发布日期：2026-3-9 10:02:40
热交换器广泛应用于航空/航天领域，根据不同工况条件，可采用铜、铝、及不锈钢材料进行制造。随着中国大飞机及新型作战飞机的研制，对热交换器的要求大幅提高，热交换器不仅需要具有优良的换热性能，还应满足耐腐蚀能强、强度高、重量轻的技术要求，这就使得采用传统材料已无法满足主机的的产品需求。而钛合金材料拥有比强度高、耐高温、耐腐蚀等良好性能，应用于热交换器可满足主机的苛刻要求。
针对钛合金板翅式散热器的钎焊过程，国内已有高校及研究所对其进行了深入研究，李悦等[1]针对钛合金板翅式结构换热器的真空钎焊过程开展热-固耦合建模及仿真研究，阐述了钎焊过程温度均匀性及残余应力的分布特征，得出了板翅式结构两侧温度较高，中部温度较低，延长保温时间可有效改善板翅结构的温度均匀性。马龙飞等板翅式散热器进行了真空钎焊过程温度场的均匀性研究,得出了工件温度场的均匀性受工件结构的影响显著，板翅结构的峰值温度位于板翅结构两侧。当工件受到热辐射的方向性较差时，其温度均匀性更好，因此间隔分布的加热带温度均匀性更优，而升温速率增大时，工件的温度场均匀性变差。周贤军等[3]针对钛合金板翅式换热器的钎焊过程进行了工艺仿真分析，设计了在挡板(封条)下压0.1mm时的工艺方案，并进行了验证工作，制备了质量良好、焊接紧密的换热器样件。钟素娟等 [4]从钎焊方法与设备、钎焊工艺技术、钛合金钎焊材料三个核心因素方面对目前国内外的相关理论知识与技术研究进行了综合分析评述，并指出了目前存在的问题与需解决的难题。
虽然国内已有多人进行了钛合金板翅式的钎焊的相关研究工作，但对于钛合金热交换器钎焊过程的工艺过程细节内容研究较少。本文结合产品的生产过程对钛合金板翅式热交换器的钎焊工艺进行研究。
钛合金板翅式芯体钎焊钎料多采用银基钎料或钛基钎料，银基钎料具有对能引起腐蚀的氯离子敏感的特性及高温工作时强度较低的缺点，工业应用较少。而钛基钎料具有强度高、耐腐蚀性能好的特点，可以适应复杂的工况环境。但由于钛基钎料冶炼比较困难，且脆性较大，加工性能差，钎料箔材制备困难，虽然采用非晶极冷制箔技术成型非晶钎料,但由于宽度仅能达到20mm,无法用于热交换器大面积的钎焊，目前钛基钎料大多以粉状或膏状进行供应，因此本论文主要基于膏状钛基钎料的钎焊进行工艺研究。
1、工艺性分析
1.1芯体结构及材料分析
本文涉及的钛合金板翅式热交换器主要由侧板、隔板、冷边翅片、热边翅片、冷边封条、热边封条构成,其产品芯体结构如图1-2所示。为了提高换热性能及降低产品重量,在能够满足承压能力要求的情况下,隔板材料厚度一般选择0.5mm,翅片材料厚度一般为0.1mm。在材料选择上不仅要考虑产品耐腐蚀性能的要求,同时还应考虑零件加工的工艺性,如钣金成型及钎焊性能等。TA1钛合金材
料具有塑性好，耐腐蚀性能优良、易于采购的特点，因此,本文研究的热交换器芯体材料采用TA1钛合金。根据热交换器的工况要求，本论文研究的热交换器芯体钎焊质量要求如下:
(a)热交换器芯体封条部位钎焊缝应满足密封的要求;
(b)翅片与隔板或侧板的钎着率应满足芯体两腔的承压要求，在内腔加压2MPa(表压)情况下，不会出现芯体侧板或隔板鼓包的情况。
1.2热交换器钎焊工艺难点分析
热交换器芯体材料采用TA1钛合金,TA1属于工业纯钛,其化学成分如表1所示。纯钛在常温下以密排六方晶格结构存在，称之为α钛，在温度升高到882℃以上时，转变为体心立方结构，称为 β钛 [6]。相变后的TA1其塑性会下降，因此钎焊温度一般应控制在相变温度以下。
