铝钎焊的过去、现在和将来

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1、8铝钎焊的过去、现在和将来RalphAWoods博士萨帕技术中心顾问汽车上广泛使用的热交换器（包括汽车空调冷凝器、蒸发器、水箱散热器、油冷却器等部件）的发展经历了三个阶段。20世纪70年代以前汽车使用的大多为铜制热交换器；20世纪70年代开始出现铝制热交换器。铝质热交换器较之传统的全铜热交换器有热交换效率高，重量轻，节约成本，降低汽车油耗等特点，是20世纪末期汽车工业轻金属化的杰出典范。第一代全铝热交换器为蛇形管结构，利用液压方法将铝管材机械胀管与散热片装配而成。热交换器内部使用氟里昂作制冷剂。1970年由法国的Sofic公司首先研制成功并投入批量生产。与铜制热交换器相比，铝制热交换器的自重轻

2、3545%。1978年Alcan公司发明了NOCOLOK无腐蚀钎剂焊接工艺。随后日本古河铝业公司成功开发了高精度、高性能的铝合金钎焊散热片，成为第二代全铝热交换器？布焊管带式热交换器生产的先驱。20世纪90年代末期，随环保要求的日渐增高，全铝热交换器又向环保型发展。与前面产品相比，最新一代全铝热交换器属环保型产品，它使用无氟制冷剂。为保持热交换效率不下降，新型全铝热交换器被设计成平行流式结构，以保证高的热交换效率。1介绍因个人需要而使用汽车在很多地方已经成为日常生活的一部分。然而，世界范围内汽车使用的巨大增长已经引发了一系列的新问题。这一系列问题中，汽车发动机污染对环境的影响相当重要。因此，通

3、过减轻车重和降低燃油消耗，人们一直在探索提高性能的改进措施。止匕外，随着在车上度过的时间越来越长，人们也希望车内环境尽可能舒适。为了适应这一要求，尤其是在那些环境温度和/或湿度高的地方，空调日益为人们所求。因此，围绕着汽车发动机热交换器和空气调节部件，已经出现了大规模工业生产。由于热交换器的生产处于空调领域的核心部分，空调热交换器的开发因而常常与发动机冷却部件的开发并行进行。幸运的是，铝具有许多适合用于热交换器的理想特点。它具有很高的热传导率，蕴藏丰富，抗腐蚀，可回收，易于接合。在重量节省方面，铝也优于铜，最终表现为低油耗、低空气污染和低成本，铝部件在可靠性方面已经显示出其清晰的优势。2蒸发器

4、最初大多数汽车冷却系统中使用的热交换器都是用铜/黄铜制作的。最早用铝制作的热交换部件是蒸发器。20世纪50年代和60年代初，铝蒸发器采用的是盐池浸焊。拔管和冲压带筋板的基本设计与今天相比几无二致。只要结合部位填充良好，钎焊结果一般就会不错，因为熔盐去除了材料表面的氧化层从而使熔化的钎料金属得以流动并润湿开。但主要的问题是如何去除蒸发器内部残留的浴盐。残盐必须有效去除，否则潮湿状态下氯盐对铝具有强烈的腐蚀性。这使得有效的清洗成为必要工序，而清洗的本身又因污水不易处理而带来一个新的问题；第二个问题是使用过的浴盐。第三个问题是，为了防止外部腐蚀，必须对蒸发器进行铭化处理，而铭化残留物也需要处理。上述

5、工艺沿用了很多年，但在20世纪70年代，成本更为便宜的真空钎焊技术开始被开发了出来。其秘诀是在钎料层金属中加入了适量的镁。这一工艺更为清洁，钎焊过程中没有废弃物产生，但是在可焊性方面对焊前部件表面的清洁度更为敏感，因此必须采用有效的除油系统，并且为处理除油剂带来的空气污染及其他不利的环境影响付出一定代价。部件间焊料填充也变得更为紧要。除了维修成本以外，更为复杂的炉子结构和气泵系统带来的资金成本似乎也较高。钎焊过程中通过镁的蒸发去除炉内残余氧气和破除表面氧化皮是这一技术成功至关重要的因素。因此，钎料合金通常作了一些改进，含有最高达1.5%的镁。钎焊过程中，蒸发的镁将在炉壁冷却部件上冷凝下来，最终

