db r a z i n gs e tt e m p e r a t u r eo f8 0 0 m m m i nn e t s p e e d b a s e do np r o d u c t i o na c t u a l i t yo f “y u d i a n i i i ”a 1c o n d e n s e r ，n e ts p e e d ：8 0 0 m m m i n 、 d e n s i t yo ff l u x ：5 、d r y i n gt e m p e r a t u r e ：2 3 0 0 、n 2p u r i t y ： 1 9 9 9 9 9 5 ，w e l d i n g p r o c e d u r ew a sc o n f i r m e dl o g i c a l l yb yc h a n g i n gb r a z i n gs e tt e m p e r a t u r e f r o m5 9 5 0t o 6 2 5 0 ，w i t h5 0a st e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，e v e r ys a m p l ep i e c ew a sb r a z e do n eb yo n e ， b r a z e dj o i n t si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e db yu s i n gw a t e rp r e s s u r et e s t 、 h e l i u mg a sl e a kt e s t 、s a l ts p r a yt e s ta n d m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e n er e s u l t ss h o w e dt h a t o p t i m a l l ys e t t i n gt e m p e r a t u r ei s6 1 0 一6 1 5 0 ，n e ts p e e d ：8 0 0 m m m i n 、d e n s i t yo f f l u x ： 5 、d r y i n gt e m p e r a t u r e ：2 3 0 0 、n 2p u r i t y ： 9 9 9 9 9 5 s e c o n d l y , w es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fe l e m e n td i f f u s i o nt oi o i n tf o r m a t i o n p h e n o m e n o na n dp r i n c i p l eo fb r a z ew e l d i n gp r o c e d u r ew e r e a n a l y z e dt h r o u g ht h e d i f f u s i o nb e h a v i o ro f s i l i c o n 、c h a n g eo fb r a z i n gs e a mt e x t u r ea n dm i g r a t i o no fb r a z e d j o i n t i ta l s ot e s t i f i e dt h a tt h es i l i c o nd i f f u s i o ne x i s t sd u r i n gt h er a m p u pp e r i o da n dt h a t t h ep h e n o m e n o no ft h es o c a l l e ds i l i c o nd e p l e t e dz o n ew a sc a u s e d i ts h o w e dt h a tt h e p h e n o m e n o no fm a t r i xs o l u t i o ne n l a r g ea sb r a z i n gt e m p e r a t u r eo rd w e l lt i m eb e c a m e h i g h e r t h ee s s e n c eo fp h e n o m e n o ni st h er e s u l t