鋁釬焊知識-NOCOLOK釬焊工藝

　  釬焊定義：用比母材熔點低的金屬材料作為釬料，用液態釬料潤濕母材和填充工件接口間隙并使其與母材相互擴散的焊接方法。

釬焊時只有釬料熔化而母材保持固態，這就要求釬料的熔點低于母材的熔點，其成分亦有差別。熔化的釬料依靠潤濕和毛細作用吸入并保持在母材間隙內，液態釬料與固態母材間的相互擴散形成冶金結合。

   鋁釬焊介紹：

    鋁的釬焊始于二十世紀三十年代初。如今已有許多種不同的釬焊技術被采用。在釬焊裝置中，氣氛爐釬焊，真空釬焊和浸漬釬焊占了很大部分。

鋁釬焊特點：為了使釬焊成功,釬焊焊接處表面必須干凈且在釬焊溫度時,該表面不能有任何氧化。鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點高、非常穩定，不易去除。（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）氧化膜阻礙釬料的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產生氣孔。焊接時應清除其表面氧化膜。（焊劑與氧化物反應并同時取代氧化物，從而避免焊件與爐子內的空氣接觸，這樣釬料熔化并通過毛細管作用被拉至焊縫中。）

正如在油垢的表面上澆水由于表面張力的作用會形成水滴一樣，在氧化膜上面進行釬焊，釬焊材料也無法均勻地和基礎金屬材料（母材）結合，所以會形成不良的釬焊面。

鋁材的釬焊只能采用以下的化學方法和物理方法。

鋁釬焊的方法主從次序依次是FB→VB→NB，物理性還原方法VB法和VAW法無需進行焊劑的涂布。但是VB法的缺點是還原不夠徹底，殘留一部分氧化物，再有就是為了強化鋁材添加的鎂在真空狀態下隨還原反應分解使之不耐腐蝕。另外，VAW法的介質氣體需使用D.P(露點)-70℃,含氧量為6-8ppm的氮氣，較難做到。而且日后涂裝以前必須進行金屬表面處理。

另一種是化學性還原方法，FB法和 NB法最大的不同之處在于焊劑的種類不同，FB法使用的是氯化物的焊劑（ZnCl2,LiCl2）鹽基不僅腐蝕基礎材料（基材）而且還會引發環境污染等公害問題。所以，后續的清洗作業是不可缺少的。而且在涂裝以前一定要進行表面處理。與此相比較NB法使用的是氟化物的焊劑（KAlF4）,無需進行釬焊后的清洗，而且耐腐蝕性很強，涂裝時也無需進行表面處理，雖然和FB法同樣焊劑會污染設備，設備自身的腐蝕比氯化物要小一些（爐的壽命FB=1/2年，NB=5-6年）。只不過焊劑中的氟（F）和基礎金屬材料（母材）中的鎂(Mg)反應生成的MgF2會影響釬焊的質量，所以Mg在基礎金屬材料中的含量需在1%以下。另外的缺欠就是焊劑的殘留問題。然而這種方法有許多優點，所以在熱交換器的釬焊中NB爐仍然是主流。

注：[所謂NB法] NB是“NOCOLOK (NONCOLOSION[非吸濕性]BRAZING[釬焊]”的省略語，“NOKOLOK”的名稱是美國ALCA公司的專利名稱（專利只限于焊劑）。

鋁釬焊材料由包在芯體合金（AA3003）的一面或兩面的鋁硅合金薄層組成。低熔點的鋁硅合金則在釬焊過程中熔化流動，在冷卻后在要連接的組件之間形成冶金結合。

芯體合金：NOCOLOK釬焊要求母材固相線溫度不低于615℃，同時由于釬劑對合金表面的MgO的溶解有一定的限度，且Mg和MgO與釬劑反應生成MgF2，使得釬劑熔點升高失去活性，故要求Mg含量不超過1％（最好不超過0.5％）。因此適合NOCOLOK釬焊的鋁合金有工業純鋁和Mg含量較低的Al－Mn合金（如AA3003、AA3102、AA3005、AA3105等）和Al－Mg－Si合金（如AA6063、AA6951等）。AA3003是傳統的對汽車熱交換器均可考慮的合金，它可用于所有的釬焊方法。

