呂登峰 陳寶玉 鐘素娟 董 顯 黃俊蘭

(1.鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001； 2.美的集團(tuán)股份有限公司，廣東 佛山 528000)

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新型環(huán)保藥皮釬料環(huán)的研制及應(yīng)用

呂登峰1陳寶玉2鐘素娟1董 顯1黃俊蘭1

(1.鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001； 2.美的集團(tuán)股份有限公司，廣東 佛山 528000)

簡(jiǎn)述了藥皮釬料環(huán)研制的背景及意義，詳細(xì)介紹了藥皮成分選定原則和藥皮制造技術(shù)，對(duì)比了藥皮釬料環(huán)和實(shí)心釬焊焊條在節(jié)約環(huán)保、生產(chǎn)自動(dòng)化等方面的優(yōu)勢(shì)，并闡述了其應(yīng)用領(lǐng)域。研究結(jié)果表明：環(huán)保型藥皮釬料環(huán)實(shí)現(xiàn)了釬料和釬劑定量、高效的添加，且不含有機(jī)粘結(jié)劑，有效減少了焊劑的使用量，節(jié)約環(huán)保；藥皮釬料環(huán)在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品釬焊質(zhì)量、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用，這使得藥皮釬料環(huán)有非常廣闊的應(yīng)用前景。

藥皮焊環(huán) 釬料環(huán) 復(fù)合釬料 釬焊

0 序 言

目前，空調(diào)、冰箱管路的釬焊大多采用絲或條狀釬料手工火焰釬焊的方式，釬焊時(shí)釬料蘸取釬劑使用或預(yù)先將釬劑涂覆在工件上，增加了一次焊前工序和操作時(shí)間，并在釬焊工藝中增加一個(gè)變量，影響焊接的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。此種釬焊工藝生產(chǎn)效率低,難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,不易準(zhǔn)確控制釬料和釬劑用量，且接頭質(zhì)量多依賴于操作員的水平，釬縫易產(chǎn)生焊堵、泄漏等缺欠，隨之而來(lái)的是返工、返修甚至報(bào)廢，造成釬料和原材料的浪費(fèi)，增加制造成本。此外，為確保焊接質(zhì)量不得不過(guò)量添加釬劑。大量釬劑在發(fā)揮作用之前已揮發(fā)，不僅污染了空氣，對(duì)操作人員健康非常不利，同時(shí)造成釬劑浪費(fèi)，且焊后容易有較多的釬劑殘留。由于釬劑常具有較強(qiáng)的腐蝕性，殘留釬劑必須以大量水或有機(jī)溶劑清洗，造成水資源污染，而未能徹底清除的釬劑往往成為釬焊接頭發(fā)生腐蝕破壞的根源之一[1]。

隨著中國(guó)制造2025進(jìn)程的推進(jìn)，裝備制造業(yè)的輕量化、環(huán)?；⒏咝Щ蔀橹袊?guó)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，焊接自動(dòng)化水平也在不斷提高，因此釬焊工藝對(duì)釬焊材料的要求也越來(lái)越高，綠色、環(huán)保、高效焊接成為釬料的發(fā)展趨勢(shì)，釬料/釬劑復(fù)合釬料成為釬焊材料的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一系列復(fù)合釬料產(chǎn)品，如膏狀釬料、粘帶釬料、粉末壓制燒結(jié)成型釬料、藥芯釬料、表面涂覆釬劑型釬料(藥皮釬料)等。膏狀釬料和粘帶釬料是在粉狀釬料中加入一定量的粘結(jié)劑、增韌劑等制備出的膏狀或粘帶狀的釬料。粉末壓制燒結(jié)成型釬料是將粉狀釬料與釬劑混合均勻后，再經(jīng)壓制燒結(jié)成特定形狀的釬料，這三種釬料的原材料均為粉狀釬料，優(yōu)點(diǎn)是釬料的加工性能不受其成分的制約，主要缺點(diǎn)為產(chǎn)品質(zhì)量較難控制，國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，不具備大面積取代現(xiàn)有釬料體系的前景[2]。