6、带来炉门密封等问题，随之而来的是代价高昂的停炉和清洁操作。真空钎焊依旧广泛用于蒸发器生产。气体保护钎焊（CAB）最近才开始采用，因此，钎焊工艺从以前的钎剂钎焊到真空钎焊又重新回到了钎剂钎焊。但是气体保护钎焊工艺非常困难，因为这一工艺中表面氧化皮的处理实际上是通过钎剂溶解，物理去除而不仅仅是撑破的。这使得钎焊过程效率特别高。最初，钎剂成本非常高，这也在某种程度上稍微进一步延缓了这一工艺相当慢的推广。此外在钎剂化学方面也存在一些自身的合金化限制，正如各位在本次和其他演讲中将要听到的，这些问题正在解决之中。非常成功的长寿命水箱合金技术，也正是后面我要探讨的，已经很难扩大范围应用到蒸发器上。这主要是因

7、为从加工性能上说蒸发器管片冲压加工要求材料状态为。态（退火态）。冲压部件上的加工或变形量从某些地方不存在变形到其他某些地方接近20%拉伸量不等。这种冷加工变形量导致冲压后的板材在钎焊过程中产生局部回复和再结晶差异。因此，加工板上的某些区域，尤其是深冲凸肩部位，材料晶粒结构被弱化且容易形成腐蚀，因而用于蒸发器的长寿命合金依然在努力研究开发之中。这种需求的原因，在于蒸发器工作于腐蚀性的工作环境。蒸发器在工作过程中大多数时间因水汽的冷凝而处于润湿状态，而这种水汽又因吸收公路大气中的气体而呈相当的酸性。除非采取改进措施，否则尽管如前所述，表面保护性涂层还将在很大范围内继续下去，法规的限制使得这种铭化涂

8、层的使用正显著减少。3铝水箱这一部件出现的时间较蒸发器晚。随着真空钎焊工艺成为蒸发器钎焊的成熟工艺，作为成本高昂的铜/黄铜系统的替代，人们开始了铝水箱设计的开发。由于1970年代后期的石油危机，这一过渡获得了最快的推进。高企的能源价格，特别是在美国，使人们付出巨大的努力减轻汽车重量以便提高单位汽油行驶里程数。从铜/黄铜换成铝使得水箱重量减轻几公斤，同时通过原材料成本下降而降低了单位造价。然而最初的真空钎焊水箱被证实易于受到外部腐蚀，尤其是在那些海洋性环境以及为了防止道路结冰而需要使用除冰剂的雪带地区。即便使用铭化保护性涂层，这依然还是一个问题。现场检索表明，在不到两年的使用期内，内部粒状腐蚀可

9、以使水箱扁管发生完全穿孔。幸运的是，腐蚀产物大量产生，由于腐蚀产物的阻塞，使水箱使用中的失效相对较少发生。即便如此，有些事情显然还是必须开展以便提高产品的适用性。方案试过很多种，尤其是在美国和日本（在欧洲，车上使用较小的引擎，这意味着能使用效率相对较低的机械组装式水箱，腐蚀对钎焊工艺不太敏感)。早期提高外部抗腐蚀能力的努力主要集中在调整合金成分和使用牺牲性的翅片上。第二种努力不太成功，因为锌元素不能用于真空钎焊。当冷却剂老化、等级降低或稀释之后，内部抗腐蚀性也成了一个问题，但这种失效只是偶尔而不是普遍发生的。冷却剂化学成分的逐步改进和管内保护层的采用从根本上解决了这个问题。已经逐步为人们所接受

