1.概况
随着国际原材料铜价格的飙升，空调企业所负担的材料成本也相应高涨，导致了利润空间的下降和经营风险的提高。因此，许多空调企业也相应的将铜配件的“铜铝化”提上日程。铝材的价格便宜，密度小（约为铜材的1/3），冶炼污染相对较小，且能满足许多场合下替代铜配件的性能要求，因而以铝代铜是最佳选择。要实现铜材料替代就必须解决异种金属之间的连接问题，这就使得铜铝连接成为了一具有切实需要的研究方向。
在对国内外目前普遍采用的铜铝管连接方法进行系统研究之后，从成本、致密性、在线生产以及现场操作等方面综合分析认为钎焊是最适合铜-铝薄壁管焊接的方法，它解决了诸如储能焊、摩擦焊、电阻焊、爆炸焊不能满足焊接空间和在线生产的要求以及洛克环连接不能满足成本和致密性方面的要求等问题，是一种经济可靠并能实现在线生产的优良方法。
通过系统的试验研究，筛选了适合铜铝钎焊的方法，突出了现场的可操作性以及解决了铜铝接头可焊性的问题，并对焊接工艺进行改进，使之能够稳定批量生产和在线生产；找出了最佳的钎料及钎剂，总结了相应的工艺方法，使铜铝钎焊连接实现产业化成为可能；在此基础上还研究了铜铝接头的耐蚀性、可靠性以及寿命等一系列性能，为铜铝钎焊的深入研究奠定了基础。
2.关键技术
（1）焊接接头的设计
钎焊接头结构的设计是影响钎焊质量的重要因素，铜铝管之间的组装方式、配合间隙、插接深度、能否实现等间隙钎焊，对产品的最终质量有较大影响。此外，还需要设计预置钎料的装配及钎焊接头的定位方式。
针对锡锌铜钎料和配合其使用的溴化物钎剂，对钎焊接头结构进行了设计。铜铝管接头的形式主要有直管对接、扩口管插接、缩口管插接和缩口管搭接四种形式。直管对接时，铜铝管接合面积小，容易出现泄露。扩口管插接时，铜铝管接合面积虽然大了，但焊接时顶锻力较小，仍然易漏，这种接口又叫做“铜包铝”接头。缩口管搭接，将铜管缩口，焊接时顶锻力大，此种焊接较牢固，这种接口叫做“铝包铜”接头。本次研究采用“铝包铜”接头，如图2所示：
图2 铜-铝薄壁管焊接接头
不难理解，外径一样时管壁越薄越容易出现渗漏，管壁越厚制冷剂流量越小，壁厚一般为0.6～1.5mm，缩口处的内径越小，制冷剂流动越困难，所以缩口处的内径与插接管的内径越接近越好。本次研究采用的间隙为0.05～0.1mm。
此外，通过做倒角或者加工阶梯孔来减少气孔数量。由于工件水平预置焊环时，间隙大毛细管吸附作用将减少甚至丧失，钎料不能被接头间隙吸入，因此焊接过程只能采取工件垂直放置的方式。
（2）开发合理的钎料
钎料是钎焊时的填充材料，钎焊件依靠熔化的钎料被连接起来，钎料自身的性能及其与母材间的相互作用在很大程度上决定了钎焊接头的性能。钎料的选择及开发主要体现在以下的内容：首先选择钎料的熔点要比母材的熔点低40-50℃；二是钎料能在母材表面润湿铺展并充分填满钎缝间隙；三是钎料能与母材发生溶解、扩散等相互作用，并形成牢固的冶金结合；四是钎料应具有稳定和均匀的成分，在钎焊过程中应尽量避免出现偏析现象和易挥发元素的烧糊；五是根据焊接钎料的预置装配设计钎料的尺寸、形状。
对所开发的钎焊材料进行圆角测试、颜色测试、磁性微粒（粒子）测试、黑色余渣测试，利用玻璃管热炉对钎焊材料溶解，研究解决装填物金属流动和表面张力；分析、验证所研发钎焊材料与制冷剂的兼容性。
通过对各成分偏差对钎焊性能的影响，设计了Sn-Zn-Cu钎料。规定了钎料的成分比。设计了配套的钎剂使之满足铜铝钎焊的性能需要。由于在加热过程中钎剂溴化锌消耗较快，因此焊接后没有残留，不存在后续的钎焊接头腐蚀，从而解决了铜铝钎焊长期存在的不耐腐蚀的困扰。
（3）材料成分的偏差及其对钎焊影响的研究
通过改变材料的化学成分，然后进行钎焊并检验，以研究成分对钎焊影响，进而确定各不同材料最佳的钎料，最佳的焊接参数，同时制定合理的原材料进货检验标准。通过对钎料和钎剂中各组分含量进行调整和试验，确定了钎料和钎剂组分的配比为分别为Sn60-Zn39-Cu，ZnBr233%+NH4Br65%+NaF2%。