隨著對(duì)生產(chǎn)環(huán)境及成本控制等要求的提高，部分技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)率先提出建設(shè)互聯(lián)工廠的概念，企業(yè)需求的釬料逐漸由傳統(tǒng)實(shí)心條狀釬料變?yōu)殁F料釬劑復(fù)合型釬料，應(yīng)用比較廣泛的釬料釬劑復(fù)合型釬料主要有藥皮釬料和藥芯釬料兩種；然而，藥芯釬料嚴(yán)重受其成分的制約，很多成分成型技術(shù)難度較大，存在深加工性能差的缺陷，大大限制了其發(fā)展和應(yīng)用，藥皮釬料在這種產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求下應(yīng)運(yùn)而生。為了控制釬料的使用量并產(chǎn)生質(zhì)量穩(wěn)定的接頭，預(yù)成型釬料應(yīng)用越來(lái)越多(預(yù)成型釬料是依據(jù)焊縫形態(tài)定制而成具有一定形態(tài)的釬料，最常見(jiàn)的形態(tài)是環(huán)狀)。

1 藥皮成分的選定

目前，市場(chǎng)只有藥皮釬焊焊條，藥皮釬焊焊條一般是在條狀釬料表面壓涂上由釬劑、粘結(jié)劑、增塑劑等組成的藥皮層。傳統(tǒng)釬劑的主要成分為硼酸鹽、氟化物、無(wú)機(jī)酸、氟鋁酸鹽、氯化物等，焊后殘留釬劑易腐蝕接頭，降低釬焊接頭的可靠性，焊后需使用溶劑或水進(jìn)行清洗，造成水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，出于環(huán)保要求，無(wú)腐蝕性釬劑成為發(fā)展趨勢(shì)。然而，目前使用的無(wú)腐蝕性釬劑大多活性較差。粘結(jié)劑是藥皮釬料研制中主要的技術(shù)難點(diǎn),采用的粘結(jié)劑必須具有以下特點(diǎn)：①保持釬劑在常溫及釬焊溫度下去膜和保護(hù)作用穩(wěn)定不變；②燃燒后碳?xì)埩糨^少；③具有良好的粘接強(qiáng)度；④常溫下固化且具有良好的防潮性，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸；⑤具有良好的塑韌性。粘結(jié)劑主要有兩種：有機(jī)粘結(jié)劑和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑。目前，藥皮焊條中常用的粘結(jié)劑大多是有機(jī)粘結(jié)劑，中國(guó)專利CN101190479 A公開(kāi)了一種帶有焊劑藥皮層的紫銅鎢極氬弧焊用焊絲，是采用丙烯酸樹(shù)脂粘結(jié)劑粘接焊劑，然后將焊劑壓涂到焊絲上[6]；文獻(xiàn)[7]也介紹了絲狀黃銅釬料表面壓涂一層藥皮，藥皮是通過(guò)有機(jī)粘結(jié)劑將焊劑粘結(jié)在一起。常用的有機(jī)粘結(jié)劑燃燒不僅污染環(huán)境，還損害操作員的身體健康[8]。工業(yè)上應(yīng)用最多的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑是硅酸鹽，但其熔點(diǎn)較高，釬焊時(shí)易產(chǎn)生阻流作用，因此不適用于制備藥皮釬料。

鄭州機(jī)械研究所自2009年在上海舉行的北京埃森焊接展覽會(huì)上出現(xiàn)藥皮釬焊焊條以來(lái)，關(guān)注并追蹤該技術(shù)，特別是在部分技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)提出技術(shù)應(yīng)用需求以來(lái)，迅速組織技術(shù)人員制定相應(yīng)的技術(shù)方案，開(kāi)發(fā)出兩種不含有機(jī)粘結(jié)劑的藥皮層：①配制藥皮溶液為釬劑的飽和溶液(或過(guò)飽和溶液)，當(dāng)飽和溶液變?yōu)檫^(guò)飽和溶液時(shí)，釬劑溶液會(huì)發(fā)生結(jié)晶，相鄰晶核聯(lián)結(jié)在一起，晶體交互生長(zhǎng)最后形成具有有一定強(qiáng)度、硬度的藥皮，與釬料牢固的結(jié)合在一起[9]；②通過(guò)無(wú)機(jī)易熔粘結(jié)劑將釬劑粘接到釬料表面上[10]，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑由硼酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽、硼酐(或硼酸)、氟硼酸鹽、無(wú)機(jī)氟化物中的一種或兩種以上組成。

