發布日期：2026-3-9 10:02:40
熱交換器廣泛應用于航空/航天領域，根據不同工況條件，可采用銅、鋁、及不銹鋼材料進行制造。隨著中國大飛機及新型作戰飛機的研制，對熱交換器的要求大幅提高，熱交換器不僅需要具有優良的換熱性能，還應滿足耐腐蝕能強、強度高、重量輕的技術要求，這就使得采用傳統材料已無法滿足主機的的產品需求。而鈦合金材料擁有比強度高、耐高溫、耐腐蝕等良好性能，應用于熱交換器可滿足主機的苛刻要求。
針對鈦合金板翅式散熱器的釬焊過程，國內已有高校及研究所對其進行了深入研究，李悅等[1]針對鈦合金板翅式結構換熱器的真空釬焊過程開展熱-固耦合建模及仿真研究，闡述了釬焊過程溫度均勻性及殘余應力的分布特征，得出了板翅式結構兩側溫度較高，中部溫度較低，延長保溫時間可有效改善板翅結構的溫度均勻性。馬龍飛等板翅式散熱器進行了真空釬焊過程溫度場的均勻性研究,得出了工件溫度場的均勻性受工件結構的影響顯著，板翅結構的峰值溫度位于板翅結構兩側。當工件受到熱輻射的方向性較差時，其溫度均勻性更好，因此間隔分布的加熱帶溫度均勻性更優，而升溫速率增大時，工件的溫度場均勻性變差。周賢軍等[3]針對鈦合金板翅式換熱器的釬焊過程進行了工藝仿真分析，設計了在擋板(封條)下壓0.1mm時的工藝方案，并進行了驗證工作，制備了質量良好、焊接緊密的換熱器樣件。鐘素娟等 [4]從釬焊方法與設備、釬焊工藝技術、鈦合金釬焊材料三個核心因素方面對目前國內外的相關理論知識與技術研究進行了綜合分析評述，并指出了目前存在的問題與需解決的難題。
雖然國內已有多人進行了鈦合金板翅式的釬焊的相關研究工作，但對于鈦合金熱交換器釬焊過程的工藝過程細節內容研究較少。本文結合產品的生產過程對鈦合金板翅式熱交換器的釬焊工藝進行研究。
鈦合金板翅式芯體釬焊釬料多采用銀基釬料或鈦基釬料，銀基釬料具有對能引起腐蝕的氯離子敏感的特性及高溫工作時強度較低的缺點，工業應用較少。而鈦基釬料具有強度高、耐腐蝕性能好的特點，可以適應復雜的工況環境。但由于鈦基釬料冶煉比較困難，且脆性較大，加工性能差，釬料箔材制備困難，雖然采用非晶極冷制箔技術成型非晶釬料,但由于寬度僅能達到20mm,無法用于熱交換器大面積的釬焊，目前鈦基釬料大多以粉狀或膏狀進行供應，因此本論文主要基于膏狀鈦基釬料的釬焊進行工藝研究。
1、工藝性分析
1.1芯體結構及材料分析
本文涉及的鈦合金板翅式熱交換器主要由側板、隔板、冷邊翅片、熱邊翅片、冷邊封條、熱邊封條構成,其產品芯體結構如圖1-2所示。為了提高換熱性能及降低產品重量,在能夠滿足承壓能力要求的情況下,隔板材料厚度一般選擇0.5mm,翅片材料厚度一般為0.1mm。在材料選擇上不僅要考慮產品耐腐蝕性能的要求,同時還應考慮零件加工的工藝性,如鈑金成型及釬焊性能等。TA1鈦合金材
料具有塑性好，耐腐蝕性能優良、易于采購的特點，因此,本文研究的熱交換器芯體材料采用TA1鈦合金。根據熱交換器的工況要求，本論文研究的熱交換器芯體釬焊質量要求如下:
(a)熱交換器芯體封條部位釬焊縫應滿足密封的要求;
(b)翅片與隔板或側板的釬著率應滿足芯體兩腔的承壓要求，在內腔加壓2MPa(表壓)情況下，不會出現芯體側板或隔板鼓包的情況。
