空调器中铜管焊接分析.docx

空调器中铜管焊接分析温筠（西安庆安制冷设备 股 份 有限公司）摘 要 对空调器中的铜管焊接方法、影响因素及常见的问题进行分析，阐述出现问题的原因，提出预防措施。关 键 词 铜 管 焊 接 ；钎 焊 ；裂 纹 ；空 调 器 ；压 缩 机（，）， ；在 空 调 器 中 大 量 应 用 铜 管制作高效散热管 ，而 各 管 路 及 管 路 与 压 缩 机 之 间 都 需 要 焊 接 ，并 且 对 焊 接 质 量 要 求 很 高 。 空调器中的铜管常 选 用 纯铜（）、磷 脱 氧 铜 （）和 无 氧 铜 （）。 焊 接 方 法 常 用 钎 焊 （炉 中 钎 焊 或 火 焰 硬 钎 焊 ）；常 用 的钎 料 有 银 铜 焊 丝 、磷 铜 焊 丝 和 黄 铜 焊 丝 ；焊 接 母 材 有 铜 与 铜 连 接 、铜 与 钢 连 接 。 由于焊接过程是在 热 力 学 不 平 衡 的 条 件 下 进 行 的 （冶 金 因 素 、结 构 因 素 、几 何 形 状 、应 力 等 因 素 ），加之铜管独特 的 物 理 性 能 ，所 以 焊 接 后 极 易 出 现 裂 纹 、气 孔 及 晶 粒 长 大 等 各 种 问 题 ，以 下 分 别 叙 述 。晶 ，集 中 在 晶 界 上 ，使 铜 耐 温 性 能 降 低 并 产 生 脆性 ，甚 至 在 正 常 的 钎 焊 温 度 中 仍 有 产 生 裂 纹 的 可能 。 因 此 应 限 制 和 在 铜 管 及 钎 料 中 的 含 量 ， 通 常 的 含 量 ， 的 含 量 。 能 溶 解 在 熔 融 的 铜 中 ， 的存在使铜的熔点降 低 ，形 成 脆 性 化 合 物 ，使 铜 的 塑 性 降 低 ，当 的 含 量 时 ，铜 就 会 有 热 脆 性 ，焊 接 时 热 状态 就 会 产 生 裂 纹 。 很 少 固 溶 于 铜 ，它 在 铜 中 呈 存 在 于 晶 界 处 ，含 的铜管在还原性气 氛 中（其 中 含 ， 和 等 气 体）焊 接 加 热 时 ， 氢 或 其 他还原性气体能在高温下 渗 入 固 体 铜 与发 生 如 下 反 应 ：铜 管 的 性 质 及 杂 质 对 焊 接 性 能 的 影 响纯 铜 的 密 度 为 ，熔 点 ，纯 铜 的 强 度 不 高（ ）、硬 度 较 低（）、热 导 率 大 （是 碳 钢 的 倍）、膨 胀 系 数 大（比 铁 大 ），在 下 呈 现 “中 温 脆 性 ”。 据 研 究 ，“中 温 脆 性 ”与 杂 质 的 性 质 、含 量 、分 布 和 固 溶 度 等 有 关 ，杂 质 主 要 有铅（）、铋（）、氧（）、硫（）和 磷（）等 。杂 质的存 在对铜 的 焊接性能有很大 的 影 响 ， 和 是 铜 中 的 主 要 杂 质 ，它 们均不溶于固态铜 ， 微 量 的 和 与 形 成 低 熔 点 共 晶 组 织 ，其 共 晶 温 度 分 别 为 和 ，这些共晶体最后结 或 生 成 的 水 蒸 气 或 不 溶 于 铜 ，在 金 属 内 部产 生 一 定 压 力 以 求 析 出 ，当 内 压 大 于 金 属 本 身 强度 时 将 引 起 材 料 沿 晶 界 开 裂 ，这种现象称作氢脆 。有资 料 表 明 ，含 氧 的 铜 在 氢 气 介 质 中 退 火 ，能 生 成 的 蒸 汽。 