表1 TA1钛合金化学成分 [6]
Tab.1 Chemical compositions of TA1
| 牌号 GB | 主要成分(质量分数)/% |
| Ti Al Cr Mo Sn Mn V Fe Cu Si B Zr | |
| TAI | 余--- |
钛合金钎焊常用的钛基钎料如表2所示。针对表中所示钎料,王娜等[7]进行了钛基钎料钎焊TA2钛合金的工艺研究,采用37.5Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni
表2钛及钛合金钎焊用钛基钎料[6]
Tab.2 Ti base filler metals for brazing titanium and its alloy[6]
| 分类 | 牌号 | 主要成分 | 熔化温度/℃ | 钎焊温度/℃ |
| 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 |
非晶箔带和粉末钎料对TA2钛合金进行了搭接钎焊钎焊试验，结果表明，采用非晶钎料能更好抑制界面脆性化合物的形成。
鉴于TA1材料与TA2性能相近,本文同样选用37.5Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni即 Type1510钎料进行热交换器芯体的钎焊。
1.2.1钛合金的钎焊特性
钛合金属于活性金属，并具有强烈的吸气倾向，因此钎焊过程必须在真空条件下进行。钛合金在加热过程中达到250℃开始强烈地吸氢,400℃时吸氧,600℃时吸氮[8]。因此钎焊过程中必须对炉内气氛进行控制。钎焊过程中，真空度数值应不高于10-4毛，同时对每个吸气过程也应进行控制，减少吸气情况。
在真空条件下,钛的氧化膜在温度高于700℃时强烈的溶入钛中形成α钛，一种钛和氧的固溶体[6],使钛合金金属变脆。因此对钛合金焊前表面清洗质量应严格控制。
由钛基钎料表可知,钛基钎料中Cu和Ni元素的含量较高，这两种元素在钎焊过程中与钛作用强烈，钎焊时会快速扩散到基体金属中与钛反应造成对基体的溶蚀和形成脆性的扩散层，因此不利于薄壁件的钎焊[6]。为减少Cu和Ni元素对母材的侵蚀作用，需严格控制钎焊温度和钎焊时间，并应控制钎料用量。
1.2.2热交换器的钎焊特点
与简单的零件钎焊相比，钛合金板翅式热交换器由于结构原因存在诸多不同之处:
(a)芯体钎焊缝数量众多，均需保证钎焊质量，方能满足产品的承压要求。
(b)由于板翅式热交换器钎焊过程中存在明显的内外温差，钎焊曲线的设置难度较大，设置不当易造成脱焊或溶蚀。
(c)钛合金板翅式热交换器采用钛基膏状钎料进行钎焊,为精细控制钎料用量,膏状钎料的均匀涂覆及厚度控制要求较高。
(d)板翅式换热器翅片采用0.1mm厚的TA1箔材成型而成，其在高温下承压能力较低，钎焊过程中极易出现芯体压塌现象。
基于以上原因，为保证钛合金芯体的钎焊质量，
需要对以下过程进行控制:
(a)黏结剂残留物控制:钛合金钎焊所用膏状钎料中黏结剂的挥发或非挥发残余成分不应造成钛合金母材污染，影响钎焊质量或材料性能。
(b)零件尺寸控制:为保证芯体大量的钎焊缝一次钎焊合格，需严格控制零件各部位的钎焊间隙，满足钎焊的要求。
(c)真空度控制:钎焊过程中钎焊曲线的设置应与钎焊炉的抽速相匹配，黏结剂挥发完成后可使真空度数值快速达到10^4千以下。
(d)焊前清洗:焊前清洗应保证去除表面的氧化膜。
