CN103521943B - 钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法 - Google Patents

Abstract

钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝、制备及应用，属于药芯焊丝技术领域。焊丝的外皮为铝硅铜合金，药芯为助焊剂；铝硅铜合金具体质量成分：含Si为4%—15%，含Cu为3%—28%，余量为铝及不可避免的杂质。通过非真空熔铸、挤压、轧制及退火工序，制备外皮铝硅铜合金带材，将带材经由不同大小的压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出药芯焊丝毛坯；然后经拉拔及退火工艺，减径至Φ1.0mm及以上。本发明中的钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的优点是钎料自带钎剂，不用再手动进行添加，可以实现钎焊的自动焊接。

Description

钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法

技术领域

本发明涉及钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备技术，尤其涉及铝硅铜合金材料的熔铸、轧制、无缝药芯焊丝、制备方法及其应用，属于药芯焊丝技术领域。

背景技术

铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，在航空、航天工业中已获得愈来愈广泛的应用。例如很多传统的铜合金波导、高频器件已被铝合金所取代，利用钎焊方法制造复杂的铝结构是最理想的方法。随着运载工具的轻量化，铝合金的应用范围渐广，其连接特别是焊接问题得到广泛的重视。

常用的铝合金焊接方法之一是钎焊，与熔焊相比其特点明显:加热温度一般低于母材熔点，对母材物理化学性能无明显的不利影响；钎焊温度低，易对工件整体均匀加热等。

Al-Si钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，是被应用最广的一种铝钎料。但由于其熔点较高(液相线温度为577℃)，钎焊熔点较低的铝合金时，钎焊温度非常接近于合金的固相线温度，易使母材发生晶粒长大、溶蚀等现象。因此，降低钎料熔点从而降低钎焊温度成为Al-Si钎料研究的重要方向之一。

Cu可以显著的降低Al-Si系钎料的熔点，铝硅铜三元合金相图的Al角如图1所示，在Al-Al₂Cu-Si的赝三元系中有一个三元共晶点，含Cu26.7wt％，Si5.0wt％，熔化温度为525℃。该组成常用作液相点较低的钎料。向Al-Si钎料加入Cu后，钎料的流动性显著提高。但此三元共晶钎料由于Al₂Cu金属间化合物的含量很高，因而很脆。

但是当Cu元素在钎料中的含量从4％增加到10％时，钎料的固相线温度急剧下降，在这个范围内Cu元素对钎料固相线温度的降低作用非常明显。当钎料中Cu元素的含量从10％增加到20％时，钎料的固相线温度下降的速率有所减少。因此，本课题在铝硅合金的基础上添加含量为10％的铜，将合金的熔点降低至522～565℃，利于铝合金的钎焊。

药芯焊丝也称为管状焊丝，可以通过调整药芯添加物的种类和比例，很方便地设计各种不同用途的焊接材料，因为它的合金成分可灵活方便的调整，所以药芯焊丝的许多品种是实心焊丝无法冶炼和轧制的。药芯焊丝具有效率高、焊接工艺性好、成本较低等特点，已被广泛应用于造船、桥梁、压力容器、汽车、铁路运输、管道、海洋工程、电站建设、采矿、石化、建筑机械、重型机械及高层建筑等行业。

药芯焊丝与手工焊条和氩弧焊丝相比有明显的优势，主要是把断续的焊接过程变为连续的生产方式，从而减少了焊接接头的数目，提高了焊缝质量，也提高了生产效率，节约了能源，继承了焊条的成分可调的优点,其熔敷效率甚至可以高达手工焊条的4倍,还具有焊缝成形光顺美观、焊接变形小等一系列优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝，具体成分为含Si为4％—15％，含Cu为3％—28％，用于钎焊铝合金材料。

本发明的另一目的是提供一种铝硅铜合金片材的加工方法，其通过非真空熔铸、挤压、轧制及退火工序，解决了合金加工性能差的问题，采用这种方法可以制备厚度为0.5mm的铝硅铜合金带材。

本发明的又一目的是提供一种钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的成型制备方法，其将一定宽度的铝硅铜合金带材经轧制机组轧成U形槽，加入按照配方配制的药芯粉料，在成形辊的轧制下合口成O形断面的药芯焊丝毛坯。

本发明的再一目的是提供一种钎焊用铝硅铜合金无缝药芯焊丝的拉拔及退火工艺，采用这种方法可以将直径为Φ4.2mm的药芯焊丝经拉拔、退火工序，减径至Φ1.0mm及以上。

一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝，其特征在于，焊丝的外皮为铝硅铜合金，药芯为助焊剂。铝硅铜合金具体质量成分：含Si为4％—15％，含Cu为3％—28％，余量为铝及不可避免的杂质。

