管路钎焊接头结构与钎焊渗漏

2022-01-07刘澳许贵琳王岱嵘汤耀周海宇赵越

焊接 2021年11期

刘澳，许贵琳，王岱嵘，汤耀，周海宇，赵越

(1.中国海洋大学,山东青岛 266100；2. 青岛海尔股份有限公司,山东青岛 266000；3. 青岛海尔特种制冷电器有限有限公司,山东青岛 266000；4.青岛海尔生物医疗股份有限公司,山东青岛 266000)

0 前言

医疗柜、冰箱、冷柜、空调等制冷产品，采用金属制冷管路连接各个制冷部件，形成的制冷管路接头主要采用钎焊方法连接。生产厂家将制冷剂灌入制冷管路中，制冷剂通过压缩机的驱动在制冷管路内进行循环，以达到制冷效果[1-4]。制冷管路中存在任何微小的渗漏，都将导致制冷系统内部制冷剂的流失，从而导致制冷产品不再制冷[5]，对制冷产品来说这是致命缺陷，对用户来说这将导致家用电器丧失功能，必然引起市场投诉。中国从上世纪80年代引入制冷产品，到本世纪初已经成为世界上最大的制冷产品生产国和消费国，但是制冷管路渗漏问题一直没有得到根本解决，许多企业为此投入大量的精力，包括培训焊工、改进钎焊方法、改进钎焊材料等并没有明显改观。

制冷管路的钎焊接头均采用套接接头，即先将管路接头的一端扩口，将管路接头的另一端插入到该扩口端，形成套接接头。加热方式主要采用火焰加热和感应器加热等加热方法进行钎焊。钎焊接头渗漏概率，以冰箱、冷柜常用的钢管-铜管接头为例，采用BAg30CuZnSn药芯钎料，渗漏率在0.05%～0.1%, 这会导致0.2%以上的现场故障率及0.1%左右的社会反馈率，尽管均属于小概率事件，但是对于大规模生产来说，造成的损失依然很大，距离企业的质量目标相差甚远。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为TP2铜管和低碳钢钢管的套接接头，分别采用2种结构：现有钎焊接头和均匀间隙钎焊接头，对其钎焊质量进行对比。2种试样套管为TP2铜管，插管为低碳钢管，采用高银钎料，成分见表1。

表1 高银钎料BAg30CuZnSn焊丝成分(质量分数，%)

1.2 试验方法及设备

制冷管路钎焊接头质量检验方法——X射线探伤和金相分析使用自主研发的移动式X射线探伤箱对使用钎焊管件进行探伤，通过探伤底片能明显看出钎焊的缺陷(大气孔，未钎透等)，1次可以检查20个管接头，10 min即可完成，效率很高，且可以保存检验结果。需要的话，可以指定位置进行金相分析，有目标的进行解剖分析，或识别缺陷，从而能够很客观的判断钎焊的质量。

X射线探伤技术是通过X射线照射在物体上，在底片上形成灰度不同的图像来识别缺陷，其在焊接领域的应用已经非常成熟，但在制冷行业的应用还未普及。

传统检查钎焊接头质量问题的手段是手工解剖(目视检测)，如图1所示。这样即会破坏样件，同时有很大的盲目性，难以剖切到存在缺陷的截面。最重要的是效率极低，效果差。

图1 传统解剖方式

2 试验结果及分析

2.1 现行钎焊接头结构的焊漏分析

制冷管路的钎焊接头有为3类：铜-铜管钎焊接头、铜-钢管钎焊接头和钢-钢管钎焊接头。铜-铜管钎焊采用的是磷铜钎料，该接头为同种金属之间的钎焊，钎焊接头的质量高，正常钎焊情况下，焊漏率小于0.02%。铜-钢管、钢-钢管钎焊采用高银钎料，焊漏的概率会明显高于铜-铜管接头[6-7]。

通常情况下，自钎剂钎料适用于小间隙。需要使用钎剂的银基钎料，含银量越高，适用的钎焊缝隙越小，反之，则适用于间隙稍大钎焊接头。

在铜-钢、钢-钢管2种钎焊接头之间比较，铜-钢管钎焊接头渗漏率略高于钢-钢管接头，这是因为异种材料的物理化学性能有较大差异[6]，导致钎焊性变差。因此，文中选定了渗漏率较高的铜-钢管钎焊接头为研究目标，研究管路钎焊接头结构与钎焊渗漏之间的关系。

为了研究钎焊接头渗漏的主要原因，对某公司社会反馈的18个铜-钢管渗漏接头故障件进行解剖和分析。如图2所示,接头的套管为TP2铜管，插管为低碳钢管，钎焊采用银基钎料BAg30CuZnSn(药芯钎料)。

图2 现有钎焊接头结构(套接接头)

2.1.1无损检测结果

通过X射线探伤的结果分析，故障件中，大部分接头发现了钎料未填满间隙的缺欠，主要是大间隙的未钎透，甚至是贯穿性未钎透。装配质量，如双边间隙偏到一侧，或双边间隙都大造成的未钎透，是导致钎焊接头焊漏的主要原因。

在故障件中还发现，在接头纵向的某个区域钎料添充较好的接头，依然出现渗漏，为了分析渗漏的原因，在接头完好的位置进行了金相分析。

2.1.2金相分析结果

从故障样件的X射线探伤照片中选取未发现缺陷的位置进行金相解剖分析，金相照片如图3所示。根据金相图片可以明显看出，在窄间隙(0.02 mm)的钎焊区域存在未钎透现象。

