黄铜压力表系统钎焊质量缺陷分析与改善

目前，制造技术的不断发展和智能制造的要求，使得各种仪器仪表和传感技术的应用需求不断加大，并且要求使用的各种传感仪表高精度、高灵敏度、高可靠性。黄铜压力表是应用广泛的压力感知仪器，不断提升压力表的精度和高可靠性是压力仪表制造厂家面临的挑战。

机械压力表的核心部件为压力感应系统，行业内称之为波登管（bourdon tube）压力系统，应用较多的材料为黄铜。压力系统质量的好坏直接关系到压力表的精度和使用耐久性。因此黄铜波登管的焊接（钎焊）技术是提升压力表产品质量稳定和高可靠性的关键制造技术。

1 钎焊定义

钎焊是一种精密的产品零件连接技术，是使用熔点低于母材的钎焊填充材料和母材一同加热，熔化钎料成液态后，在焊缝位置润湿并通过毛细流动的特性填充焊缝，冷却后和母材融为一体进而起到密封或者连接不同母材的连接技术。

钎焊广泛应用在仪器仪表、电子、汽车和家电等领域。根据加热方法的不同有火焰钎焊、感应加热钎焊、电阻加热钎焊和激光加热钎焊等。根据加热温度的不同又普遍分为软钎焊和硬钎焊。钎焊加热的温度低于母材，受热影响小，因此焊接后零部件的变形小，这是钎焊连接与其他焊接技术相比的优势，它适用于焊后不需要进行特殊加工处理而尺寸精度要求高的使用场合。普通低压黄铜压力表系统的钎焊普遍为软钎焊技术，焊接融化温度在300℃以下，满足焊接后的高精度尺寸要求。钎焊工艺一般流程如下。

（1）焊接零件表面的前处理，去除零件表面的油污氧化等杂质。

（2）使用工装，装夹和固定零件，保证零件相对位置和产品设计相符。

（3）采用合适的加热方法熔化钎料，填充焊缝。

（4）冷却，焊缝凝固起到连接作用。

（5）清洗焊缝周围的腐蚀性杂质。

另外，对于特殊产品可能还会存在焊后增加涂层的工艺要求，满足不同的产品具体使用条件。

2 黄铜压力系统钎焊常见缺陷类型与预防

工厂生产现场较为普遍和易于发现的钎焊不良一般为外观不良，如钎料焊缝未填满，钎缝表面粗糙不平和有明显气孔等外观问题。影响产品质量的缺陷为焊缝泄漏，这种焊接缺陷目视检查无法发现，有些内部气孔可能在产品使用一段时间后才会出现系统泄漏问题。在黄铜系统焊接过程中偶尔也会出现压力系统管路不通，管路系统被钎焊焊料堵住的情况，这种焊接缺陷在产品的后续生产过程中比较容易发现。

新型钎焊材料与技术国家实验室的王星星等人总结了钎焊缺陷可分为外观缺陷、内部缺陷、界面缺陷和隐形缺陷等4大类，根据经验和测试试验的结论，针对不同缺陷形成原因进行了分析总结，对于指导工厂生产具有很好的指导和借鉴作用[1]。其中主要影响钎焊焊接质量的是焊接前焊缝的预处理不良和焊接温度等参数不当。焊接前材料预处理不良容易导致焊缝外观不光滑，焊料润湿流动性差，焊缝内部有夹渣气孔等缺陷。钎焊温度设置不当或者零件受热不均，冷却控制不当等原因在生产现场也极易造成焊缝外观不良，如钎焊料飞溅焊缝表面不光滑，焊缝内部出现偏析及焊缝熔蚀等缺陷，造成系统疲劳耐用性差，更加严重的会造成系统泄漏风险。焊缝质量不良有效的预防措施在钎焊过程中主要从如下几方面进行改善预防。