10、的保护概念，是把预先准备好的如同钎料金属的牺牲性内层，在加工过程中通过轧制结合到热交换器板材芯层上。已经有多种合金用于提供这种保护。锌元素通常是首选，但是如前所述，由于其挥发性，锌在真空钎焊工艺中是限制使用的。锡和铟是已经尝试过的其他合金元素。结合冷却剂化学的改进，这种措施通过电化学腐蚀的方法使水箱的失效事故降低到了最小程度。偶尔也可以看到侵蚀腐蚀的例子，尽管这种情况更多取决于冷却剂流动模式、水箱中的流体速度梯度以及冷却剂质量和条件。因此，80年代早期最迫切的需要是有效地开发一种能够野外实地使用至少10年的铝水箱。很明显，需要一种加速试验以利于合金的快速开发，SWAAT试验被发现能够很好地模拟

11、实际使用中钎焊件上形成的腐蚀形貌。因此这种测试很快成为西方合金开发和质量控制测试时的标准测试。在本次研讨会的后面部分，您也可以听到这一测试的情况。在日本，尽管会有铜从溶液中在铝部件上严重沉淀下来，CASS测试还是更为广泛地采用。这创造了一种显然在实际使用中不会出现的腐蚀环境，尽管实际使用中的内部粒状腐蚀通过这种环境同样可以清楚地模拟出来。因此，能够延长腐蚀寿命的合金在太平洋两岸都被开发了出来。在日本，神户制钢所的合金HE45也许是其中的佼佼者。在美国，共开发了两套体系。其一是雷诺兹金属(ReynoldsMetals)利用钛元素在钎焊板芯层中的层片效应(layeringeffect)开发的。其次

12、是恺撒铝(KaiserAluminum)开发的一种技术，钎焊过程中在芯层材料的浅表形成一层牺牲层。通过在焊后板材表面形成一层薄的富沉积物带，使得几乎所有表面侵蚀都被限制在此沉淀带内，第二种方法被证明对消除内部粒状腐蚀非常有效。这种内在的腐蚀保护在水箱上如此有效，以至于在过去15年以来，这种原因引起的失效率几乎可以忽略。由于这类合金出色的抗腐蚀能力，造成成本和环境问题的铬化涂层再也无需使用了。此外，传统的AA3003、AA3005钎焊板上使用的钎料金属也获得了改进。适用于气体保护钎焊的合金变体也同时开发了出来并且已经取代真空钎焊成为首选钎焊工艺。但是气体保护钎焊中Mg含量最高0.25%左右的限制

13、使获得满意的焊后强度的要求面临挑战。铝水箱的腐蚀防护技术目前获得了充分的掌握，后面我们将会较多听到的一个例子是萨帕代号为3005LL的长寿命合金。合金的改进并未停止，而萨帕也在开发新的合金以提供更好的抗腐蚀性能和更高的焊后强度。这些性能的改进，一方面是为了满足更高的疲劳强度的要求，另一方面也是出于弥补因不断减薄管材厚度而造成的部件强度下降的需要。4暖风机芯体尽管速度很慢，暖风机材料从铜/黄铜向铝的过渡还是实实在在的。较小的整体尺寸意味着减轻重量的潜力较小。由于暖风机部件在安装位置上受到保护，外部抗腐蚀的要求在此并不特别强烈，但是长寿命合金如萨帕的3005LL因其在水箱扁管上的普遍使用和优异的可

14、钎焊性而得到广泛应用。内部抗腐蚀性同样重要，因此用于水箱的触水侧覆层通常同样适用于暖风机。5冷凝器冷凝器的设计在过去20年里发生了相当大的变化。铝在很长时间里都是冷凝器材料的一种选择，但很多年来都是用于加工成挤压管，经机械扩孔以便能与翅片和头板“结合”良好。封闭管路是由U型弯管通过软钎焊连接直管管端形成的。最近，随着薄壁多孔挤压技术的开发，其他设计形式的冷凝器和更为高效的生产方法变得可行。采用双面复合材料如萨帕的FA6815的冷凝器气体保护钎焊现在已经相当普遍。由于位置处于引擎罩下、水箱之前，直接暴露在腐蚀性媒介之中，这些部件的抗腐蚀性相当重要。但合金化学方面的改进使光挤压管在今天经常得到使用