1.2熱交換器釬焊工藝難點分析
熱交換器芯體材料采用TA1鈦合金,TA1屬于工業純鈦,其化學成分如表1所示。純鈦在常溫下以密排六方晶格結構存在，稱之為α鈦，在溫度升高到882℃以上時，轉變為體心立方結構，稱為 β鈦 [6]。相變后的TA1其塑性會下降，因此釬焊溫度一般應控制在相變溫度以下。
表1 TA1鈦合金化學成分 [6]
Tab.1 Chemical compositions of TA1
| 牌號 GB | 主要成分(質量分數)/% |
| Ti Al Cr Mo Sn Mn V Fe Cu Si B Zr | |
| TAI | 余--- |
鈦合金釬焊常用的鈦基釬料如表2所示。針對表中所示釬料,王娜等[7]進行了鈦基釬料釬焊TA2鈦合金的工藝研究,采用37.5Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni
表2鈦及鈦合金釬焊用鈦基釬料[6]
Tab.2 Ti base filler metals for brazing titanium and its alloy[6]
| 分類 | 牌號 | 主要成分 | 熔化溫度/℃ | 釬焊溫度/℃ |
| Ti-Zr-Cu-Ni | Type 1510(MBF5002) | Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni | 805~815 | 850~950 |
| Type 1515 | Ti-35Zr-15Cu-15Ni | 770~820 | 850~950 |
非晶箔帶和粉末釬料對TA2鈦合金進行了搭接釬焊釬焊試驗，結果表明，采用非晶釬料能更好抑制界面脆性化合物的形成。
鑒于TA1材料與TA2性能相近,本文同樣選用37.5Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni即 Type1510釬料進行熱交換器芯體的釬焊。
1.2.1鈦合金的釬焊特性
鈦合金屬于活性金屬，并具有強烈的吸氣傾向，因此釬焊過程必須在真空條件下進行。鈦合金在加熱過程中達到250℃開始強烈地吸氫,400℃時吸氧,600℃時吸氮[8]。因此釬焊過程中必須對爐內氣氛進行控制。釬焊過程中，真空度數值應不高于10-4毛，同時對每個吸氣過程也應進行控制，減少吸氣情況。
在真空條件下,鈦的氧化膜在溫度高于700℃時強烈的溶入鈦中形成α鈦，一種鈦和氧的固溶體[6],使鈦合金金屬變脆。因此對鈦合金焊前表面清洗質量應嚴格控制。
由鈦基釬料表可知,鈦基釬料中Cu和Ni元素的含量較高，這兩種元素在釬焊過程中與鈦作用強烈，釬焊時會快速擴散到基體金屬中與鈦反應造成對基體的溶蝕和形成脆性的擴散層，因此不利于薄壁件的釬焊[6]。為減少Cu和Ni元素對母材的侵蝕作用，需嚴格控制釬焊溫度和釬焊時間，并應控制釬料用量。
1.2.2熱交換器的釬焊特點
與簡單的零件釬焊相比，鈦合金板翅式熱交換器由于結構原因存在諸多不同之處:
(a)芯體釬焊縫數量眾多，均需保證釬焊質量，方能滿足產品的承壓要求。
