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连续式气体保护钎焊炉的发展现状及其应用

2016-03-14 10:59:00
sawchina
原创
2859
摘要:在汽车行业中,连续式气体保护钎焊是一种非常重要且应用十分广泛的方法,尤其是在汽车散热器和汽车三滤等零部件的焊接中更是如此。我国自20世纪80年代以来,从国外陆续引进了各种类型的气体保护钎焊炉,促进了产品质量及生产效率的提高。自上个世纪90年代以来,我国的科研单位也相继开发出了用于铝制散热器的氮气保护钎焊炉及用于其它钢制及铜制零部件的氮基可控气氛钎焊炉,促进了我国汽车行业的发展,同时为国家节约了大量外汇。
1、 前言 

在汽车行业中,连续式气体保护钎焊是一种非常重要且应用十分广泛的方法,尤其是在汽车散热器和汽车三滤等零部件的焊接中更是如此。我国自20世纪80年代以来,从国外陆续引进了各种类型的气体保护钎焊炉,促进了产品质量及生产效率的提高。自上个世纪90年代以来,我国的科研单位也相继开发出了用于铝制散热器的氮气保护钎焊炉及用于其它钢制及铜制零部件的氮基可控气氛钎焊炉,促进了我国汽车行业的发展,同时为国家节约了大量外汇。 

2、 国内气体保护连续钎焊炉发展现状 

目前,我国开发研制的气体保 护钎焊炉,大都仿制进口产品。其中用于铝制散热器等其它铝制品的钎焊炉和进口产品几无二致,这是受Noclock工艺制约的结果,只不过有的使用厂家为减少投资要求开发单位简化。如湖北某厂家要求将钎剂喷淋、空气吹落、工件干燥置于炉外处理。处理好后直接进钎焊炉焊接。即使这样,我国大多数用户对该设备的投资也很难承受。如此一来,我国东北某公司为适应这种要求,开发出了单室不连续钎焊炉,其投资大大降低。但相应降低的还有效率和质量的稳定性,可以说,这也是没有办法的办法。钎焊铝制品对控温精度及加热区的均匀性要求很高。开发这种钎焊炉对国内的研究单位来讲,难度还是很大的。为此,国内东北某研究单位采用了和日本某公司合作的方式,但由于其技术和关键器件均来自于日本,所以成本下降不多,价格上的优势不大。开发出性能满足焊接要求,同时价格上也能为用户接受的气体保护钎焊炉,只有在吸收国外先进技术的基础上,走国产化这条路。目前天津某研究所就是采取了这种方式。 

钢制零件的硬钎焊炉和进口产品相比,有如下不同: 

(1)进口钎焊炉的保护气氛大多为石油液化气。而我国现大部分还采用氨分解气。实际上在西方发达国家,保护气氛基本上采用两种:a石油液化气;b氮基气氛。其中氮基气氛最有发展前途。现在能源危机不仅威胁着我国,也威胁着整个世界。我们知道,空气中含有78%的氮气,是取之不尽用之不竭的。现在我国大多数还采用氨分解气,主要原因有两个:一是氨分解气制备简单;二是国内对氮基气氛的宣传不够,广大用户对此不太了解,影响了推广。 

(2)国内的保护气氛发生装置大多置于炉外。在炉外产生保护气通往炉内起保护作用。而我国引进的钎焊炉其保护气氛发生装置大多置于炉内,其优点很多,如节省面积,节省能耗,简化操作,从而节省投资等等,这种方式应大力推广。 

(3)加热元件:在参观和解剖国外进口硬钎焊炉时发现,其加热元件大多采用两种,一是电阻丝,二是管状加热器。我国则大多数采用SiC棒。本文作者多年从事钎焊炉的研究开发工作,目前正尝试对加热元件方式进行大胆改进,以比较其优缺点。 

(4)炉膛构造:国外进口成本硬钎焊炉,采用油耐热及保温材料砌筑而成的炉膛为多,属马费结构。而我国这类炉几乎无一例采用了耐热钢制成的马费结构。 

另外在传送结构上,我国的研究单位应下大功夫。目前无论网带传送还是舟板传送,均有明显的缺点。据资料介绍,国外研究出了一种陶瓷网带,它没有改变传送方式,仍然方便工人操作;同时又没有金属网带的热蠕变及晶体长大的忧虑。这种网带如研制成功,将会大大降低钎焊炉的运行成本。 

