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連續(xù)式氣體保護釬焊爐的發(fā)展現(xiàn)狀及其應用

2016-03-14 10:59:00
sawchina
原創(chuàng)
8938
摘要：在汽車行業(yè)中，連續(xù)式氣體保護釬焊是一種非常重要且應用十分廣泛的方法，尤其是在汽車散熱器和汽車三濾等零部件的焊接中更是如此。我國自20世紀80年代以來，從國外陸續(xù)引進了各種類型的氣體保護釬焊爐，促進了產品質量及生產效率的提高。自上個世紀90年代以來，我國的科研單位也相繼開發(fā)出了用于鋁制散熱器的氮氣保護釬焊爐及用于其它鋼制及銅制零部件的氮基可控氣氛釬焊爐，促進了我國汽車行業(yè)的發(fā)展，同時為國家節(jié)約了大量外匯。
1、 前言 

在汽車行業(yè)中，連續(xù)式氣體保護釬焊是一種非常重要且應用十分廣泛的方法，尤其是在汽車散熱器和汽車三濾等零部件的焊接中更是如此。我國自20世紀80年代以來，從國外陸續(xù)引進了各種類型的氣體保護釬焊爐，促進了產品質量及生產效率的提高。自上個世紀90年代以來，我國的科研單位也相繼開發(fā)出了用于鋁制散熱器的氮氣保護釬焊爐及用于其它鋼制及銅制零部件的氮基可控氣氛釬焊爐，促進了我國汽車行業(yè)的發(fā)展，同時為國家節(jié)約了大量外匯。 

2、 國內氣體保護連續(xù)釬焊爐發(fā)展現(xiàn)狀 

目前，我國開發(fā)研制的氣體保 護釬焊爐，大都仿制進口產品。其中用于鋁制散熱器等其它鋁制品的釬焊爐和進口產品幾無二致，這是受Noclock工藝制約的結果，只不過有的使用廠家為減少投資要求開發(fā)單位簡化。如湖北某廠家要求將釬劑噴淋、空氣吹落、工件干燥置于爐外處理。處理好后直接進釬焊爐焊接。即使這樣，我國大多數(shù)用戶對該設備的投資也很難承受。如此一來，我國東北某公司為適應這種要求，開發(fā)出了單室不連續(xù)釬焊爐，其投資大大降低。但相應降低的還有效率和質量的穩(wěn)定性，可以說，這也是沒有辦法的辦法。釬焊鋁制品對控溫精度及加熱區(qū)的均勻性要求很高。開發(fā)這種釬焊爐對國內的研究單位來講，難度還是很大的。為此，國內東北某研究單位采用了和日本某公司合作的方式，但由于其技術和關鍵器件均來自于日本，所以成本下降不多，價格上的優(yōu)勢不大。開發(fā)出性能滿足焊接要求，同時價格上也能為用戶接受的氣體保護釬焊爐，只有在吸收國外先進技術的基礎上，走國產化這條路。目前天津某研究所就是采取了這種方式。 

鋼制零件的硬釬焊爐和進口產品相比，有如下不同： 

（1）進口釬焊爐的保護氣氛大多為石油液化氣。而我國現(xiàn)大部分還采用氨分解氣。實際上在西方發(fā)達國家，保護氣氛基本上采用兩種：a石油液化氣；b氮基氣氛。其中氮基氣氛最有發(fā)展前途?，F(xiàn)在能源危機不僅威脅著我國，也威脅著整個世界。我們知道，空氣中含有78%的氮氣，是取之不盡用之不竭的。現(xiàn)在我國大多數(shù)還采用氨分解氣，主要原因有兩個：一是氨分解氣制備簡單；二是國內對氮基氣氛的宣傳不夠，廣大用戶對此不太了解，影響了推廣。 