(b)由于板翅式熱交換器釬焊過程中存在明顯的內外溫差，釬焊曲線的設置難度較大，設置不當易造成脫焊或溶蝕。
(c)鈦合金板翅式熱交換器采用鈦基膏狀釬料進行釬焊,為精細控制釬料用量,膏狀釬料的均勻涂覆及厚度控制要求較高。
(d)板翅式換熱器翅片采用0.1mm厚的TA1箔材成型而成，其在高溫下承壓能力較低，釬焊過程中極易出現芯體壓塌現象。
基于以上原因，為保證鈦合金芯體的釬焊質量，
需要對以下過程進行控制:
(a)黏結劑殘留物控制:鈦合金釬焊所用膏狀釬料中黏結劑的揮發或非揮發殘余成分不應造成鈦合金母材污染，影響釬焊質量或材料性能。
(b)零件尺寸控制:為保證芯體大量的釬焊縫一次釬焊合格，需嚴格控制零件各部位的釬焊間隙，滿足釬焊的要求。
(c)真空度控制:釬焊過程中釬焊曲線的設置應與釬焊爐的抽速相匹配，黏結劑揮發完成后可使真空度數值快速達到10^4千以下。
(d)焊前清洗:焊前清洗應保證去除表面的氧化膜。
(e)釬焊曲線設置:釬焊曲線的設置應兼顧釬焊過程中真空度的要求及工件內外溫差的要求，避免出現溫差過大導致芯體變形及脫焊或溶蝕缺陷。
(f)釬料涂敷控制:熱交換器芯體釬焊采用粉狀或膏狀釬料,釬料厚度的均勻精細控制非常重要,釬料過多或過少會導致釬焊溶蝕或脫焊。
(g)釬焊工裝設計及壓緊力控制:對于熱交換器來說，翅片厚度僅有0.1mm，在高溫下翅片承壓能力較弱，若壓力過大極易造成翅片失穩芯體塌陷。
2、工藝試驗
2.1膏狀釬料的試驗
2.1.1膏狀釬料或膠的揮發性試驗
膏狀釬料黏結劑的成分占比一般采用真空條件下550℃保溫揮發前后的重量差值與膏狀釬料的百分比進行評判[9]。為了判斷黏結劑的揮發情況,針對膏狀釬料的黏結劑殘留情況，制定如下試驗方案:
采用潔凈不銹鋼封頭稱取一定重量的膠或膏狀釬料,并采用潔凈不銹鋼箔覆蓋容器開口大部分,在真空爐中進行緩慢加熱揮發試驗,加熱過程在60min內常溫升溫至550℃,在550℃保溫60min,然后停止加熱隨爐降溫至常溫,檢查黏結劑揮發及殘留情況。
本次試驗采用3種樣品進行試驗,樣品情況如表3所示。
試驗進爐前后情況如圖3、4所示。
從試驗后情況可以看出:
表3試驗樣品情況
Tab.3 Test sample condition
| 序號 | 樣品名稱 | 備注 |
| 1 | 水基膠黏結劑 | 用于粉狀釬料調配膏狀釬料 |
| 2 | 320膠 | 市場采購 |
| 3 | 膏狀釬料 | 調配好的鈦基膏狀釬料 |
膏狀釬料(圖4(c)黏結劑完全揮發,不銹鋼工藝封頭內僅有粉狀釬料殘留，且呈現金屬泡沫狀。封頭內無黏結劑殘留，蓋板上無飛濺物。
水基膠(圖4(a)試驗后在不銹鋼工藝封頭內有較多的黑色膜狀殘留，且蓋板上有黑色條狀殘留物，分析認為膠高溫下劇烈飛濺形成。
320膠(圖4(b)試驗后不銹鋼工藝封頭內有黑色膜狀殘留，且蓋板上有明顯的黏結劑揮發痕跡，封頭內壁有液體沿壁流動的痕跡，認為膠高溫下形成泡狀冷卻時沿壁流下。
通過以上分析，可以看出膏狀釬料在550℃長時間保溫時可完全揮發且無揮發物殘留。320膠在550℃時膠的成分可部分揮發,并有沿封頭內壁流動的痕跡。水基膠飛濺比較劇烈，膠部分揮發，殘留較多。本論文的產品釬焊試驗采用選定的膏狀釬料進行釬焊。
