CN101918171A - 用于钎焊钛部件和铝部件的方法以及由此可获得的部件 - Google Patents
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Abstract
铝和钛的部件可以通过在包括氩气的一种保护性气氛中在一种碱金属氟铝酸盐的存在下通过钎焊而彼此连接到一起。根据该方法，通过钎焊而连接的铝和钛的组件可以用于或用作例如化学装置，用作汽车、船舶、空间运输系统、或者飞机的部件，或者用于制造热交换器。
Description
本发明涉及用于钎焊来自钛或钛合金的部件以及来自铝或铝合金的部件的方法。
众所周知的是可以使用一种助熔剂和一种焊料将多个铝部件钎焊在一起。钛由于其低的重量和强度而被用于针对汽车(尤其是飞机中)的部件。钛是对侵蚀性化学品有抵抗性的，并且因此可以用于化学反应装置、或管道，或用于运输侵蚀性化学介质。用铝代替钛的部件(在可能时)的原因在于铝比钛要廉价得多。例如，通过连接钛和铝的部件，可以将它们以复合材料的形式来应用，例如作为“夹层”的材料。
将铝部件与其他铝部件钎焊在一起的助熔剂是已知的。这些助熔剂被用来提供一个洁净的表面，并且因此允许在这些铝部件之间形成一个有力的连接。美国专利3,951,328披露了由四氟铝酸钾和六氟铝酸三钾的混合物所构成的一种助熔剂。US 4,579,605披露了由四氟铝酸钾和五氟铝酸二钾的水合物所组成的一种用于铝钎焊的助熔剂。WO 82/02014披露了通过应用一种铝-硅合金作为焊料以及氟化钾和氟化铝的一种混合物作为一种助熔剂可以将钢与铝连接在一起。
铝也可以被连接到钛上。US 4486647披露了通过使用铝丝作为填焊剂进行焊接而将铝连接到钛上的一种方法。因为钛具有在1670℃左右的熔点，而铝的熔点在660℃左右，钛一侧的温度被保持在2000℃以下而焊接处中间的温度最大为1500℃。
发明的问题在于提供一种技术上简单并且可靠的方法将由铝或铝合金部件以及由钛或钛合金制成的部件进行连接。通过使用本发明的方法可以实现这一目的。
本发明提供了一种连接铝或铝合金以及钛或钛合金的方法，该方法是在基于碱金属氟铝酸盐的助熔剂的存在下并且在含有等于或大于按体积计75％的氦气、氩气和/或氙气的保护性气体的存在下或在真空下进行的。
在一个实施方案中，连接(以下也表示为钎焊)铝部件是在环境压力下在保护性气体的存在下进行的；若希望的话，该方法甚至可以在高于环境压力的压力下进行。在保护性气体中氮气的含量等于或低于按体积计25％。优选地，该保护性气体中氦气、氩气和/或氙气的含量等于或高于按体积计95％。优选地，该保护性气体中氮气的含量等于或低于按体积计5％。尤其优选地，该保护性气体中氦气、氩气和/或氙气的含量等于或高于按体积计99％。优选地，在保护性气氛中氮气的含量等于或低于按体积计1％。
最优选地，连接过程是在基本上由氦气组成的保护性气体氛围、基本上由氩气组成的气氛、或者基本上由氩气和氦气组成的气氛下进行的。术语“基本上”是指在氦气气氛中氦气的含量、在基本上由氦气和氩气组成的气氛中氦气和氩气的总含量、或者氩气氛中氩气的含量等于或高于按体积计99.9％。高度纯化的氦气和/或氩气是尤其适合的。“高度纯化的”是指含量等于或高于按体积计99.99％。
所做出的假设是含有氦气、氩气和/或氙气、以及另外二氧化碳的保护性气体混合物(例如，含有二氧化碳和氩气的混合物)同样应该起作用；在这种情况下，这些连接部可能会变得有颜色，例如，它们可能变暗。