so fd i f f u s i o nb e h a v i o rb e t w e e ns o l i d p h a s ea n dl i q u i dp h a s e i nt h ee n d ，b a s e do nb r a z i n gs e tt e m p e r a t u r eg o t t e nf r o mt h e e x p e r i m e n t ，f e mw a s u t i l i z e dt os t u d yt h et h e r m a ld i s t r i b u t i o ni na 1h e a te x c h a n g e rb yt h es o f t w a r ea n s y s t 1 1 en u m e r i c a ls i m u l a t e dr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nd e m a n d ，p r o c e s s i n gp r o j e c tw e r eo p t i m i z e d ，a n dt h e p r o d u c t i v ee f f i c i e n c yi n c r e a s e da sw e l la sn e ts p e e dw e r ei n c r e a s e dt o12 0 0 m m m i n b r a z i n gt e m p e r a t u r ew a sp r e d i c t e di na d v a n c eb yt h es o f t w a r ea n s y s ，t h e nt h ep r o j e c t i i i 重庆大学硕士学位论文 w a sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti n c r e a s i n gb r a z i n gs e t t e m p e r a t u r et o6 8 5 。cc a ng e tg o o db r a z e dj o i n t s i ti n d i c a t e st h a tt h ew a yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sf e a s i b l e i tc a nn o to n l ys h o r t e nt e c h n o l o g i c a lt e s t i n gp e r i o d i ct i m ea n d r e d u c ec o s t ，b u ta l s oi m p r o v e p r o d u c t i v ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：c o n d e n s e r ，b r a z i n gt e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n s y s ， b r a z i n gj o i n t i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的 盈士学位论文盏至! 至适l 垫垒丝蕴盈壶魈垮 2 盈垒缅岔是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 廖主氐 导师签名： 次弦 签字日期：鼻订 签字日期：卅岁哆 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 移盘“章程”) ，愿意将本人的丝士学位论文题碰l 塑邋亟趁 碰垄堡垒提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：导师签名：叠堕 1 年岁月砂日 各注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 1绪论 1绪论 1 1 引言 在我国，汽车工业是支柱产业之一，发展至今，汽车空调产业已经几乎普及 到了每一辆汽车。从我们国家汽车空调历史上看，我国汽车空调起步较晚，1 9 7 1 年才开始在长春第一汽车制造厂的红旗牌轿车上成功安装仿制的第一台汽车空 调，可以说在2 0 世纪7 0 年代以前，我国汽车空调行业几乎是空白。