板翅式換熱器真空釬焊工藝評定分析

曹 勇，畢 華

中航工業(yè)無錫馬山永紅換熱器有限公司，江蘇無錫 214092

0 引言

鋁制板翅式換熱器是一種新型高效換熱設備。它以結構緊湊、重量輕、體積小和傳熱效率高等優(yōu)點，廣泛應用于化工、化肥、空分設備、天然氣液化等各個領域。板翅式鋁散熱器的傳統(tǒng)制造工藝是鹽浴釬焊。由于鹽浴釬焊焊后釬劑清洗工藝復雜，殘留的氯鹽對釬焊件會產(chǎn)生腐蝕作用，降低了被釬焊件的可靠性。而無釬劑鋁真空釬焊技術，徹底解決了氯化物基釬劑對鋁的腐蝕性問題。因此真空釬焊技術在板翅式鋁散熱器制造工藝中得到迅速的發(fā)展。本文以鋁合金復合板真空釬焊為例，對板翅式換熱器試件制備、試件的檢驗方法和在什么情況下需要對板翅式換熱器重新進行焊接工藝評定進行了探討，為板翅式換熱器的制造及檢驗提供參考。

1 試件的制備

試件采用鋁合金復合板進行制備，復合板表面涂有釬料層。首先應對復合板的化學成分、釬料層厚度、力學性能進行復驗，保證材料符合相應的標準；試件的厚度的評定適用范圍為0.5T～2T；試件的數(shù)量和尺寸應滿足制備試樣的要求；施焊人員必須是本單位技能熟練的焊工，焊接設備和儀表處于正常工作狀態(tài)，焊工按預焊接工藝規(guī)程中的釬焊參數(shù)進行釬焊。

試件施焊完畢，經(jīng)外觀檢驗和無損檢驗后，允許避開缺陷制取試驗試樣。

2 試件的檢驗

釬焊試件的檢驗一般包括釬縫的外觀檢驗、無損檢驗和金相檢驗。

外觀檢查要求釬焊接頭外露端的周圍均應顯示有釬料的存在，釬縫無未釬滿，不允許有裂紋及穿透性氣孔、針孔；由于溶蝕而引起的母材減薄量應不大于母材厚度的10%（母材厚度不包括釬料層的厚度）。

無損檢測采用X-射線檢驗方法進行檢驗。適用于外觀檢測無法判斷質(zhì)量的釬焊件或設計圖中指出需做X-射線檢驗的釬焊件。X-射線檢驗試件內(nèi)部釬著率即釬焊接頭中實際釬著的釬焊面積與應該釬焊的總面積的比率應大于80%。

釬焊接頭的金相試樣一般在釬縫的橫截面制取，在浸蝕之前，可用肉眼或放大鏡（顯微鏡）觀察，查明釬縫是否有未釬透、夾雜、氣孔和裂紋等缺陷。試樣經(jīng)過浸蝕后，在顯微鏡下放大100倍～1 500倍，觀察釬縫區(qū)的微小缺陷、釬縫、擴散區(qū)以及母材金屬的組織結構。釬縫中金相組織應細密一致，各個相擴散均勻，不允許存在裂紋及過燒組織。

3 釬焊工藝評定試驗

真空釬焊工藝評定試驗主要參考了美國ASME鍋爐與壓力容法規(guī)第Ⅸ卷“焊接與釬焊評定”標準中釬接篇的規(guī)定以及真空釬焊的相關資料進行。真空釬焊一般為搭接接頭，其工藝評定試驗包括：拉剪試驗、切片試驗。試樣采用0.8mm厚的鋁合金復合板釬焊搭接接頭試件的評定試樣項目、材料評定的厚度覆蓋范圍及規(guī)定的試樣數(shù)量如表1所示。

表1 搭接接頭試件的評定項目及規(guī)定試樣數(shù)量

3.1 工藝評定試樣

工藝評定試驗有拉剪試樣、切片試樣。試樣的尺寸及形狀如圖1和圖2所示。

圖1 拉剪試樣

圖2 切片試樣

3.2 評定試驗合格指標

在拉伸試驗中，拉伸試樣的拉伸強度應不低于母材的最低抗拉強度，對于1、3、5系列鋁合金的最低抗拉強度為其退火狀態(tài)標準規(guī)定的抗拉強度下限值，對于6系列鋁合金母材的抗拉強度最低值見表2[1]；切片試驗中，試樣的每個側面分別計算，各側面的未釬區(qū)的總長度不得超過搭接接頭長度的20%[2]。

表2 6系列鋁合金規(guī)定的抗拉強度最低值

6061（T4焊、T6焊） 162 6063 （T5焊、T6焊）118

4 重新評定的要求

當釬焊縫不滿足檢驗及性能試驗要求時，應重新編制釬焊工藝，再進行工藝評定，直到工藝評定合格為止。焊接工藝評定標準中規(guī)定，當影響焊縫力學性能的因素發(fā)生變化時，應對焊接工藝重新進行工藝。對于真空釬焊工藝中某些影響釬焊質(zhì)量的工藝因素發(fā)生變化時也應重新進行工藝評定，具體情況包括：1）母材種類的改變。當母材從1、3、5系列鋁合金改變?yōu)?、7系列鋁合金時，母材的化學成分、力學性能及焊接性能都發(fā)生很大變化，釬焊工藝評定應重新進行；2）釬焊溫度。釬焊溫度過高，容易出現(xiàn)溶蝕、過燒及脆性化合物等問題的出現(xiàn)；溫度過低，釬料的流動性不佳，容易造成虛焊，因此溫度改變會對釬焊質(zhì)量造成影響，需重新評定；3）釬焊保溫時間。保溫時間包括穩(wěn)定階段的保溫時間及高溫段的保溫時間，穩(wěn)定階段的保溫時間為了減少換熱器內(nèi)外的溫度梯度，避免內(nèi)部釬料向表面高溫處流動，造成釬料流失；高溫階段的保溫時間發(fā)生變化時，會影響釬料向母材的擴散，容易產(chǎn)生虛焊、溶蝕、晶間腐蝕及各相擴散不良等現(xiàn)象，還會影響換熱器的焊后尺寸。因此保溫時間變化應重新評定焊接工藝；4）真空度。鋁合金表面的氧化膜可在高真空下自行分解，真空度發(fā)生變化時會影響釬料對母材的潤濕及流動，也會影響母材及釬料中合金元素的揮發(fā)，因此也需重新評定；5）冷卻速度。冷卻速度影響母材晶粒的大小及釬料中合金結構的細化程度，從而影響釬焊縫的性能，因此需重新進行工藝評定[3]。

5 結論

本文通過制備評定試件，對試樣進行外觀檢測、X-射線檢測及金相檢測，通過拉伸試驗及切片試驗檢驗釬縫的力學性能及致密程度，從而驗證釬焊工藝的合理性。當鋁合金母材的改變時以及釬焊工藝參數(shù)中的釬焊溫度、釬焊保溫時間、真空度、冷卻速度改變時，釬焊工藝需重新進行評定。

[1]NB/T 47014-2001.承壓設備焊接工藝評定[S].北京：國家能源局，2011.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅸ卷焊接和釬接評定標準2004版[S].ASME鍋爐及壓力容器委員會焊接分委會，2004.

[3]張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008

[4]《航空制造工程手冊》總編委員會主編.航空制造工程手冊：焊接[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997.

[5]張學軍主編.航空釬焊技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.