总之,我国在气体保护连续铝钎焊炉方面和国外尚有一定差距,而在用于钢、 不锈钢、铜等材料的硬钎焊炉方面和国外差距不大,研究力度也在不断加大。20世纪80年代末以前,全国只有一家研究开发钎焊炉,而到目前为止,据笔者所掌握的情况,全国已有11家。这对我国汽车零部件制造业来讲,是一个福音。 

3、 连续式气体保护钎焊简介 

3.1保护气氛 

目前在汽车行业应用的钎焊炉,其保护气氛有四种,即氮分解气氛、石油液化气燃烧气氛,高纯氮气及氮基可控气氛。 

3.1.1 氨分解气氛 

氨分解气氛的制备是以液氨为原料,经裂解炉在催化剂的作用下,发生如下反应: 

2NH3氧化剂—→3H2↑+N2↑ 

裂解后产生的的气氛中含有75%的氢气和25%的氮气。该气氛由于含有75%的氮气,其还原性较强,可广泛用于钢制零件的铜钎焊、银钎焊及镍基钎料的钎焊,如汽车三滤件即空气滤清器、汽油滤清器、机油滤清器的焊接,汽车化油器、分电器及真空助力器的焊接均采用该保护气氛。该气氛有两大缺点: 

(1) 由于含氢量较高,危险性大; 
(2) 能耗大。 

液氨裂解成保护气氛,必须在裂解炉内加热至高温900℃以上,电耗相当大,而且液氨原料耗量也很大。 

3.1.2石油液化气燃烧气氛 

该气氛的制备原理如下: 
第一步C3H8+5O22+19N2→3CO2+4H2O+19N2+Q1 
第二步C3H8+3CO2+ →6CO+4H-Q22 
C3H8+3HO2+ →3CO+7H-Q2 

两步反应合并为2 C3H8+3CO2+11.4 N2→6CO+8H2+11.4 N2+Q 

可以看出,式右边除N2为中性气体外,其余的CO和H2均为还原气体,因而丙烷燃烧后的气体具有保护钎焊作用。 

该保护气氛用于钢制零件的铜钎焊和银钎焊。如汽车三滤件、化油器及真空助力器的焊接,可采用该气氛。 

大部分钎焊炉是在炉外燃烧产生上述保护气氛通入炉内,起保护钎焊作用。但我国引进的一些钎焊炉也采用气体燃烧发生器置于炉内,当炉温升至约750℃时,产生上述反应。该方法的特点是节能,不使用单独的加热电源,而且节省占地面积。这种类型的钎焊炉,以引进为多,国内开发研制的很少。 

3.1.3 氮基可控气氛 

所谓氮基可控气氛是指气氛中90%以上为氮气,10%以下为活性气体,而且两气体的比例可调,其中进入炉膛的氮气纯度要达5个9以上。 

瓶装氮气或小型的制氮机的氮气纯度一般为99.5%,要使其纯度达到99.9995%,必须对其加以纯化处理,纯化原理如下: 

CH3OH→CO+2H2↑ 
2CO+O2→2CO2↑ 
2H2+O2→2H2O 

采用甲醇裂解产生的CO、H2和氮气中的氧反应,除掉氮气中的氧,从而使氮气纯度达99.9995%,而多余的CO和H2(1%~10%可调)作为活性气氛进入炉内起到保护钎焊的作用。汽车零部件中的钢制零件均可采用上述保护气氛。该气氛的特点: 

(1) 安全。气氛中含有90%以上氮气,还原性气体仅占10%,其安全性显而易见。 
(2) 节能,方便。一般大型工厂有氮气管道,只要将氮气接到钎焊炉上的氮气净化装置即可使用。无氮气管道的,困采用小型制氮机。空气经气体压缩后进入分子筛,经分子筛吸附即可得到氮气。这种制氮法即PSA法,设备简单,成本低,推广前景很好。 

3.1.4 高纯氮气 

瓶装氮气或制氧机产生氮气,如上所述一般纯度达99.5%,但在汽车铝制散热器、汽车空调蒸发器、冷凝器、水箱等铝制产品必须在99.9995%氮气纯度下才可满足焊接要求,所以也必须对氮气进行纯化处理。它的处理方法和氮基可控气氛的处理不同,它采用无氢纯化处理方法。详细情况,这里不做叙述。这种气氛仅用于汽车铝制品的焊接。 