7 0 年代末8 0 年代初，上海牌轿车安装上国产的汽车空调，标志着国内汽车空调已真正起步。 如今，我国汽车数量已达到2 0 0 0 多万辆，汽车年产量可达2 6 0 - - 一3 0 0 万辆，汽车 空调市场有着广阔的发展前景。汽车空调事业在我国之所以能如此迅速发展，重 要的原因之一，是汽车空调作为空调技术在汽车上的应用，它能创造车室内环境 的舒适性，保持车室内空气温度、湿度、流速、洁净度、噪声和余压等在舒适的 标准范围内，不仅有利于保护司乘人员的身心健康，提高其工作效率和生活质量， 而且还对增加汽车行驶安全性具有积极作用。因而，汽车空调技术正成为提高汽 车市场竞争能力的重要手段之一，也成为了人民生活水平提高和汽车工业发展的 重要标志之一【1 1 。 从世界上汽车空调技术发展的历史来看，其发展速度也是惊人的。虽然在1 9 2 7 年就诞生了较简单的汽车空调装置，但是它只包括一台加热器、一套通风系统和 一台空气过滤器，只承担冬季向乘员供暖和为挡风玻璃除霜的任务。直到1 9 4 0 年， 由美国p a c k a r d 公司生产出第一台装有制冷机的轿车，这还是用家用空调装到车上 的尝试。1 9 5 4 年才真正将第一台冷暖一体化整体式设备安装在美国n a s h 牌小汽车 上。1 9 6 0 年，有冷气装置的汽车空调在美、日等国普及。1 9 6 4 年，在c a d i l l a c 轿 车中出现了第一台自动控温的汽车空调。1 9 7 9 年，美国和日本共同推出了用微机 控制的空调系统，实现了数字显示和最佳控制，标志着汽车空调已进入生产第四 代产品的阶段。到1 9 8 0 年，美国各种车辆的车用空调安装率平均达到7 0 ；日本 车用空调的安装率是：中型车1 0 0 、小型车达9 0 、大型车超过6 0 。据1 9 8 5 年的统计，美国汽车空调装置年产量达1 3 0 0 万套，车用空调压缩机年产量达1 0 3 4 万台，轿车空调安装率达8 7 1 ；日本汽车空调装置年产量达6 3 0 万套，车用空调 压缩机产量达8 9 4 万台，轿车安装率接近美国水平。汽车空调技术发展至今，其 功能已日趋完善，能对车室内进行制冷、采暖、通风换气、除霜( 雾) 、空气净化等。 我国汽车空调产业发展速度虽然较快，1 9 9 4 年也已在桑塔纳轿车新车型上开始试 安装采用r 1 3 4 a 制冷剂的车用空调，但是，目前国内车用空调系统生产基本上仍 是处于引进技术与开发、研究并举的阶段。有专家估计，我国汽车空调产业与国 重庆大学硕士学位论文 外同行业的差距约落后十五年左右，甚至更长。之所以如此，除了与我国开发投 资力度、开发运行机制、市场环境条件、产业政策措施和相关技术基础等因素有 关外，一个重要原因是，其发展还是与汽车空调本身的特点有关1 1 。 1 2 研究现状 在空调制造中，换热器性能的优劣直接影响汽车空调的制冷性能。在换热器 的生产过程中，钎焊是最主要的工艺方法，主要用于热交换器的连接。一台空调 产品的质量在很大程度上决定于钎焊质量，因为钎焊质量若出现问题如接头泄漏 等，将严重影响整台设备的正常运转。随着空调行业竞争日趋激烈，采用先进工 艺、先进技术降低成本、提高产品质量，是每个空调企业必须认真思考的问题。 现如今，采用钎料复合板对新型铝热交换器等产品进行钎焊技术连接，已经 成为重要的甚至是必需的选择。在铝热交换器钎焊工艺中，铝硅钎料以其良好的 钎焊性和综合机械性能而获得了普遍的应用【2 】。虽然复合钎料板制造技术取得了很 大的进展，但是，相关的研究大部分局限在传统的钎焊工艺或冶金性能等方面【3 卅。 美国d e l p h ih a r r i s o n 等超大型生产热交换器的公司，不断更新铝热交换器的设计， 最大限度地利用材料和提高热交换器的使用性能，例如，在散热翅片上进行了凸 起工艺处理，隔板的流体管道也由以前的单一管道发展到多管道等等。同时，逐 步将传统的轧制在隔板上的钎料层转移到散热翅片上，而封条钎料层的两侧钎料 层的厚度不相同，每一侧钎料层的厚度根据几何形状的变化也会有一定的差异【5 。8 】。 通常钎焊时，铝及铝合金表面都有一层致密的氧化膜，这层氧化膜会阻碍熔 融钎料的润湿和流动。因此，要使焊件实现良好的结合，就必须想办法破坏这层 氧化膜。钎焊过程中，当温度达到钎剂的共晶温度5 6 2 c 时，钎剂熔化，熔化的钎 剂在a l 。o 。表面铺展开来，使a l ：0 3 薄膜解离、溶解。随着温度的进一步升高，a 1 - s i 合金钎料开始熔化，并通过毛细管运动流到要结合的缝隙处，润湿、扩展，就形 成了接头【9 - 1 1 1 。 