在另一个实施方案中，钎焊是在真空下进行的。真空钎焊的优点在于钎焊温度可以更低。术语“真空”是指压力低于1巴(绝对值)。优选地，它是指压力等于或低于0.5巴(绝对值)。并不优选使用真空，它过于低以致引起不希望的量的钎焊助熔剂蒸发。因此，优选该压力为等于或大于0.3巴(绝对值)。同样在真空钎焊中，真空中的残留气体氛围优选是含有等于或高于按体积计75％的氦气、氩气和/或氙气的保护性气体。真空中在残留的保护性气氛中氮气的含量是等于或低于按体积计25％。优选地，残留的保护性气氛中氦气、氩气和/或氙气的含量是等于或高于按体积计95％。优选地，残留的保护性气氛中氮气的含量是等于或高于按体积计5％。尤其优选地，残留的保护性气氛中氦气、氩气和/或氙气的含量是等于或高于按体积计99％。优选地，残留的保护性气氛中氮气的含量是等于或高于按体积计1％。保护性气体氛围进一步优选的实施方案参见以上内容。
最优选的保护性气体是由纯度为按体积计99％、优选按体积计99.9％、并且尤其是按体积计99.99％的氩气构成的气氛。
术语“铝合金”包括含有铁、锰、镁和/或其他掺杂金属的铝。原则上，任何掺杂元素都可以包括在内。如果该铝包含镁，则氟铝酸铯可以被用作为钎焊剂或者助钎焊剂。在本发明的上下文中术语“包括”包含“其构成为”。
术语“钛”包括纯的钛连同所谓的“工业纯”的钛。这种钛被划分为几个“CP等级”。术语“CP”表示“工业纯”的钛，它无需表示未掺杂的钛。例如，CP 5表示TiAl6V4合金。杂质和所溶解的气体在非掺杂的钛中是被接受的。例如，钇的含量必须低于按重量计0.005％。例如，CP钛等级2具有非常低的碳、氮、氧、铁、氢、和钇的含量。CP钛等级4具有比等级2更低的氢含量，但是铁和氧的含量更高，并且强度更高。
术语“钛合金”包括钛与β-稳定的金属或元素(例如，钼、铁、钒、铁、铬和铌)以及与α稳定的金属或元素(例如，铝、锡、锆、氧和氮)的合金。钛的α合金、近α合金、β合金、以及近β合金都可以进行钎焊。合金的例子是TiAl6Sn2Zr4Mo2，可任选地具有另外的硅；TiAl6V4；以及5Cr3Al3Sn3。
本发明中的术语“碱金属”优选表示钾和铯，尤其是钾或者钾和铯的一个组合。术语“氟铝酸盐”表示三氟铝酸盐、五氟铝酸盐，这两者与它们的水合物的组合。一种非常优选的助熔剂是由四氟铝酸钾、五氟铝酸二钾，它们的对应的水合物或它们的混合物构成的。尤其优选的是四氟铝酸钾和五氟铝酸二钾的混合物。在这一混合物中，对应的氟铝酸盐可以部分地或完全地以水合物的形式存在。本发明的方法中非常适合的四氟铝酸钾和五氟铝酸二钾的混合物是在商品名Nocolok
下可商购的。
助熔剂可以在本领域内已知的组合物中应用。例如，它可能包括美国专利6,019,856中描述的六氟硅酸钾，其量值为高达按重量计50％或甚至更多。如美国专利6,264,096所描述的，它可能包含不可逆脱水的五氟铝酸二钾，该不可逆脱水的五氟铝酸二钾是通过在优选高于265℃的温度下的脱水热处理可制备。这种助熔剂有很长的保质期并且在水中提供稳定的悬浮液。
它可能包含多种金属添加剂，这些添加剂是焊料的前体，例如，在US 5,100,048中所描述的硅、锗或铜。助熔剂中硅与助熔剂之比在从0.1-3∶1的范围内。尽管如此，优选应用一种填焊金属或填焊金属合金，当一种焊料前体包含在内时亦是如此。例如，包含铝和硅的焊料是非常合适的，例如名为4343(AlSi7)、4045(AlSi10)、或4047(AlSi12)的合金，或锌-铝合金。应用熔点范围是577℃至618℃的铝-硅合金是尤其优选的。
该助熔剂可能包含一些添加剂，这些添加剂改进了这些钎焊的连接部或金属部件表面的特性。例如，它可能包含US 6,432,221中描述的氟锌酸钾。氟锌酸钾本身起助熔剂的作用并且通过形成一个锌保护层来改进钎焊的表面。它可能包含如在US 6,880,746中描述的氟锡酸钾或氟锡酸铯助熔剂。氟锡酸钾或氟锡酸铯也起助熔剂的作用并且在钎焊的连接部形成一个锡保护层。