(e)钎焊曲线设置:钎焊曲线的设置应兼顾钎焊过程中真空度的要求及工件内外温差的要求，避免出现温差过大导致芯体变形及脱焊或溶蚀缺陷。
(f)钎料涂敷控制:热交换器芯体钎焊采用粉状或膏状钎料,钎料厚度的均匀精细控制非常重要,钎料过多或过少会导致钎焊溶蚀或脱焊。
(g)钎焊工装设计及压紧力控制:对于热交换器来说，翅片厚度仅有0.1mm，在高温下翅片承压能力较弱，若压力过大极易造成翅片失稳芯体塌陷。
2、工艺试验
2.1膏状钎料的试验
2.1.1膏状钎料或胶的挥发性试验
膏状钎料黏结剂的成分占比一般采用真空条件下550℃保温挥发前后的重量差值与膏状钎料的百分比进行评判[9]。为了判断黏结剂的挥发情况,针对膏状钎料的黏结剂残留情况，制定如下试验方案:
采用洁净不锈钢封头称取一定重量的胶或膏状钎料,并采用洁净不锈钢箔覆盖容器开口大部分,在真空炉中进行缓慢加热挥发试验,加热过程在60min内常温升温至550℃,在550℃保温60min,然后停止加热随炉降温至常温,检查黏结剂挥发及残留情况。
本次试验采用3种样品进行试验,样品情况如表3所示。
试验进炉前后情况如图3、4所示。
从试验后情况可以看出:
表3试验样品情况
Tab.3 Test sample condition
| 序号 | 样品名称 | 备注 |
| 1 | 水基胶黏结剂 | 用于粉状钎料调配膏状钎料 |
| 2 | 320胶 | 市场采购 |
| 3 | 膏状钎料 | 调配好的钛基膏状钎料 |
膏状钎料(图4(c)黏结剂完全挥发,不锈钢工艺封头内仅有粉状钎料残留，且呈现金属泡沫状。封头内无黏结剂残留，盖板上无飞溅物。
水基胶(图4(a)试验后在不锈钢工艺封头内有较多的黑色膜状残留，且盖板上有黑色条状残留物，分析认为胶高温下剧烈飞溅形成。
320胶(图4(b)试验后不锈钢工艺封头内有黑色膜状残留，且盖板上有明显的黏结剂挥发痕迹，封头内壁有液体沿壁流动的痕迹，认为胶高温下形成泡状冷却时沿壁流下。
通过以上分析，可以看出膏状钎料在550℃长时间保温时可完全挥发且无挥发物残留。320胶在550℃时胶的成分可部分挥发,并有沿封头内壁流动的痕迹。水基胶飞溅比较剧烈，胶部分挥发，残留较多。本论文的产品钎焊试验采用选定的膏状钎料进行钎焊。
2.1.2膏状钎料钎焊试验
为了验证膏状钎料对TA1钛合金的钎焊效果，需对钎焊的填缝能力进行试验，国内相关标准对钎料的填缝能力测试推荐环状零件套合钎焊试验方案。虽然该试验可以同时测试钎料的填缝宽度、钎料与母材的合金化情况等多项数据,但该试验存在试验周期长，零件加工复杂等问题。为了更直观地观察试验结果，采用T型接头进行了钎料填缝试验,并通过隔板涂覆钎料钎焊进行了强度试验及弯曲试验。
填缝试验采用T型接头进行钎焊,试验情况如图5所示。
图5为钎焊前经过定位焊的T型试样和焊后的填缝试验(880℃钎焊5min),可以看到钎料从左侧预置位置流动到最右端，且正反面均形成较好的钎焊圆角，接头处连接部位呈明亮色。
鉴于钛基钎料对母材具有一定的侵蚀作用,导致材料性能发生变化,影响产品的塑性及强度。同时不同厂家的钎料由于成分存在微量的差异,钎焊过程中对隔板的性能影响也不相同,为了验证不同钎料对隔板的性能影响采用原材料、膏状钎料单面涂覆隔板(TA1,厚度0.3mm)、粉状钎料黏结剂调配自制膏状钎料进行同炉随炉钎焊,试样进行弯曲及抗拉试验。试验结果如表4所示。
表4 TA1板材涂覆钎料前后的强度及弯曲角度