2.1.2膏狀釬料釬焊試驗
為了驗證膏狀釬料對TA1鈦合金的釬焊效果，需對釬焊的填縫能力進行試驗，國內相關標準對釬料的填縫能力測試推薦環狀零件套合釬焊試驗方案。雖然該試驗可以同時測試釬料的填縫寬度、釬料與母材的合金化情況等多項數據,但該試驗存在試驗周期長，零件加工復雜等問題。為了更直觀地觀察試驗結果，采用T型接頭進行了釬料填縫試驗,并通過隔板涂覆釬料釬焊進行了強度試驗及彎曲試驗。
填縫試驗采用T型接頭進行釬焊,試驗情況如圖5所示。
圖5為釬焊前經過定位焊的T型試樣和焊后的填縫試驗(880℃釬焊5min),可以看到釬料從左側預置位置流動到最右端，且正反面均形成較好的釬焊圓角，接頭處連接部位呈明亮色。
鑒于鈦基釬料對母材具有一定的侵蝕作用,導致材料性能發生變化,影響產品的塑性及強度。同時不同廠家的釬料由于成分存在微量的差異,釬焊過程中對隔板的性能影響也不相同,為了驗證不同釬料對隔板的性能影響采用原材料、膏狀釬料單面涂覆隔板(TA1,厚度0.3mm)、粉狀釬料黏結劑調配自制膏狀釬料進行同爐隨爐釬焊,試樣進行彎曲及抗拉試驗。試驗結果如表4所示。
表4 TA1板材涂覆釬料前后的強度及彎曲角度
Tab.4 Strength and bending Angle of sheet metal before and after coating with filler metal
| 試樣 | 0.3mm-抗拉強度/MPa | 0.3mm-彎曲/(°) |
| 原材料 | 341.5 | 180 |
| 膏狀釬料 | 141 | 15 |
| 自配膏狀釬料 | 242 | 30 |
對數據進行分析,分析結果如圖6所示。
從試驗數據可以看出，TA1鈦合金原材料具有很好的塑性，抗拉強度較高。釬焊后呈現脆斷的趨勢，自制膏狀釬料的耐彎曲能力稍優于膏狀釬料。根據以上分析，可知釬料在釬焊過程中對母材的侵蝕作用比較明顯，材料塑性大幅降低。這是由于鈦基釬料自身特點所致，考慮到生產過程中的釬料涂覆的便利程度，本論文產品釬焊采用膏狀釬料(市售)進行釬焊。
2.2零件尺寸控制
鈦合金板翅式熱交換器芯體由側板、隔板、冷邊翅片、熱邊翅片、冷邊封條、熱邊封條構成，對每一層熱邊或冷邊均包括兩側的封條及中間的翅片，為保證釬焊過程中封條和翅片均能與側板或隔板釬焊形成優質的釬焊接頭，封條和翅片的零件高度應按一定的高度差進行匹配。
對于一般釬焊工藝，釬縫間隙的最佳值在0.01~0.2mm之間。對于板翅式熱交換器結構來說，其釬焊接頭形式屬于預置釬料釬焊，釬焊接頭的形成過程不需要釬料長距離的流動，一般控制間隙在0.05mm左右即可，考慮到釬焊過程中翅片高度會由于釬焊夾具的壓力有輕微下塌的情況，因此本論文的釬焊試驗控制翅片高度比兩側封條高度高出0.01~0.05mm。
2.3焊前清洗試驗
鈦及鈦合金零件在釬焊過程中，其表面的氧化膜會溶入母材內形成固溶體組織，因此表面氧化膜的多少對釬焊后的母材質量有一定的影響，通常釬焊前均需對零件進行焊前清洗，一般采用氫氟酸進行酸洗 [11]。為了優化產品的清洗工藝,采用不同的清洗方法進行清洗。為驗證不同的清洗方法對表面氧化膜的影響，采用不同的表面處理方法清洗后，隨爐釬焊，并測定材料的抗拉強度，具體試驗方案如下:
