CN1026670C

CN1026670C - 铝或铝合金固态焊接表面处理方法及其处理剂

Info

Publication number: CN1026670C
Application number: CN 91110958
Authority: CN
Inventors: 黄岩; 崔建忠; 马龙翔
Original assignee: Yan Wengong Feng Sufan
Current assignee: Yan Wengong Feng Sufan
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1994-11-23
Anticipated expiration: 2006-11-29
Also published as: CN1072623A

Abstract

属于铝及铝合金固态焊接领域的一种焊接表面处理方法，包含将光滑的焊接表面进行脱脂、脱水、去除氧化膜工序，其焊接表面采用一种无机水有机溶液进一步处理，使该有机溶液覆在清洁的焊接表面，而该有机溶液为含有1～5%的苯乙烯及作为苯乙烯熔解剂的苯基类有机溶剂，其中苯基类为甲苯、二甲苯及乙苯之一或其中任意两种组成的混合物。无论钎焊、扩散焊接还是压焊，均可获得与基体组织性能一致的优质接头。

Description

本发明属于铝或铝合金的固态焊接技术领域，尤其涉及固态焊接前铝或铝合金的表面处理方法及专用的处理溶剂。

尽管铝或铝合金因具有许多优良的物理性能和机械性能而广泛应用于众多工业领域中，但是其焊接却十分困难。在熔化焊接条件下，往往需要采用惰性气体保护技术，如交流氩弧焊，但成本较高，技术复杂，限制应用范围。而固态焊接目前在国际上尚无有效的方法。究其原因，暴露在大气中的铝或铝合金，其表面总是迅速生成一层坚韧致密的氧化膜。这层氧化膜既使在温度升高到铝或铝合金的熔点以上时，仍然很稳定，不发生分解或向基体溶解现象，使得各种焊接方法难以在大气下进行。实际上，铝及铝合金的任何焊接方法都要求有效地解决其表面氧化问题。

在铝或铝合金的固态焊接情况下，如压焊、钎焊及扩散焊接，其表面氧化膜的去除是最关键的工艺问题。对于钎焊，一般采用焊剂来去除表面氧化膜以获得均匀优质的接头。但是采用焊剂的缺点是焊后必须采用特殊工艺去除焊剂以防止接头的腐蚀，而且往往难以干净彻底地去除残留在接头中的焊剂。对于压焊和扩散焊接工艺，一般是焊接前用化学腐蚀或机械处理来去除表面氧化膜。最常用的手段是先用强碱腐蚀，然后用矿物酸中将腐蚀产物刷洗。但这样的方法既不能保证能彻底地去除氧化膜层，也不能防止铝或铝合金表面在焊接之前被氧化而生成新的氧化膜，因而获得的接头质量是不均匀的。铝或铝合金在压焊和扩散焊接中另一个表面处理方法是在界面上加入一层中间层金属，加入的方法有真空溅射、喷镀、轧制复合等。采用这种方法的缺点是在焊接过程中或在焊后热处理中，接头往往形成一种或多种硬脆的金属中间相，使得接头性能大大降低。迄今为止，尚未见到有效地去除氧化膜的方法，使铝或铝合金固态焊接达到了基体强度的研究报道。

鉴于已有的铝或铝合金固态焊接中所存在的不足，本发明提供一种铝或铝合金的固态焊接表面处理方法及专用的处理剂，以确保有效地去除表面氧化膜，并防止焊接前形成新的氧化膜。

为了达到上述目的本发明提供的铝或铝合金固态焊接表面处理方法及其专用处理剂是通过下述方式实现的：将光滑的焊接表面处理方法进行脱脂、脱水、去除氧化膜工序，其特征在于其焊接表面采用一种无水有机溶液进一步处理，使该有机溶液覆在清洁的焊接表面，而该有机溶液为以重量百分比计含有1～5%的苯乙烯及作为苯乙烯溶解剂的苯基类有机溶剂，其中苯基类为甲苯、二甲苯及乙苯之一或其中任意两种组成的混合物。

如上所述的用电化学的方法去除氧化膜即将焊接件作为阳极，不锈钢作为阴极，在含有高氯酸和洒精的溶液中进行电解，其电解电流为1.0～1.2安培，电解电压为25～30伏，电解后在其电解液中去除残留在焊接表面的电解产物，并将焊接件取出后立即放入该有机溶液中浸渍处理3～5分钟。

本发明为了满足上述的固态焊接表面处理方法而提供的焊接表面专用处理剂是由含有苯乙烯及其溶解剂的无水有机溶液组成，该有机溶液中苯乙烯的含量在以重量百分比计占1～5%，而苯乙烯的溶解剂采用苯基类的有机溶剂，所采用的苯基类溶解剂为甲苯、二甲苯或乙苯之一或其中两种的混合物。溶解剂的选择依据表面专用处理剂的配制及该处理剂在焊接表面涂覆性能所决定，并且表面处理后该处理剂起到隔绝空气作用的同时满足固态焊接初始阶段又被迅速脱离其焊接表面的要求。有鉴于此，该表面处理剂还可添加稀释剂，该稀释剂选用丙酮，此时该表面处理剂的成分及重量百分比含量为苯乙烯1～5%，溶解剂40～60%，其余为丙酮。

