汽车用铝合金油冷器真空钎焊工艺研究优秀毕业论文.pdf

重庆大学 硕士学位论文 汽车用铝合金油冷器真空钎焊工艺研究 姓名：刘怀玉 申请学位级别：硕士 专业：材料加工 指导教师：凌泽民 2010-04 中文摘要 i 摘 要 油冷器是汽车体的重要零配件，是保障汽车发动机安全运行及其寿命的重要零件， 其结构复杂，如今市场上销售的主流油冷器，多是采用由多层密集排列的锯齿型错列翅 片同底板连接而成的全铝整体焊接式复杂结构。该结构油冷器的优点在于体积小，重量 轻，散热面积大，散热效率高。保证该复杂结构件的翅片同隔板、隔板同底板之间高质 量的连接，是一个值得研究的科学问题。因为良好连接质量不但能够起到优良的散热作 用， 而且可以提高油冷器的使用寿命， 降低汽车维修成本， 提高汽车生产企业的竞争力， 节约资源。 鉴于油冷器的结构特点，本文选用真空钎焊工艺来实现该复杂结构件的连接。首先 基于实际真空钎焊环境，采用大型有限元分析软件 ansys，建立有限元模型，设置环 境变量参数，模拟不同真空钎焊温度条件下，油冷器翅片和隔板之间的温度场分布，经 过对模拟结果分析，确定实际钎焊工艺的温度范围。 然后采用试验的方法，对多组油冷器工件进行炉中真空钎焊试验，分析试验结果， 评价钎焊工艺对油冷器钎焊焊缝质量的影响。通过试验和数值模拟相结合的方法，探索 出“ 渝-”型油冷器的最佳真空钎焊工艺为：炉膛设定最高温度 625，保温时间 4 分 钟。 其次，本文研究了钎缝中未焊合、孔洞、夹渣、溶蚀以及金属间氧化物等缺陷的产 生原因及控制因素。结果表明：当钎焊保温时间为定值时，钎焊温度是影响钎焊质量的 主要因素，钎焊温度过低钎焊接头容易出现未焊合缺陷；反之，钎焊温度过高，钎焊接 头中容易出现溶蚀缺陷。 最后通过 sem 分析了钎缝中 si 元素的存在形态及扩散行为，结果表明，si 元素的 存在形态及扩散行为强烈影响钎缝质量；溶蚀的本质是 si 元素在钎焊温度阶段，以液 态形式扩散进入母材晶界，随后在温度降低的过程中，又以针状固体形态凝固，从而产 生了溶蚀。 关键词关键词:铝合金，油冷器，真空钎焊，数值模拟 英文摘要 iii abstract oil cooler is an important part of vehicle body, as well as a key part to ensure the safe operation and life of automotive engines. its structure is complex, now the mainstream of the oil cooler in the market is mostly used by the multi-layer dense zigzag arranged staggered fin connection with the floor made of welded aluminum complex structure as a whole. the structure of oil cooler has the advantage of small size, light weight, heat dissipation area, and high cooling efficiency. ensure a high quality connection of the fin with the partitions, and partition with the base is a researchable complex scientific issues. because good connection quality can not only play the role of good heat, but also improve the life of the oil cooler, lower vehicle maintenance costs, improve the competitiveness of car manufacturers and conserve resources. in view of the structural characteristics of the oil cooler, the vacuum brazing process was used to implement the connection for the complex structural parts. first of all, based on the actual vacuum brazing environment, using finite element analysis software ansys, founding a finite element model, and set the environment variable parameters, to simulate different vacuum brazing temperature, ensure the oil cooler fins and the temperature distribution