最初采用氯化物基钎剂盐浴钎焊和干燥空气炉钎焊，但该钎剂对铝有强烈的 腐蚀性，钎焊后需对残留腐蚀性物质进行处理，工艺复杂、对环境污染严重，残 留腐蚀性物质很难彻底清除干净，是造成产品早期报废的主要因素之一。为克服 以上缺点，2 0 世纪6 0 年代初，人们发明了无钎剂真空钎焊和无钎剂惰性气体保护 炉钎焊技术，彻底解决了氯化物基钎剂对铝的腐蚀性问题，但其设备费用高、维 护管理困难，不适于较大工件的大批量连续生产。因无钎剂而导致钎料流动性欠 佳，使焊缝不饱满、钎接性也稍差，影响产品的传热性能。 因此，人们一直在研究一种能克服氯化物基钎剂钎焊和无钎剂钎焊缺点的新 钎焊技术。2 0 世纪7 0 年代末，加拿大的a l c a n 公司发明了一种不吸潮、无腐蚀性 2 1 绪论 的用于铝钎焊的氟铝酸钾钎剂( n o c o l o k ) 。它可以成功清除铝表面的氧化膜， 在熔融状态和固态下均不与铝发生反应，残余物不溶于水，对铝没有腐蚀，工件 钎焊后不需清洗，钎接性和钎缝质量良好，并具有良好的工艺性和较低的设备成 本。由于以上优点，1 9 8 3 年日本成功地将这一钎焊技术应用于换热器的工业化生 产，并向全世界推广。在氮气炉中用氟铝酸钾钎剂钎焊时，从钎焊炉中部进入的 氮气( 略有正压) ，充满整个钎焊室，起保护产品和传热作用，并向钎焊炉两头 排出。为增加氮气流出钎焊炉的阻力和防止工件将空气带入钎焊炉，钎焊炉两头 的进出口处悬挂有多条厚度为0 0 5 m m 的不锈钢门帘，进入炉内的氮气，要求纯度 达9 9 9 9 8 ，其中( 0 ( 0 2 ) p r e p r o c e s s o r l o a d s w r i t el sf i l e m a i nm e n u s o l u t i o n m t el sf i l e 所有载荷步文件写入后，可以使用l s s o l v e 命令( m a i nm e n u s o l u t i o n f r o ml sf i l e ) 在文件中按顺序读取数据，并求得每个载荷步的解。载荷步文件法的 示例命令输入如下所示： s o l u! 进入s o l u 模块 ! l o a ds t e p1 ： d ，! 载荷 s f , n s u b s t , ! 载荷步选项 k b c ， o u t r e s ， o u t p r l s w t e! 写载荷步文件：j o b n a m e s 0 1 1 l o a ds t e p2 ： d 1 载荷 s f , n s u b s t , ! 载荷步选项 k b c ， 0 u 迮s o u t p r 重庆大学硕士学位论文 l s w r i t e! 写载荷步文件：j o b n a m e s 0 2 l s s o l v e ，i ，21 开始求解载荷步文件1 和2 4 4 “渝电i i i 型冷凝器温度场计算结果 4 4 1 “渝电一i i i ”型冷凝器两种钎焊工艺的热循环曲线 图4 7 为设定温度6 1 0 。c i 艺，试件升温至钎焊温度随后冷却的钎焊面上a 点 ( 如图4 5 ) 热循环曲线，从图中可以看出，a 点的温度直接由室温以较快的速度 升高到钎料的熔化温度以上，最高温度为6 0 8 c ，保温时间为3 i m i n ，之后温度迅 速降低，最后接近室温约4 0 。c 。试验中测得的温度为6 0 7 。c ，与模拟结果很接近。 世送 薅 0 5 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 0 时问s 图4 7 热输入6 1 0 时a 点的热循环曲线 f i g 4 7t h e r m a lc y c l ec u r v eo f p o i n ta a t6 1 0 图4 8 为设定温度6 1 5 工艺，试件升温至钎焊温度时钎焊面上a 点( 如图 4 5 ) 的热循环曲线，从图中可以看出，a 点的温度同样由室温以较快的速度升高 到钎料的熔化温度以上，最高温度为6 1 4 ，保温时间为3 9 m i n ，之后温度迅速降 低，最后接近室温约4 5 。在设定温度6 1 5 。c 的试验中，试件的实际温度为6 1 2 ， 模拟结果比试验结果仅高2 。c 。通过试验测得最高温度与数值模拟最高温度的比较 表明，热循环曲线的模拟与试验结果比较吻合。 