（2）國內的保護氣氛發(fā)生裝置大多置于爐外。在爐外產生保護氣通往爐內起保護作用。而我國引進的釬焊爐其保護氣氛發(fā)生裝置大多置于爐內，其優(yōu)點很多，如節(jié)省面積，節(jié)省能耗，簡化操作，從而節(jié)省投資等等，這種方式應大力推廣。 

（3）加熱元件：在參觀和解剖國外進口硬釬焊爐時發(fā)現(xiàn)，其加熱元件大多采用兩種，一是電阻絲，二是管狀加熱器。我國則大多數(shù)采用SiC棒。本文作者多年從事釬焊爐的研究開發(fā)工作，目前正嘗試對加熱元件方式進行大膽改進，以比較其優(yōu)缺點。 

（4）爐膛構造：國外進口成本硬釬焊爐，采用油耐熱及保溫材料砌筑而成的爐膛為多，屬馬費結構。而我國這類爐幾乎無一例采用了耐熱鋼制成的馬費結構。 

另外在傳送結構上，我國的研究單位應下大功夫。目前無論網(wǎng)帶傳送還是舟板傳送，均有明顯的缺點。據(jù)資料介紹，國外研究出了一種陶瓷網(wǎng)帶，它沒有改變傳送方式，仍然方便工人操作；同時又沒有金屬網(wǎng)帶的熱蠕變及晶體長大的憂慮。這種網(wǎng)帶如研制成功，將會大大降低釬焊爐的運行成本。 

總之，我國在氣體保護連續(xù)鋁釬焊爐方面和國外尚有一定差距，而在用于鋼、不銹鋼、銅等材料的硬釬焊爐方面和國外差距不大，研究力度也在不斷加大。20世紀80年代末以前，全國只有一家研究開發(fā)釬焊爐，而到目前為止，據(jù)筆者所掌握的情況，全國已有11家。這對我國汽車零部件制造業(yè)來講，是一個福音。 

3、 連續(xù)式氣體保護釬焊簡介 

3．1保護氣氛 

目前在汽車行業(yè)應用的釬焊爐，其保護氣氛有四種，即氮分解氣氛、石油液化氣燃燒氣氛，高純氮氣及氮基可控氣氛。 

3．1．1 氨分解氣氛 

氨分解氣氛的制備是以液氨為原料,經裂解爐在催化劑的作用下,發(fā)生如下反應： 

2NH3氧化劑—→3H2↑+N2↑ 

裂解后產生的的氣氛中含有75%的氫氣和25%的氮氣。該氣氛由于含有75%的氮氣，其還原性較強，可廣泛用于鋼制零件的銅釬焊、銀釬焊及鎳基釬料的釬焊，如汽車三濾件即空氣濾清器、汽油濾清器、機油濾清器的焊接，汽車化油器、分電器及真空助力器的焊接均采用該保護氣氛。該氣氛有兩大缺點： 

（1） 由于含氫量較高，危險性大； 
（2） 能耗大。 

液氨裂解成保護氣氛，必須在裂解爐內加熱至高溫900℃以上,電耗相當大,而且液氨原料耗量也很大。 

3.1.2石油液化氣燃燒氣氛 

該氣氛的制備原理如下： 
第一步C3H8+5O22+19N2→3CO2+4H2O+19N2+Q1 
第二步C3H8+3CO2+ →6CO+4H-Q22 
C3H8+3HO2+ →3CO+7H-Q2 

兩步反應合并為2 C3H8+3CO2+11.4 N2→6CO+8H2+11.4 N2+Q 

可以看出，式右邊除N2為中性氣體外，其余的CO和H2均為還原氣體，因而丙烷燃燒后的氣體具有保護釬焊作用。 

該保護氣氛用于鋼制零件的銅釬焊和銀釬焊。如汽車三濾件、化油器及真空助力器的焊接，可采用該氣氛。 

大部分釬焊爐是在爐外燃燒產生上述保護氣氛通入爐內，起保護釬焊作用。但我國引進的一些釬焊爐也采用氣體燃燒發(fā)生器置于爐內，當爐溫升至約750℃時，產生上述反應。該方法的特點是節(jié)能，不使用單獨的加熱電源，而且節(jié)省占地面積。這種類型的釬焊爐，以引進為多，國內開發(fā)研制的很少。 