between partitions. after analyzing the simulation results, the actual temperature range of the brazing process was determined. then testing the method, multiple oil cooler parts were tested in a vacuum brazing furnace, and the test results was analysised to evaluate effect of brazing process on the brazing weld quality of oil cooler. by combining experiments and numerical simulation methods, the best vacuum brazing process for the “yu-” typed oil cooler was explored: the set temperature of the furnace is 615 620, holding time of 4 minutes; and the actual brazing temperature is 600 612, brazing time of 4 minutes. thirdly, the causes of defects and the controlling factors of the seam such as gap, porosity, slag, corrosion and metal oxides was discussed in this paper. the results showed that when the holding time is constant, the brazing temperature is the main factor to affect the brazing quality: when the soldering temperature is too low, defect of not welded in brazing welding is easily to occur; the other hand, if high temperature when brazing, brazed joint is in prone to corrosion defects. 重庆大学硕士学位论文 iv finally, the existing form and diffusion behavior of the si element in solder gap was analysed by sem analysis, the results showed that the existing form and diffusion behavior of si elements strongly influenced the quality of solder joint. the nature of corrosion was that si elements existed in liquid diffused into the base material along the grain boundary during the brazing temperature phase, then when the process temperature reducing on, the liquid si in the grain boundary solidified as the form of needle-like solid, so the corrosion occured. keywords: aluminum alloy, oil cooler, vacuum brazing, numerical simulation 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题背景 汽车作为人类文明、进步的产物在日常生活中扮演者重要的角色。随着人们对汽车 的要求越来越高，汽车行业整体向轻量化、节能化、降低污染三个方向发展，尤其是作 为汽车工业制造大国的中国，近些年更是投入更多的人力、物力对汽车未来进行研究、 开发。三个方向其中轻量化是核心和关键1。 机油冷却器（简称油冷器，见图 1.1）用于发动机的润滑油冷却，主要功能是保障 发动机的安全运转及寿命。现代汽车发动机的功率及转速变的越来越高，因此，客观上 对发动机的润滑系统就提出了更高的要求；另外，为了减少汽车尾气排放，就需要采用 低排量的小型化发动机， 这就要求车用油冷器不仅应具有高效的换热功率和较小的泵耗 功率，而且应该具有紧凑的结构形式，由此可见，在发动机系统中，采用具有高效紧凑 式结构的油冷器对汽车工业的节能意义重大 2。 另外，能源与环境的双重挑战使发动机趋向“高能、低耗、小型化”的方向发展3。 