（1）焊工的培训及上岗考核。进行常见焊接缺陷的学习与辨认，让员工在焊接过程中即使出现问题也能够及时发现并返修。

（2）焊接材料有效的前处理。焊接作业指导书中要明确规定不同原材料使用的助焊剂类型、助焊剂的用量及使用方法等，确保焊接前处理零件达到作业要求。

（3）焊接辅材的选择及验证，确保焊接过程能够满足设计及工艺要求。

（4）在作业指导书中明确和细化焊接加热参数及零件加热部位，确保作业过程稳定。

（5）细化焊后冷却清洗方法。尽量减少焊缝外观不良，避免返修作业。

（6）焊后焊接系统的检查。使用各种仪器及检查手段，如黄铜压力系统常用的密封性检查手段，氦气测漏、水压测漏等检测方法，检查焊缝内部质量问题。

3 黄铜压力表系统钎焊缺陷分析与改善

某企业在黄铜压力表系统钎焊作业中经常收到反馈，波登管在焊接过程中出现焊锡钎料不熔、焊缝外观不良等不符合焊缝目视检查要求的情况，如图1所示，在后续的焊接系统密封性检测中也发现系统泄漏的质量问题，个别型号的波登管焊接不良率达到40%以上，严重影响产品的生产节拍和效率，存在严重的产品质量隐患，需要尽快分析原因并加以改善。

图1 黄铜压力表系统不良焊缝外观

根据质量分析工具鱼骨图分析方法和步骤（图2），从人机料法环测等6个方面进行逐一测试分析，对比排查，并根据现场生产过程中实际情况判定出现焊接外观不良的为特定批次某种型号的波登管原材料，排除了作业人员和设备原因造成的焊接不良。

图2 钎焊外观不良分析鱼骨图

针对特定的波登管原材料，根据设计和生产规范要求进行各项性能检查分析，对比验证，最终将不良原因聚焦在波登管表面外观不良和焊缝外观不良直接相关。具体分析对比测试项目见表1。

表1 焊缝不良分析对比测试项目

通过测试验证排除了作业方法、人员及钎焊工艺等因素的影响，常规的波登管性能检测如表面张力、润湿性测试在现有的检测手段中均没有发现和常规零件的不同。分析测试方法和结果如下：

（1）波登管、黄铜接头表面张力测试：根据产品设计及工艺要求，所有焊接零部件的表面张力应大于或等于28mN/m，对比测试分4组分别对波登管和接头使用表面张力测试墨水进行测试，焊接不良的波登管系统原材料和焊缝质量合格的原材料测试结果一致，无异常，根据目前测试要求和判定标准，排除零部件表面张力不良问题。

（2）波登管表面润湿性测试：选择不同批次波登管原材料（含焊接不良批次）进行表面润湿性测试，测试分为两组进行对比，表面润湿测试时使用助焊剂和不使用助焊剂为一组，助焊剂使用不同批次为一组进行测试，测试结果表明，润湿性检测在目视外观检查中各组测试无异常，在显微镜下观察，不良品的润湿性略微欠缺，在现有目视检查标准中无法判定不良，显示波登管表面润湿性合格。

（3）助焊剂使用方法及助焊剂对比测试：选取焊接不良的波登管批次，选择不同的助焊剂批次进行测试，根据波登管零件在助焊剂中浸泡时间的不同进行分组测试，助焊剂浸泡时间按1s，2s，3s，5s 的时间进行测试，测试结果表面不同批次的助焊剂焊接效果一样，助焊剂蘸取浸泡时间的长短对焊接质量的改善无帮助。实验表明助焊剂的选型和使用方法无问题，排除助焊剂的因素。

汇总测试结果，对比不良波登管压力系统和合格产品外观，通过多次团队分析讨论，最终发现了在之前所有的生产及技术经验中都没有关注和发现的问题点，钎焊出现问题的波登管在外观上有一道细微的划痕，在颜色上稍微发暗。针对这一发现，重复进行了波登管表面润湿性测试，在高倍显微镜下发现，波登管表面有划痕区域表面润湿性差，明显比没有划痕区域要差，钎料润湿不均匀，在划痕处钎料聚集等现象，和焊接不良现象类似。通过表面电镜扫描技术对比分析焊接不良波登管表面的金属元素区别，经过测试发现不良区域波登管表面的O、S、Cr 的含量明显比正常波登管零件表面区域的材料成分含量高（表2）。正常区域和不良区域EDS 检测截图分别如图3和图4所示。