5 2 4 数值模拟技术和有限元计算 蕾鸟 碉 时闻s 图4 8 热输入6 1 5 c 时a 两点的热循环曲线 f i g 4 8t h e r m a lc y c l ec u r v eo f p o i n t aa t6 1 5 c 4 4 。2 “渝电一i ”型冷凝器两种钎焊工艺的温度分布云图 设定温度为6 1 0 钎焊工艺温度分布云图 中央控制柜显示的设定温度为6 1 0 时的热输入：电压= 2 2 0 v ，电流= 5 0 a ， 加热时间为1 8 0 0 s 。图4 9 图4 1 2 为采用该工艺完成由室温加热到最高钎焊温度 然后再冷却到室温的冷凝器炉中钎焊温度分布云图。试件经过预热、烘干后温度 迅速上升到钎料熔化温度5 7 7 以上。图4 9 是加热2 5 0 s 时，冷凝器芯体的温度分 布云图，从图中可以看出整个温度分布范围为1 7 0 1 9 0 ，翅片区有轻微的变 形；图4 1 0 和4 1 1 分别为加热1 0 8 0 s 和1 2 1 6 s 时的温度分布图，均在保温时刻范 围内，为钎焊关键时刻，此时钎焊面的温度范围为6 0 4 6 0 8 。与第3 章试验结 果相比，在该工艺下获得的最高钎焊温度为6 0 7 ，基本吻合。 图4 1 2 为工件冷却至室温时的温度分布云图，由图可见，冷却到室温时，工 件中心部位的温度高于边缘的温度，这是由于芯体内部散热较慢，冷却时钎焊面 边缘的冷却速度大于中心部位造成的。 5 3 重庆大学硕士学位论文 图4 92 5 0 s 时钎焊面的温度分布云图 f i 9 4 9 t e m p e r a v l t e d i s t r i b u t i o no f l a y i n g f a c ea t2 5 0 s 图41 0 钎焊1 0 8 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g 4 1 0 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o f f a y i n g f a c ea t l 0 8 0 s 4 数值模拟挫来和有限元计算 图4 1 11 2 1 6 s 时温度分布云图 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f f a y l n g f a c ea t l 2 1 6 s 圈41 2 冷却后试件钎焊面的温度分布 f i g4 1 2t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f g a y i n g f a c e a tr o o m t e m p e r a t u r e 重庆大学硕士学位论文 设定温度为6 1 5 c 钎焊工艺温度分布云图 中央控制柜显示的设定温度为6 1 5 c 时的热输入：电压= 2 2 0 v ，电流= 5 3 a ， 加热时间为i 8 0 0 s 。囤41 3 图41 6 为该钎焊工艺下得到的冷凝器炉中钎焊温度分 布云图，试件经过预热、烘干后迅速上升到钎料熔化温度5 7 7 c 以上，到达高温后 冷却的整个过程温度场分布。图41 3 是加热2 6 0 s 时，冷凝器芯体的温度分布云图， 从图中可以看出整个温度分布范围为1 7 2 c 1 9 0 。c ，翅片区有轻微的变形：图41 4 和4j 5 分别为加热1 1 l o s 和1 2 1 0 s 时的温度分布图，均在保温时刻范围内，为钎 焊关键时刻，此时钎焊面的温度范围为6 0 9 6 1 4 。与设定温度6 1 0 c 钎焊工艺 相比，温度变化趋势是一致的，不同之处在于，两者的晟高钎焊温度及保温时间， 设定温度6 1 5 钎焊工艺在这两方面均略微增加。 将该工艺下的模拟结果与第3 章同焊接工艺的试验结果相比较，试验中所测 得的最高钎焊温度为6 1 2 ，数值模拟的结果为6 1 4 ，两者比较接近，基本吻合。 图4 1 6 为工件冷却至室温时的温度分布云图，由图可见，冷却到室温时，工 件中心部位的温度高于边缘的温度，这是由于芯体内部散热较慢，冷却时钎焊面 边缘的冷却速度大于中心部位造成的。 