发动机技术的不断成熟与其苛刻的应用场合， 同时也为车用油冷器的发展提供了机遇与 挑战，这就不断促使研究者越来越多地关注车用油冷器的研究与开发。总的来说，油冷 器的研究热点主要围绕结构、材料、工艺等方面展开。 铝合金具有多项优良特性：比如密度低、比强度高、导热系数高、容易加工成型、 具有良好的耐腐蚀性能和优良的性价比等。 这些优良的特性十分适合满足汽车轻量化的 要求。铝的密度仅约为铜的 30%，能够满足减轻油冷器质量的要求。就导热率而言，尽 管铝的热导率比铜的热导率相差较大， 但是可以通过改变油冷器的设计结构来提高换热 性能，这样既能满足换热需求，又能达到汽车轻量化、小型化和环保型的要求4。 优化油冷器结构的一个重要思想， 就是在几乎不改变油冷器体积的基础上增大油冷 器传热表面、优化油冷器结构，该思想已经通过紧凑式锯齿型错列翅片板翅式设计结构 得到实现，具有这种结构的油冷器油侧采用 off-set 型内翅片强化换热，油阻低，油 泵负荷低；空气侧采用高效百叶窗型翅片强化换热，空气侧阻力小，换热效率高。 但是，该密集排列的紧凑式锯齿型错列翅片同底板之间的连接，是一个值得研究的 科学问题。因为良好的连接质量不但能够起到优良的散热作用，而且可以提高油冷器的 使用寿命，进而提高汽车发动机的使用寿命，降低汽车的维修成本，提高汽车生产企业 的竞争力，节约资源。 目前，在车用油冷器的主要分类中，风冷式油冷器、水冷式油冷器、板式油冷器均 重庆大学硕士学位论文 2 为全铝整体焊接式结构，其均采用特制长寿命铝合金材料，具有体积小，重量轻、耐腐 蚀、寿命长等特点。 图 1.1 装有油冷器的发动机 fig. 1.1 engine equipped with oil coolers 钎焊被认为是连接复杂精密结构的理想工艺5。铝合金油冷器结构设计复杂，制作 材料为薄壁板材，因此，钎焊工艺是连接油冷器的首选方法。目前，连接汽车用铝合金 油冷器的常用钎焊方法有保护气体（nocolok）钎焊法和真空钎焊法6 ，7。相比保护 气体（nocolok）钎焊法，真空钎焊又有以下优点8: 真空钎焊不用钎剂，既显著提高了产品的抗腐蚀性，又免除了各种污染、节省 了无公害的处理设备费用，具有良好的安全生产条件； 真空钎焊不仅节省大量价格昂贵的金属钎剂，而且又不需要复杂的焊剂清洗工 序，降低了生产成本； 真空钎焊钎料的湿润性和流动性良好，可以焊更复杂和狭小通道的器件，真空 钎焊提高了产品的成品率，获得坚固的清洁的工作面； 与其它方法相比，真空钎焊炉子的内部结构及夹具等寿命长，可降低炉子的维 修费用。 真空钎焊过程中，主要工艺参数是钎焊温度和钎焊保温时间，它们直接影响钎料填 1 绪 论 3 缝和钎料与母材的相互作用过程，因此对钎焊接头质量具有决定性的作用。 鉴于上述背景，本文结合我国现有真空钎焊工艺水平，以重庆一家企业生产的 “渝 i” 型的汽车油冷器为研究对象， 首先采用有限元分析软件 ansys 模拟确定真空钎焊 的炉膛需要设定的最高温度的范围，然后利用企业的生产设备、试验仪器进行多组真空 钎焊试验；围绕强化接头质量、优化钎焊工艺两方面展开研究。总结归纳真空钎焊工艺 参数对钎焊焊缝外观、 组织性能的影响规律， 结合原有的产品生产经验， 优化工艺参数， 目的在于找出一个最优化的产品生产工艺方案，进而指导企业的生产实践，提高企业生 产效率，保证产品一次性合格率，并为理论工作者提供基础试验数据。 1.2 钎焊技术及铝合金钎焊的发展 1.2.1 钎焊技术 钎焊作为材料连接方法中的一种，是当今高技术中一项精密的连接技术，在许多领 域得到广泛的应用。与熔化焊接方法不同，钎焊采用了比母材熔化温度低的钎料，钎焊 时，钎料溶化为液态而母材仍然保持为固态，熔化状态的钎料利用润湿和毛细作用，被 吸入或保持在待焊接零件的间隙内， 借助液态钎料和固态母材之间的扩散作用形成冶金 结合，从而获得牢固的接头。 相对于熔化焊和压力焊，钎焊具有加热温度低，焊件应力和变形小，对材料性能影 响不大，能够保证焊件尺寸等独特的优点；另外，对于所选用的不同类型的钎料，实现 优良连接的温度，从室温（2530）到接近钎料金属的熔点的范围内变化；钎焊还具 有可以一次性完成多个零件、多个钎缝之间的焊接，而且连接受工件结构敞开性的影响 不大；还可以实现异种金属、金属与非金属之间的连接。因此，有不少用其它焊接方法 难以甚至无法进行连接的结构，采用钎焊却可以解决。而且，在很多情况下，钎焊能保 证焊件具有更高的可靠性。此外，钎焊较适于连接精密、微型、复杂、多钎缝、异类材 料的焊件。 当然，钎焊也有不足之处，那就是相对熔化焊和压力焊接头，钎焊接头的强度相对 较低、另外，耐热能力差的缺点也很明显。 1.2.2 钎焊的分类 火焰钎焊法。 用可燃气体或液体燃料的气化物与氧或空气混合燃烧所形成的火焰 来进行钎焊加热的一种钎焊方法9,10。该方法所用设备简单、轻便、容易自制，燃气来 源广，工艺过程简单，因此应用广泛。主要用于铜基钎料、银基钎料钎焊碳钢、低合金 钢、不锈钢、铜及铜合金的薄壁和小型焊件，也用于铝基钎料钎焊铝及铝合金。 火焰钎焊所用的气体可以是乙炔、丙烷、石油气，雾化汽油、煤油、蒸气等。助燃 重庆大学硕士学位论文 4 气体为氧和压缩空气。氧乙炔为最常用的火焰，一般可达3150。 