钎焊技术在铝制品中的应用

2013-03-23何珊珊葛志友

电焊机 2013年2期

何珊珊，葛志友

（1.哈尔滨焊接技术培训中心，黑龙江哈尔滨 150046；2.北京市宇航兴达机械制造有限公司，北京 100076）

0 前言

目前，钎焊材料的生产属于有色金属行业，尤其是铝及其合金的钎焊问题是近年来研究最多、发展较快的研究领域之一。各种空调器、加热器的散热部件都采用纯铝或铝合金，而在国防工业上各种强化铝合金的应用发展速度很快，这些铝合金的应用前提首先是要解决钎焊问题，并有配套的钎料作保证。

1 铝钎焊的优点

由于铝钎焊温度低于母材的熔点，因此构件不易变形或者变形很小。母材不熔化，金相组织不发生液相变化，不易产生过烧、过热组织。铝钎焊的加热温度较熔焊低，还能够降低能源消耗，节约成本，改善操作条件。铝钎焊是利用毛细吸附作用或是润湿作用实现的，因此铝钎焊接头的外观相对平整美观，焊接速度较快，消耗钎焊材料少。目前，铝钎焊有的不用开坡口，焊接后无需打磨或稍加打磨，不但节省了机加工工时，同时提高了生产效率。

2 铝钎焊工艺的难点

铝和铝合金材料的可焊性较差；铝及铝合金的熔点与所用的硬钎料熔点相差不大，钎焊时可选择的温度范围很窄，温度控制稍有不当容易造成母材过热甚至熔化，使钎焊过程难于进行。一些热处理强化的铝合金还会因钎焊加热而引起过时效或退火等软化现象，导致钎焊接头性能降低。火焰钎焊时，因铝合金在加热中颜色不改变而不易判断温度的高低，这也增加了对操作者操作水平的要求。铝和铝合金的构件比较复杂，例如散热器和汽化器等，在焊接过程中极易烧穿，由于对铝和铝合金构件表面的要求较高，往往难以保证焊接质量。

3 铝合金钎焊的常见问题

（1）过热。

实际生产中，大多数加热方式都可以用于进行铝合金的钎焊。但是由于铝合金熔点较低，很容易在短时间之内将铝合金退火或回火至325℃～350℃，也就意味着钎焊过程中接近或达到该温度一定时间就会改变被焊母材的基本性质。铝合金过热将会带来一系列不良结果：强度下降、弯曲、变形、改变硬度、韧性、表面状态、再结晶、热裂甚至恶性熔化。因此，软钎焊铝合金在加热时要特别注意控制加热速度、加热时间和保温时间。如果控制不当，铝合金基体金属会在热影响区重新形成合金，这样就改变了母材本身的性质，产生发源于热影响区的热裂纹[1]。

（2）抗腐蚀性。

铝合金软钎焊的另一个问题就是焊接接头的抗腐蚀性比较差。这是因为钎料成分与母材（铝合金）成分差别大，电极电位不同，就会在接头中相互接触的界面发生电化学腐蚀，电极电位低的金属元素将作为阳极首先被腐蚀掉。

为了提高钎焊后接头的抗腐蚀性，可以在低温软钎料中加入锌。因为铝和锌固态能够互溶，随着钎料含锌量的增加，钎料和母材之间的结合加强，界面处的电极电位得到提高，从而改善接头的抗腐蚀性。另外，还可以在铝合金表面预先镀铜或镍后进行钎焊，不但简化了去膜工序，而且接头的电极电位分布也发生了有利的变化，不会在界面和钎缝处发生腐蚀。

4 铝合金钎焊工艺

4.1 钎焊前后的准备和清理工作

钎焊前要做好铝及铝合金表面的清洁工作，母材表面存在油污和较厚的氧化膜，妨碍钎料的流动及其与母材金属的结合，导致钎焊缺陷，如接头强度差、容易渗漏和完全焊接不牢等。若采用无熔剂真空钎焊，则焊前工件的清洗要求更为严格。目前常用的去膜方法分物理方法和化学方法[2]两种。机械打磨并不能彻底去掉母材表面的全部氧化膜，而且去膜后润湿角仍然较大，不能实现液态钎料毛细填缝过程。因此，往往还要采用化学清洗的方式，即用清洗液清洗，焊前清洗液分以碱或酸为主要成分的两大类洗液。因为铝是一种两性元素,所以铝及其氧化物（即氧化铝）既能与碱液又能与酸液作用从而达到除氧化膜的目的。