3．1．3 氮基可控氣氛 

所謂氮基可控氣氛是指氣氛中90%以上為氮氣，10%以下為活性氣體，而且兩氣體的比例可調，其中進入爐膛的氮氣純度要達5個9以上。 

瓶裝氮氣或小型的制氮機的氮氣純度一般為99．5%，要使其純度達到99．9995%，必須對其加以純化處理，純化原理如下： 

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

采用甲醇裂解產生的CO、H2和氮氣中的氧反應，除掉氮氣中的氧，從而使氮氣純度達99.9995%,而多余的ＣＯ和Ｈ2(1%～１０％可調)作為活性氣氛進入爐內起到保護釬焊的作用。汽車零部件中的鋼制零件均可采用上述保護氣氛。該氣氛的特點： 

（1） 安全。氣氛中含有90%以上氮氣，還原性氣體僅占10%，其安全性顯而易見。 
（2） 節(jié)能，方便。一般大型工廠有氮氣管道，只要將氮氣接到釬焊爐上的氮氣凈化裝置即可使用。無氮氣管道的，困采用小型制氮機?？諝饨洑怏w壓縮后進入分子篩，經分子篩吸附即可得到氮氣。這種制氮法即PSA法，設備簡單，成本低，推廣前景很好。 

3．1．4 高純氮氣 

瓶裝氮氣或制氧機產生氮氣，如上所述一般純度達99.5%，但在汽車鋁制散熱器、汽車空調蒸發(fā)器、冷凝器、水箱等鋁制產品必須在99.9995%氮氣純度下才可滿足焊接要求，所以也必須對氮氣進行純化處理。它的處理方法和氮基可控氣氛的處理不同，它采用無氫純化處理方法。詳細情況，這里不做敘述。這種氣氛僅用于汽車鋁制品的焊接。 

3．2 加熱元件的種類 

3．2．1 SiC棒 

在鋼制零件焊接所使用的釬焊爐，大都采用SiC棒，因這類零件焊接大都采用無氧銅釬焊，釬焊溫度較高，一般 在1120~1130℃左右，而SiC棒最高使用溫度可達1200℃。采用SiC棒加熱元件保護氣氛，如采用氮氣，爐膛最好采用馬弗套，避免氣體和SiC接觸，因氮氣和SiC在高溫下產生反應，降低其使用壽命。 

3．2．2 Ni—Cr絲 

在國外進口的釬焊爐中，廣泛使用Ni—Cr絲，但保護氣氛一般采用丙烷燃燒氣氛且保護氣氛發(fā)生裝置大都為內置式，因燃燒反應是放熱反應，即可節(jié)省能量又可減少Ni—Cr絲的負擔，也可以用于鋼制零件的銅釬焊。 

3．2．3 Fe—Cr—AL絲 

這種加熱元件是我國近年來研制成功的，它的使用溫度高且成本低，應用前景很好，但同SiC棒一樣，在爐膛設計時，如采用的氣氛為氮氣，爐膛應為馬弗結構，以避免爐絲和氮氣接觸，降低其使用壽命。 

3.3 爐加熱區(qū)結構 

爐加熱區(qū)結構有兩種： 

（1） 由耐熱及保溫材料砌筑而成的爐膛內置馬弗套，馬弗套由耐熱合金鋼經成型焊接而成。這種結構由于密封性好，故節(jié)省保護氣。但也有一個缺點，在鋼制零件的銅釬焊時，其釬焊溫度在1120~1130℃左右，馬弗套長期在高溫下工作，產生熱蠕變，最終導致燒塌。以汽車三濾件的焊接為例，根據(jù)工廠使用的實際情況，一年內要更換兩個2600mm×240 mm×190 mm的馬弗套。造價2.6萬元。年用于馬弗套的費用為5.2萬元，運行成本太高。工廠對此很頭痛。當然，鋁制產品的焊接，由于焊接溫度低，不會有這方面的麻煩。 