药芯为氟铝酸钾，其熔点在510℃—530℃。

本发明的铝硅铜合金无缝药芯焊丝用于钎焊铝合金材料。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

(1)铝硅铜合金的熔铸工艺；

通过对熔炼温度及浇铸温度，脱气精炼的方法和时间的控制，熔铸出直径为Φ110mm的铝硅铜合金棒材。

(2)铝硅铜合金挤压、轧制及退火工序；

选取合适的挤压模具设计，通过对挤压温度和速度的控制，将直径为Φ110mm的棒材挤压成≠5mm的板材，再经过轧制及退火工序，加工成厚度为0.5mm及以上的带材。

(3)铝硅铜合金无缝药芯焊丝成型工艺；

依据制备药芯焊丝的设备条件，选取适当厚度的片材为原始材料，在制备药芯的同时将钎剂包覆在内，制备出直径约为Φ4.2mm的药芯焊丝。

(4)无缝药芯焊丝的拉拔工艺；

对直径约为Φ4.2mm的药芯焊丝进行拉拔工序，对拉拔道次及中间退火温度进行摸索，加工药芯焊丝至Φ1.0mm及以上尺寸。

制备上述一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的方法，具体包括以下步骤：

(1)铝硅铜合金的熔铸工艺

制备含硅质量为30％的铝硅中间合金：称取高纯铝、单晶硅材料，使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭得到，合金的浇铸温度为720-750℃；

制备含铜质量为50％的铝铜中间合金：称重高纯铝、无氧铜材料，使用中频感应炉加热，在粘土石墨坩埚内加入铝锭后升温，待铝锭熔化后加入铜锭，使炉温升至800～850℃，充分搅拌，待铜锭全部熔化，合金的浇铸温度为700-750℃。

制备含Si为4％—15％、含Cu为3％—28％的铝硅铜合金：称重高纯铝、上述铝硅中间合金、铝铜中间合金材料，将纯铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金，全部熔化后，进行脱气，撒少许精炼剂后，精炼剂为六氯乙烷，用量为炉料的0.3-0.4％，精炼完毕，除去表面浮渣，继续升温至750-800℃，搅拌，即可出炉得到铝硅铜合金棒；一般棒材的直径为Φ110mm。

(2)铝硅铜合金挤压、轧制及退火工序

选取合适的挤压模具，铝硅铜合金棒材及挤压模具装入电阻箱式退火炉中，设定加热温度为350℃—420℃(优选380℃)，保温3小时，开始挤压，挤压温度为380℃，速度10mm/s；挤压后带材尺寸厚度为5—8mm，一般可选宽85mm；

将上述铝硅铜合金带材在箱式退火炉中均匀化退火，380℃—420℃(优选400℃)保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为400℃，轧制2-3道次后将合金返回加热炉中加热，温度为400℃，保温至少30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至1.5-3mm(优选2mm)后转入中间轧制；

中间轧制为：退火温度为380℃—420℃(优选400℃)，保温1小时，随炉冷后轧制至0.6-1.0mm(优选0.8mm)，转入成品轧制；

将上述厚度为0.6-1.0mm(优选0.8mm)中间轧制的铝硅铜合金带材装入箱式退火炉中，400℃保温3小时后随炉冷后，进行冷加工至厚度为0.5mm或以上；

(3)铝硅铜合金无缝药芯焊丝成型工艺；

依据制备药芯焊丝的设备条件，将带材经由不同大小的压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出药芯焊丝毛坯；优选药芯焊丝毛坯直径约为Φ4.2mm。

(4)无缝药芯焊丝的拉拔工艺；

将步骤(3)药芯焊丝毛坯装入退火炉中，380℃—420℃(优选400℃)保温3小时后随炉冷，冷拉拔至Φ1.0mm或以上尺寸。

本发明的优点是：

1、本发明铝硅铜合金的成分为含Si＝10％，含Cu＝10％，该合金的熔流点范围为522～565℃，远低于一般铝合金的熔点，这样在使用该钎料进行钎焊时可以避免母材发生晶粒长大、溶蚀等现象。

2、本发明铝硅铜合金无缝药芯焊丝是利用加工出来的铝硅铜合金带材，在制备药芯焊丝的同时将钎剂包覆在内，并最终实现无缝药芯焊丝的成型，其最大的优点是钎料自带钎剂，在钎焊时不需要再添加钎剂；