图41 32 5 0 sr 十的温度分布云图 f i 9 4 1 3t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o f f a y i n g f a c ea t 2 5 0 s 4 数值模拟技术和有限兀计算 图4 1 4 1 1 1 0 s 时的温度分布云图 f i 9 4 1 4 t e m p e r a t u r ed i s t a i b u t l o no f f a y i n g f a c ea t l l l o s 图41 5 钎焊1 2 1 0 s 时冷凝器的温度场分布 f i 9 4 15 t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no f f a y f a g f a c ea t l 2 1 0 s 重庆大学硕士学位论文 圉41 6 冷却后试件的温度分布云图 f i g4 1 6 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o f l a y i n g f a c ea t t o o i i l t e m p e r a t u r e 4 5 本章小结 本章详细介绍了温度场有f 日元分析的基础理论，根据“渝电i i i ”型冷凝器的 有限元模型分别计算了两种钎焊工艺温度场，结果表明，在焊接时间为1 8 0 0 s ，采 用设定温度为6 1 0 6 15 时的热输入，可以获得比较理想的温度场分布。结合第 3 章的试验，在设定温度为6 1 0 6 1 5 c 之间的热输入，能够获得符合要求的钎焊 焊缝。可以发现，在试验基础上采用计算机数值分析的相互论证是可行的。 5 工艺方案的优化 5 工艺方案的优化 5 1 引言 为了达到公司精益生产的目标，必须对工艺进行优化，保证产品质量的基础 上，提高生产效率。在上一轮试验结果与模拟结果的对比中，发现a n s y s 数值模 拟可以指导生产工艺的制定。鉴于此，在进行试验前，先采用软件a n s y s 进行数 值模拟，确定工艺参数的范围，尽可能减少试验的次数。 工艺优化前的带速为8 0 0 m r n m i n ( 即确定了焊接时间) ，目前需要提高产能， 按照工厂要求带速要达到1 2 0 0 m m m i n ，焊接时间缩短1 3 ，为1 2 0 0 s ，即生产效率 提高到原来的1 5 倍。整个生产过程中，网速提高了，钎焊炉中央控制柜的钎焊设 定温度必然提高。从钎焊过程能量扩散的角度分析，要确保钎料合金熔化而母材 合金不熔化使钎焊过程顺利进行，工件的钎焊温度必然提高，保温时间要降低。 显然，现在的工作是寻找合适的热输入，即找到合适的设定温度。 5 2 确定中央控制柜钎焊炉的设定温度 通过对能量输入的粗略估算，我们初步将设定温度的范围选为6 5 0 - 7 5 0 ， 焊接时间为1 2 0 0 s ，其它工艺条件不变、有限元模型不变。在该区间内进行温度场 模拟，每隔l o 进行一次模拟。对结果进行分析后，发现设定温度为6 5 0 、6 6 0 、 6 7 0 所得到的温度分布云图最高温度均低于6 0 2 ；设定温度为7 1 0 、7 2 0 、 7 3 0 。c 、7 4 0 。c 、7 5 0 的温度场温度严重偏高，接近或高于基体材料的熔点温度。 下文将对设定温度为6 8 0 、6 9 0 、7 0 0 进行模拟的温度分布云图进行分析。 5 2 1 “渝电i ”型冷凝器三种钎焊工艺的热循环曲线 图5 1 中三条曲线，是图4 5 中a 点的热循环曲线。可以看出，钎料熔化前的 加热状态基本一致。三种工艺的最高钎焊温度分别是6 0 9 。c 、6 2 1 、6 31 ，试件 保持在6 0 2 以上的时间分别为1 8 m i n 、2 6 m i n 、3 2 m i n 。当试件温度已经达到6 0 2 。c 以上时，大部分钎料熔化，试件的温度仍然在增加，这是由于炉膛温度与试件实 际温度之间存在巨大温差造成的。 5 2 2 设定温度为6 8 0 工艺的温度分布云图 中央控制柜显示的设定温度为6 8 0 时的热输入：电压_ 2 2 0 v ，电流= 6 4 a ，加 热时间为1 2 0 0 s 。图5 2 是该钎焊工艺第6 8 0 s 时的温度场分布云图，此时工件最高 温度为5 9 4 ，覆层表面温度到达5 9 0 ，此时大部分钎料熔化。图5 3 该钎焊工 艺第7 1 0 s 时的温度场分布云图，从图中能够看出最高温度为6 0 2 ，此时钎焊过 程正在进行。钎焊进行到第7 5 0 s 时，钎焊最高温度达到6 0 9 。c j t l 图5 4 所示。 