如US 4,670,067中所描述，该助熔剂可能包括氟铝酸铯。氟铝酸铯(例如能以四氟铝酸铯、五氟铝酸二铯、六氟铝酸三铯、或它们的任何组合的形式存在)的量是非常可变的。例如，它可以构成该助熔剂的100％。优选地，氟铝酸铯的含量是更低的，例如等于或低于设定为按重量计100％的总助熔剂的按重量计10％。应用包含氟铝酸钾和氟铝酸铯的助熔剂的优点在于含有多于(例如)按重量计0.2％的镁的铝合金可以被钎焊。
该助熔剂还能包含另外的添加剂，这些添加剂改进了钎焊过程或者所连接的金属部件表面的特性。例如，如US 2004/0163734中所描述，它可以包括氟化锆和/或氟化钛。这些化合物的添加可以改进耐腐蚀性，任何途层的粘附、并且减少气味的形成。
该助熔剂还可能包含非腐蚀性的添加剂，例如，在WO 2005/092563中所描述的那些。可以通过共沉淀或者机械混合而结合到该助熔剂中的这些添加剂改进了表面质量或助熔剂的流动性。这些添加剂包括元素周期表中2到5主族的金属的金属阳离子，尤其是锶、铟、锡、锑、铋、锆、铌、铈、钇或镧，例如K2ZrF6或K2TiF6。如果它们是通过机械混合引入该助熔剂中的，则这些金属阳离子优选以相应的氟化物的形式应用。对于共沉淀法，优选的是使氧化铝三水合物与氢氟酸在金属化合物添加剂(例如氧化物、卤化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硼酸盐或六氟硅酸盐)的存在下进行反应。在与HF反应之后，进行了与一种碱金属氢氧化物(尤其是氢氧化钾)的水溶液的一个沉淀步骤。同样在此，铯的存在可以改进在钎焊过程中对镁的容许量。
助熔剂能以一种常规的方式施用至有待钎焊的部件。例如，它可以作为粉末以一种干的形式施用。可以静电地来支持干法施用。可替代地，该助熔剂能以一种助熔剂组合物的形式施用，该助熔剂组合物包括一种溶剂，可任选地还有一种粘合剂或一种增稠剂。例如，该助熔剂组合物是一种水性悬浮液或作为在一种有机溶剂中的悬浮液，例如在单-、二-或三元的脂肪醇中(例如甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、或甘油)，或在醚中(例如，二丁醚、亚烷基二醚或三醚类，如乙二醇二烷基醚，尤其是乙二醇二甲基醚)。水性悬浮液是优选的。
若一种增稠剂包括在内，则该增稠剂可以是具有一个另外的羟基的偏醚(partial ether)。2-丁氧基-乙醇是非常适合的增稠剂。
该助熔剂组合物还可能包含一种粘合剂。任何已知的粘合剂都可以使用。例如，EP A 1287941中披露的聚合物粘合剂是非常合适的，例如聚氨酯类、树脂类、邻苯二甲酸酯类、丙烯酸酯类、乙烯基树脂类、环氧树脂类、硝化纤维、以及聚烯烃类，参见[0016]。该助熔剂组合物还可能包含一种触变剂，例如EP A 1287941，[0032]至[0039]中描述的明胶、果胶、丙烯酸酯类或聚氨酯类。
该助熔剂组合物甚至可以在有或没有填焊金属和填焊合金时作为一种糊剂施用。
该助熔剂或助熔剂组合物可以按常规的方式施用至铝和/或钛的部件。如已经提及的，该助熔剂能以干燥的形式施用，优选是以静电方式。可以将助熔剂悬浮液喷雾至这些部件上，或通过涂覆来进行。
助熔剂优选是以等于或大于0.01g/m2的量应用的。更优选地，它是以等于或大于0.1g/m2的量应用的。尤其优选地，它是以等于或大于2g/m2的量应用的。
优选地，它是以等于或低于50g/m2的量应用的。如果施用了一种助熔剂组合物(例如，与水或一种有机溶剂的一种组合物，或一种糊剂)，则该组合物所施用的量是使得上述助熔剂载量得以实现。
如以上提及的，钎焊优选在一种焊料金属或者金属合金的存在下进行。焊料金属可以包含在助熔剂或助熔剂组合物中，例如，以粉末的形式。可替代地，该焊料金属或焊料金属合金可以被镀在有待连接的一个或两个钎焊部件上。