試驗對象:0.3mm隔板、0.15鈦箔,材料均為TA1鈦合金。
試驗方法:采用不同的清洗方法(超聲波清洗、清洗劑清洗、檸檬酸酸洗、HF酸酸洗),每種清洗方法采用兩個試片。隨爐釬焊，檢查試片抗拉強度。
試驗結果如表5所示。
對數據進行分析,分析結果如圖7所示。
從曲線變化趨勢可以看出,不同的清洗方法對強度有一定的影響，其中:清洗劑清洗強度>超聲波清洗強度>HF酸酸洗強度>檸檬酸酸洗強度。由于在鈦合金釬焊過程中，表面氧化膜會溶入母材中導致母材呈現一定的脆性，也會造成抗拉強度升高，因此，從曲線數據可以看出，HF酸洗后表面氧化膜殘留較少，其中檸檬酸酸洗后效果最好。
表5不同清洗方法的強度
Tab.5 Strength of different cleaning methods
| 試樣 | 不同清洗方法的強度 R m /MPa | |||
| 超聲波 清洗 | 清洗劑 清洗 | 檸檬酸酸洗 | HF酸酸洗 | |
| 0.3mm隔板 | 383 | 388 | 349.5 | 366 |
| 0.15mm鈦箔 | 369 | 383.5 | 343.5 | 357 |
| 平均值 | 376 | 385.75 | 346.5 | 363 |
2.4釬料涂覆試驗
對于膏狀釬料的涂覆，常用的有噴涂和絲網印刷工藝。在國內電子行業大量采用焊膏印刷工藝，劉成文等 [12]進行了表面貼裝技術用焊膏及印刷技術研究,分析了焊膏印刷過程中影響質量的因素,并給出了控制方法。對于釬料的噴涂工藝，由于應用較少，國內相關研究資料較少。為了驗證兩種不同的涂覆工藝對釬料厚度的影響，分別采用噴涂工藝及絲網印刷兩種工藝方法進行膏狀釬料的涂覆試驗，試驗情況如圖8-9所示。
噴涂工藝:采用專用的噴涂設備將釬料與膠液均勻噴涂于零件表面，形成釬料層。采用釬料噴涂設備,能夠保證較好的釬料和黏結劑配比,但在噴涂過程中會采用人工操作，厚度均勻性難以保證，同時板材邊緣部位噴涂造成釬料的大量浪費且不能回收利用。
絲網印刷工藝:采用絲網印刷機將膏狀釬料透過絲網涂于隔板表面。絲網印刷過程可以通過調節壓力及更換絲網有效調節涂覆釬料厚度，并可控制涂覆厚度均勻一致，釬料浪費降低到最小。
基于以上對比,本論文選用絲網印刷工藝進行隔板表面的釬料涂覆。通過對絲網印刷后隔板進行隨爐釬焊后稱重計算,其釬料附加厚度約 0.03mm左右。基本與單層非晶釬料厚度相當，可滿足釬焊需要。
2.5釬焊曲線設置與真空度控制
國內對鈦合金的釬焊研究較多,蘇云海等 [13]采用銀基釬料進行了鈦合金板翅式換熱器的制造研究,采用銀鋁錳釬料在釬焊溫度860℃保溫40 min完成了 TC9鈦合金板翅式換熱器的釬焊。本文研究的熱交換器采用膏狀釬料,膏狀釬料的揮發會嚴重影響釬焊爐的真空度，甚至會由于過量揮發導致擴散泵關泵,影響抽空系統正常工作,因此釬焊工藝曲線的設置應考慮應膏狀釬料的揮發過程。在黏結劑的揮發段一般會置長時保溫段,待黏結劑揮發完后,再繼續升溫。同時結合Typel510釬料的推薦釬焊溫度范圍及TA1材料的相變溫度,初步設置釬焊曲線如圖10所示。