已产生氢脆的铜 管 ，强 度 和 塑 性 非 常 低 劣 ，一 般 无 法 挽 救 。 因 此 空调 器 中 常 选 用 纯 铜 （）、磷 脱 氧 铜 （）和 无 氧 铜（）。收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：温 筠 ，本 科 ，研究员级高级工程师 ，设 计 员 ，主要从事压缩机的基础研究 。第 卷 铜 管 焊 接 工 艺炉 内 钎焊则没有间隙 ，而 应 是 过 盈 状 态 。焊 接 方 法空 调 器 或压 缩 机 中使用 的铜管都是薄壁管 ， 由 于 铜 的 热 导 率 大 、膨 胀 系 数 大 ，因 此 焊 接 一 般 采 用 钎 焊 。 空 调 器 中 的 管 路 焊 接 比 较 简 单 ，通 常 只 是 铜 管 与 铜 管 的 连 接 ，采 用 火 焰 钎 焊 。 压 缩 机 中的铜管焊接比较复杂，除铜管与铜管的焊接外，还有铜 管 与 钢 板 或 钢 管 的 焊 接，如排 气 管与上外罩的连 接、进 气管与筒体的连接、储 液 筒 与 进 气 管 的 连 接 等，根据不同的要求采用炉中钎焊或火焰钎焊。值 得 注 意 的 是 ，不 论 采用火焰钎焊还是炉中 钎 焊 ，都 不 能 在 氧 化 性 气 氛 中 加 热 。 因 为 铜 管 在氧 化 性 气 氛 中 加 热 时 ，随 温 度 的 升 高 和 时 间 的 延长 其 表 面 氧 化 深 度 会 急 剧 增 加 ，从 而 造 成 铜 管 表面含 氧 。 有 资 料 表 明 ，在 和 加 热 条 件 下 ，渗 氧 深 度 可 达 。铜 管焊接的常见问题及 预 防 措 施在 整个空调器的管 路 焊接中 ，有 铜 管 与 铜 管 的 焊 接 ，也 有 铜 管 与 钢 管 、铜 管 与 钢 板 的 焊 接 ，由于 和 的 熔 点 、导 热 系 数 、线胀系数差异较 大 ，同 时 铜 在 高 温 时 极 易 氧 化 和 吸 收 气 体 ，因 此 焊接 难 度 大 ，出 现 问 题 的 概 率 也 大 。 出 现 的 主 要 问 题 是 泄漏和铜管脆化 。泄 漏间 隙 未 填 满产 生这种问题的原 因 主要是 ：配 合 间 隙 不 合适 ；表 面 清 洗 不 充 分 ；钎 料 选 择 不 当 ；钎 焊 区 温 度 不 够 或 温 度 不 均 匀 ；钎 料 数 量 不 足 。这 种问题的预防很 好 解决 ，针 对 造 成 故 障 的 原 因 ，采 取 相 应 的 措 施 即 可 。 根 据 结 构 状 况 ，最 好 能 在 焊 接 后目视检查确认 钎 料 渗 透 到 整 个 接 头 。尽 量 避 免目视不能确认钎料渗透 到 整 个 接 头 的情 况 。钎 料通 常 钎 焊 时 钎 料 应 满 足 以 下 要 求 ：）应 具 有 良 好 的 润 湿 性 ，并在规定的钎焊温 度 范 围 内 ，易 于 填 充 钎 料 间 隙 ；）应 具 有 适 宜的熔点和流动性 ，具 有 较 好 的 相 互 扩 散 性 ，能 形 成 牢 固 的 高 质 量 的 接 头 ；）钎 料 应 具 有 稳 定 、均 匀 的 成 分 ，不 应 液 化 而 偏 析 ，也 不 应 有 强 挥 发 性 、对母材有害的元素 ；）得 到 的 钎 焊接头应满足规定 的 物理 、化 学 性 能 和 力 学 性 能 。