鄭州機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)出的新型環(huán)保藥皮釬料環(huán)，藥皮層不含有機(jī)粘結(jié)劑，大大減輕了粘結(jié)劑燃燒對(duì)環(huán)境的污染，保證了操作員的身體健康。

2 藥皮釬料環(huán)的制造

藥皮釬料環(huán)的制造工藝流程如圖1所示，其中藥皮涂覆是藥皮釬料環(huán)制造中最關(guān)鍵的技術(shù)。

圖1 藥皮釬料環(huán)的制造工藝流程

目前，藥皮釬料環(huán)常用的涂覆技術(shù)有以下幾種[11]：浸涂、轉(zhuǎn)鼓涂覆法、空氣噴涂法、高壓無(wú)氣噴涂法、熔融附著法。

2.1 浸涂法

浸涂法是將釬料浸入藥皮膏中，提起后去除多余藥皮膏的涂覆方法。

2.2 轉(zhuǎn)鼓涂覆法

轉(zhuǎn)鼓涂覆法將釬料環(huán)和藥皮膏置于密閉的鼓形容器中，利用轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)翻滾技術(shù)將霧化后的藥皮均勻地涂覆在釬料環(huán)表面的方法。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)包括從至少一個(gè)噴嘴中噴射焊劑，涂覆焊劑按照一定時(shí)間周期進(jìn)行循環(huán)，每個(gè)涂覆周期藥皮的厚度增加2%～4%，直到形成一定厚度的藥皮涂層[12]。

2.3 空氣噴涂法

空氣噴涂法是用壓縮空氣氣流使藥皮膏霧化，并使其在氣流帶動(dòng)下涂覆到釬料表面。

2.4 高壓無(wú)氣噴涂法

高壓無(wú)氣噴涂法是用密閉容器內(nèi)的高壓泵輸送藥皮膏，藥皮膏高速?gòu)男】讎姵?，隨著沖擊空氣和高壓的急劇下降，藥皮膏內(nèi)溶劑急劇揮發(fā)，體積驟然膨脹面分散霧化，然后高速地涂覆在釬料上。涂覆效率高，獲得藥皮層厚而致密。與空氣噴涂法相比，高壓無(wú)氣噴涂法具有藥皮膏利用率高、涂覆效率高、一次噴涂藥皮層厚度大等優(yōu)點(diǎn)。

鄭州機(jī)械研究所采用高壓無(wú)氣噴涂法，研制出性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品且具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的新型環(huán)保藥皮釬料環(huán)(圖2)已通過(guò)海爾等十幾家企業(yè)生產(chǎn)驗(yàn)證，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

圖2 藥皮釬料環(huán)

2.5 熔融附著法

熔融附著法是將粉狀釬劑均勻混合后加熱熔化，熔化后的釬劑有很高的粘附力，可以附著在釬料上作為藥皮。

目前，高品質(zhì)藥皮釬料環(huán)比較成熟的生產(chǎn)工藝主要有轉(zhuǎn)鼓涂覆法和高壓無(wú)氣噴涂法兩種。轉(zhuǎn)鼓涂覆法需專用設(shè)備，成本較高；高壓無(wú)氣噴涂法所用設(shè)備在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上改造，成本較低，適用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

3 藥皮釬料環(huán)的應(yīng)用

藥皮釬料環(huán)采用細(xì)絲或薄窄帶釬料繞制成環(huán)狀釬料，能夠增大釬料環(huán)與待焊工件的接觸面積，從而保證在相同溫度下加快熱量傳導(dǎo)速度，進(jìn)而加快釬料熔化的速度，縮短釬料的熔化時(shí)間，避免待焊工件產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒的隱患。藥皮釬料環(huán)與傳統(tǒng)的實(shí)心釬料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了釬劑方便、快捷、定量、高效的預(yù)加入，釬焊時(shí)減少添加釬劑的工序且有效降低了焊劑的使用量，節(jié)約環(huán)保，配合高頻感應(yīng)加熱，圖3為藥皮銀釬料環(huán)配合高頻感應(yīng)釬焊鋼-銅管路效果圖，焊接效率大大提高，且接頭質(zhì)量不再依賴操作員的水平，保證焊接的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性。圖4和圖5分別為藥皮釬料環(huán)和實(shí)心釬料釬焊邦迪管宏觀、微觀對(duì)比圖，從圖中可以看出，藥皮釬料環(huán)釬焊接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良，無(wú)焊渣和焊瘤等缺欠產(chǎn)生。

