1、 前言
在汽車行業(yè)中，連續(xù)式氣體保護(hù)釬焊是一種非常重要且應(yīng)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(jì)80年代以來，從國外陸續(xù)引進(jìn)了各種類型的氣體保護(hù)釬焊爐，促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的提高。自上個世紀(jì)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(hù)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(jìn)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(nèi)氣體保護(hù)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(hù)釬焊爐，大都仿制進(jìn)口產(chǎn)品。其中用于鋁制散熱器等其它鋁制品的釬焊爐和進(jìn)口產(chǎn)品幾無二致，這是受Noclock工藝制約的結(jié)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(jìn)釬焊爐焊接。即使這樣，我國大多數(shù)用戶對該設(shè)備的投資也很難承受。如此一來，我國東北某公司為適應(yīng)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(yīng)降低的還有效率和質(zhì)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(nèi)的研究單位來講，難度還是很大的。為此，國內(nèi)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(shù)和關(guān)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(hù)釬焊爐，只有在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，走國產(chǎn)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(jìn)口產(chǎn)品相比，有如下不同：
（1）進(jìn)口釬焊爐的保護(hù)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(dá)國家，保護(hù)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?，F(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(nèi)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(nèi)的保護(hù)氣氛發(fā)生裝置大多置于爐外。在爐外產(chǎn)生保護(hù)氣通往爐內(nèi)起保護(hù)作用。而我國引進(jìn)的釬焊爐其保護(hù)氣氛發(fā)生裝置大多置于爐內(nèi)，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(yīng)大力推廣。
（3）加熱元件：在參觀和解剖國外進(jìn)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(jìn)行大膽改進(jìn)，以比較其優(yōu)缺點。
（4）爐膛構(gòu)造：國外進(jìn)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(jié)構(gòu)。而我國這類爐幾乎無一例采用了耐熱鋼制成的馬費結(jié)構(gòu)。
另外在傳送結(jié)構(gòu)上，我國的研究單位應(yīng)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(hù)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(jì)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(hù)釬焊簡介
3．1保護(hù)氣氛
目前在汽車行業(yè)應(yīng)用的釬焊爐，其保護(hù)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(jīng)裂解爐在催化劑的作用下,發(fā)生如下反應(yīng)：
2NH3氧化劑—→3H2↑+N2↑
裂解后產(chǎn)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(hù)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(hù)氣氛，必須在裂解爐內(nèi)加熱至高溫900℃以上,電耗相當(dāng)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(yīng)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(hù)釬焊作用。
該保護(hù)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(chǎn)生上述保護(hù)氣氛通入爐內(nèi)，起保護(hù)釬焊作用。但我國引進(jìn)的一些釬焊爐也采用氣體燃燒發(fā)生器置于爐內(nèi)，當(dāng)爐溫升至約750℃時，產(chǎn)生上述反應(yīng)。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(jìn)為多，國內(nèi)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(diào)，其中進(jìn)入爐膛的氮氣純度要達(dá)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(dá)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(chǎn)生的CO、H2和氮氣中的氧反應(yīng)，除掉氮氣中的氧，從而使氮氣純度達(dá)99.9995%,而多余的ＣＯ和Ｈ2(1%～１０％可調(diào))作為活性氣氛進(jìn)入爐內(nèi)起到保護(hù)釬焊的作用。汽車零部件中的鋼制零件均可采用上述保護(hù)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?jīng)氣體壓縮后進(jìn)入分子篩，經(jīng)分子篩吸附即可得到氮氣。這種制氮法即PSA法，設(shè)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(chǎn)生氮氣，如上所述一般純度達(dá)99.5%，但在汽車鋁制散熱器、汽車空調(diào)蒸發(fā)器、冷凝器、水箱等鋁制產(chǎn)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(jìn)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(xì)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(dá)1200℃。采用SiC棒加熱元件保護(hù)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(chǎn)生反應(yīng)，降低其使用壽命。
3．2．2 Ni—Cr絲