根 据 以 上 原 则 ，笔 者 常 选 用 银 铜 焊 丝 、磷 铜 焊 丝 和 黄 铜 焊 丝 。 从 工 艺 控 制 方 面 来 讲 ， 钎 料 最 好 ，流 动 性 好 、焊 接 缺 陷 少 ；磷 铜 焊 丝 或 黄 铜 焊 丝 因 价 格 低 廉 也 常 采 用 ，由于此类焊丝熔化 温 度 较 高 ，易 造 成 铜 管 晶 粒 长 大 而 产 生 脆 性 ，因 此在原材 料及生 产各个 环 节都必须严格控制 。焊 剂 的 选 用 也 很 重 要 ，首先它要能够清除钎 焊 金 属 及 钎 料 表 面 的 氧 化 膜 ，为液态钎料在钎焊 金 属 表 面 铺 层 创 造 条 件 ；其 次 ，能 够 以 液 态 薄 层 覆 盖 钎 焊 金 属 和 钎 料 表 面 ，隔 绝 空 气 ，防 止 在 加 热 过 程 中 氧 化 ；第 三 ，增 强 表 面 活 化 作 用 ，增 加 钎 料 流动 性 ，改 善 液 态 钎 料 对 铜 管 的 润 湿 ；第 四 ，有 利 于清 除 焊 缝 中 的 ， 和 等 杂 质 。裂 纹在 火焰钎焊过程中 ，由 于 铜 管 的 线 膨 胀 系 数比 钢 板 大 ，而 收 缩 率 又 比 钢 板 大 倍 多 ，再 加 上 铜 的 导 热 能 力 强 ，焊接热影响区宽 ，因 此 在 焊 缝处 存 在 很 大 的 内 应 力 。 而火焰钎焊又容易造 成 加 热 不 均 匀 ，所 以 工 艺 操 作 规 程 制 定 不 当 或 过 程 控 制 不 严常出现此类问题 。另一类裂纹的产生是由原材料中杂质含量较高 造成的，铜管中除氧外常常含有铅、铋、硫等杂质，它们与铜形成低熔点化合物，聚集在晶界处，降低了铜 管的强度和局部熔点，焊接时产生热裂纹。对于此类问题，只要是严格按照工艺规程操作，保证均匀加热，控制好原材料杂质含量即可避免。气 孔在 钎焊焊缝中常常 出 现一些形状 不一 、大 小不 规 则 的 气 孔 ，造 成 这 种 气 孔 的 原 因 主 要 是 钎 料 或 母 材 中 析 出 气 体 ；钎 料 过 热 、间 隙 不 均 也 是 造 成 此 问 题 的 原 因 ，如 小 间 隙 处 先 填 满 钎 料 ，在 较 大 间隙 处 汇合时将气体封闭形成 气 孔 。解 决 此 类 问 题 ：一 是 在 原 材 料 采 购 过 程 中 控 制 铜 管 及 焊 丝 的 氧 含 量 和 杂 质 含 量 ；二 是 在 焊 接 过 程 控 制 加 热 温 度 、时 间 和 配 合 间 隙 。配 合 间 隙配 合 间 隙 也 是 获 得 良 好 焊 接 质 量 的 重 要 环 节 ，它 对 钎 焊 接 头 的 严 密 性 及 强 度 影 响 很 大 ：间 隙 过 小 ，钎 料 难 以 将 钎 剂 挤 出 ，形 成 夹 层 或 气 孔 ；间 隙 过 大 则 钎 料 流 失 严 重 。 根据焊接母材和 焊 料 不 同 ，选 用 不 同 的 配 合 间 隙 ，如铜管与铜管用 磷 铜 焊 丝 焊 接 时 ，配 合 间 隙 范 围 为 ；若 为铜 管 脆 化以上 缺 陷（间 隙 未 填 满 、裂 纹 、气 孔 ）都 是 显 性 的 ，并 不 可 怕 ，通 过 相 关 手 段 可 以 检 测 出 来 ，一 般 不 会 造 成 重 大 损 失 。 