Tab.4 Strength and bending Angle of sheet metal before and after coating with filler metal
| 试样 | 0.3mm-抗拉强度/MPa | 0.3mm-弯曲/(°) |
| 原材料 | 341.5 | 180 |
| 膏状钎料 | 141 | 15 |
| 自配膏状钎料 | 242 | 30 |
对数据进行分析,分析结果如图6所示。
从试验数据可以看出，TA1钛合金原材料具有很好的塑性，抗拉强度较高。钎焊后呈现脆断的趋势，自制膏状钎料的耐弯曲能力稍优于膏状钎料。根据以上分析，可知钎料在钎焊过程中对母材的侵蚀作用比较明显，材料塑性大幅降低。这是由于钛基钎料自身特点所致，考虑到生产过程中的钎料涂覆的便利程度，本论文产品钎焊采用膏状钎料(市售)进行钎焊。
2.2零件尺寸控制
钛合金板翅式热交换器芯体由侧板、隔板、冷边翅片、热边翅片、冷边封条、热边封条构成，对每一层热边或冷边均包括两侧的封条及中间的翅片，为保证钎焊过程中封条和翅片均能与侧板或隔板钎焊形成优质的钎焊接头，封条和翅片的零件高度应按一定的高度差进行匹配。
对于一般钎焊工艺，钎缝间隙的最佳值在0.01~0.2mm之间。对于板翅式热交换器结构来说，其钎焊接头形式属于预置钎料钎焊，钎焊接头的形成过程不需要钎料长距离的流动，一般控制间隙在0.05mm左右即可，考虑到钎焊过程中翅片高度会由于钎焊夹具的压力有轻微下塌的情况，因此本论文的钎焊试验控制翅片高度比两侧封条高度高出0.01~0.05mm。
2.3焊前清洗试验
钛及钛合金零件在钎焊过程中，其表面的氧化膜会溶入母材内形成固溶体组织，因此表面氧化膜的多少对钎焊后的母材质量有一定的影响，通常钎焊前均需对零件进行焊前清洗，一般采用氢氟酸进行酸洗 [11]。为了优化产品的清洗工艺,采用不同的清洗方法进行清洗。为验证不同的清洗方法对表面氧化膜的影响，采用不同的表面处理方法清洗后，随炉钎焊，并测定材料的抗拉强度，具体试验方案如下:
试验对象:0.3mm隔板、0.15钛箔,材料均为TA1钛合金。
试验方法:采用不同的清洗方法(超声波清洗、清洗剂清洗、柠檬酸酸洗、HF酸酸洗),每种清洗方法采用两个试片。随炉钎焊，检查试片抗拉强度。
试验结果如表5所示。
对数据进行分析,分析结果如图7所示。
从曲线变化趋势可以看出,不同的清洗方法对强度有一定的影响，其中:清洗剂清洗强度>超声波清洗强度>HF酸酸洗强度>柠檬酸酸洗强度。由于在钛合金钎焊过程中，表面氧化膜会溶入母材中导致母材呈现一定的脆性，也会造成抗拉强度升高，因此，从曲线数据可以看出，HF酸洗后表面氧化膜残留较少，其中柠檬酸酸洗后效果最好。
表5不同清洗方法的强度
Tab.5 Strength of different cleaning methods
| 试样 | 不同清洗方法的强度 R m /MPa | |||
| 超声波 清洗 | 清洗剂 清洗 | 柠檬酸酸洗 | HF酸酸洗 | |
| 0.3mm隔板 | 383 | 388 | 349.5 | 366 |
| 0.15mm钛箔 | 369 | 383.5 | 343.5 | 357 |
| 平均值 | 376 | 385.75 | 346.5 | 363 |
2.4钎料涂覆试验
对于膏状钎料的涂覆，常用的有喷涂和丝网印刷工艺。在国内电子行业大量采用焊膏印刷工艺，刘成文等 [12]进行了表面贴装技术用焊膏及印刷技术研究,分析了焊膏印刷过程中影响质量的因素,并给出了控制方法。对于钎料的喷涂工艺，由于应用较少，国内相关研究资料较少。为了验证两种不同的涂覆工艺对钎料厚度的影响，分别采用喷涂工艺及丝网印刷两种工艺方法进行膏状钎料的涂覆试验，试验情况如图8-9所示。