用氧乙炔钎焊时， 由于火焰温度高，而钎焊温度低得多，因此常用火焰的外焰来加热，因为该区火焰的温 度低而体积大，加热比较均匀。一般使用中性焰或过乙炔焰，以防止母材和钎料的过分 氧化。用黄铜钎料时，为了在钎料表面形成一层氧化锌以防止锌的挥发，可采用轻微过 氧焰。 浸沾钎焊法。 将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽中 加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于大批量生产和大型构 件的焊接。 盐浴槽中的盐多由钎剂组成。 焊后工件上常残存大量的钎剂， 清洗工作量大。 沾钎焊分为盐浴钎焊和金属浴钎焊两种。 它们是将钎焊件局部或整体浸入熔融的盐液或 熔态钎料中进行加热和钎焊的方法。浸沾钎焊的优点是加热速度快，生产效率高，液态 介质保护焊件不氧化。特别适用于大规模连续性生产。缺点是能源消耗量大，钎焊过程 中从熔盐中挥发出大量有害气体，严重污染环境。盐浴钎焊时所用的盐类，多含有氯化 物、氟化物和氰化物，它们在钎焊加热过程中会严重地挥发出有毒气体。另外，在浸沾 钎焊过程中，特别重要的是要把浸入盐浴槽中的 焊件必须烘烤十分干燥，不得在焊件 上留有水分，否则当浸入盐浴槽时，瞬间即可产生大量蒸气，使溶液飞溅，发生剧烈爆 炸，造成严重的火灾和烧伤人体，在向盐浴槽中添加钎剂时，也必须事先把钎剂充分烘 干，否则也会引发爆炸。 感应钎焊法。利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适合 于焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进行钎焊，特别适 用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的焊接。感应钎焊靠感应电流加热焊 件。 高频感应加热电源在工作过程中，高频电磁场泄漏严重，对其周围环境构成严重电 磁波污染，主要表现为无线电波干扰和对人员身体健康的危害两个方面，污染的强度又 和高频电源的功率成正比，所以在进行感应钎焊时，必须对高频电磁场泄漏采取保护措 施，以降低对环境和人体的污染。 炉中钎焊法。 把装配好钎料的工件放入炉中加热、 所进行的钎焊过程即为炉中钎焊。 钎焊的炉膛可设计成各种形状，可通入惰性气体或者其它活性气体，成为气体保护钎焊 或气体钎剂钎焊。根据钎焊过程可分为空气炉中钎焊、还原性气体炉中钎焊、惰性气体 炉中钎焊和真空钎焊。炉中钎焊的特点：工件整体加热，温升相对较为均匀，变形小， 加热速度慢。 空气炉中钎焊法。将装有钎料和钎剂的工件一同放入普通的工业炉中，然后加热到 规定的温度，保温一定时间后，钎料和钎剂熔化，完成钎焊。在钎焊过程中，通过先熔 1 绪 论 5 化的钎剂去除氧化膜，然后熔化的钎料流入接头间隙，凝固后形成接头。这种方法具有 加热均匀，焊件变形小，设备简单，成本低等优点。但加热速度较慢，而且是对焊件整 体加热，在钎焊过程中，焊件有可能遭到严重氧化。为了缩短焊件在高温的停留时间， 钎焊时，通常先把炉温升高到稍高于钎焊温度，然后再放入焊件。所用钎剂以膏状或水 溶液状态最方便，一般是先将钎剂涂在焊件上，再放入炉中加热。这种方法要求炉内控 温精度不低于5，这样温度才均匀，有助于保证钎焊质量。该方法设备投资小，钎焊 工艺简单，操作方便；主要的缺点是焊件表面容易氧化，尤其高温时氧化更为明显，这 不但不利于钎剂的去膜，而且在加热过程中因空气中的水分存在，某些钎剂会失效。 保护气氛炉中钎焊法。该钎焊方法还可分为两种：还原性气体（氢和一氧化碳）炉 中钎焊和惰性气体炉中钎焊。还原性气体不仅能还原工件表面的氧化物，还能防止空气 侵入，有利于液态钎料润湿母材。惰性气体保护炉中钎焊法通常采用氩气做保护气，要 求氩气纯度高于99.99%。保护气氛钎焊是利用一个中性气氛环境来代替真空，焊接质量 介于真空钎焊和空气炉钎焊之间，其设备比较简单，其生产成本较低。保护气氛炉膛采 用电流加热，加热速度远远高于真空钎焊，而且加热均匀，有利于保证产品质量，又能 提高生产率，该方法是一种比较有前途的铝合金钎焊方法。 真空炉中钎焊法 该方法设备主要由钎焊炉和真空系统两个部分组成。 钎焊炉可分 为两类：热壁型和冷壁型。 热壁真空炉本质上就是一个真空钎焊容器。钎焊的时侯，首先把工件放入真空钎焊 容器内，然后再把装有焊件的真空钎焊容器放入非真空炉中，当加热到钎焊温度后，保 温一定时间，再把真空容器拿出放在空气中冷却。这种方法的优点为：设备简单，钎焊 后空冷，缩短了生产周期，有效防止了钎焊金属的晶粒长大；但缺点在于：在高温真空 条件下，容器受压易变形，易氧化，消耗快，而且加热效率不高，使用受到一定限制。 冷壁型真空炉加热效率较高，使用方便安全，但构造复杂，制造费用高。另外，因 为钎焊后工件只能随炉冷却，所以生产效率低；还有冷却速度慢的问题，可以通过真空 气淬炉解决，但费用高昂。总的来说，真空钎焊存在着设备复杂、昂贵，真空系统的维 修技术难度大等缺点，不过从钎焊质量来说，真空钎焊是一种优良的钎焊方法。 1.2.3 铝合金油冷器钎焊技术的发展 汽车上使用的油冷器，以前大部分采用铜及铜合金制成。