5系铝合金材料的高频感应钎焊技术研究
2017-09-03安徽中鼎金亚汽车管件制造有限公司张培勇唐之胜陈小勇
安徽中鼎金亚汽车管件制造有限公司 张培勇 唐之胜 陈小勇
5系铝合金材料的高频感应钎焊技术研究
安徽中鼎金亚汽车管件制造有限公司 张培勇 唐之胜 陈小勇
针对5049铝合金钎焊困难的现状,本文设计了使用高频感应钎焊5049铝合金的工艺实现方法。本文通过介绍整个工艺试验的过程、参数及试验材料选取，证明该工艺方法的可行性。
5049铝合金；高频感应钎焊
1 引言
随着汽车行业的发展，铝合金由于其自身的密度小、导热快等特点越来越多的应用到汽车管路上。其中5系铝合金由于其硬度及耐腐蚀性较好被广泛应用于变速箱冷却系统。但由于5系铝合金含镁量较高、固相线温度与钎料融化温度接近等一系列特点，导致5系铝合金的钎焊在行业中一直属于难题。目前5系铝合金普遍采用火焰钎焊的方式进行钎焊。但火焰钎焊焊接质量不稳定、焊接效果受环境影响过大；且由于使用明火进行焊接，故有一定的危险性.本文设计的使用高频感应钎焊的方法焊接5049铝合金，通过控制加热速率、分段加热法等方式完成对5049铝合金钎焊接头的焊接。采用该种方法进行焊接5049铝合金接头，具有焊接质量稳定；焊接时受环境影响小；操作时危险性较小等一系列优点。
2 高频加热原理
当线圈中的电流是交流电时，在线圈内部和其周围就产生了交变电场。在感应加热时，置于感音线圈中的零件就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁理论，变化的磁场就产生感应电动势，感应电动势在零件表面形成封闭的电流回路，通常把这种电流称为涡流。感应加热主要是涡流在工件内部产生热量，使工件加热。
图1 感应加热原理
如图1所示，当感应线圈上通交变电流I时，线圈内部就会产生相同频率的狡辩磁通φ，交变磁通φ又会在金属工件中产生感应电势e。根据电磁方程式，感应电动势大小为：
式中N是线圈匝数，dφ是磁通量变化量，dt是变化时间。
若φ是按正弦规律变化的则有：
可得到的感应电动势为：
因此其等效电动势为：
式中f——电磁频率。
由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给需要加热的金属。然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。
感应电势在工件中产生感应电流（涡流）I，使工件加热，其焦耳热为：
由以上可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大：同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。
3 焊接设备及线圈
3.1 焊接设备
本焊接设备采用高频感应加热设备。型号为DL-15A型。主要电气参数为输入电压:单相220V, 50或60HZ；最大振荡功率：15KVA；最大额定输入功率：15KW；振荡频率：30-100KHZ。为保证焊接质量，提升效率需设计专用的感应线圈。
3.2 感应线圈
感应线圈做成圆环结构，圆环内径为30mm，线圈匝数为3匝。线圈采用外径为φ5mm，内径为φ3mm的空心紫铜管制成，其截面为圆形。此种结构可保证铝合金工件能较快升温、基体温度均匀。另在焊接时线圈铜管内部通水，避免烧坏线圈。
4 焊接母材及焊机材料选取
4.1 母材选取
图2 每材截面
母材选用5049铝合金的管件及接头进行搭接。管件外径为φ16mm，壁厚为1.25mm。接头外径为φ24mm，壁厚为4mm。管件与接头的搭接长度为6mm，焊缝间隙为0.1mm。5049铝合金固相线温度为615℃，具体成分如表1所示：
表1 5049铝合金成份
4.2 钎料选取
本次试验选取4047铝合金环作为钎料。钎料环内径为φ16mm，外径为φ19.2mm。4047铝合金钎料固相线温度为577℃；液相线为582℃；钎焊温度为582℃-604℃，具体成分如表2所示：
表2 4047铝合金环成份
4.3 钎剂选取
本次试验选用的氯化物和复合氟化物的混合钎剂，该钎剂破氧化膜能力强，润湿性好，具体成分如表3所示：
表3 混合钎剂成份
5 试验过程
5.1 焊前准备
使用超声波清洗机，添加铝合金清洗剂对管件及接头进行清洗。确保工件表面无油污及其他杂质。
5.2 焊接
5.2.1 钎料、钎剂的涂放
钎料上钎剂应均匀涂抹，钎料应紧靠钎缝位置。
5.2.2 工件与感应线圈的相对位置
工件在感应线圈中应该居中摆放，否则易造成工件局部过热，导致焊接失败；另工件与感应线圈的距离为3mm，较小的距离可使加热较为迅速。
5.2.3 加热速度及焊接时间的选择
铝合金焊接时加热速度会直接影响焊接的结果。过快的加热速度会导致母材过烧、融化。过慢的加热速度会导致钎剂失效；钎料无法融化、填充。
本次试验选择四种参数进行焊接：（1）加热速率为5℃/s；加热时间为120s。（2）加热速率为10℃/s； 加热时间为60s。（3）加热速率为20℃/s；加热时间为30s。（4）加热速率为10℃/s；加热50s后停止加热15s；再继续以10℃/s的加热速率加热20s。
6 焊接结果
（1）以加热速率为5℃/s；加热时间为120s的参数进行焊接。钎剂无法保证过长的活性时间，钎剂失效。钎料融化不良，无法对钎缝进行填充。焊接失败。
（2）以加热速率为10℃/s； 加热时间为60s的参数进行焊接。钎料融化良好，但由于高频加热的集肤效应存在，导致接头内外部温度分布不均。钎料在接头表面铺展，无法对钎缝进行填充，焊接失败。
（3）以加热速率为20℃/s；加热时间为30s的参数进行焊接。加热速度过快，母材与钎料同时融化，管件及接头过烧严重，焊接失败。
（4）以加热速率为10℃/s；加热50s后停止加热15s；再继续以10℃/s的加热速率加热20s的参数进行焊接。钎料融化良好，由于加热过程中停止加热15s，使母材自行进行导热，消除集肤效应造成的影响接头温度分布均匀。钎料对钎缝进行填系，接头外观美观，无过烧、熔融现象，焊接成功。
7 焊后检验
针对6.4采用的方法焊接的产品展开焊后检验，以确认焊接接头的性能是否能满足要求。
7.1 气密试验
针对6件焊后产品进行气密试验，试验参数及结果如表4所示：
表4 试验参数与气密检测结果
7.2 拉脱试验
针对3件焊后产品进行拉脱力试验，要求拉脱力大于7KN，试验结果如表5所示：
表5 拉脱试验结果
图3 样件拉脱曲线
7.3 焊缝位置剖开检测
针对3件焊后产品进行焊缝位置剖开检验，以观察钎料的填缝状态。
图4 焊缝检测结果剖面
通过上述焊缝位置剖开检测照片可显示。3件样品焊缝填充率均大于80%，判定为合格。
8 结论
通过上述试验验证，证明5049铝合金使用高频感应钎焊，在合适的加热速率和合适的加热时间下，对焊接接头进行分段加热（使用10℃/s的加热速率加热50s后停止加热15s，再继续进行加热20s）可使钎焊接头母材温度分布均匀，最终形成可靠的钎焊接头。
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