新型环保药皮钎料环的研制及应用

2017-05-11吕登峰陈宝玉钟素娟黄俊兰

焊接 2017年4期

关键词：焊剂钎料粘结剂

吕登峰陈宝玉钟素娟董显黄俊兰

(1.郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001； 2.美的集团股份有限公司，广东佛山 528000)

新型环保药皮钎料环的研制及应用

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(1.郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001； 2.美的集团股份有限公司，广东佛山 528000)

简述了药皮钎料环研制的背景及意义，详细介绍了药皮成分选定原则和药皮制造技术，对比了药皮钎料环和实心钎焊焊条在节约环保、生产自动化等方面的优势，并阐述了其应用领域。研究结果表明：环保型药皮钎料环实现了钎料和钎剂定量、高效的添加，且不含有机粘结剂，有效减少了焊剂的使用量，节约环保；药皮钎料环在提高生产效率、保证产品钎焊质量、减少环境污染等方面发挥重要作用，这使得药皮钎料环有非常广阔的应用前景。

药皮焊环钎料环复合钎料钎焊

0 序言

目前，空调、冰箱管路的钎焊大多采用丝或条状钎料手工火焰钎焊的方式，钎焊时钎料蘸取钎剂使用或预先将钎剂涂覆在工件上，增加了一次焊前工序和操作时间，并在钎焊工艺中增加一个变量，影响焊接的一致性和质量稳定性。此种钎焊工艺生产效率低,难以实现自动化,不易准确控制钎料和钎剂用量，且接头质量多依赖于操作员的水平，钎缝易产生焊堵、泄漏等缺欠，随之而来的是返工、返修甚至报废，造成钎料和原材料的浪费，增加制造成本。此外，为确保焊接质量不得不过量添加钎剂。大量钎剂在发挥作用之前已挥发，不仅污染了空气，对操作人员健康非常不利，同时造成钎剂浪费，且焊后容易有较多的钎剂残留。由于钎剂常具有较强的腐蚀性，残留钎剂必须以大量水或有机溶剂清洗，造成水资源污染，而未能彻底清除的钎剂往往成为钎焊接头发生腐蚀破坏的根源之一[1]。

随着中国制造2025进程的推进，装备制造业的轻量化、环保化、高效化成为中国制造业发展的趋势之一，焊接自动化水平也在不断提高，因此钎焊工艺对钎焊材料的要求也越来越高，绿色、环保、高效焊接成为钎料的发展趋势，钎料/钎剂复合钎料成为钎焊材料的重点发展方向之一。目前市场上出现了一系列复合钎料产品，如膏状钎料、粘带钎料、粉末压制烧结成型钎料、药芯钎料、表面涂覆钎剂型钎料(药皮钎料)等。膏状钎料和粘带钎料是在粉状钎料中加入一定量的粘结剂、增韧剂等制备出的膏状或粘带状的钎料。粉末压制烧结成型钎料是将粉状钎料与钎剂混合均匀后，再经压制烧结成特定形状的钎料，这三种钎料的原材料均为粉状钎料，优点是钎料的加工性能不受其成分的制约，主要缺点为产品质量较难控制，国内高端产品主要依赖进口，不具备大面积取代现有钎料体系的前景[2]。

随着对生产环境及成本控制等要求的提高，部分技术创新型企业率先提出建设互联工厂的概念，企业需求的钎料逐渐由传统实心条状钎料变为钎料钎剂复合型钎料，应用比较广泛的钎料钎剂复合型钎料主要有药皮钎料和药芯钎料两种；然而，药芯钎料严重受其成分的制约，很多成分成型技术难度较大，存在深加工性能差的缺陷，大大限制了其发展和应用，药皮钎料在这种产业升级需求下应运而生。为了控制钎料的使用量并产生质量稳定的接头，预成型钎料应用越来越多(预成型钎料是依据焊缝形态定制而成具有一定形态的钎料，最常见的形态是环状)。