图4 不良区域EDS检测截图

表2 波登管表面元素对比

图3 正常区域EDS检测截图

钎焊过程中的前处理首要任务是使用钎焊剂去除零件表面的杂质和氧化膜，让熔化的钎料能够在零件表面有很好的润湿性。在铜合金的钎焊中一般使用的助焊剂为弱酸，其主要成分有硼酸酐（B2O3）或者氢溴酸（溴化氢HBr），波登管表面的氧化物CuO 在弱酸环境中生成Cu2+酸盐，Cu2+酸盐溶于过量的酸中，达到去除零件表面氧化膜的作用[2]。反应式如下：

焊接外观不良的波登管表面检测出较高成分的Cr 元素，在含有Cr 元素的合金钢钎焊时，普通的弱酸助焊剂无法通过氧化还原反应的方式去除表面的氧化表面膜，通常做法是在钎焊高铬合金时，在助焊剂中加入Al-Cu-Mg合金以增强活性，在高温850～1150℃发生取代反应，使铬氧化膜破坏脱除[2]。

黄铜压力表的波登管系统材料在设计中为无Cr 元素的黄铜材料，在产品工艺设计验证中规定生产过程中使用的助焊剂的主要成分为溴化氢的水溶液，因此在波登管表面含有Cr 氧化膜的情况下，助焊剂无法有效去除表面氧化膜，造成波登管的表面润湿性非常差，导致钎料无法填充焊缝达到连接及密封作用，如图5所示焊缝内钎料无法到达需要焊接区域，产生大量不良品。最终确定了波登管钎焊不良原因为在波登管原材料表面含有不利于工艺生产的化学元素Cr，使得零件在钎焊过程中润湿性达不到设计要求，造成焊接不良。

图5 波登管润湿不良焊缝剖切图

将分析结果和不良原因反馈给波登管的供应商，进而发现在波登管卷绕过程中因卷绕模具为含Cr 合金钢制造，在波登管制作过程中造成模具磨损，卷绕模具上面的铬元素附着在波登管表面，经过海运等过程，在长期的氧化作用下，波登管表面局部形成一层含有氧化铬的氧化膜，在钎焊过程中无法有效去除，造成零件润湿性不良而引起钎焊质量问题。经过和供应商的共同努力，改善波登管加工模具的材料，进而有效解决这类问题。

问题的有效解决是质量分析的一个部分，在分析过程初期波登管润湿性不良在现有的原材料检验中无法及时有效的发现不良也是造成这次质量问题的一个原因。生产过程千变万化，任何一个因素的改变都有可能造成生产工艺的不适应。

因此，需要细化产品的外观检查标准，规范钎焊零件原材料润湿性检查判定方法和标准，将已有的对策落实在后续的生产检验中。质量原因分析后的改善措施的有效执行和管控措施的固化，有效解决了本次波登管系统钎焊不良的问题，并可有效预防再发生。

4 总结与思考

钎焊过程是一个复杂的生产过程，如产品的装配过程一样，所有的零件误差最后将会累积在一起，造成无法装配的问题。钎焊过程也是一样，在钎焊过程中，零部件的质量、表面状态、钎焊剂的选型、焊接加热温度、加热时间和加热位置以及焊缝的冷却凝固等一系列因素都将对钎焊最终的质量造成影响。在本案例中，波登管零件生产中一个模具的磨损这一看似不相关的因素在后续产品生产中造成钎焊焊缝外观不良，系统泄漏。

从本案例的质量问题分析中，不难发现焊接工艺、方法、人员，包括原材料的日常检验等方面都没有发现造成焊接不良的原因，作业人员按照经验对波登管表面进行表面张力和润湿性测试，原材料均符合进料检验要求，进而无法发现问题所在。检验方法判定标准的细化和前期的工艺验证都会对后期的生产造成不同影响。产品全流程的质量管控是一个系统的工程，需要不断的总结，质量问题的分析改善也将完善产品在质量管理环节中的遗漏和不确定性。作为一个制造型企业，在生产过程中不断总结积累经验，将质量问题的改善措施有效执行，总结并固化到后续的产品质量管理和生产工艺过程中，通过产品质量螺旋升级的PDCA 循环，不断完善管控措施，杜绝质量隐患，将能够不断提高企业的产品质量，将产品做精做强，进而赢得客户和市场。