图3 小间隙未钎透的金相照片

2.1.3分析结果

通过X射线探伤发现，间隙过大会产生未钎透；金相分析显示，间隙过小同样会产生未钎透，尤其是贯穿于整个钎焊接头的未钎透是导致接头渗漏的主要原因。现有结构中忽视了小间隙对渗漏的影响，研究表明，2～3 μm的缝隙足以导致制冷剂流失[8]。

导致焊漏(未钎透现象)的主要原因是焊缝间隙不均匀，即间隙过大或过小。如图2所示的现有结构在插入管与套管相向弹性的应力作用下，使其插入管和套管之间不同心是难以避免的，换句话说，间隙不均匀是难以避免的。因此，如何保证管路装配后钎焊接头的周边间隙符合工艺要求(0.03～0.3 mm)，是解决管路接头渗漏问题的关键。

2.2 均匀间隙钎焊接头的设计与验证

形成铜-钢管钎焊接头渗漏的主要原因是接头钎缝的间隙不均匀，而引起间隙不均匀的原因有2个：①钎焊接头结构设计不合理，导致过大间隙和过小间隙的产生，使钎料填充不满钎缝，从而产生未钎透现象,如图4所示；②接头的插管或者套管加工尺寸不合格。有椭圆现象存在，使钎缝间隙不均匀，如图5所示。

图4 接头插管插入套管的极端情况

图5 插管加工不合格

解决制冷管路钎焊接头的质量问题应考虑以下2个方面：①从源头上保证钎焊接头的质量，严格把控插管和套管管件的管口的尺寸；②保证钎焊工艺间隙，使钎缝的周边间隙在一定范围内，以保证钎焊质量，防止未钎透现象产生，从而防止焊漏。2个方面都是为了控制钎缝的周边间隙，使得焊料能充分填充，形成合格的钎焊接头。为此设计了一种新型铜-钢钎焊接头——均匀间隙钎焊接头。均匀间隙，是指钎焊部位的间隙是均匀的，如图6所示的位置[9]。

结构设计要点：均匀间隙钎焊接头由钎焊段与定位段2部分组成，其目的是在钎焊位置上实现均匀间隙。制冷管路接头的钎焊过程可简单描述为，加热、钎剂流入缝隙，清除金属表面氧化膜、钎料熔化流进钎缝，在毛细作用和重力的作用下填满钎缝[8]，其中毛细作用下促使钎料流动，填满钎缝。理论上，间隙越小毛细作用越强，但实践中，当间隙小到一定程度时，太小的间隙会阻碍钎料的流动，产生未钎透现象。同样，当间隙大到一定程度时，毛细作用就不再起作用，也会产生未钎透的现象。通过试验，推荐的接头钎焊间隙(图6，图2)最合适的范围应为0.2～0.03 mm[9-11]。新型钎焊接头结构要点：①把原先钎焊接头的钎焊段分成了2部分，即钎焊段和定位段；②对插入管进行整管，以保证插管的圆度和精度；③钎焊段间隙大于定位段间隙，即使在插管极端倾斜的状态下，也能保证钎焊段拥有足够的钎焊工艺间隙。如图7所示。

图6 均匀间隙钎焊接头(两个范例)

图7 均匀间隙钎焊接头插管与套管在极端配合情况下

钎焊段为钎料填充部分，插管与套管之间的间隙满足钎焊工艺间隙。定位段是为了给钎焊段做定位作用，保证钎焊段的间隙均匀。新型钎焊接头的钎焊端保有一定的钎焊间隙，尽管深度只有3 mm，只要周围一圈是严密无缺陷的钎缝，即可满足密封要求。

基于将现有钎焊接头的钎焊段分成定位段和钎焊段2段的基本设计思路，对新型钎焊接头——均匀间隙钎焊接头进行试验验证，对比钎焊接头改进前后钎焊质量的差距。

在该次试验中，现有钎焊接头的双边间隙为0.2 mm，插管深度为11 mm(具体结构尺寸如图8所示)；均匀间隙钎焊接头的定位段的双边间隙为0.05 mm，长度为17 mm，钎焊段的单边间隙为0.125 mm，深度为3 mm，插管总深度为20 mm(具体结构尺寸如图9所示)，经过计算，能够保证钎焊段的周边间隙为保持0.08～0.17 mm之间(具体结构尺寸计算如图7所示)，2种接头的钎焊工艺采用手工火焰钎焊进行加工。

图8 现有钎焊接头的套管和插管

图9 均匀间隙钎焊接头的套管和插管

2种钎焊接头的质量通过X射线探伤和金相分析进行判断。金相分析结果如图10～图11所示。

图10 均匀间隙钎焊接头结构

图11 现有钎焊接头结构

由2种结构的探伤及金相(横截面均为距管口大约2～3 mm处)结果可见，在相同钎焊条件下，现有钎焊接头的大多数试样存在间隙不均匀现象，并且有缺陷存在，钎焊接头质量差，可能产生焊漏。均匀间隙钎焊接头的钎焊质量好，间隙均匀，不存在极大间隙和极小间隙的现象，贯穿性未钎透的比例降低80%(在某公司生产线上小规模批量验证得出)，可大大降低焊漏的概率。钎焊接头上钎料均匀渗透的概率达到80%以上。根据上述2组试验结果对比得出，均匀间隙钎焊接头质量优势明显。新焊工完成的均匀间隙钎焊接头也能取得和熟练焊工类似的结果。