1 药皮成分的选定

目前，市场只有药皮钎焊焊条，药皮钎焊焊条一般是在条状钎料表面压涂上由钎剂、粘结剂、增塑剂等组成的药皮层。传统钎剂的主要成分为硼酸盐、氟化物、无机酸、氟铝酸盐、氯化物等，焊后残留钎剂易腐蚀接头，降低钎焊接头的可靠性，焊后需使用溶剂或水进行清洗，造成水资源浪费和环境污染，出于环保要求，无腐蚀性钎剂成为发展趋势。然而，目前使用的无腐蚀性钎剂大多活性较差。粘结剂是药皮钎料研制中主要的技术难点,采用的粘结剂必须具有以下特点：①保持钎剂在常温及钎焊温度下去膜和保护作用稳定不变；②燃烧后碳残留较少；③具有良好的粘接强度；④常温下固化且具有良好的防潮性，便于储存和运输；⑤具有良好的塑韧性。粘结剂主要有两种：有机粘结剂和无机粘结剂。目前，药皮焊条中常用的粘结剂大多是有机粘结剂，中国专利CN101190479 A公开了一种带有焊剂药皮层的紫铜钨极氩弧焊用焊丝，是采用丙烯酸树脂粘结剂粘接焊剂，然后将焊剂压涂到焊丝上[6]；文献[7]也介绍了丝状黄铜钎料表面压涂一层药皮，药皮是通过有机粘结剂将焊剂粘结在一起。常用的有机粘结剂燃烧不仅污染环境，还损害操作员的身体健康[8]。工业上应用最多的无机粘结剂是硅酸盐，但其熔点较高，钎焊时易产生阻流作用，因此不适用于制备药皮钎料。

郑州机械研究所自2009年在上海举行的北京埃森焊接展览会上出现药皮钎焊焊条以来，关注并追踪该技术，特别是在部分技术创新型企业提出技术应用需求以来，迅速组织技术人员制定相应的技术方案，开发出两种不含有机粘结剂的药皮层：①配制药皮溶液为钎剂的饱和溶液(或过饱和溶液)，当饱和溶液变为过饱和溶液时，钎剂溶液会发生结晶，相邻晶核联结在一起，晶体交互生长最后形成具有有一定强度、硬度的药皮，与钎料牢固的结合在一起[9]；②通过无机易熔粘结剂将钎剂粘接到钎料表面上[10]，无机粘结剂由硼酸盐、磷酸盐、铝酸盐、硼酐(或硼酸)、氟硼酸盐、无机氟化物中的一种或两种以上组成。

郑州机械研究所开发出的新型环保药皮钎料环，药皮层不含有机粘结剂，大大减轻了粘结剂燃烧对环境的污染，保证了操作员的身体健康。

2 药皮钎料环的制造

药皮钎料环的制造工艺流程如图1所示，其中药皮涂覆是药皮钎料环制造中最关键的技术。

图1 药皮钎料环的制造工艺流程

目前，药皮钎料环常用的涂覆技术有以下几种[11]：浸涂、转鼓涂覆法、空气喷涂法、高压无气喷涂法、熔融附着法。

2.1 浸涂法

浸涂法是将钎料浸入药皮膏中，提起后去除多余药皮膏的涂覆方法。

2.2 转鼓涂覆法

转鼓涂覆法将钎料环和药皮膏置于密闭的鼓形容器中，利用转鼓旋转翻滚技术将雾化后的药皮均匀地涂覆在钎料环表面的方法。转鼓内包括从至少一个喷嘴中喷射焊剂，涂覆焊剂按照一定时间周期进行循环，每个涂覆周期药皮的厚度增加2%～4%，直到形成一定厚度的药皮涂层[12]。