注：大多數的鋁合金均能釬焊但不能利用所有的釬焊技術，主要分保護性氣氛釬焊（CAB），即通常所說的NB釬焊，和真空釬焊（VB）的合金如何選擇。對空氣爐釬焊，合金的選用可以和CAB的一樣。

    AA3003是傳統的對汽車熱交換器均可考慮的合金，它可用于所有的釬焊方法。為了獲得更高的強度，真空釬焊用AA3005合金，時效強化合金AA6060、AA6063、AA6951也可用于真空釬焊。為使6000系列的合金有可能時效強化，釬焊后的冷卻速度必須很快。為使時效后強度最高，在400℃到200℃溫度區間內，冷卻速率必須為＞1℃／sce。

    5000系列合金亦可用于VB釬焊，采用焊劑釬焊處理這系列合金比較困難，當合金含Mg量高時焊劑不能除去氧化物。對NB（CAB）釬焊，客觀上Mg含量限制在0.4％左右。對其他含Mg合金如6000系列事實也是如此。

    1000、2000和7000系列合金比較少用于釬焊。1000系列以及低合金成份的其它兩系列的焊后強度比較低。當合金成份高時其釬焊熔點就偏低而不能提供良好的釬焊。

主要鋁硅合金（鋁釬焊中的釬料）：4000系列

填料合金是4000系列，該系列合金的熔化溫度接近600℃，含7－13％的Si。對于真空釬焊（VB），加入1.2％Mg。為了在VB釬焊時填料有比較好的濕潤性和流動性可多加0.1％的鉍。 

   作為參考，NB釬焊的材料中如果不含鎂的材料：焊劑的涂布量為2g/m2左右（氧氣濃度在50ppm左右）如果鎂含量為0.2－0.25g/m2的材料：焊劑的涂布量為6－8g/m2左右（氧氣濃度在50ppm左右）

如果鎂（Mg）的含量在2g/m2以上時則不能進行NB釬焊。

    采用保護性氣氛釬焊（CAB）釬焊方法時，厚壁部件的升溫比薄壁部件的升溫明顯要慢，故用于熱交換器的不同部件的合金要有不同的Si含量。由于Si含量增加時，合金熔點降低，故對不同部件，應選用不同的Si含量，以使填料、金屬幾乎在同一時間熔化。填料大約在熔化區間的最低與最高溫度的中點溫度時開始流動，這個溫度已足夠釬焊了。

AA4343和AA4045中的Zn起陽極保護作用，商品化的釬料Zn含量一般為1～1.5％，過高的Zn含量降低釬料的流動性和釬焊性。AA4047是共晶釬料，在推薦的釬焊溫度下流動性太強而難于控制，溶蝕傾向較其它釬料高，一般用于火焰釬焊。釬料一般作為復合材料的皮材，根據用途的不同皮材采用雙面復合或單面復合，復合率（單面）為5～10％。相互釬焊連接的兩個零件，只需要一個零件采用復合材料，不便于采用復合材料時，可采用釬料箔、板或絲。