喷涂工艺:采用专用的喷涂设备将钎料与胶液均匀喷涂于零件表面，形成钎料层。采用钎料喷涂设备,能够保证较好的钎料和黏结剂配比,但在喷涂过程中会采用人工操作，厚度均匀性难以保证，同时板材边缘部位喷涂造成钎料的大量浪费且不能回收利用。
丝网印刷工艺:采用丝网印刷机将膏状钎料透过丝网涂于隔板表面。丝网印刷过程可以通过调节压力及更换丝网有效调节涂覆钎料厚度，并可控制涂覆厚度均匀一致，钎料浪费降低到最小。
基于以上对比,本论文选用丝网印刷工艺进行隔板表面的钎料涂覆。通过对丝网印刷后隔板进行随炉钎焊后称重计算,其钎料附加厚度约 0.03mm左右。基本与单层非晶钎料厚度相当，可满足钎焊需要。
2.5钎焊曲线设置与真空度控制
国内对钛合金的钎焊研究较多,苏云海等 [13]采用银基钎料进行了钛合金板翅式换热器的制造研究,采用银铝锰钎料在钎焊温度860℃保温40 min完成了 TC9钛合金板翅式换热器的钎焊。本文研究的热交换器采用膏状钎料,膏状钎料的挥发会严重影响钎焊炉的真空度，甚至会由于过量挥发导致扩散泵关泵,影响抽空系统正常工作,因此钎焊工艺曲线的设置应考虑应膏状钎料的挥发过程。在黏结剂的挥发段一般会置长时保温段,待黏结剂挥发完后,再继续升温。同时结合Typel510钎料的推荐钎焊温度范围及TA1材料的相变温度,初步设置钎焊曲线如图10所示。
采用以上参数进行了试验件的钎焊，钎焊后试验件情况如图11所示。
从试验件照片可以看出,钎焊缝圆角良好,翅片有轻微的压塌变形情况。通过查看钎焊过程数据记录,在黏结剂挥发后的真空度处于1×10−4∼5×10−5乇范围内。说明钎焊参数设置可以用于该芯体的钎焊。
2.6钎焊工装的设计及压紧力控制
钛合金热交换器钎焊过程中由于黏结剂的挥发,芯体高度会发生明显变化,导致采用拉杆压紧方式无法满足钎焊温度下芯体的压紧,黏结剂挥发后的压紧力主要来自于钎焊夹具上夹具板的重量及其额外增加的配重。从上节内容可以看出，芯体钎焊易出现芯体翅片失稳弯曲的情况,因此对夹具重量及配重进行控制非常重要。
对于钎焊工装对钎焊工件的质量影响，陈学永等 [14]进行了铝合金液冷机箱真空钎焊工艺及变形控制研究,得出了采用刚性压紧工装焊接变形量明显高于弹性工装。但由于钛合金的钎焊温度远高于铝合金,不便采用弹性压紧方式,而对于钛合金钎焊的夹具重量及压紧力方面无论研究所或高校均研究内容较少。在钛合金扩散焊工艺研究方面，有研究结果指出,对于TA12及TA15钛合金采用940℃,5 MPa的扩散焊压力，扩散焊效果较好 [15]。
对于采用TA1材料的钛合金板翅式热交换器，由于钎焊温度在900℃以下，且采用钎料焊接，压力参数可以小于扩散焊的压力，本文钎焊过程采用3MPa压力进行配重计算(按照封条交叉部位的面积进行计算)。
3、产品钎焊试验
根据以上研究成果,采用正规产品组件进行钎焊,考虑到产品芯体尺寸大于试验件尺寸,对钎焊参数进行了优化调整,钎焊夹具配重采用3MPa进行核算,具体钎焊曲线如图12所示。
钎焊后的芯体照片及产品照片如图13所示。
对产品钎焊缝外观检查，未发现脱焊及溶蚀现象，钎缝饱满。产品经2MPa(表压)气密试验，未发现泄漏现象。
4、结论
(1)Type1510钛基钎料可用于TA1钛合金板翅式热交换器的真空钎焊，钎焊温度880℃,钎焊时间10~20min,根据钎焊芯体的大小进行选择。同时，采用钛基钎料钎焊热交换器时，由于钛基钎料的侵蚀作用会导致母材脆化。