5 9 重庆大学硕士学位论文 u 蚓 哺 时月s 囤5 1 三种钎焊工艺a 点的热循环曲线 f i g5 1 t h e r m a lc y c l ec u r v e o f p o i n t a b y t h i n ed i f f e r e n t p r o c e s s f i g52 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f l a y i n g f a c ea t6 8 0 s 5 工艺方案的优化 图5 3 钎焊7 1 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g53 t e r a p e r a t u r e d i s m b u t i o no f f 对i n g f a c e a t 7 1 0 s 图5 4 钎焊7 5 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g54 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f f a y i n g f a c ea t7 5 0 s 重庆大学硕士学位论文 523 设定温度为6 9 0 工艺的温度分布云图 中央控制柜显示的设定温度为6 9 0 时的热输入：电压= 2 2 0 k v t 电流= 6 8 a ， 加热时间为1 2 0 0 s 。图55 - - 图5 6 分别是该钎焊工艺第7 2 0 s 、7 4 1s 时的温度场分 布云图。当试件覆层合金温度达到固相线温度以上时，钎料开始熔化，同时进行 铺展填充缝隙；从图55 可以看出，7 2 0 s 时试件的温度达到6 0 9 ，到7 4 1s 时最 高温度达到6 2 1 。图57 为冷却到室温时试件的温度分布云图，此时冷凝器芯体 内部至表面温度呈降低分布，这是由于快速冷却时芯体表面散热较快。 图5 5 钎焊7 2 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g55 t e m p e r a t u r ed l s w l b u t i o n o f f a y h a g f a c ea t 7 2 0 s 5 工艺方案的优化 匿5 6 钎焊7 4 1 s 时冷凝器的温度场分布 f i g56 t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f l a y i n g f a c ea t 7 4 1 s 图5 7 钎焊1 1 6 0 s 时钎焊面的温度分布 f i g57 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o f f a y h a g f a c ea t l l 6 0 s 重庆大学硕士学位论文 52 4 设定温度为7 0 0 。c t 艺的温度分布云图 图5 8 、5 9 是在设定温度为7 0 0 “c 的工艺方案时获得的温度分布云图，热输入 为：电压= 2 2 0 k v ，电流= 7 2 a ，加热时间为1 2 0 0 s 。图58 、5 9 分别为钎焊时间7 0 0 s 、 7 1 0 s 时的温度场分布，从图中可以看出，试件最高温度分别达到6 2 3 、6 3 1 钎 焊温度偏高，而该型号的冷凝器钎焊温度不易过高。在该工艺下进行钎焊容易产 生溶蚀缺陷等，不易采用该钎焊工艺。 图5 8 钎焊7 0 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g58 t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no f l a y i n g f a c ea t7 0 0 s 5 工艺方案的优化 圉5 9 钎焊7 1 0 s 时钎焊面的温度场分布 f i g59 t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f f a y 堍f a c e a t 7 1 0 s 从以上图片我们发现，整个钎焊过程特别是高温阶段同工艺改进前的高温阶 段相比，工艺改进后，没有明显的恒温段的存在，温度一直是在升高的，从数值 分析的角度出发，我们认为不会影响到钎缝的质量，因此我们将热输入的设定温 度范围缩小到6 8 0 6 9 0 ，将采用工厂中具体的试验来进行验证a 5 3 工艺优化后的钎焊试验 53 1 试验材料、工艺及设备 采用型号为“渝电一”冷凝器9 件，分3 组分别编号i 、i i 、i i i ，型号与材质 均与第3 章试验用相同。使用同一试验设备：可控气氛钎焊炉生产设备。 