3.2 加热元件的种类 

3.2.1 SiC棒 

在钢制零件焊接所使用的钎焊炉,大都采用SiC棒,因这类零件焊接大都采用无氧铜钎焊,钎焊温度较高,一般 在1120~1130℃左右,而SiC棒最高使用温度可达1200℃。采用SiC棒加热元件保护气氛,如采用氮气,炉膛最好采用马弗套,避免气体和SiC接触,因氮气和SiC在高温下产生反应,降低其使用寿命。 

3.2.2 Ni—Cr丝 

在国外进口的钎焊炉中,广泛使用Ni—Cr丝,但保护气氛一般采用丙烷燃烧气氛且保护气氛发生装置大都为内置式,因燃烧反应是放热反应,即可节省能量又可减少Ni—Cr丝的负担,也可以用于钢制零件的铜钎焊。 

3.2.3 Fe—Cr—AL丝 

这种加热元件是我国近年来研制成功的,它的使用温度高且成本低,应用前景很好,但同SiC棒一样,在炉膛设计时,如采用的气氛为氮气,炉膛应为马弗结构,以避免炉丝和氮气接触,降低其使用寿命。 

3.3 炉加热区结构 

炉加热区结构有两种: 

(1) 由耐热及保温材料砌筑而成的炉膛内置马弗套,马弗套由耐热合金钢经成型焊接而成。这种结构由于密封性好,故节省保护气。但也有一个缺点,在钢制零件的铜钎焊时,其钎焊温度在1120~1130℃左右,马弗套长期在高温下工作,产生热蠕变,最终导致烧塌。以汽车三滤件的焊接为例,根据工厂使用的实际情况,一年内要更换两个2600mm×240 mm×190 mm的马弗套。造价2.6万元。年用于马弗套的费用为5.2万元,运行成本太高。工厂对此很头痛。当然,铝制产品的焊接,由于焊接温度低,不会有这方面的麻烦。 

(2) 炉膛完全由耐热及保温材料砌筑而成,无马弗套。这种结构的优点是,由于无马弗套,其炉膛使用寿命长,根据工厂经验,5年或更长时间内,炉膛不必大修。国内某研究所研制的一种钎焊炉,即为该类型。 

3.4 传送机构 

对于连续式钎焊炉,传送方式有两种: 

(1) 网带传送机构 

该机构由变频调速器、电机、行星摆线减速器驱动主动轮、导向轮托辊及张紧装置来完成网带的定向运动。传送速度一般在100~500mm/min之间可调,它具有结构紧凑,传送平衡、可靠等特点。工人操作简便,自动化程度高。缺点是,在钢制零件的铜钎焊时,网带在高温下工作,产生热蠕变,网带越拉越长,要不断调整张机构,张紧装置调整量不足时,要剪切链条,最终导致失效。而且,由耐热钢制成的链条高温加热后,晶粒粗大变脆、易断,剪接困难。 
但对于铝制产品的焊接,由于焊接温度低,不产生此麻烦。 

(2) 推舟机构 

这种机构的进料口开在炉的侧面,将摆放工件的舟板从侧口推入炉内,炉体长度方向上有一气缸,将舟板向前推进后,缸杆退回,再续另一个舟板,如此复一舟推一舟,工件从进料区进入钎焊区、冷却区直至出炉口。它和网带结构均连续传送,只不过网带匀速传送,推舟为步进式传送。它的优点是传送结构简单,一个气缸即可,无网带高温蠕变之虑。舟板一般为石墨制成,价格便宜,不足之处是工人装卸工件略显麻烦。 

4、 连续式气体保护钎焊炉的应用 

由于连续式气体保护钎焊炉类型较多,所焊工件品种也较多,不能一一列举,现以汽车铝制散热器的焊接为例,介绍这种钎焊炉及其产品的焊接。 
这种钎焊炉总长一般均在20~30m以上,一般由以下几个部区组成: 