（2） 爐膛完全由耐熱及保溫材料砌筑而成，無馬弗套。這種結構的優(yōu)點是，由于無馬弗套，其爐膛使用壽命長，根據(jù)工廠經驗，5年或更長時間內，爐膛不必大修。國內某研究所研制的一種釬焊爐，即為該類型。 

3．4 傳送機構 

對于連續(xù)式釬焊爐，傳送方式有兩種： 

（1） 網(wǎng)帶傳送機構 

該機構由變頻調速器、電機、行星擺線減速器驅動主動輪、導向輪托輥及張緊裝置來完成網(wǎng)帶的定向運動。傳送速度一般在100~500mm/min之間可調,它具有結構緊湊,傳送平衡、可靠等特點。工人操作簡便，自動化程度高。缺點是，在鋼制零件的銅釬焊時，網(wǎng)帶在高溫下工作，產生熱蠕變，網(wǎng)帶越拉越長，要不斷調整張機構，張緊裝置調整量不足時，要剪切鏈條，最終導致失效。而且，由耐熱鋼制成的鏈條高溫加熱后，晶粒粗大變脆、易斷，剪接困難。 
但對于鋁制產品的焊接，由于焊接溫度低，不產生此麻煩。 

（2） 推舟機構 

這種機構的進料口開在爐的側面，將擺放工件的舟板從側口推入爐內，爐體長度方向上有一氣缸，將舟板向前推進后，缸桿退回，再續(xù)另一個舟板，如此復一舟推一舟，工件從進料區(qū)進入釬焊區(qū)、冷卻區(qū)直至出爐口。它和網(wǎng)帶結構均連續(xù)傳送，只不過網(wǎng)帶勻速傳送，推舟為步進式傳送。它的優(yōu)點是傳送結構簡單，一個氣缸即可，無網(wǎng)帶高溫蠕變之慮。舟板一般為石墨制成，價格便宜，不足之處是工人裝卸工件略顯麻煩。 

4、 連續(xù)式氣體保護釬焊爐的應用 

由于連續(xù)式氣體保護釬焊爐類型較多，所焊工件品種也較多，不能一一列舉，現(xiàn)以汽車鋁制散熱器的焊接為例，介紹這種釬焊爐及其產品的焊接。 
這種釬焊爐總長一般均在20~30m以上，一般由以下幾個部區(qū)組成： 

（1） 噴淋釬劑區(qū) 

工件擺放在傳送帶上，傳送帶以一定的速度勻速傳動，工件進入噴淋釬劑區(qū)時，門架上一個噴頭以一定的角度向下噴混合好的釬劑水混合液。釬劑一般采用Noclok無腐蝕釬劑。釬劑濃度在5%～25%范圍內，液體釬劑在毛細作用下滲入釬焊縫隙，多余的的釬劑在重力作用下從工件非連接面上脫落。 

（2）空氣吹落區(qū) 

工件隨網(wǎng)帶運動進入該區(qū)。由于工件上的多余釬劑僅靠重力脫落有限。在該區(qū)用風機向工件上吹風，以使多余的釬劑吹落掉。這兩區(qū)吹落的釬劑落入接水槽中經泵抽至釬劑儲罐。循環(huán)使用。 

（3）干燥區(qū) 

該區(qū)的作用是清除釬劑中的水分及工件表面吸附的空氣水分，防止工件攜帶空氣水分有害氣體直接進入釬焊爐高溫區(qū)，導致金屬表面氧化。同時，工件及夾具因受熱不均發(fā)生變形。干燥區(qū)溫度一般≤110℃。 

（4）加熱區(qū) 