注：釬焊中對釬料的基本要求  ：                                   

·合適的熔點，應比母材的熔點低幾十度。二者熔點過于接近，會使釬焊過程不易控制，甚至導致母材晶粒長大、過燒及局部熔化。

·具有良好的潤濕性，能充分填滿釬縫間隙。

·與母材的擴散作用，保證它們之間形成牢固的結合。

·具有穩定和均勻的成分，盡量減少釬焊過程中的偏析現象和易揮發元素的損耗等。

·滿足產品的機械性能和理化性能要求。

·經濟性。

·熔點低于450℃的為易熔釬料，俗稱軟釬料；高于450℃的為難熔釬料，俗稱硬釬料。

NOCOLOK?  焊劑及其釬焊工藝

    △世界上第一臺NB爐由加拿大阿根（Alcan）公司于78年發明，其注冊商標為NOCOLOK?。 

78－79年SOLVAY公司研制成Flux，Flux主要為KF、AIF3之混合物，亦即氟鋁酸鉀（KAIF4）。

NOCOLOK釬劑（Flux）在室溫和釬焊溫度下不與Al發生反應而僅在熔融（至少部分熔融）下才具有反應活性，釬劑熔融后溶解Al表面的Al2O3，潤濕接合面，降低液態釬料的表面張力,使液態釬料利用毛細作用自由地流入接合面,并防止表面重新氧化。冷卻后，釬劑在部件表面形成一層1～2μm的殘余物（釬劑載有量為5g/m2時），附著力強，不吸濕，無腐蝕性，在熱交換過程中不會出現碎裂，毋需清除，可直接噴漆。

    △Flux釬焊特性：

1.Flux為氟鋁酸鉀鹽混合物；

2.熔點范圍565°C－572°C，低于釬料熔點（577°C）；

3.粒度范圍0.2－0.5μm，良好的膏劑特性；

4.不吸濕性，無限長的儲存期；

5.無腐蝕性；

6.溶解度為0.2－0.4％，無限的適用期。

△  釬劑（Flux）的作用：

·清除母材和釬料表面的氧化物，為液態釬料在母材上鋪展填縫創造必要的條件。

·以液態薄層覆蓋母材和釬料表面，隔絕空氣而起保護作用。

·起界面活性作用，改善液態釬料對母材的潤濕。

    △NOCOLOK?釬焊工藝的優點：

1.Flux為惰性，無腐蝕；

2.較大地容許間隙；

3.良好的間隙填充性能；

4.加強抗腐蝕能力（合成鋁材、Zn沉積處理）；

5.被釬焊表面適于鉻化處理／噴涂；

6.容許進行不完美的清洗；

7.釬焊后勿需進行清洗；

8.去除氧化膜能力極強；

9.簡單的貯存方法；

    10.勿需清除釬焊殘余物。

連續式氮氣保護釬焊爐

連續式氮氣保護釬焊爐是靜態氣氛隧道爐。

釬焊爐一般由釬劑涂敷裝置、干燥爐、釬焊室、水冷室、空冷室幾部分組成。釬劑涂敷裝置依靠傳送帶運輸，對熱交換器噴涂釬劑懸浮液，然后吹除多余的液體。干燥室在200℃左右烘干釬劑。釬焊室為整體不銹鋼馬弗結構，馬弗進口端浮動，出口端固定，不銹鋼網帶從馬弗內穿過，馬弗內為氮氣保護環境，工件在馬弗內完成釬焊。氮氣從工件升溫到釬焊溫度的那一段進入馬弗，向釬焊室進出口方向排出。馬弗上下布置電加熱組件，分區PID控制，四周為絕熱層和外部鋼殼。水冷罩室和空冷室位于釬焊室的尾部，釬焊后的熱交換器先后 經過水冷罩室和空冷室，被冷卻至室溫。

釬焊包括三個過程：一是釬劑的填縫過程，工件被加熱到560°C左右時，釬劑開始融化，溶解Al表面的氧化膜，潤濕接合面；二是釬料填滿釬縫的過程，當工件被加熱到577°C左右時，釬料（復合層）開始融化，液態釬料利用毛細作用自由地流入焊接的接合面；三是釬料同母材相互作用的過程。

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

整個焊接過程工件在純度99.9995%，露點為-40℃的氮氣保護下進行（在300—560℃范圍內，微量的KALF4蒸發與所存在的濕氣反應生成微量的HF，HF對馬弗爐膛等損害極大）。焊接過程中要求馬弗膛內氧氣含量小于100PPM。