下面对本发明予以详细描述：

对于铝或铝合金的固态焊接，其焊接表面须光滑，其表面一般要求至

6左右。将光滑的焊接表面采用丙酮和洒精进行脱脂、脱水，去除焊接表面所形成的氧化膜，并立即用专用处理剂用喷涂或浸渍等手段处理其表面，使该处理剂均覆在清洁的焊接表面上起到防氧化的作用。该处理剂防氧化的作用一直持续到固态焊接前，而且在固态焊接的初始阶段又被迅速脱离其焊接表面，从而保证固态焊接过程中焊接表面为无氧化膜的清洁表面。

为了使焊接表面去除氧化膜后立即用专用处理剂对其表面进行处理以防止新的氧化膜生成，将脱脂、脱水的焊接表面用电化学的方法去除其表面所形成的氧化膜。具体为将焊接件作为阳极、不锈钢作为阴极，在含有高氯酸和洒精的溶液中进行电解，电解电流为1.0～1.2安培，电解电压为25～30伏。电解后在电解液中用钢刷或类似的手段去除残留在焊接表面的电解产物，电解液中取出焊接件立即放入专用处理剂中对焊接表面进行浸渍处理，浸渍时间为3～5分钟即可。浸渍处理后焊接表面均覆盖专用处理剂溶液，该溶液因隔绝空气起到抗氧化的作用。

本发明提供的专用表面处理剂是非极性有机溶液，与铝及铝合金表面发生物理吸附反应，并消除或阻止其表面的极性物质。从该处理剂中所含的物质结构特点来看，烯烃基和芳烃基均属于不饱和烃。C＝C双键是由在两个C原子轴线上的σ键和垂直于该轴线的π键组成。在形成乙烯分子时，碳原子各自以一个SP₂杂化轨道沿键轴方向重送，形成一个C-Cσ键，并用其余的SP₂杂化轨道分别与四个氢原子的IS轨道重迭，形成四个C-Hσ键，这五个σ键在一个平面上，而垂直于该平面的未杂化Pz轨道平行重迭形成π键。π键是不饱和键，当乙烯分子附在铝及铝合金表面上时，乙烯分子中的Pz分子轨道将与铝表面上的3P空轨道共用乙烯π电子发生物理吸附反应。这种反应倾向于簇反应，即乙烯中两个碳原子的未杂化轨道分别与一个铝表面悬空轨道共用电子，其结构为：

芳烃π轨道是另一类不饱和烃π轨道，这种芳烃也是倾向于通过π结合吸附在金属表面上。考察苯的结构，每个碳原子参与三个σ键，一个是与氢原子，两个是与邻近的两个碳原子。每个碳原子的第四个轨道沿垂直于σ键的方向伸展，这些轨道间发生重迭，形成围绕环的π结合。这个π电子成键轨道与乙烯中的π轨道相似，当苯分子或一个等价的芳烃卧置在金属上时，π轨道将与表面金属原子的悬空键重迭而发生物理吸附反应。

吸附在铝及铝合金表面上的乙烯分子及芳烃分子形成了表面的非极性表面，从而起到了防止氧化的保护作用。由于该处理剂中苯乙烯的沸点最高，其沸点为144℃，因而该有机溶液在室温下需要较长一段时间才能完全挥发，而在固态焊接工艺条件下则可迅速挥发，分解或挤出，使焊接在清洁表面间进行。

本发明按上述描述所提供的固态焊接表面处理方法及其处理剂，用专用表面处理剂将去除表面氧化膜的焊接表面进行浸渍处理3～5分钟，即便在1～2小时内施行焊接，也不致于使焊接表面形成新的氧化膜。对于钎焊和扩散焊接，将焊接件在真空度不小于1×10^-2Pa的真空焊接室中加热，使焊接表面上的专用处理剂有机溶液得到分解、挥发，然后施行焊接;在压焊的情况下，可借助于高的焊接压力和大的塑性变形将挤出焊接表面上的有机溶液，使焊接表面以清洁表面相接触。本发明可应用于各种铝及铝合金的固态焊接工艺，如高纯铝、工业纯铝、铝-铜合金系、铝-镁合金系、铝-硅合金系、铝-锂合金系、铝-锌-镁合金系、铝-铜-镁合金系、铝-镁-锰合金系、铝-锌-镁-铜合金系等等。

本发明所提供的固态焊接表面处理方法及其处理剂有效、彻底地解决了铝及铝合金固态焊接前表面氧化膜的去除和获得的清洁表面的保护这一固态焊接工艺关键问题，而且表面处理方法简便易行、稳定可靠、易于实际生产中应用，经表面处理后的铝及铝合金的钎焊、压焊和扩散焊接均可获得与基体组织和性能一致的均匀、稳定的优质接头，并且该接头不存在氧化、腐蚀及成份不均匀等现象。