在國外進(jìn)口的釬焊爐中，廣泛使用Ni—Cr絲，但保護(hù)氣氛一般采用丙烷燃燒氣氛且保護(hù)氣氛發(fā)生裝置大都為內(nèi)置式，因燃燒反應(yīng)是放熱反應(yīng)，即可節(jié)省能量又可減少Ni—Cr絲的負(fù)擔(dān)，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(yīng)用前景很好，但同SiC棒一樣，在爐膛設(shè)計時，如采用的氣氛為氮氣，爐膛應(yīng)為馬弗結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)
爐加熱區(qū)結(jié)構(gòu)有兩種：
（1） 由耐熱及保溫材料砌筑而成的爐膛內(nèi)置馬弗套，馬弗套由耐熱合金鋼經(jīng)成型焊接而成。這種結(jié)構(gòu)由于密封性好，故節(jié)省保護(hù)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(chǎn)生熱蠕變，最終導(dǎo)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(nèi)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(dāng)然，鋁制產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jīng)驗，5年或更長時間內(nèi)，爐膛不必大修。國內(nèi)某研究所研制的一種釬焊爐，即為該類型。
3．4 傳送機構(gòu)
對于連續(xù)式釬焊爐，傳送方式有兩種：
（1） 網(wǎng)帶傳送機構(gòu)
該機構(gòu)由變頻調(diào)速器、電機、行星擺線減速器驅(qū)動主動輪、導(dǎo)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(diào),它具有結(jié)構(gòu)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(chǎn)生熱蠕變，網(wǎng)帶越拉越長，要不斷調(diào)整張機構(gòu)，張緊裝置調(diào)整量不足時，要剪切鏈條，最終導(dǎo)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(chǎn)品的焊接，由于焊接溫度低，不產(chǎn)生此麻煩。
（2） 推舟機構(gòu)
這種機構(gòu)的進(jìn)料口開在爐的側(cè)面，將擺放工件的舟板從側(cè)口推入爐內(nèi)，爐體長度方向上有一氣缸，將舟板向前推進(jìn)后，缸桿退回，再續(xù)另一個舟板，如此復(fù)一舟推一舟，工件從進(jìn)料區(qū)進(jìn)入釬焊區(qū)、冷卻區(qū)直至出爐口。它和網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)均連續(xù)傳送，只不過網(wǎng)帶勻速傳送，推舟為步進(jìn)式傳送。它的優(yōu)點是傳送結(jié)構(gòu)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(hù)釬焊爐的應(yīng)用
由于連續(xù)式氣體保護(hù)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(chǎn)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(jìn)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(nèi)，液體釬劑在毛細(xì)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(jìn)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(fēng)機向工件上吹風(fēng)，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(jīng)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(jìn)入釬焊爐高溫區(qū)，導(dǎo)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(diào)，可靈活的設(shè)置各控溫段的溫度，保證工件在最短的時間內(nèi)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(shè)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(shè)定、測量、反饋控制以及生產(chǎn)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(jìn)入加熱區(qū)后，工作溫度由110℃升至約565℃，此時工件進(jìn)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(dāng)工件進(jìn)入577~605℃區(qū)域時，釬料熔融，焊接面形成焊縫，此后進(jìn)入加熱區(qū)的非加熱段緩冷。加熱區(qū)的最高溫度一般設(shè)計為800℃。
（5）冷卻區(qū)
工件自加熱區(qū)出來后，進(jìn)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(diào)節(jié)水流量，可調(diào)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(fēng)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(hù)，氮氣的純度為99.9995%，露點為-40℃。保護(hù)氣體的用量爐尺寸1000mm×1000mm×150×27000mm為例，其在生產(chǎn)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(nèi)最關(guān)鍵的釬焊段流入而流向爐的入口和出口處。以此防止?fàn)t外雜質(zhì)氣體的侵入。當(dāng)部件進(jìn)入關(guān)鍵的釬焊段時，爐內(nèi)保護(hù)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(nèi)，微量的KALF4蒸發(fā)與所存在的濕氣反應(yīng)生成微量的HF。因此必須嚴(yán)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(zhuǎn)化為噴粉，則不需進(jìn)一步表面處理。殘余物是加在防腐的保護(hù)層，殘余物薄層在熱交換過程中不會出現(xiàn)碎裂。
5．結(jié)論
隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，氣體保護(hù)連續(xù)釬焊爐的應(yīng)用愈來愈廣泛，而它的應(yīng)用對提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率具有極大的促進(jìn)作用。
我國的科研單位應(yīng)大力開發(fā)和研制各種類型的釬焊爐，以適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展的需要。同時，我國的工礦企業(yè)應(yīng)盡量采用我國自行研制的釬焊設(shè)備，以降低生產(chǎn)成本，提高效益，同時為國家節(jié)省外匯?？傊B續(xù)式氣體保護(hù)釬焊爐的大量應(yīng)用，必將促進(jìn)企業(yè)的科技進(jìn)步，提高勞動生產(chǎn)率，其前景十分廣闊。
（轉(zhuǎn)載）