1967 年，美国科学家发 明了无钎剂钎焊技术，从而解决了铝及铝合金的钎焊难题。从此以后，铝合金就受到了 油冷器生产厂家的极大青睐，成为汽车用油冷器的首选材料，全铝制汽车油冷器企业也 得到了迅速的发展11。汽车油冷器大多是采用挤压的多孔铝管，或高频钎焊扁铝管与三 层铝合金复合硬钎焊带(以al-mn系aa3003为芯材和al-si系合金为钎焊层，采用压力加 重庆大学硕士学位论文 6 工方法制造) 组装钎焊而成12。 从70 年代起，日本对铝合金硬钎焊带材，尤其是汽车油冷器散热片用铝合金硬钎 焊带材，进行了较深入的研究，并制订出了jis 标准；1992年又对jis标准进行了修订， 形成了适用于各种钎焊方法的系列产品；至1996年，日本生产的汽车油冷器铝化率已超 过了50%，今后几年内铝化率将达到100%13。目前，为了进一步提高油冷器的性能，实 现轻量化和小型化，日本正在积极开发新型铝材。资料表明，欧洲油冷器的铝化率已接 近100%，北美达到55%以上；美国汽车空调用油冷器和蒸发器，也基本上完成了100% 的铝化。 近年来，我国生产汽车油冷器的厂家出现了很多，其中涌现了一批中小型油冷器工 厂，再加上外资企业，我国已经具有300多家油冷器生产企业。其中，中小型企业近300 家，大型企业较少。据统计，目前有近3万人从事油冷器的相关工作，生产油冷器企业 的固定资产近80亿元，总产值80亿元以上。优秀的自主品牌的油冷器生产商夺得了一定 的市场份额。山东同创、潍坊恒安等企业的快速发展，使得汽车油冷器制造领域如雨后 春笋般形成了全面发展的局面。同时如福特等许多外资企业也建立了油冷器生产基地。 目前， 我国车用油冷器的技术水平、 质量状况已经明显提高， 满足国内汽车业的需要14。 资料15表明，2005年我国汽车油冷器铝化率整体提高了10%左右。我国汽车铝质 油冷器的研究和开发工作已经展开，并且取得了很大成效。我国是一个铝资源大国，目 前我国已有每年150万吨铝的加工能力，其加工装备相当于发达国家90年代初的水平， 有能力满足我国汽车工业发展的需要。因此加快铝在汽车上的应用步伐，加速铝加工业 的发展，积极开拓这一潜在市场是完全有必要的。但目前铝加工产品的品种、数量、质 量与汽车工业用铝要求有较大差距，应加大研究和开发的力度。 汽车制造业在我国迅速发展起来，随之而来的汽车油冷器的配套数也需要增加，油 冷器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件。 目前油冷器采用管带式钎焊铝 油冷器居多，其重量减轻约30%，在中、小功率的汽车上被广泛采用。现有的车用油冷 器种类主要有铝油冷器和铜油冷器，其中管带式钎焊铝油冷器为行业的主导产品，其次 为铜油冷器。重要生产厂商中，对油冷器的设计、生产、检测等都具有较高的能力，可 根据汽车生产商的发动机的功率、安装尺寸等参数及工作环境等要求，对新产品进行全 新设计开发，具有较强研发能力的企业拥有自主重点试验平台，风洞试验台、振动试验 台等检测、试验设备保证了产品质量的稳定和提高。目前，进口汽车油冷器所占比例正 在减少，产量也逐步降低，因此，新型的钎焊式铝质油冷器正在逐步发展，国内企业完 全有能力自主研发汽车油冷器。如中南工业大学汽车材料研究所，东北轻金属加工厂研 制开发的汽车油冷器用三层复合铝合金硬钎焊板带， 都已经先后通过了省部级和国家级 1 绪 论 7 技术成果鉴定，其产品性能指标，达到国外同类产品要求的水平，完全可以取代进口材 料，用于汽车油冷器 16。 1.3 铝合金油冷器钎焊技术的研究现状 1.3.1 铝合金油冷器（nocolok）钎焊法的研究现状 国内外很多从事铝合金油冷器工作的研究人员， 从不同的研究角度发表了自己的研 究成果。在这些研究成果中，多为保护气体（nocolok）钎焊法的研究成果。具体研 究状况如下: d.p.sekulic17等人对铝合金钎焊接头中 (a1)固溶体树枝晶的生长行为进行了深入 研究，并且采用数值模拟的方法，构建了 (a1)固溶体树枝晶生长方式的计算机模型。 lee sang-ho18研究了al-si/al-mn-zn/al-si钎料复合板的轧制工艺对材料钎焊性的 影响，发现在不同的热轧温度、退火温度、终轧制率等工艺参数下，可得到晶粒大小不 同的母材，而晶粒尺寸较小的母材的熔蚀倾向明显较大。 j.s.yoon19研究了 aa4343/aa3003/aa4343 钎料复合板的轧制工艺对材料钎焊性 的影响，结论是工艺参数严重影响母材的晶粒尺寸，进而影响母材钎焊时的熔蚀倾向。 j.lacaze20等从微观组织演变的角度，对 aa4343/aa3003/aa4343 复合板钎焊过程 中， 材料微观组织的演变过程进行了深入研究。 他认为钎焊过程中材料微观组织的演变， 造成钎焊材料分为接头区和远离接头区两部分。钎焊接头区组织主要为粗大的树枝状 (a1)固溶体和 (a1)+si 双相共晶相，另外还有少量的金属间化合物。eds 分析表明， 这些金属间化合物主要由 al、mn、si、fe 组成。而其中所含的 mn 来自于向液相中大 量溶解的 aa3003 芯材。 张启运21-26等更为强调微量元素在钎剂中的作用， 认为合成钎剂过程中所带入的杂 质元素 si 的活化作用更显得重要。