注：釬料能否填滿焊縫取決于它在母材間隙中的毛細流動特性。

影響釬料潤濕性的因素：

·釬料和母材的成分，界面張力小，潤濕性好。

·溫度的影響，溫度升高，表面張力降低，釬料潤濕性提高。溫度太高，釬料流失，母材晶粒長大。

·金屬表面氧化物的影響：清除釬料及母材表面的氧化物，以改善潤濕。

·釬劑的影響：破壞表面氧化膜。

·母材表面狀態的影響：較粗糙表面上的縱橫交錯的細槽對液態釬料起到特殊的毛細管作用。

·表面活性物資的影響：凡是能使溶液表面張力顯著減小，因而發生正吸附的物質，稱為表面活性物資。

連續式氮氣保護釬焊爐各段組成及功能：

這種釬焊爐總長一般均在20~40m以上，一般由以下幾個部區組成：

（1）噴淋釬劑區 （工件噴灑釬劑前，要去除殘余的油污）

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時，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

工件隨網帶運動進入該區。由于工件上的多余釬劑僅靠重力脫落有限。在該區用風機向工件上吹風，以使多余的釬劑吹落掉。這兩區吹落的釬劑落入接水槽中流至釬劑儲罐。循環使用。

（3）干燥區

該區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，導致金屬表面氧化。同時，工件及夾具因受熱不均發生變形。干燥區溫度一般≤250℃。采用熱風循環方式，氣流循環由攪拌風機實現。

干燥區溫度設置：

最低: … 190℃ 清除鋁材表面吸附的水分以及焊劑結晶體吸附的水分

最高: … 300℃材料中的鋅（Zn）被氧化（氧化膜影響釬焊的質量）

通常設定為200－250℃

干燥時間（參考）

16mm厚（散熱器）        需要3－4分鐘

32mm厚（散熱器，加熱器）需要4－5分鐘

90－100mm厚（汽化器）   平放需要7分鐘，直立需要10－15分鐘

雖然干燥時使用風機使內部的空氣得以流通，但風速超過5－6m/s時干燥后的焊劑容易揮發。

（4）加熱區

典型的釬焊爐加熱區長度一般為10-12m左右，分5-6個控溫段。每個控溫段加熱組件熱功率獨立可調，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，其長度約為1～1.2m。每個釬焊加熱區設置上下2個測溫點，監測爐溫的變化。各控溫段溫度，工作傳送速度等焊接參數設定、測量、反饋控制以及生產程序，采用工業控制計算機及PLC實現。

（5）冷卻區

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

冷卻區分為水冷套冷卻及空冷。水冷壁冷卻區長度為3~4m，調節水流量，可調節工件降溫溫度梯度。在這個室中將工件冷卻至400℃以下。因為將高溫的工件直接暴露在大氣中容易氧化，因此此處也需使用氮氣介質氣體。

空冷段一般和釬焊加熱爐分離，鼓風機吹入壓縮空氣，將在水冷卻室內已經冷卻到400℃的工件再冷卻到常溫狀態。

（6）傳送方式：采用網帶傳送機構

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帶的定向運動。傳送速度一般在200~1500mm/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。

NOCOLOK?釬焊爐有關問題

·爐子升溫一般需提前進行，升溫速度為20-60℃/Hr,均勻升溫是延長爐膛使用壽命之關鍵。當爐溫升至300℃時充入小流量N2，以保護爐膛不被氧化。

·釬焊夾具及托盤使用前需空燒，先形成氧化膜，以免釬劑氧化之。定期除銹，一般鋼絲刷刷凈即可，嚴重時需酸洗，但酸洗之后使用前仍需空燒。

·爐膛清理一般一年一次，若使用頻繁，則半年一次。清理時工人要帶防毒面具，爐膛前邊要用風扇吹風。

·冷卻水，升溫時當爐溫升至250℃時開啟，關爐時當爐溫降至250℃時關閉，保溫時要正常供給。冷卻塔4T當可滿足使用。由于該系統為開式循環，故需有回水泵?；厮?、給水泵應有備用。