2.3 空气喷涂法

空气喷涂法是用压缩空气气流使药皮膏雾化，并使其在气流带动下涂覆到钎料表面。

2.4 高压无气喷涂法

高压无气喷涂法是用密闭容器内的高压泵输送药皮膏，药皮膏高速从小孔喷出，随着冲击空气和高压的急剧下降，药皮膏内溶剂急剧挥发，体积骤然膨胀面分散雾化，然后高速地涂覆在钎料上。涂覆效率高，获得药皮层厚而致密。与空气喷涂法相比，高压无气喷涂法具有药皮膏利用率高、涂覆效率高、一次喷涂药皮层厚度大等优点。

郑州机械研究所采用高压无气喷涂法，研制出性能优于国外同类产品且具有价格优势的新型环保药皮钎料环(图2)已通过海尔等十几家企业生产验证，并进行产业化推广。

图2 药皮钎料环

2.5 熔融附着法

熔融附着法是将粉状钎剂均匀混合后加热熔化，熔化后的钎剂有很高的粘附力，可以附着在钎料上作为药皮。

目前，高品质药皮钎料环比较成熟的生产工艺主要有转鼓涂覆法和高压无气喷涂法两种。转鼓涂覆法需专用设备，成本较高；高压无气喷涂法所用设备在现有设备基础上改造，成本较低，适用性强，应用前景广阔。

3 药皮钎料环的应用

药皮钎料环采用细丝或薄窄带钎料绕制成环状钎料，能够增大钎料环与待焊工件的接触面积，从而保证在相同温度下加快热量传导速度，进而加快钎料熔化的速度，缩短钎料的熔化时间，避免待焊工件产生过热或过烧的隐患。药皮钎料环与传统的实心钎料相比，具有以下优点：实现了钎剂方便、快捷、定量、高效的预加入，钎焊时减少添加钎剂的工序且有效降低了焊剂的使用量，节约环保，配合高频感应加热，图3为药皮银钎料环配合高频感应钎焊钢-铜管路效果图，焊接效率大大提高，且接头质量不再依赖操作员的水平，保证焊接的一致性和质量稳定性。图4和图5分别为药皮钎料环和实心钎料钎焊邦迪管宏观、微观对比图，从图中可以看出，药皮钎料环钎焊接头质量优良，无焊渣和焊瘤等缺欠产生。

图3 药皮银钎料环钎焊钢-铜管路效果

图4 药皮钎料环和实心钎料钎焊邦迪管宏观对比图

图5 药皮钎料环和实心钎料钎焊邦迪管微观对比图

感应钎焊是众多钎焊方法中的一种，它不是通过热辐射来加热金属，而是利用电磁感应原理使金属自身产生热量。这种加热方法的能量利用率高并且加热迅速，且仅使用电能，具有低能耗、低污染、无明火、低危害等优点。随着高频感应焊机的发展，感应钎焊工艺在管路连接中的应用得到了突飞猛进的发展。感应钎焊操作简便、加热相对均匀、降低劳动强度和能耗、经济性好(表1)，不需要加热整个部件，允许快速局部加热，以最小的强度损失连接高强度的元件。

药皮钎料环属于预成型复合钎料，在钎焊过程中，易于实现自动化装配，配合感应或炉中加热，可实现定量供给钎料，以及高效自动化钎焊，得到的接头质量统一；钎料尺寸与钎缝的吻合，钎料在润湿铺展过程中流损少，钎料的利用率高，从而节约钎料25%(表2)；通过与火焰钎焊工艺采用的钎料沾钎剂或预涂钎剂的方法进行对比，采用药皮焊环，降低了焊漏、焊堵的发生率，提高了产品质量[13]。药皮钎料环中药皮成分调节灵活、厚度可根据需要任意设计与调控，使药皮与钎料环在钎焊时能更好的融合，使用方便、成本低、污染小、焊缝成形美观，特别适用于机械、空调及制冷等多个行业薄壁管路的钎焊。图6为药皮钎料环在分液器应用。