研究表明，完全纯的 kf-alf3 钎剂的活性极低，而 加入微量 si 的钎剂活性可大大增加。因此得出结论，在使用 alf3.csf-kf 系和 alf3.bef2.kf 系列熔化温度较低的钎剂时，si 杂质虽然仍有传质作用，但是当钎焊温度 低于 al-si 的共晶温度时，已不可能在母材上出现活性液态金属层，钎剂的活性也将大 打折扣。因此在较低温度下钎焊时，在钎剂中加入一定量的在较低温度下即能产生液态 金属层的界面活性剂如 ge4+和 zn2+是必须的。 张启运还研究了 al-si 钎料钎焊 al 合金时， 钎料中的 si 含量对母材溶蚀的影响27。 结果表明：随着钎料中 si 含量的增大，钎料成分由亚共晶向过共晶转成，母材向钎料 中溶解的量也不断增多。 高峰28研究了钎焊温度和保温时间对 aa4343/aa3003/aa4343 复合板钎焊接头组 织形态的影响。认为钎焊接头组织主要为 al-si 共晶体和 -al 组成；但二者的含量是随 重庆大学硕士学位论文 8 钎焊温度的高低而变化的，具体表现为钎焊温度较低时，接头组织为 al-si 共晶体和极 少量的 -al 组织；钎焊温度升高后，al-si 共晶体含量下降，-al 含量增多，接头组织 演变为 al-si 共晶体和 -al 的混合组成。 高峰29同时研究了 si 的扩散行为对接头组织的影响，认为随着加热温度的升高， 铝硅钎料层中 si 元素的扩散性增强。最后得出结论：在加热速率小于 60/min时，加 热温度超过 500后，受浓度梯度等驱动力的影响，扩散的效果开始逐步明显，表现在 与钎料层基体材料界面处相邻的钎料层出现了所谓的贫 si 层。 贫 si 层中 si 含量很 少，接近于 si 在 al 中的固溶体浓度。贫 si 层在钎焊温度下保持固态而不熔化，这部分 钎料不能流动到钎焊接头区域，成为钎焊后残余钎料层的一部分，这将大大减少实际流 入接头的钎料量。 武汉理工大学潘春旭30研究了 al-si 钎料复合板钎焊后远离接头区的钎料残余层显 微组织特征及其与焊接条件之间的关系。研究发现 si 的扩散层，随保温时间的增长而 增厚，活命钎料残余层厚度不随钎焊条件变化，而对于钎料层厚度仅有几十微米的超薄 铝合金复合板来讲，这个钎料残余层的形成会严重影响钎料的流动性，进而影响到接头 的成型和焊接性。 麦小波31研究了铝合金熔蚀行为， 发现钎焊工艺参数对钎焊接头熔蚀和不致密性缺 陷的影响正好相反。钎焊温度较高，钎焊保温时间较长时，钎焊接头中的溶蚀增大，但 形成不致密缺陷的倾向减少。 1.3.2 铝合金油冷器真空钎焊方法的研究现状 近几年，铝合金油冷器真空钎焊的相关研究成果有如下报道: 上海交通大学冯涛32等了进行了 lt3 铝合金真空钎焊钎缝微观组织分析研究，得 出结论：钎缝的显微硬度平均值要比芯层显微硬度的平均值高 24.5 mhv；钎缝中生成 了网状的共晶组织和多种新的金属间化合物；钎缝断裂过程属于混合断裂，断口界面上 可以看到多种断裂形貌。 资料33报道，美国的 k.d. wade，d.h. scott 对铝合金真空钎焊板芯材的研究表明， 在 3003 芯材中添加 ti 和 cu，改善了钎焊板芯材的性能。cu 含量从通常的 0.16%提高 到 0.1%时，合金强度得到提高，耐腐蚀性能也得到改善。仅仅添加 0.08% ti 就能延长 在试验室腐蚀试验中腐蚀所需要的时间。较高的 ti 含量虽然使合金组织中形成粗大的 tial3初晶相，但提高了合金的耐腐蚀性能。同时添加 cu 和 ti 不会明显的降低钎焊板 的可成型性和可焊接性。 岳阳恒立冷气设备股份有限公司钟向阳， 蒋金龙34总结了管带式油冷器真空钎焊工 艺及影响钎焊质量的因素，并提出了改进方法。 1 绪 论 9 兰州理工大学路文江等35研究了快冷钎料焊后“残余层及元素扩散行为， 得出结论: 钎料熔化初期 cu 元素在浓度梯度的驱使下向基体扩散，低熔点组分流向基体而高熔点 组分逐渐堆积形成“钎料残余层”。在基体深度方向上，cu 元素主要沿基体晶界扩散， 且随扩散深度的增加呈明显的线性分布状态。 王国军36等人研究了铝合金板式油冷器真空钎焊的影响因素的研究， 并提出了相应 的工艺措施，并在工程实践中取得了良好效果。 东北轻合金有限责任公司孙荣滨37等人， 对铝合金板式油冷器真空钎焊泄漏原因进 行分析研究，总结了导致铝合金板式油冷器泄漏的原因。 赵雨涛38采用数值模拟的的方法研究了真空钎焊炉加热体；伊春芝39等研究了用 3a21 铝合金铸轧坯料生产散热片用带材及散热片钎焊的工艺；李新运，涂勇40对铝合 金板翅式油冷器真空钎焊质量的影响因素进行了探讨； 嵇训达41研究了铝制板翅式油冷 器的真空钎焊；李伟，杜楠等42针对铝合金真空钎焊工装夹具设计要点进行了研究；俞 伟元，陈学定等人43研究了铝钎焊接头中 cu 元素的扩散行为。 1.4 目前铝合金真空钎焊存在的问题 真空钎焊为铝合金的加工装配开辟了全新局面，大大改善了钎焊工件的质量，但目 前仍然存在如下问题：设备复杂，真空系统的维修技术难度大，生产成本相对其它钎焊 方法较高；另外，mg 等元素的蒸汽沉积在炉膛、隔热屏及真空系统，存在影响设备的 工作性能的危险；升温系统依靠辐射加热，升温速度慢，炉温均匀性也较差；还有一点， 由于目前已有的铝钎料与多数铝合金的固相线比较接近， 所以钎焊温度及保温时间难以 精确控制。