·水套冷卻可使產品溫度降至300℃左右，經風冷后應達到室溫＋15℃。

·釬焊爐應專線供電，最好雙線保證，防止生產中斷電。若生產中突然斷電，為防止整爐產品過燒而報廢，必須以最快的速度將網帶及產品拉出。

·被拉出的產品可以二次進爐。

·釬焊爐供電線路上最好不再連接其它儀器及設備，倘若非接不可，則需做穩壓保護。

·爐溫控制的決定因素：

  ·溫區溫度設定；

  ·N2 氣體條件：露點－60℃，純度99.9995%.

  ·傳送帶速度：產品在爐內的釬焊時間約為1-3分鐘，但產品的大小、厚度的不同需要的預熱時間則大不相同。采取爐溫設定不變，只調節帶速來實現好的焊接質量。每更換一次新品種應進行一次測算從而確定傳送帶的速度。

      參考公式：Q=d(t1-t2)S 

              說明：d-導熱系數，S-表面積

·Flux濃度

      ·管帶式：噴淋4-6% ，手工涂抹20-25%.

      ·冷凝器:  噴淋5%，手工涂抹40%左右。

      ·層迭式蒸發器：板與板之間20-25%,干燥后組裝直接進爐，干燥爐溫200℃.

·循環水：4m3/Hr,供給壓1-2Kg/cm2.

·N2用量：50-120m3/Hr,供給壓1000mm水柱（0.1Kg/cm2）.

影響釬焊質量的因素

鋁熱交換器NOCOLOK釬焊常見缺陷主要有未釬透、溶蝕、翅片彎曲倒伏、釬料流失、熱交換器顏色變灰發黑、釬劑殘余物附著力差影響油漆附著和熱交換器有異味等。實際生產過程中影響NOCOLOK釬焊質量的因素是多方面的,這里僅對主要因素略作討論。

1． 零件尺寸公差

加工時必須保證零件的關鍵尺寸公差，如管帶式冷凝器蛇形扁管整形后彎頭部分的尺寸、蛇形扁管與集流管釬焊處的縮口尺寸、翅片高度尺寸公差、復合集管的沖孔尺寸、堵頭成形尺寸，平行流冷凝器集流管的沖孔尺寸、堵頭的成形尺寸、扁管的縮口尺寸等都很重要，否則無法保證裝配后芯子的釬縫間隙。

2． 零件表面的脫脂

NOCOLOK釬焊對零件表面的脫脂要求比真空釬焊高，必須徹底清除零件表面的潤滑油（脂）等贓物，獲得可水潤濕的表面，以便于均勻涂敷釬劑。零件表面的脫脂，可采用有機溶劑（三氯乙烷或三氯乙烯）蒸氣清洗、水基清洗劑清洗或堿洗等方法。如果在原材料加工中不涂油或采用揮發性潤滑油并在零部件加工過程中采用揮發性潤滑油，根據潤滑油揮發性的不同，可免清洗或采用熱風干燥除油，為提高釬劑懸浮液的潤濕性，可在懸浮液中加入0.1％的表面活性劑（NCH）。表面活性劑太多，會降低釬焊性和產品的耐腐蝕性。

3． 零件的裝配

保證芯子裝配后的釬縫間隙，有利于獲得良好的釬焊質量。翅片（復合鋁箔）與扁管，推薦采用無間隙配合，復合鋁箔的皮材充當間隙，局部間隙過大時可插入釬料箔，但可能引起局部溶蝕、局部焊點過大。其它部位的釬焊間隙主要依靠零件加工尺寸保證，釬焊間隙越大，所需釬劑載有量越大，最好不超過0.1mm。NOCOLOK釬焊芯子裝配后一般用夾具夾緊，由于鋁和不銹鋼夾具的熱膨脹系數不同，夾緊力太大，易造成釬焊后翅片彎曲倒伏和芯子尺寸超差；夾緊力太小，翅片易虛焊、松脫。