3、由于钎料自带钎剂，在对某些具有复杂结构零件或大型焊接焊接时，无需手动添加钎剂，可以实现自动焊接。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)采用下述的制备方法制备铝硅中间合金，其组分及质量百分比为：Si：30％，Al：余量(简称AlSi30)；铝铜中间合金，其组分及质量百分比为：Cu：50％，Al：余量(简称AlCu50)。

制备工艺如下：

a)备原材料：外购99.999％高纯铝原材料，99.999％单晶硅头Si-1原材料，无氧铜原材料；按照上述组分及质量百分比配比计算、称重。

b)使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批小量地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭。合金的浇铸温度为720-750℃；

c)使用中频感应炉加热，在粘土石墨坩埚内加入铝锭后升温，待铝锭熔化后加入铜锭，使炉温升至800～850℃，充分搅拌，待铜锭全部熔化，合金的浇铸温度为700-750℃。

(2)利用步骤(1)所制备的AlSi30和AlCu50中间合金制备10Kg成分含量为Si＝10％、Cu＝10％的铝硅铜合金棒材，方法如下：

a)备原材料：外购99.999％高纯铝原材料，AlSi30中间合金，AlCu50中间合金；按照Si＝10％、Cu＝10％进行配比计算、称重。

b)将纯铝锭轻轻放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次加入中间合金，当铝合金全部熔化后，进行脱气，精炼剂喂六氯乙烷，用量为炉料的0.3-0.4％，精炼完毕，撒少许精炼剂后，除去表面浮渣。继续升温至750-800℃，搅拌，即可出炉。取样送成分分析。

步骤(3)：将步骤(2)制备的铝硅铜10-10合金棒材挤压成厚度为5mm，宽85mm的带材，方法如下：

a)挤压设备：

挤压机：1200吨卧式挤压机；

退火炉：电阻箱式退火炉；

b)挤压模具：

规格：≠5×85mm，模具钢；

润滑剂：60％24#气缸油+40％石墨粉

c)挤压前将铝硅铜10-10合金棒材及挤压模具装入电阻箱式退火炉，设定加热温度为380℃，保温3小时。挤压温度为380℃，速度10mm/s。

步骤(4)：将步骤(3)挤压出的铝硅铜10-10合金带材经轧制工序至厚度为2mm，方法如下：

a)轧制设备：

轧机：Φ310轧机；

箱式电阻炉及其他热轧工具

b)轧制前，保证轧机轴瓦和辊面保持良好的润滑。将步骤(3)挤压出的铝硅铜10-10合金带材在箱式退火炉中均匀化退火，420℃保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为420℃，轧制2-3道次后加工合金返回加热炉中加热，温度为420℃，保温30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至2mm后转入中间轧制。

步骤(5)：将步骤(4)开坯轧制出的铝硅铜10-10合金带材经成品轧制工序至厚度为0.8mm，方法如下：

a)轧制设备：

轧机：Φ90×200×200mm四辊中轧机；

箱式电阻炉及其他热轧工具；

b)将步骤(4)中厚度为2mm的铝硅铜10-10合金带材装入箱式退火炉中加热，退火温度为420℃，保温1小时，随炉冷，轧制至0.8mm。

步骤(6)：

a)轧制设备：

轧机：Φ154×300mm精轧机；

箱式电阻炉及其他热轧工具；

b)将步骤(5)厚度为0.8mm的铝硅铜10-10合金带材装入箱式退火炉中，420℃保温3小时后随炉后，进行冷加工。轧制过程中通过压下量的调整，保证加工出的带材平直，通过成品轧机轧制至厚度为0.5mm。

步骤(7)：

将步骤(6)制备的铝硅铜10-10合金片材进行分条切边，为药芯焊丝的制备做准备。

a)使用设备：

药芯焊丝制备机

b)依据药芯焊丝的直径不同选取合适宽度的铝硅铜10-10合金片材，通过不同大小的压辊进行药芯焊丝的成型工序，并将钎剂氟铝酸钾包覆在其内，制备出直径约为Φ4.2mm的药芯焊丝。药芯焊丝包覆完好，无开裂。

步骤(8)：

将步骤(7)制备的铝硅铜10-10合金无缝药芯焊丝经拉拔工序加工至Φ1.0mm，方法如下：

a)拉拔设备及模具：

大立罐拔丝机：MODEL-560-1型拉丝机；

小立罐拔丝机：C732型立式滚筒拉丝机

压尖机及拔丝退火炉；

拔丝模：硬质合金模；

b)将步骤(7)制备的铝硅铜10-10合金药芯焊丝装入退火炉中，420℃，

保温3小时后随炉冷，冷加工至所需的成品尺寸。

实施例2

步骤(1)