（4）焊接设备工装的研发
设计了针对铜铝钎焊的专用工装，保证焊接过程铜管和铝管之间间隙均匀，从而降低焊接操作的难度和提高产品质量的稳定性。
后续拟采用保护气氛焊接设备来钎焊产品，要求焊接设备能精确控制焊接的气体流量、加热时间，焊接后接头的冷却时间，同时也要能控制焊接过程中保护气体的气氛。针对设备、工艺特点，要设计制作相应的工装。
（5）焊接工艺的制定
经过试验的验证，确认了合适的间隙大小为0.05～0.1mm（双边），在此基础上，使用锡锌铜钎料更容易达到钎焊所需要的渗透要求。在焊接过程中，钎焊温度在300℃至340℃之间。焊接工艺的制定主要是以下的工作：
首先是根据不同材料、尺寸的母材，设计合适的钎焊间隙，合适的焊接温度，恰当的加热、冷却时间，要设计好添加钎料的方法，这些是保证钎焊质量的关键；
其次是制定焊前准备与焊后处理的方案；
再次是制定合理的工艺路线、工艺控制手段，使产品能批量稳定生产。
（6）建立钎焊接头质量的检测方法
针对铜铝钎焊接头的特点，制定了相应的钎焊接头质量检测标准，并发布为企业标准。主要规定了强度试验、弯曲试验、撕裂试验、无损检验、冷热循环检验、疲劳检验、装机长期运行检验等。
另规定了接头耐腐蚀试验要求，对接头进行加速腐蚀试验。使用简短的非自然状态的专业腐蚀试验装置，借助理论分析，可进行腐蚀试验判断。使用扫描电子显微镜（SEM）、X-线 衍射（XRD）、衍射扫描量热法和温度重量分析（DSC，TGS）、微粒子分析，对接头进行寿命和可靠性评价。
4.效益
（1）减少铜材的消耗，提高不可再生资源的利用效率
我国属于矿产资源缺乏国家，国内铜材产量不能满足国内企业生产需要，需要每年向国外采购铜材，特别是对国外优良铜资源的控制程度不如国外一些实力雄厚的跨国公司，铜材供应受制于国际市场，无法保证长期稳定的供应。因此，提高铜材资源利用效率，对于社会经济稳定发展有重要的现实意义。现阶段国际市场铜价的日益上涨，对于空调企业来说，如不寻找铜的替代产品将导致生产成本不断增加，利润率降低，从而使企业经营难以为继。铜铝薄壁管钎焊技术难题的攻克，意味着在不降低空调使用性能的前提下，空调配管中使用铜的比例大大减少，从而提高了铜材的利用效率，同时了降低成本，提高效益。
（2）帮助制冷企业降低运营成本，规避经营风险
性能合格的铜铝管的使用，替代铜管，有利于帮助我区制冷产业降低生产成本，较好地规避因为材料价格波动而导致的经营风险。
（3）增加了就业、汇聚了培养了人才
本次研究获得的相关技术开发新产品的条件。将逐步把本次研究中获得的相关技术用于开发客户的铜铝热交换器和铜铝分流头毛细管组件等系列产品。实施后可新增就业人员100人，其中工人85人，技术人员10人，管理层及管理人员5人。并使我区在研发铜铝钎焊连接方面走在国内前沿，有助于进一步巩固我区制冷产业的领先地位。
5.项目实施过程中存在的问题、解决措施及建议
本次研究开发出的铜铝毛细管分流器组件和铜铝热交换器组件系列产品，量产工艺技术已经比较成熟，只是其适用性仍需要在客户处进行长期的测试。毛细管分流器组件和铜-铝热交换器组件均为恒基的拳头产品，对企业的经营与发展具有重要的战略地位。对于铜铝薄壁管钎焊技术的研究不仅有利于以上两种产品的铜管铝化，降低生产成本提高竞争力，也有助于企业在相关技术领域抢占技术高峰。
在开发过程中，由于铜铝异种金属钎焊过程的可逆性能较差，导致产品较难返工。这种困难在使用现有的钎料与钎剂的情况下，暂时还无法彻底解决。因此，为了避免报废率的升高，需要控制好产品的一次焊接成功率，特别是采用设备代替人工操作的方法，将有助于此问题的有效解决。
论文作者:黄敏婷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
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