工艺参数：将钎焊温度分别提高到6 8 04 c 、6 8 5 。c 、6 9 0 c ，分别对应编号i 、 i i 、i i l 3 组工件。网带速度提高到1 2 0 0 r a m r a i n 。钎剂浓度、烘干温度、含氧量、 工件摆放密度、氮气浓度等工艺参数均保持不变。 532 焊前处理与装配 焊前清洗：将所有的试件放入清洗机里，用化学清洗剂，同时配| 三【超声波清 洗的方法同时进行清洗。 装配工艺：将集流管端盖与集流管按相应的位置安装好并用木锤头敲紧，然 重庆大学硕士学位论文 后再在点焊机上连同进口接头和集流管处一起用点焊的方法使之连在一起，以便 进行钎焊。 5 3 3 冷凝器钎接 在中央集中控制柜处按照既定的试验参数进行设置。启动钎焊炉，同时炉内 通氮气。待钎焊炉正常运行后，将每组3 件冷凝器轻轻放置在正在行走的传送带上， 工件前后各放置1 5 件报废冷凝器，以平衡炉内的气氛从而保持在焊接过程中各个 分区的温度均匀。工件将经过喷淋装置进入烘干炉，然后依次进入七个钎焊炉分 区，最后经过水冷室、缓冷室、风冷室后工件出炉。 5 3 4 钎焊温度循环实际运行曲线 采用第2 章中的温度记录仪跟踪记录试件在整个钎焊过程中的实际温度循环 曲线。具体过程是：将温度记录仪与试件连接起来，热电偶的布置如图3 2 所示。 然后将连接好的测温系统随钎焊试件放在运行的网带上，直至随试件出炉，最后 读取数据。此次共有3 组试件的试验，因此共进行了3 次测温试验。得到的3 条曲线 如图5 1 0 所示。从图中看出，3 组工件在进入钎焊炉前，温度都在迅速上升，变化 的趋势是一致的，同工艺改进前的升温曲线相比，升温速率明显加快，所不同的 是试件的最高温度。实际温度与设定温度的对比如表5 1 所示，编号i 、试 件的设定温度分别为6 8 0 、6 8 5 、6 9 0 ，而实际最高温度为6 0 6 c 、6 1 9 、6 2 9 。对比发现，在网带速度为1 2 0 0 m m m i n 时，在设定温度6 8 5 时，试件的实际最 高温度6 1 l 比较适中。 u 弋 植酲 瞒 时问s 图5 1 0 试件编号i 、i i 、的钎焊温度实际循环曲线 f i g 5 1 0a c t u a lt h e r m a lc y c l ec u r v eo f n u m b e ri 、i i 、1 i i 5 工艺方案的优化 表51 设定温度与实际温度的对照 试件编号 ii ii 535 水压试验 水压试验包括两部分：耐压试验和爆破试验。试验设备名称为手动水压试压 泵，如图51 1 所示，规格型号为s y - 1 6 ，测试精度( 0 1 6 ) 00 5 m p a ， 图5 1 1 水压试验泵 f i g5 1 1 h y d r a u l i c t e s tp u m p 试验方法：试件中注满纯净自来水并排净滞留空气，堵住试件进气口，用试 压泵从出液口加压至4 4 1 = l 0 1 m p a ( 表压) ，维持恒压3 m i n ，观察有无泄漏和变形。 耐压试验完成后不卸压，缓慢加压至88 3 ：k 01m v a ( 表压) ，维持2 r a i n ，检查有无 破坏。 将钎焊后的3 组试件遂一进行水压试验。经过做水压实验，得到的结果是， 第1 、组中各有1 件出现泄露现象不合格，其余试件均合格。具体水压试验结 重庆大学硕士学位论文 果见表5 2 。 表5 2 水压试验结果 t a b l e5 2 w a t e r p r e s s i l i e t e s tr e s u l t 试件编号1 i i 合格件数2 件3 件2 件 536 氦气检漏试验 采用吸枪法在氨质谱检漏仪检测，氮质谱检漏仪如图51 2 所示。采用吸枪法 在氦质谱检漏仪检测的步骤：将试件进、出口的一端用专用堵头堵严，另一端与 检漏仪的快速接头连接。检测时先对被检试件抽真空达5 p a 以下，然后往其芯体 内腔充注06 8 6 m p a g 氮气。设定氦质谱检漏仪的泄漏率为40 7 x 1 0 。p a m 3 s 。，氦 气吸枪依次缓幔扫过试件各焊缝及连接处，同时观察检漏仪有无报警。如吸枪上 绿灯一直亮着，则表示试件无泄漏：如吸枪上红灯亮且听到蜂鸣器连续问隔性短 鸣，则表示试件不合格。 图5 1 2 氨质谱检漏仪 f i g51 2 h e l i u m m a s ss p e c t r o m e t e r l e a k d e t e c t o r 将水压试验合格的试件逐一进行氦气检漏试验结果如表53 所示，第组的3