选取长度为40mm，宽度为40mm，厚2mm的高铝板为基材，对实施例1制备的铝硅铜药芯焊丝做铺展性试验。使用普通电阻炉加热，设定温度为530℃，反应时间为40s，材料从入炉到出炉不超过2min，每个铺展试验选取铝硅铜药芯焊丝0.1g。对铺展面积用面积仪测量结果为平均5.2cm²。

步骤(2)

选取长度为150mm，宽度为30mm，厚2mm的高铝板为立板，长度为150mm，宽度为40mm，厚2mm的高铝板为底板，对铝硅铜药芯焊丝做填缝性试验，立板的一端与底板间隙为1mm，且互相垂直，每个实验取铝硅铜药芯焊丝0.75g。经测量，填缝长度平均为12.05cm。

步骤(3)

选取长度为100mm，宽度为20mm，厚3mm的6063铝合金板材为母材，采用火焰钎焊的方法，分别对母材两两进行对接及搭接制样，研究铝硅铜药芯焊丝的焊接性能。在拉伸机试验下，铝硅铜药芯焊丝的抗拉强度平均达93Mpa，剪切强度平均达25.3Mpa。

Claims (5)

1.一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法，焊丝的外皮为铝硅铜合金，药芯为助焊剂；铝硅铜合金具体质量成分：含Si为4％—15％，含Cu为3％—28％，余量为铝及不可避免的杂质；其特征在于，包括以下步骤：

(1)铝硅铜合金的熔铸工艺

制备含硅质量为30％的铝硅中间合金：称取高纯铝、单晶硅材料，使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭得到，合金的浇铸温度为720-750℃；

制备含铜质量为50％的铝铜中间合金：称重高纯铝、无氧铜材料，使用中频感应炉加热，在粘土石墨坩埚内加入铝锭后升温，待铝锭熔化后加入铜锭，使炉温升至800～850℃，充分搅拌，待铜锭全部熔化，合金的浇铸温度为700-750℃；

制备含Si为4％—15％、含Cu为3％—28％的铝硅铜合金：称重高纯铝、上述铝硅中间合金、铝铜中间合金材料，将纯铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金，全部熔化后，进行脱气，撒少许精炼剂后，精炼剂为六氯乙烷，用量为炉料的0.3-0.4％，精炼完毕，除去表面浮渣，继续升温至750-800℃，搅拌，即可出炉得到铝硅铜合金棒；

(2)铝硅铜合金挤压、轧制及退火工序

选取合适的挤压模具，将铝硅铜合金棒材及挤压模具装入电阻箱式退火炉中，设定加热温度为350℃—420℃，保温3小时，开始挤压，挤压温度为380℃，速度10mm/s；挤压后带材尺寸厚度为5—8mm；

将上述铝硅铜合金带材在箱式退火炉中均匀化退火，380℃—420℃保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为400℃，轧制2-3道次后将合金返回加热炉中加热，温度为400℃，保温至少30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至1.5-3mm后转入中间轧制；

中间轧制为：退火温度为380℃—420℃，保温1小时，随炉冷后轧制至0.6-1.0mm，转入成品轧制；

将上述厚度为0.6-1.0mm中间轧制的铝硅铜合金带材装入箱式退火炉中，400℃保温3小时后随炉冷后，进行冷加工至厚度为0.5mm或以上；

(3)铝硅铜合金无缝药芯焊丝成型工艺；

依据制备药芯焊丝的设备条件，选取步骤(2)的带材为原始材料，将带材经由不同大小的压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出药芯焊丝毛坯；

(4)无缝药芯焊丝的拉拔工艺；

将步骤(3)药芯焊丝毛坯装入退火炉中，380℃—420℃保温3小时后随炉冷，冷拉拔至Φ1.0mm或以上尺寸。

2.按照权利要求1的一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中铝硅铜合金棒材及挤压模具装入电阻箱式退火炉中，设定加热温度为380℃；反复轧制至2mm后转入中间轧制；中间轧制为：退火温度400℃，保温1小时，随炉冷后轧制至0.8mm，转入成品轧制；

将厚度0.8mm铝硅合金带材装入箱式退火炉中，400℃保温3小时后随炉冷后，进行冷加工至厚度为0.5mm。

3.按照权利要求1的一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)药芯焊丝毛坯直径为Φ4.2mm。

4.按照权利要求1的一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(4)药芯焊丝毛坯装入退火炉中，在400℃保温3小时后随炉冷，进行拉拔工序，冷拉拔至Φ1.0mm。

5.按照权利要求1的一种铝硅铜合金无缝药芯焊丝的制备方法，其特征在于，药芯为氟铝酸钾，药芯熔点在510℃—530℃。