15、，因而翅片中往往添加了最高1.5%的Zn以便使翅片相对挤压管形成保护。挤压管本身也可能预喷锌，以形成阴极保护。不幸的是，钎焊过程中熔融状态的钎料熔体不但从翅片芯层，而且也从挤压管表面涂层中通过扩散和分解吸收锌。锌的吸收如此之多，以致翅片和挤压管之间的焊角内可能聚集的锌含量最高，使得接头处在整个体系中最为活泼而发生集中腐蚀，从而使管翅分离，同时造成热传导能力的下降。6中冷器随着涡轮增压技术，尤其是在大型车上的市场增长，采用气体保护钎焊的中冷器市场已经发展了起来。中冷器工作温度高，因此要求铝合金的高强度在高温下能够保持下来。这一性质并非铝的特质，所以为适应这一要求而寻找更高强度合金的开发工作依然在

16、努力进行之中。7油冷器主要用于大功率发动机的油冷器以很多不同的设计形式出现。最初始由铜/黄铜、铜锲或不锈钢制成，但如今大多数是使用铝钎焊而成。按照不同的系统设计，他们可以是水冷的一一通常内置于水箱中，或空冷的。目前真空钎焊和气体保护钎焊工艺都有采用但可能会逐步向气体保护钎焊过渡。此类热交换器的失效或泄漏造成的后果可能是灾难性的，变速箱可能因此而遭到破坏。所以长寿命合金常常和标准合金一样使用。从美国市场趋势看，似乎在朝采用挤压管的联合油冷器/冷凝器(combinedoilcooler/condenser)设计发展。在欧洲，似乎结合发动机冷却系统的叠板式设计将会成为主流。8未来趋势如各位所见，过去

17、30年左右是铝钎焊工业激动人心的时期。尽管如此，还有很多挑战存在，部分挑战如下文所述。8.1 更高强度随着气体保护钎焊成为主流，材料强度更高的要求至关重要。这一要求的原动力是通过材料减薄节省成本。减薄水箱扁管厚度的努力仍在继续。目前为止最为大胆的一步可能是已经发布的一种技术规格，要求管材厚度减薄到仅仅0.18mm。实现这一要求需要创造性的方法。以CsF添加剂改进气体保护钎焊钎剂的成分，以便使气体保护钎焊工艺能够容许材料含有更高含量的镁，将使这种努力朝着目标更进一步。代价当然是增加了这种新型钎剂的成本。开发可热处理合金，使合金在离开钎焊炉时获得淬火，也将为提高材料强度提供新的可能途径。这类600

18、0系合金的合金化学已经得到很好的开发并已为航空工业所掌握。不过这其中的挑战是如何使材料在离开现代气体保护钎焊炉时适应其较慢的冷却(淬火)条件。冶金专家和钎焊炉制造商需要共同携手开发出令人满意的程序。8.2 钎剂敷用钎剂敷用的备选方法正在研究之中，目前的喷涂和浸渍方式还不尽如人意。采用辊涂工艺在板材表面预敷钎剂的技术正在开发之中，试验机已经完成调试。据报道，早先由热交换器制造商完成的此类产品的评估结果令人鼓舞。这种在卷板上预敷钎剂的革新给热交换器制造商带来诸多好处，但这种钎剂预敷卷材的生产留给板材生产厂家的挑战还是实实在在的。另外一种具有革新意义的方法是被提议的氟硅酸钾钎剂(potassiumf