采用以上參數進行了試驗件的釬焊，釬焊后試驗件情況如圖11所示。
從試驗件照片可以看出,釬焊縫圓角良好,翅片有輕微的壓塌變形情況。通過查看釬焊過程數據記錄,在黏結劑揮發后的真空度處于1×10−4∼5×10−5乇范圍內。說明釬焊參數設置可以用于該芯體的釬焊。
2.6釬焊工裝的設計及壓緊力控制
鈦合金熱交換器釬焊過程中由于黏結劑的揮發,芯體高度會發生明顯變化,導致采用拉桿壓緊方式無法滿足釬焊溫度下芯體的壓緊,黏結劑揮發后的壓緊力主要來自于釬焊夾具上夾具板的重量及其額外增加的配重。從上節內容可以看出，芯體釬焊易出現芯體翅片失穩彎曲的情況,因此對夾具重量及配重進行控制非常重要。
對于釬焊工裝對釬焊工件的質量影響，陳學永等 [14]進行了鋁合金液冷機箱真空釬焊工藝及變形控制研究,得出了采用剛性壓緊工裝焊接變形量明顯高于彈性工裝。但由于鈦合金的釬焊溫度遠高于鋁合金,不便采用彈性壓緊方式,而對于鈦合金釬焊的夾具重量及壓緊力方面無論研究所或高校均研究內容較少。在鈦合金擴散焊工藝研究方面，有研究結果指出,對于TA12及TA15鈦合金采用940℃,5 MPa的擴散焊壓力，擴散焊效果較好 [15]。
對于采用TA1材料的鈦合金板翅式熱交換器，由于釬焊溫度在900℃以下，且采用釬料焊接，壓力參數可以小于擴散焊的壓力，本文釬焊過程采用3MPa壓力進行配重計算(按照封條交叉部位的面積進行計算)。
3、產品釬焊試驗
根據以上研究成果,采用正規產品組件進行釬焊,考慮到產品芯體尺寸大于試驗件尺寸,對釬焊參數進行了優化調整,釬焊夾具配重采用3MPa進行核算,具體釬焊曲線如圖12所示。
釬焊后的芯體照片及產品照片如圖13所示。
對產品釬焊縫外觀檢查，未發現脫焊及溶蝕現象，釬縫飽滿。產品經2MPa(表壓)氣密試驗，未發現泄漏現象。
4、結論
(1)Type1510鈦基釬料可用于TA1鈦合金板翅式熱交換器的真空釬焊，釬焊溫度880℃,釬焊時間10~20min,根據釬焊芯體的大小進行選擇。同時，采用鈦基釬料釬焊熱交換器時，由于鈦基釬料的侵蝕作用會導致母材脆化。
(2)鈦合金芯體零件焊前酸洗可采用檸檬酸或氫氟酸進行酸洗，去除零件表面氧化膜。
(3)對于鈦合金板翅式熱交換器，采用絲網印刷方式可精細控制釬料涂覆量,涂覆的釬料金屬厚度建議控制在0.03mm左右;鈦基膏狀釬料使用前應進行黏結劑揮發試驗以確定其殘留情況。在鈦合金板翅式熱交換器翅片和封條的高度差控制在0.01~0.05mm范圍的情況下,釬焊質量良好。
(4)釬焊溫度曲線設置應考慮芯體的大小及黏結劑揮發導致的真空度下降，在黏結劑揮發段長時間保溫有助于釬焊過程中爐內氣氛的控制。控制釬焊過程中(550℃以上)真空度壓強數值控制在10-4乇以下，可獲得良好的釬焊接頭。
(5)釬焊夾具的設計應考慮黏結劑揮發導致芯體高度明顯下降的情況，在采用3MPa壓力設計夾具及配重時，芯體釬焊過程不會出現明顯的下塌變形情況。
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（注，原文標題：鈦合金板翅式熱交換器釬焊工藝研究）