(2)钛合金芯体零件焊前酸洗可采用柠檬酸或氢氟酸进行酸洗，去除零件表面氧化膜。
(3)对于钛合金板翅式热交换器，采用丝网印刷方式可精细控制钎料涂覆量,涂覆的钎料金属厚度建议控制在0.03mm左右;钛基膏状钎料使用前应进行黏结剂挥发试验以确定其残留情况。在钛合金板翅式热交换器翅片和封条的高度差控制在0.01~0.05mm范围的情况下,钎焊质量良好。
(4)钎焊温度曲线设置应考虑芯体的大小及黏结剂挥发导致的真空度下降，在黏结剂挥发段长时间保温有助于钎焊过程中炉内气氛的控制。控制钎焊过程中(550℃以上)真空度压强数值控制在10-4乇以下，可获得良好的钎焊接头。
(5)钎焊夹具的设计应考虑黏结剂挥发导致芯体高度明显下降的情况，在采用3MPa压力设计夹具及配重时，芯体钎焊过程不会出现明显的下塌变形情况。
参考文献:
[1]李悦，王建峰，马龙飞，等.保温时间对钛合金板翅式换热器真空钎焊过程温度场及残余应力的影响[J].焊接学报，2024,45(2):33-40.
[2]马龙飞，王建峰，李悦，等.钛合金板翅式结构真空钎焊过程温度场均匀性研究[J].中国有色金属学报，2023,33(12):4070-4079.
[3]周贤军，陈旭，金诚，等.钛合金板翅式散热器钎焊工艺仿真分析[J].现代交通与冶金材料，2024,4(4):75-79.
[4]钟素娟，刘攀，秦建，等.钛合金板翅式散热器钎焊的研究进展[J].电焊机，2022,52(6):1-9.
[5]张秋平，张永寿.钛合金用钎焊材料的工艺发展现状[J].飞航导弹，2005(7):56-64.
[6]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].3版，北京:机械工业出版社.
[7]王娜，刘全明，肖俊峰，等.TiZrCuNi钎料钎焊TA2钛接头的组织与性能[J].热加工工艺，2022，51(23):136-139.
[8]邹茉莲.TC1和TC3钛合金的焊接性研究[J].航空材料，1986，6(1):16-20.
[9] American Welding Society. Specification for fillers met-als for brazing and braze welding: AWS A5.8M/A5.8:2019[S].2019.
[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.钎料润湿性试验方法:GB/T 11364-2008[S].中国标准出版社,2008.
[11]国家国防科技工业局.钛及钛合金钎焊工艺及质量检验:HB/Z20021-2014[S].2015.
[12]刘成文，宋振宇.表面贴装技术用焊膏及印刷技术[J].电子工艺技术，2003,24(4):147-151.
[13]苏云海.钛合金板翅式换热器的制造[J].热能动力工程,1990,5(2):16-19.
[14]陈学永，马力，黄胜利.铝合金液冷机箱真空钎焊工艺及变形控制研究[J].航空精密制造技术，2019，55(3):49-52.
[15]黄亮.高温钛合金扩散焊界面缺欠的形成及对力学性能的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2015.
（注，原文标题：钛合金板翅式热交换器钎焊工艺研究）