4．釬劑懸浮液的配制和涂敷

釬劑用蒸餾水、去離子水或飲用純水配制成懸浮液使用，推薦表面釬劑載有量為5g/m2。釬劑懸浮液的濃度、零部件清洗質量、涂敷方法、過量釬劑的吹除、工件的復雜程度和涂敷裝置網帶速度等均會影響釬劑的實際載有量。一般釬劑懸浮液濃度為5～10％，對于扁管與集流管等重要釬縫，可單獨刷掃濃度為30～50％的懸浮液以確保釬焊質量。釬劑載有量過大（超過5g/m2），會造成釬焊后的芯子顏色變灰發黑、釬劑殘余物附著力差影響油漆附著、熱交換器有異味等，并降低釬焊爐馬弗的使用壽命。NOCOLOK釬劑的殘余物有一定的H2S氣味，且釬劑殘余物的存在影響蒸發器的表面鈍化和親水處理。

5． 釬劑的干燥

涂敷釬劑后的工件需徹底干燥除去水分。水分在釬焊過程中可與KAlF4反應生成HF，影響釬焊，加大馬弗和網帶等的腐蝕，增加HF廢氣處理工作量。工件的干燥程度受干燥溫度和網帶速度的影響，一般溫度控制在200℃左右，不可超過250℃，否則工件氧化嚴重，釬劑無法去除氧化膜。

6． 釬焊溫度和網帶速度

制定適宜的釬焊溫度和網帶速度是保證釬焊質量的關鍵。采用AA4045，釬焊區溫度控制在600-610℃；采用AA4343，釬焊區溫度控制在610-620℃。網帶速度冷凝器為750-850mm/min。釬焊溫度太高，網帶速度太慢，易造成釬料流失、溶蝕、翅片彎曲等缺陷；釬焊溫度太低，網帶速度太快，工件尚未達到必要的釬焊溫度，各部位溫度不均衡，容易造成虛焊、泄漏、釬縫不連續等缺陷。釬焊溫度和網帶速度需通過測量工件在爐內的實際溫度曲線確定，工件各部位升溫到釬焊溫度保溫3-5分鐘即可。

7． 釬焊氣氛

推薦采用高純液氮氣化的氮氣，鋼廠生產的高純液氮純度達99.9995%,其中氧含量小于3ppm,露點低于－73℃。但在典型的隧道爐中,由于工件、夾具和連續運轉的網帶會將水分和空氣帶入爐內，以及氮氣的進排氣不平衡導致車間氣氛返流，爐內氣氛總是高于這一水平。為保證釬焊效果，必須保證隧道爐釬焊段的氣氛露點不超過－40℃，氧含量不超過100ppm。如釬焊氣氛差，需要提高釬劑載有量。

8． 復合材料皮材的均勻性

復合材料皮材復合不均勻會造成虛焊、燒損、釬縫不連續、泄漏等缺陷，國產復合材料皮材的均勻性不及進口材料。

9． 復合鋁箔的抗彎曲性

復合鋁箔在釬焊溫度下的抗彎曲性是衡量鋁箔質量的一個很重要的性能指標，復合鋁箔的抗彎曲性差，釬焊時翅片彎曲、倒伏、粘連，嚴重影響熱交換器的外觀質量和換熱性能。研究表明，這是由于復合鋁箔芯材晶粒直徑較小，皮材中的硅原子沿晶界向心材中心擴散所產生的溶蝕現象形成的。復合鋁箔軋制時嚴格控制冷作壓延率和退火工藝，有利于獲得粗大晶粒的心材，使復合鋁箔具有優良的抗彎曲性。

10． 爐內擺放方式

產品在爐內釬焊時的擺放方式不合理，集流管皮材熔化后受重力作用可能向下流動，容易造成釬料流失、釬縫不致密，如集管釬料流向翅片，會完全溶解翅片。