4.2 铝合金软钎焊工艺

通常，铝合金的软钎焊既使用软钎料（锡基的低温钎料）并采用适应焊接温度范围的合适钎剂。一般来说，软钎焊是一种低温结合工艺，因此与硬钎焊或其他焊接方法相比，软钎焊铝合金产生的热变形更小。软钎焊温度常选择225℃～490℃，比铝的熔点（660℃）要低得多。如果是局部加热的软钎焊，则会改变铝合金在剪切、拉伸及热处理时产生的应力从而导致变形。因此根据软钎焊工艺，选择适当的预热、不连续焊接和接头形状至关重要。

铝合金软钎焊的方法很多，不用钎剂的有铝合金与钎料机械摩擦、超声波钎焊和热喷涂；使用钎剂的有感应、火焰、红外线、热板、钎焊炉、烙铁、激光、电弧灯等加热铝合金构件。但由于铝合金本身具有很高的热传导性和反射性，加热过程中热量并不仅仅用于钎剂和钎料的熔化，因此虽然软钎焊的温度不高，仍需要大量足够的热量。

适合用软钎焊铝合金的钎料通常包含锌以及少量铅、镉、锡、铜或铝等元素。但现在全球禁止钎料里含有铅，使用无铅钎料已经成为共识，而镉钎料由于会危害工人健康已经被禁止。因此，现在主要使用的是锡-锌软钎料+有机或无机钎剂（熔点低于330℃）、锌基硬钎料+高熔点钎剂。

4.3 铝合金硬钎焊工艺

相对于软钎焊来说，铝合金硬钎焊的接头强度和耐蚀性都更好一些，可靠性也较高。

目前，铝合金硬钎焊常用的钎料是铝基钎料。比如，Al-Si钎料焊接得到的接头强度高，铝和硅电极电位接近，抗电化学腐蚀性能也比软钎焊优越。另外，在Al-Si钎料中添加Cu元素可以降低钎料的熔点，但是Cu元素过多会导致接头变脆，添加Ni元素在一定程度上弥补Cu元素带来的脆性，但Ni元素又会提高钎料的熔点。

现在常用的铝合金硬钎焊方法有火焰钎焊、加热炉钎焊、浸渍钎焊、感应钎焊及电阻钎焊等使用焊剂的钎焊法和真空钎焊、保护气体钎焊等不用焊剂钎焊法等，其中不用焊剂的钎焊方法正在迅速发展。与传统的焊剂钎焊法相比，真空钎焊和保护气体钎焊等无焊剂钎焊法虽然设备费用大，但具有自动化生产质量稳定等优点；可以省略焊前及焊后处理工序,所以节省劳力；而且加热后的有害物及清理残余物等对人体有危害的问题也可得到解决。

5 铝合金钎焊的应用

国内对铝及其合金的钎焊主要针对铝散热器，高压铝制板翅式换热器[3]，铝-不锈钢、铜异种材料连接（如冰箱的制冷系统中就使用了铜与铝的连接管；微波器件、铝合金门框等产品）。

5.1 铝热交换器

高压铝制板翅式换热器主要用于大型乙烯冷箱和液氮铣冷箱装置等一些化工设备中，其中板翅式换热器大多在高压、低温工况下运行，介质系含氢烃的复杂混合物，且为多股流、多组分的加热、冷却及部分冷凝与部分蒸发的相变换热，产品结构复杂、制造难度极大。杭氧公司在高压铝制板翅式换热器的研制过程中攻克了许多的技术难题，积累了大量的高压铝制板翅式换热器钎焊技术。除此之外，超声波铝钎焊适用于铝管铝翅片式热交换器的批量生产作业。

5.2 铝合金门框

火焰钎焊是一种适合焊接铝型材门窗的工艺。将母材加热到高于钎料熔点20℃～50℃时，母材不熔化，可以借助钎剂去除氧化膜，而熔化的钎料在母材所需要焊接的缝隙湿润、漫流，然后与母材相互溶解、扩散，冷却凝固后将母材焊为一体。在使用钎焊焊接时，应使用适宜的工装夹具来保证工件的成形质量，在工装的保证下，焊接变形能得到有效控制，满足实际需求，且有效地防止了焊接裂纹的出现。

5.3 蜂窝夹芯

蜂窝夹芯是夹层结构中的夹芯材料之一。蜂窝夹芯具有结构稀疏、完整性好和极低的结构密度的特点，相对于其他夹芯材料有较高的比强度和比刚度，因而广泛应用于航空航天、建筑、交通运输、军事等领域。蜂窝夹芯在夹层结构中的主要作用是支承面板和传递剪切力，提高结构的整体刚度、稳定性。铝蜂窝芯的制造方法分为胶粘法和钎焊法。钎焊法是将裁切成一定宽度的板条按半六角形的形状进行加工，形成半蜂窝，再用夹具固定后，置于真空钎焊炉内焊接为一体。