但 是 铜 管 脆 化 缺 陷 是 隐 形 的 ，一 般 的 检 验 难 以 测 出 ，往往是在运转过程 中 才 得 以 显 现 ，故 障 常 常 是 滞 后 的 、批 量 性 的 ，造 成 的第 期温 筠 ：空调器中铜管焊接分析 损 失 也 是 巨 大 的 ，因 此应该特 别重视此类问题 。造 成 铜 管 脆 化 有 以 下 原 因 ：原 材 料 中 杂 质 含 量 高原 材 料 中 杂 质 含 量 高 ，一方面可导致焊接裂 纹 ，直 接 造 成 宏 观 泄 漏 问 题 ；另 一 方 面 使 铜 管 脆化 ，在 随 后 的 工 作 过 程 中 失 效 。 图 和 图 分 别 是 笔 者 曾 遇 到 过 的 一 起 排 气 管 断 裂 故 障 的 金 相 图 片和 断 口 形 貌 ，可 以 看 出 晶 界 变 宽 并 聚 集 了 低 熔 点 化 合 物 ，断 口 呈 沿 晶 形 貌 。组 件 ，在 检 验 时 发 现 ：有些上外罩铜管轻轻一 碰 即发 生 断 裂 ，对 于 经 手 扳 未 断 的 该 批 组 件 在 试 验 机 上 进 行 振 动 试 验 ，结 果 发 现 ：该 批 组 件 数 分 钟 内 即 发 生 断 裂 。 对 断 裂 件 进 行 扫 描 电 镜 分 析 及 金 相 显 微 分 析 发 现 ：断 裂 件 起 裂 源 位 于 铜 管 外 边 缘 ，呈 沿 晶 断 裂 特 征 ，断 裂 源 区 晶 粒 粗 大 ，断 口 无 韧 性 变 形特 征（见 图 ）。 对生产过程进行调查 ，据 工 人 反 映 ，该 批 产 品 焊 接 过 程 中 难 以 焊 接 ，需 长 时 间 加热 。 经 对 钎 料 进 行 成 分 分 析 发 现 ：钎 料 杂 质 与 ，和 含 量 较 高 。 当 钎 料 中 含 量 较 高 时 ， 熔 融 的 由 于 比 重 较 轻 浮 在 钎 料 表 面 ，降 低 了 钎料 的 润 湿 性 ，改 变 了 钎 料 的 流 动 、延 长 了 焊 接 时间 ，造 成 晶 粒 粗 大 ，引 起 铜 管 脆 化 。铜 管 晶 粒 长 大铜 及 铜 合 金 一 般 不 发 生 相 变 ，受 热 使 晶 粒 长大 、材 料 变 脆 。 原 材 料 混 晶 、加热时间过长 是 造 成 铜 管 晶 粒 长 大 的 主 要 原 因 。笔 者 曾 遇见 过 储 液桶工 作时被振落的情况 ，断 裂 发 生 在 出 气 管 与 储 液 桶 体 连 接 处 ，宏 观 断 口 呈 锯 齿 状 ，有 许 多 闪 亮 小 断 面 。 对 原 材 料 进 行 成分 分 析 ，符 合 材 料 技 术 要 求 ；在 电 镜 下 观 察 断 裂件 ，断 口 呈 沿 晶 断 裂 ，二 次 裂 纹 较 多 ，对 故 障 件 进 行 金 相 检 查 发 现 ，晶 粒 较 大 且 不 均 匀 ；对 原 材 料 进 行 金 相 检 验 发 现 ，晶 粒 大 小 不 均 匀 ，铜 管 两 侧 晶 粒细 小 、中 间 较 大（见 图 和 图 ）。 由 于 原 材 料 组 织 的 不 均 匀 性 ，在 焊 接 过 程 中 晶 粒 异 常 长 大 ，杂 质 向晶 界 聚 集 ，造 成 晶 界 弱 化 、材 料 变 脆 ，导 致 工 作 中 发 生 断 裂 。加 热 时 间 过 长 也 是 晶 粒 长 大 的 原 因 之 一 。 