实施例之一：

对棒状热轧Al-Zn-Mg-Cu合金（7075）表面处理后进行扩散焊接。将该焊接件的焊接表面机械抛光

6左右，用清水冲洗;用丙酮和洒精对表面脱脂、脱水;将焊接件作为阳极、采用不锈钢作为阴极，在10%高氯酸、90%洒精溶液中进行电解，电解电流为1.0～1.2安培，电解电压为25～30伏;电解液中去除残留在焊接表面上的电解产物，并去除后立即放入专用处理剂中进行浸渍，浸渍3分钟后取出，一小时后放入1×10^-3Pa真空焊接室中焊接。所采用的处理剂为重量百分比5%的苯乙烯、45%的甲苯和50%的丙酮，焊接温度为480°～500℃，压力为3.0～10.0MPa，时间在120～150分钟。图1为在500℃、3.8MPa、120分钟条件下所获得的接头显微组织照片（×200），由此可看出该接头与基体组织一致，而且经测试焊接接头达到基体强度。

实施例之二：

对超塑状态的Al-Cu-Mg-Zr合金（2091）进行表面处理后施行扩散焊接。光滑的焊接表面以电化学法去除表面氧化膜后用3%苯乙烯、50%二甲苯及47%丙酮组成的处理剂进行浸渍处理。焊接温度510～520℃，压力2.0～3.0MPa，时间90～120分钟真空度1×10^-3Pa。图2为在上述条件下获得的接头显微组织照片（×200）。

实施例之三：

对淬火时效状态的Al-Zn-Mg-Cu铝合金（7075）进行钎焊。去除焊接表面氧化膜后用由3%苯乙烯、40%甲苯、57%丙酮组成的处理剂进行处理，同样将熔点为350℃、厚度为0.2mm的Al-34%Mg焊料合金板进行表面处理。焊料合金放在焊接表面中间，在真空焊接室进行焊接，其工艺参数为：真空度 1×10^-2Pa，焊接温度360～370℃，压力20～40MPa，时间10分钟。经360℃、10小时焊后扩散退火处理，可获得均匀的高强度接头。

实施例之四：

对纯铝板与Al-Cu-Mg-Li-Zr铝合金（2091）板进行冷压焊复合。采用由1%苯乙烯、40%甲苯和59%丙酮组成的处理剂对去除氧化膜的焊接表面分别进行涂覆处理。初始板厚合金板为5.0mm，纯铝板为1.0mm;进行冷轧压焊后复合板终轧厚度为2.0mm加工率为66.7%。压焊复合板其机械性能与合金板大致相同，而且复合强度，即压焊接头强度与基体强度大致相等。

实施例之五：

本发明提供的专用表面处理剂可以为由表1所提供的成份及含量组成的有机溶液之一。

附图说明：

图1为7075合金焊接头显微组织照片（×200）。

图2为2091合金焊接接头的显微组织照片（×200）

〔表1〕

成份溶解剂

含量% 苯乙烯丙酮

序号甲苯二甲苯（乙苯）

1 1 45 54

2 2 45 53

3 3 45 52

4 4 45 51

5 3 45 52

6 3 50 47

7 2 25 25 48

8 2 25 25 48

9 5 55 40

10 3 50 47

11 4 30 30 36

12 1 40 59

13 1 40 59

14 2 50 48

15 2 50 48

16 3 40 57

Claims

1、一种铝或铝合金固态焊接表面处理方向包含将光滑的焊接表面进行脱脂、脱水、去除氧化膜工序，其特征在于其焊接表面采用一种无机水有机溶液进一步处理，使该有机溶液覆在清洁的焊接表面，而该有机溶液为以重量百分比计含有1～5%的苯乙烯及作为苯乙烯溶解剂的苯基类有机溶剂，其中苯基类为甲苯、二甲苯及乙苯之一或其中任意两种组成的混合物。

2、按照权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于将脱脂、脱水的焊接表面用电化学的方法去除氧化膜，即将焊接件作为阳极，不锈钢作为阴极，在含有高氯酸和洒精的溶液中进行电解，其电解电流为1.0～1.2安培，电解电压为25～30伏，电解后在其电解液中去除残留在焊接表面的电解产物，并将焊接件取出后立即放入该有机溶液中浸渍处理3～5分钟，该有机溶液为苯乙烯占1～5%，苯基类有机溶剂40～60%，其余为丙酮。

3、一种表面处理剂，其特征在于该处理剂为以重量百分比计含有1～5%的苯乙烯及作为苯乙烯溶解剂的苯基类有机溶剂组成的无水有机溶液，其中苯基类溶剂为甲苯、二甲苯及乙苯之一或其中任意两种组成的混合物。