目前，我国铝合金真空钎焊技术的发展已初具水平，也正与国外的差距逐步 缩小，今后发展的关键和困难之处，主要是研制具有一定力学性能和抗腐蚀性能的低熔 点钎料，这是亟待解决的问题。一些特殊铝合金的钎焊工艺，如铝合金与钛合金、铝合 金与陶瓷等异种材料的真空钎焊工艺仍需进一步研究。 1.5 选题的目的和意义 总之，目前国内外在铝合金油冷器的钎焊方面已有较深的研究，但多集中在保护气 体（nocolok）钎焊法方面，对于铝合金油冷器真空钎焊的研究报道相对较少，已有 报道多侧重于工艺应用，对于基础理论方面的研究相对更少，缺乏相关基础理论研究， 比如钎焊工艺对钎焊焊缝组织性能的影响，焊缝合金元素的扩散行为及动力学特征、焊 缝缺陷（夹杂、气孔、未焊合）的产生机理等方面的研究较少。由于缺乏深入的理论研 究，制约了铝合金真空钎焊技术的开发和推广应用。针对这一现状，本文拟进行铝合金 重庆大学硕士学位论文 10 油冷器真空钎焊工艺的相关研究。目的为优化钎焊工艺，提高钎焊质量，并且对高强铝 合金油冷器的开发具有实际意义。 1.6 本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容如下： 采用 ansys 有限元分析的方法模拟钎焊温度场，预测油冷器真空钎焊的钎焊温 度范围； 以重庆某企业“渝i”型油冷器为主要研究对象， 采用分组试验方法， 探索油冷器 真空钎焊最佳工艺； 通过比较每组试验结果，对工艺参数进行调整，进而优化工艺方案，最终获得一 套合理高效的钎焊工艺； 研究钎焊温度对钎焊接头质量的影响，通过水压试验、氦气检漏试验、金相组织 分析以及盐雾试验等方法分析不同钎焊温度下的钎接接头，并确定最佳钎焊设定温度； 研究 si 元素在钎缝中的存在形态及其扩散行为对钎焊接头形成的影响。 1.7 本章小结 本章从介绍汽车工业开始，综述了汽车工业及汽车用油冷器的发展，铝合金油冷器 在汽车工业中的重要应用，进而引入铝合金油冷器的成型技术-钎焊技术，确立了本课 题的的立足点。接着介绍了钎焊的分类及适合铝合金材料的钎焊方法和研究现状，以及 存在的问题。提出了选题的目的和意义，并指明了本课题的主要研究内容。 2 钎焊工艺及设备 11 2 钎焊工艺及设备 2.1 真空钎焊设备 真空钎焊设备为真空钎焊炉，如图 2.1 所示。真空钎焊炉主要由真空炉、真空系统 和控制系统三部分组成。 用于真空钎焊的加热炉可以分为以下四种：真空热处理炉，多功能真空炉、半连续 炉和分批式真空炉。其中真空热处理炉和多功能真空炉现在应用的比较少。半连续真空 钎焊炉可以改善铝合金真空钎焊的质量，应用越来越广泛，半连续真空钎焊炉可以分为 三室、四室及五室的，它的不足之处是沉积的镁氧化物，附着在水冷却壁内表面，清理 时很不方便，设备维护费用较贵。分批式真空炉操作方便，价格便宜、可靠性好、尺寸 和形状种类多，可选择范围广，使用期间容易清理和维护，是真空钎焊铝合金的最通用 设备。 (a) 真空炉+真空系统 (b) 控制系统 图 2.1 真空钎焊设备 fig.2.1 equipment of vacuum brazing (a) vacuum furnace and acuum system; (b) controlling system 真空系统由真空机组、真空管道、真空闸门组成。真空机组包括旋片式机械泵和油 扩散泵。钎焊时，如果想要获取高真空，则必须使用油扩散泵使真空度达到 1.33 10- 6mpa 级别。 一些精密构件（比如航空航天用零件）钎焊时对加热速率、钎焊温度、钎焊保温时 间、冷却速率都有严格的要求，这就为真空钎焊技术提出了很高的要求。为此，真空钎 焊钎焊设备向大型化、连续化、精确控制和高自动化的方向发展。用微处理机和电子计 重庆大学硕士学位论文 12 算机控制的真空钎焊设备已越来越广泛，这就为，这必将促进包括铝合金在内的真空钎 焊技术的进一步发展。 目前新式真空钎焊炉以冷壁式为主，加热元件布置在真空室内，加热元件与炉壁之 间用辐射屏隔开，炉壁用循环水冷却。根据工艺需要，真空管道系统上设有充保护气体 的阀门和单独的金属吸气剂蒸发源为防止镁蒸汽进人真空管道系统， 有时在真空泵前设 一盛有高沸点油的油筒，抽出的气体先经过油筒，以保护真空泵不被镁蒸汽玷污。 2. 2 真空钎焊炉真空系统的工作原理 真空钎焊炉的真空系统主要由真空室、泵系统和各控制阀及油冷器组成。其中泵系 统由机械泵、维持泵、罗茨泵、扩散泵构成。阀门包括前级阀（碟阀） 、旁路阀（碟阀） 、 维持泵阀（碟阀）和高阀（板阀）组成，各阀门均为气动阀，由 plc 控制气动阀进行 控制。 真空系统工作时，首先启动机械泵、维持泵和扩散泵（加热） ，同时打开前级阀和 维持泵阀，对扩散泵内进行抽真空。当真空度达到系统某一设定值时，罗茨泵启动，同 时旁路阀打开，前级阀关闭，此时对真空室进行抽低真空当扩散泵加热至设定温度，并 且真空度高于 10.67pa（80mtorr）时，高阀打开，旁路阀关闭，前级阀打开。此时对真 空室抽高真空，达到工艺要求的真空度以后，方可进行工作。