圖3 藥皮銀釬料環(huán)釬焊鋼-銅管路效果

圖4 藥皮釬料環(huán)和實(shí)心釬料釬焊邦迪管宏觀對(duì)比圖

圖5 藥皮釬料環(huán)和實(shí)心釬料釬焊邦迪管微觀對(duì)比圖

感應(yīng)釬焊是眾多釬焊方法中的一種，它不是通過(guò)熱輻射來(lái)加熱金屬，而是利用電磁感應(yīng)原理使金屬自身產(chǎn)生熱量。這種加熱方法的能量利用率高并且加熱迅速，且僅使用電能，具有低能耗、低污染、無(wú)明火、低危害等優(yōu)點(diǎn)。隨著高頻感應(yīng)焊機(jī)的發(fā)展，感應(yīng)釬焊工藝在管路連接中的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。感應(yīng)釬焊操作簡(jiǎn)便、加熱相對(duì)均勻、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和能耗、經(jīng)濟(jì)性好(表1)，不需要加熱整個(gè)部件，允許快速局部加熱，以最小的強(qiáng)度損失連接高強(qiáng)度的元件。

藥皮釬料環(huán)屬于預(yù)成型復(fù)合釬料，在釬焊過(guò)程中，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，配合感應(yīng)或爐中加熱，可實(shí)現(xiàn)定量供給釬料，以及高效自動(dòng)化釬焊，得到的接頭質(zhì)量統(tǒng)一；釬料尺寸與釬縫的吻合，釬料在潤(rùn)濕鋪展過(guò)程中流損少，釬料的利用率高，從而節(jié)約釬料25%(表2)；通過(guò)與火焰釬焊工藝采用的釬料沾釬劑或預(yù)涂釬劑的方法進(jìn)行對(duì)比，采用藥皮焊環(huán)，降低了焊漏、焊堵的發(fā)生率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量[13]。藥皮釬料環(huán)中藥皮成分調(diào)節(jié)靈活、厚度可根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)與調(diào)控，使藥皮與釬料環(huán)在釬焊時(shí)能更好的融合，使用方便、成本低、污染小、焊縫成形美觀，特別適用于機(jī)械、空調(diào)及制冷等多個(gè)行業(yè)薄壁管路的釬焊。圖6為藥皮釬料環(huán)在分液器應(yīng)用。

表1 手工火焰釬焊與高頻感應(yīng)釬焊經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表2 藥皮釬料環(huán)與實(shí)心釬焊焊條用量對(duì)比

圖6 藥皮釬料環(huán)在分液器上應(yīng)用

藥皮釬料環(huán)實(shí)現(xiàn)了釬劑定位、快捷、定量、高效的預(yù)加入，且采用藥皮釬料環(huán)釬焊接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良。該類新型釬焊材料的研發(fā)及應(yīng)用，對(duì)于提高釬焊質(zhì)量與效率、降低相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本，具有直接的經(jīng)濟(jì)意義。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

(1)藥皮釬料環(huán)提高了釬劑和釬料的利用率，大大減少了釬劑排放，實(shí)現(xiàn)了節(jié)材減排。

(2)藥皮釬料環(huán)不含有機(jī)粘結(jié)劑，有效減少了焊劑的使用量，節(jié)約環(huán)保，將在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品釬焊質(zhì)量、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用，這使得藥皮釬料環(huán)有非常廣闊的應(yīng)用前景。

(3)藥皮釬料環(huán)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化釬焊，對(duì)中國(guó)制造2025進(jìn)程有極大的推進(jìn)作用，其地位也將在智能化生產(chǎn)中逐漸上升。

(4)近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)取得迅猛發(fā)展，以及制造業(yè)人口紅利的消失，都在加速促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展轉(zhuǎn)型，藥皮釬料環(huán)的研制及應(yīng)用極大推進(jìn)了釬焊產(chǎn)業(yè)也向高效化、綠色化、智能化方向的趨勢(shì)發(fā)展[14]。

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2016-12-21

河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃項(xiàng)目(174100510017)

TG425

呂登峰，1987年出生，碩士，助理工程師。主要研究方向?yàn)樾滦外F焊材料的開(kāi)發(fā)，已發(fā)表論文10余篇。