这些部件也可以通过激光钎焊而连接。这种方法描述于US2003/0178399。优选的是不进行激光钎焊，而是将这些有待钎焊的部件根据CAB法(受控气氛钎焊)进行加热。这种方法是在密闭装置中进行的，该密闭装置可以阻止所不希望的气氛(如空气)在钎焊过程中以及在钎焊之前和之后的一个所希望的时间内与这些部件相接触。
钎焊是在高于该助熔剂以及该填焊金属的熔点并且足够高至形成一种固体连接的温度下进行的。优选地，该钎焊温度是等于或高于550℃、非常优选等于或高于570℃。优选地，该钎焊温度是低于或等于680℃，更优选等于或低于650℃，并且尤其优选该钎焊温度是等于或低于630℃。在真空钎焊的情况下，这些温度与在气体存在下的钎焊相比可能甚至更低。
一个优选的用于钎焊的温度范围其特征是等于或高于550℃的一个温度以及等于或低于680℃的一个温度。
尤其优选的用于钎焊的温度范围其特征是等于或高于550℃的一个温度以及等于或低于630℃的一个温度。
总体而言，该方法可以被用来将任何钛或钛合金部件连接到任何铝或铝合金部件上，而无论此类连接部件的目的为何。用铝来取代钛的部件的一个优点是铝比钛要廉价得多。这种方法尤其适合制造被设计为运输侵蚀性介质的装置，因为钛是非常有抵抗性的。它还可用来制造包含铝或铝合金鳍片的热交换器以及由钛制成的管道。
根据本发明的方法的优点在于，可以在铝和钛之间以一种简单并且可靠的方式产生一个连接。
本发明的另一方面涉及由铝(包括铝合金)的部件以及钛(包括钛合金)的部件制成的组装的部件，其中通过在一种碱金属氟铝酸盐的存在下进行钎焊而使铝和钛的部件彼此相连接。此类部件是根据上述方法可获得的。术语“组装的部件”包括对于机器、车辆或建筑的构造有用的夹层结构。例如，由铝和钛制造的部件可以应用于造船工业、近海工业，空间运输系统以及用于医疗工业的装置和机器。由铝和钛制成的部件可以用于例如热交换器的制造，如空调(例如在固定式冰箱中，像冷藏室)，并且尤其是用于移动式空调。铝和钛的钎焊的部件还可以用于以下目的(其中发生了与侵蚀性化学品的接触)，例如在用于化学物质的储槽中，或者用于化学工业的管或装置，例如用于化学反应的反应器。以下实例对本发明进行了说明而无意对其进行限制。
实例
通用的：应用了钛薄板ASTMB 265，一种CP等级2的材料，处于厚度为1.2mm的薄板的形式。
焊料：
AlSi12，厚度1.6mm，长度10mm
ZnAl15，厚度1.6mm，长度7mm。
铝角：
按重量计99.5％的Al，共0.5·40mm，V形片每边具有的长度为20mm。
所进行的试验：在玻璃钎焊炉中进行圆角试验。
通用程序：将干助熔剂施用至钛试样(尺寸：20 20 1.2mm)上，加入两滴异丙醇，并且使该助熔剂均匀地分布。然后，将该试样在60℃到90℃下干燥。然后将90℃铝角置于试样上，将一片焊料金属置于该角的一个末端，将该组件放入钎焊炉，并且开始钎焊。在钎焊过程中向炉中引入氩气(纯度4.6)，温度以每分钟30℃的速率上升直至达到605℃，将该组件在此温度下保持2分钟，并且然后将该组件冷却。然后将该组件进行评级：
1)最佳的钎焊
2)显著的倒角
3)在该角中倒角以上断裂
4)试样的表面：
4a 未处理的-银色金属的
4b 哑光灰
4c 暗灰
4d 黑
5)试样和铝角之间的接触点断裂
6)无钎焊
所应用的助熔剂和焊料金属：
测试对1：氟铝酸钾(Nocolok
)和AlSi12
测试对2：具有按重量计约1.5％的Cs和AlSi12焊料的氟铝酸钾和氟铝酸铯的混合物。
测试对3：氟铝酸铯和ZnAl15焊料
测试对4：糊剂PEN 1047(包含氟铝酸钾助熔剂、粘合剂和有机溶剂的一种助熔剂组合物)和AlSi12焊料
测试对5：氟铝酸钾和硅(Nocolok Sil
)的混合物，一种焊料前体