典型的釬焊爐加熱區(qū)長度一般為7～8m左右，分4個控溫段。每個控溫段加熱元件熱功率獨立可調，可靈活的設置各控溫段的溫度，保證工件在最短的時間內均勻地升至釬焊溫度。工作升至最高溫度后有一段非加熱區(qū)，其長度約為1～1.2m。整個釬焊加熱區(qū)設置10個測溫點，監(jiān)測爐溫的變化。各控溫段溫度，工作傳送速度等焊接參數(shù)設定、測量、反饋控制以及生產程序，采用CPU計算機及PLC實現(xiàn)。 

加熱區(qū)各段溫度及作用如下： 

工件自干燥區(qū)進入加熱區(qū)后，工作溫度由110℃升至約565℃，此時工件進入加熱階段。工件繼續(xù)傳送至溫度為565~570℃的區(qū)域，釬劑熔融，除去A1表面氧化物。當工件進入577~605℃區(qū)域時，釬料熔融，焊接面形成焊縫，此后進入加熱區(qū)的非加熱段緩冷。加熱區(qū)的最高溫度一般設計為800℃。 

（5）冷卻區(qū) 

工件自加熱區(qū)出來后，進入冷卻區(qū)。工件在此區(qū)冷卻，焊縫固化，釬劑也固化并留在部件表面。 

冷卻區(qū)分為水冷壁冷卻、氣冷及空冷。水冷壁冷卻區(qū)長度為3~4m，調節(jié)水流量，可調節(jié)工件降溫溫度梯度。氣冷段一般和釬焊加熱爐分離，鼓風機吹入壓縮空氣，冷卻工件，氣冷后接空冷，出爐溫度一般小于150℃ 

鋁制散熱器的焊接，采用Noclok釬劑必須采取高純氮氣保護，氮氣的純度為99.9995%，露點為-40℃。保護氣體的用量爐尺寸1000mm×1000mm×150×27000mm為例，其在生產狀態(tài)下為50m3/h,空載時小于20m3/h. 
釬焊工藝幾點說明： 

（1） 工件噴灑釬劑前，要通過清洗步驟，去除殘余的油污。 
（2） 在干燥區(qū)，干燥溫度不可過高。一般在200℃以下。如超過250℃。鋁表面會形成高溫氧化物，這些氧化物很難被Noclok釬劑去除。 
（3） 氮氣在爐內最關鍵的釬焊段流入而流向爐的入口和出口處。以此防止爐外雜質氣體的侵入。當部件進入關鍵的釬焊段時，爐內保護氣氛已形成。其露點≤—40℃而O2濃度<100×10-6這些是獲得最佳釬焊效果所必須的條件。 
（4） 在300—560℃范圍內，微量的KALF4蒸發(fā)與所存在的濕氣反應生成微量的HF。因此必須嚴格控制露點，不僅是提供釬焊氣氛，而且是盡量減少HF的生成。 
（5） 冷卻后，釬劑殘渣留于部件表面，形成厚度為1—2μm的粘膜。釬劑殘留層不吸濕，無腐蝕性，不溶于水性溶劑。如需噴漆或轉化為噴粉，則不需進一步表面處理。殘余物是加在防腐的保護層，殘余物薄層在熱交換過程中不會出現(xiàn)碎裂。 

5．結論 

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，氣體保護連續(xù)釬焊爐的應用愈來愈廣泛，而它的應用對提高產品質量及生產效率具有極大的促進作用。 

我國的科研單位應大力開發(fā)和研制各種類型的釬焊爐，以適應經濟發(fā)展的需要。同時，我國的工礦企業(yè)應盡量采用我國自行研制的釬焊設備，以降低生產成本，提高效益，同時為國家節(jié)省外匯?？傊?，連續(xù)式氣體保護釬焊爐的大量應用，必將促進企業(yè)的科技進步，提高勞動生產率，其前景十分廣闊。 
(end)
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