19、luorosilicatefluxes)，这种钎剂可能不含传统气体保护钎焊所用的钎剂，或者只是少量含有。这种钎剂的很大的好处是，Si是从钎剂本身中提供的，熔化的时候在铝合金表面原位形成钎料金属。这种工艺目前尚处于研发的非常早期的阶段，现在预测其将会如何成功还为时尚早。如果商业化开发成功，那么，复合钎料板将不再需要或者需求大量减少，传统的钎焊复合板将为光板所取代，这种光板只是简单的商业产品。对客户而言可以节省可观的成本，但这对专业生产商如萨帕而言并不是什么令人高兴的场面。8.3 设计上的变化除了工艺之外，设计上也在发生一些变化。塑料水室在水箱和暖风机芯体上广泛使用，但很长时间以来一直是一些问题的

20、根源。塑料本身的裂纹或水室与水箱主板结合处的压合或密封经常造成泄漏。如果能使用拉拔的铝水室与水室焊接起来，同时消除密封和压合造成的问题，那么就能生产出既经久耐用又价格便宜的产品。这种想法在过去多年来已经得到了几次的尝试，现在随着适用性更广的气体保护钎焊工艺的应用，应该更易于获得成功。最近的另外一种革新是折弯管（B型管，foldedB-Tubes）。这使得单排水箱扁管可以做得更宽，可以用单排管取代水箱的双排管设计。这种扁管无需感应焊接和管内加强以防止塌陷。安装和制造过程中，扁管中央的折弯可以为扁管提供刚性支持。这种扁管的钎焊并未被证实如起先想象的那么简单，有关完善此工艺的研发正在继续。这种折弯管

21、也许同样可用于冷凝器。8.4 制冷剂在汽车空调系统中禁止氟利昂作为制冷剂的要求一一主要是出于环境的原因一一使几种备选制冷剂进入人们的考虑之中。也许替代物的领先者是CO2,样机系统已经完成并经过测试。但是这种系统运行于比R134a系统高得多的压力之下，这要求要么使用更厚的材料（从成本和重量的角度说并不让人满意），要么使用强度更高的材料。据报道，作为传统3000系合金的替代者，早先的一些工作中人们已经对可时效强化的6000系和7000系合金进行了评估，这些合金被加工成微多孔挤压管（micromulti-port）。这些挤压管的工作压力最高达16MPa,工作温度最高达180C。8.5 一体式冷凝器/

22、水箱（UCR）另一种革新是既节省成本又节省空间的组合式或一体式冷凝器/水箱。这种想法的实施已经跨越了样机阶段，2002年2月已经在欧洲开始生产。到2004年，按照规划一条生产线每天可以生产6000台。由于省去了支撑托架和管板，重量也可能减少；部件上没有密封，铝制冷却剂容器也较小；没有塑料容腔，使得循环效率更高。为了使钎焊效率最高，两种热交换器共用唯一的一层翅片。这其中的挑战在于，传统上水箱使用非复合翅片和复合管，而冷凝器正好相反。这可能为使用上面提到的折弯复合冷凝管或在挤压管上使用氟硅酸钾钎剂提供了一个很好的机会9总结总之，过去40年来，铝钎焊产品的增长急剧膨胀。按照目前的钎焊技术，结合定价和铝制热交换器的表现，不大可能出现选材重新回到铜/黄铜的现象。尼龙水箱的样品已经面世但似乎将来威胁不大。即便如此，在不牺牲性能的前提下，对创新设计工程师和铝冶金专家而言，降低成本的挑战和机会同时并存。事实上，随着新的空调系统制冷剂的应用、部件尺寸减薄、成本与重量节省的努力在持续付出，性能提高的要求将会不断提出。就未来增长而言，北美已经是100%过渡到了铝的成熟市场；在欧洲，随着越来越多的汽车装备空调，欧洲市场在稳步增长；但是，最大的增长似乎是来自那些汽车使用和生产都在增长的地区，显然，中国是一个最好的例证。