热加工过程完成后，由油 冷器对真空室充入高纯氮气进行强制冷却，完成整个工艺过程。 加热室主要由不锈钢加热室壳体、不锈钢反射屏、石墨加热器、陶瓷绝缘件、水冷 电极、炉床等组成。采用多温区闭环独立加热控温方案。共设前门、后门、顶面、底面、 左侧、右侧六个大区，共 18 个小区。电路与炉体绝缘性能良好，所采用的绝缘元件能 防金属化，又便于拆卸清理更换。炉胆设有冷却气体循环，均匀冷却工件，炉胆便于清 理。 2.3 钎焊夹具的设计 工装夹具材料使用 304 不锈钢较好， 装配位置尺寸精度和具备装夹力应设计成可以 调整的功能，在钎焊温度时夹具就有一定的弹性，使焊缝连接处有合适的间隙，形成毛 细现象吸附熔化钎料，缝隙太大就存不住钎料。另外，因为真空钎焊是依靠辐射传热， 升温和降温速率小，零件的升温和降温速率受工装夹具热容量的影响也较大，相当于升 温速率慢和保温时间长，相对应的钎焊缺陷就不可避免。在不损害刚度的前提下应尽量 减少工装的热容量，可以采用石墨等、密度小、比热容小的材料来实现减轻工装重量。 总的来说，钎焊夹具除了要满足常规夹具的要求外，还应该满足如下要求: 2 钎焊工艺及设备 13 材料形状 由于钎料的焊接温度范围小，夹具的热传导和热损耗对钎焊温度影响大，夹具与产 品接触的部位热容量小，局部热容量过大时，会产生局部虚焊，经常采用的方法是使用 空心材料和将接触面挖空，以减少夹具与产品的接触面积和降低夹具的热容量。 结构设计 由于铝合金的线胀系数与夹具的线胀系数相差较大， 因此加热时会有较大的内部应 力。当夹具稳定性欠佳时，热胀引起的应力迫使夹具产生内部相对移动而使产品变形， 因此夹具应有较好的稳定性，最好将夹具设计成整体结构，尽量避免使用单个夹紧杆； 为了释放因加热产生的热胀，夹具还应有一定的弹性，因为翅片在较高的温度下，强度 降低较严重，刚性太大时，在夹紧力的作用下，翅片会弯曲变形，影响外观质量。另外， 夹紧螺钉与螺母之间的间隙，容易被钎剂残留物堵塞，加工时可将间隙适当加大，最好 选用梯形螺纹。 工装夹具在保证刚度满足钎焊要求的前提下，应尽量的简单、质轻。 2.4 铝合金真空钎焊工艺 2.4.1 表面氧化膜的清除 用氢氧化钠水溶液腐蚀钎料和母材的氧化膜， 碱液关键参数为： 碱液的成分、 浓度、 腐蚀温度、腐蚀时间、硝酸溶液的浓度和腐蚀时间长短等。碱液要求需要较高的浓度， 腐蚀速度不易过快，以免出现麻点。腐蚀时间不易过长，避免钎料减薄较严重。 合适的腐蚀工艺为：碱液温度 8085，腐蚀时间 4550s。具体工艺步骤为：碱 洗清水冲洗掉碱液和碎屑稀硝酸除掉腐蚀产物水冲净酸液酒精或丙酮脱水。 如果碱液的成分和浓度选择不当，容易造成氧化膜清除不彻底或过腐蚀。氧化膜清 除不彻底，液态钎料将无法很好地润湿母材。零件和钎料的过度腐蚀，可能会使其成分 比例发生一定程度的变化，甚至使钎料的成分发生某种程度的变化，影响二者的润湿性 能和焊接强度。 2.4.2 真空钎焊加热 真空钎焊加热速率严重影响钎焊质量。如果加热速率快，零件的表面就颜色发暗， 平面度较差。在加热时，铝的活性增强，即使有极少量的空气也能使其氧化，同时气体 受热膨胀，降低升温速率，因此钎焊前应该把热空气尽量多的抽出；升温速率过快快， 零件易变形，导致温度不均匀，产生热应力导致工件变形。在接近钎焊保温温度时，又 需要快速升温。这是因为如果升温速度慢，钎料在固-液相线温度区间停留时间长，真 空环境下钎料的低熔点组分和蒸汽压大的组元就挥发严重，余下的的钎料组分熔点升 重庆大学硕士学位论文 14 高，保持固态不熔，造成钎焊不上。这与钎焊工装热容量大时出现的情况是一样的。而 对于零件的平面度，在这个阶段快速升温也是允许的。 2.4.3 铝合金真空钎焊保温 钎焊温度控制在低于母材固相线，而高于钎料液相线温度，温度如果过高，易产生 溶蚀缺陷，温度过低，易出现钎焊接头强度降低低，甚至钎料不完全熔化。钎焊保温时 间，大致以工件达到钎料液相线温度以后 3min 左右为宜，保温时间过短，钎焊缝不饱 满、不圆滑、甚至钎料熔化不完全；保温时间过长，钎料则出现漫流或漏焊。保温时间 的长短受零件和工装的热容量的影响，热容量大保温时间长些。 2.4.4 铝合金真空钎焊冷却 钎焊保温时间不宜太长，需要快速冷却，采用保护气体强制均匀冷却，最佳冷却速 率值以零件的变形程度满足要求为准。冷却慢与延长保温时间一样，会产生钎料漫流或 漏焊缺陷；另外，对于尺寸较大的零件，快速冷却非常重要，零件和工装热容量太大时 即使气体强制冷却也无法消除此类缺陷，需要减少装炉量。 钎焊前，焊件需要仔细的清洗。一般情况下，焊件只需进行油渍的处理，有时为了 去除由于热处理产生的厚氧化膜，也需要进行酸洗。由于铝合金的固相线同钎焊温度相 差较小，工件较薄的部位就易过热，可能造成表面熔化。因为在真空中热是以辐射形式 传播，工件厚度不同的部位受热不均，温度周期取决于焊件的形状，所以有必要将较大 的工件预热，以保证在达到钎焊温度以前焊件各部位温度均匀受热。 图 2.2 铝合金真空钎焊工艺 fig.2.2 vacuum brazing process of aluminium alloy 2 钎焊工艺及设备 15 真空度是真空钎焊时最重要，也是最难控制的工艺参数。优良的接头在很大程度上 取决于炉膛内的真空度。