笔者 所 在 公 司 的 一 个 分 供 方 曾 经 提 供 过 一 批 上 外 罩图 断裂件断口形貌 为 了避免焊接过程 中 晶粒长大 ，必 须 控 制 加热 时 间 ，同 时 应 保 证 燃 气 成 分 的 稳 定 ，调 节 火 焰 性第 卷 质 、长 短 ，严 格 按 照 工 艺 确 定 的 压 力 、流 量 、焊 嘴 型号 执 行 。 用 于 加 热工 件的应 该是火焰的外焰 ，而 不 是 焰 心 锥 体 ，加 热 时 应 控 制 焰 心 至 钎 缝 位 置 间 的 距 离 ，在 保 证 钎 料 流 动 、浸 润 前 提 下 ，尽 量 降 低 铜 管 的 过 热 温 度 并 缩 短 加 热 时 间 ，减 小 火 焰 的 作 用 范 围。 在 生产检验过程中 ，严格控制铜管的晶 粒 度 ，笔 者 的 经 验 是 原 材 料晶粒度控制在 ，焊 接 后 晶 粒 度 控 制 在 以 下 。口 形 貌 ，断 口 为典型的宏观脆性 、微 观 塑 性 断 口 ，在 晶 面上有许多小韧窝 。铜管中的氧来自 个 方 面 ：其 一 ，原 材 料 本 身 ；其 二 ，焊 接 过 程 中 造 成 的 氧 化 。 比 如 在 火 焰 钎 焊 预 热 过 程 中 对 工 件 进 行 工 位 转 换 时 与 空 气 接 触 铜 管 造 成 氧 化 ，或 表 面 清 洗 不 彻 底 、钎 剂 质 量 不 好 等 。 因 此 ，必须控制好原材 料 质 量 和 钎焊 工艺 。结 束 语焊接 是 成 本 较 低 、施 工 简 便 、效 率 高 的 一 种 连 接 方 法 ，但 因 焊 接 过 程 是 在 热 力 学 不 平 衡 的 条 件 下 进 行 的 ，也 是 最 易出现问题的一种工艺 。 因 此 ， 在 铜 管 的 焊 接 过 程 中 应 严 格 控 制 铜 管 及 钎 料 的 成 分 、焊 接 温 度 及 时 间 、配 合 间 隙 、零 件 表 面 的 状 态 等 问 题 。铜 管 氧 含 量 高氧 是 铜 管 氢 脆 的 祸 源 ，含氧的铜管在还原性 气 氛 下 进 行 焊 接 时 ，氢 或 其 他 还 原 性 气 体 与 氧 化 亚 铜 发 生 反 应 ，生 成 的 水 蒸 气 或 使 铜 管 脆 化 。图 所 示为笔 者曾经 遇 到过的一起氢脆故障的断 参 考 文 献陈 祝 年 焊 接 工 程 师 手 册 北 京 ：机 械 工 业 出 版社 ，有 色 金届及热处理 编 写 组 有色金属及其热处理 北 京 ：国防工业出版社 ，：洛 阳铜加工厂中心实验室金 相 组 铜及铜合金金柏图 谱北 京 ：冶金工业出版杜 ，美 国 焊 接 学会钎焊委员会 钎 焊 手 册 曹 雄 夫 ，等 译 北 京 ：国防工业出版社 ，图 断裂件断口形貌 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱（上 接 第 页）冷 剂 质 量流量的增加导致压 缩 机耗 功 也 相 应 增 加 。 由 于 制 冷 量 的 增 加 值 与 耗 功 的 增 加 值 的 比 值 小 于 不 采 用 喷 气 冷 却 时 的 值 ，因 此 使 得 喷 气 冷 却 运 行 模 式 的 系 统 性 能 系 数 低 于 不 采 用 喷 气 时 系 统 的 性 能 系 数 。性 能 系 数