(1) 喷淋钎剂区 

工件摆放在传送带上,传送带以一定的速度匀速传动,工件进入喷淋钎剂区时,门架上一个喷头以一定的角度向下喷混合好的钎剂水混合液。钎剂一般采用Noclok无腐蚀钎剂。钎剂浓度在5%~25%范围内,液体钎剂在毛细作用下渗入钎焊缝隙,多余的的钎剂在重力作用下从工件非连接面上脱落。 

(2)空气吹落区 

工件随网带运动进入该区。由于工件上的多余钎剂仅靠重力脱落有限。在该区用风机向工件上吹风,以使多余的钎剂吹落掉。这两区吹落的钎剂落入接水槽中经泵抽至钎剂储罐。循环使用。 

(3)干燥区 

该区的作用是清除钎剂中的水分及工件表面吸附的空气水分,防止工件携带空气水分有害气体直接进入钎焊炉高温区,导致金属表面氧化。同时,工件及夹具因受热不均发生变形。干燥区温度一般≤110℃。 

(4)加热区 

典型的钎焊炉加热区长度一般为7~8m左右,分4个控温段。每个控温段加热元件热功率独立可调,可灵活的设置各控温段的温度,保证工件在最短的时间内均匀地升至钎焊温度。工作升至最高温度后有一段非加热区,其长度约为1~1.2m。整个钎焊加热区设置10个测温点,监测炉温的变化。各控温段温度,工作传送速度等焊接参数设定、测量、反馈控制以及生产程序,采用CPU计算机及PLC实现。 

加热区各段温度及作用如下: 

工件自干燥区进入加热区后,工作温度由110℃升至约565℃,此时工件进入加热阶段。工件继续传送至温度为565~570℃的区域,钎剂熔融,除去A1表面氧化物。当工件进入577~605℃区域时,钎料熔融,焊接面形成焊缝,此后进入加热区的非加热段缓冷。加热区的最高温度一般设计为800℃。 

(5)冷却区 

工件自加热区出来后,进入冷却区。工件在此区冷却,焊缝固化,钎剂也固化并留在部件表面。 

冷却区分为水冷壁冷却、气冷及空冷。水冷壁冷却区长度为3~4m,调节水流量,可调节工件降温温度梯度。气冷段一般和钎焊加热炉分离,鼓风机吹入压缩空气,冷却工件,气冷后接空冷,出炉温度一般小于150℃ 

铝制散热器的焊接,采用Noclok钎剂必须采取高纯氮气保护,氮气的纯度为99.9995%,露点为-40℃。保护气体的用量炉尺寸1000mm×1000mm×150×27000mm为例,其在生产状态下为50m3/h,空载时小于20m3/h. 
钎焊工艺几点说明: 

(1) 工件喷洒钎剂前,要通过清洗步骤,去除残余的油污。 
(2) 在干燥区,干燥温度不可过高。一般在200℃以下。如超过250℃。铝表面会形成高温氧化物,这些氧化物很难被Noclok钎剂去除。 
(3) 氮气在炉内最关键的钎焊段流入而流向炉的入口和出口处。以此防止炉外杂质气体的侵入。当部件进入关键的钎焊段时,炉内保护气氛已形成。其露点≤—40℃而O2浓度<100×10-6这些是获得最佳钎焊效果所必须的条件。 
(4) 在300—560℃范围内,微量的KALF4蒸发与所存在的湿气反应生成微量的HF。因此必须严格控制露点,不仅是提供钎焊气氛,而且是尽量减少HF的生成。 
(5) 冷却后,钎剂残渣留于部件表面,形成厚度为1—2μm的粘膜。钎剂残留层不吸湿,无腐蚀性,不溶于水性溶剂。如需喷漆或转化为喷粉,则不需进一步表面处理。残余物是加在防腐的保护层,残余物薄层在热交换过程中不会出现碎裂。 

5.结论 

随着我国汽车工业的飞速发展,气体保护连续钎焊炉的应用愈来愈广泛,而它的应用对提高产品质量及生产效率具有极大的促进作用。 

我国的科研单位应大力开发和研制各种类型的钎焊炉,以适应经济发展的需要。同时,我国的工矿企业应尽量采用我国自行研制的钎焊设备,以降低生产成本,提高效益,同时为国家节省外汇。总之,连续式气体保护钎焊炉的大量应用,必将促进企业的科技进步,提高劳动生产率,其前景十分广阔。 
(end)
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