测试对6：氟铝酸钾和硅(Nocolok Sil
)的混合物(一种焊料前体)以及AlSi12焊料
| 实例 | 测试对 | 助熔剂装载量[g/m2] | 连接部的评级 |
| 1 | 1 | 20 | 1，2，3，4b |
| 2 | 1 | 20 | 1，2，3，4b |
| 3 | 1 | 20 | 1，2，3，4b |
| 4 | 2 | 20 | 1，2，3，4b |
| 5 | 2 | 20 | 1，2，3，4b |
| 6 | 2 | 20 | 1，2，3，4b |
| 7 | 3 | 20 | 4c，5 |
| 8 | 3 | 20 | 4c，5 |
| 9 | 3 | 20 | 4c，5 |
| 10 | 4 | 30* | 1，2，3，4c |
| 11 | 4 | 30* | 1，2，3，4c |
| 12 | 4 | 30* | 1，2，3，4c |
| 13 | 5 | 20 | 6，4d |
| 14 | 5 | 20 | 6，4d |
| 15 | 6 | 20 | 5，4d |
| 16 | 6 | 20 | 5，4d |
| 17 | - | - | 4a-基础材料 |
*计算了干装载量。
这些实例证明，使用适合将铝钎焊到铝上的助熔剂可以将铝焊接到钛上。这表明，除一种焊料前体之外或者代替该焊料前体，一种焊料的存在是非常有利的。
Claims (13)
1.一种用于钎焊钛和铝的方法，所述方法是在基于碱金属氟铝酸盐的助熔剂的存在下并且在含有等于或大于按体积计75％的氦气、氩气和/或氙气的保护性气体的存在下或在真空下进行的。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述碱金属氟铝酸盐是氟铝酸钾、氟铝酸铯或二者的混合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述助熔剂包含氟铝酸钾和氟铝酸铯，其中相对于设定为按重量计100％的总的氟铝酸盐助熔剂的含量，包含等于或大于按重量计0.1％并且等于或小于按重量计10％的氟铝酸铯。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述碱金属氟铝酸盐是作为干助熔剂、具有有机溶剂的助熔剂组合物的形式、水性助熔剂组合物的形式、或者糊剂的形式施用的。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述水性助熔剂组合物、所述具有有机溶剂的助熔剂组合物、或者所述糊剂包含添加剂，尤其是粘合剂、增稠剂、触变剂、和/或焊料金属和/或焊料金属合金。
6.如权利要求1所述的方法，其中钎焊是在含有等于或大于按体积计75％的氦气、氩气和/或氙气的保护性气体的存在下进行的。
7.如权利要求6所述的方法，其中钎焊是在含有等于或大于按体积计75％的氩气的保护性气体的存在下进行的。
8.如权利要求1所述的方法，其中钎焊是在等于或高于550℃的温度下并且在等于或低于680℃的温度下进行的。
9.如权利要求8所述的方法，其中钎焊是在等于或高于570℃的温度下并且在等于或低于630℃的温度下进行的。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述助熔剂包含四氟铝酸钾和五氟铝酸二钾和/或它们的水合物的混合物。
11.如权利要求1所述的方法，其中铝-硅合金被用作焊料金属。
12.如权利要求1所述的方法，其中生产汽车部件、飞机部件、热交换器或者用于化学反应的装置。
13.一种包括铝部件和钛部件的钎焊组件，可由如权利要求1到14中任一项所述的方法获得。
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