CN103537823A

CN103537823A - 一种自蔓延铝焊剂及焊条

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Publication number: CN103537823A
Application number: CN201310557331.0A
Authority: CN
Inventors: 张国栋; 刘念; 任志鹏
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN103537823B

Abstract

本发明属于铝及铝合金焊接材料技术领域，涉及一种自蔓延铝焊剂及焊条。本发明焊剂由普通石膏粉、铝粉、铜粉、锡粉、锌粉、硅粉、氟化钙粉、氟硅酸钠粉、钪粉、钇粉、银粉组成。将上述焊剂和松香粉、石蜡粉经脱水、混合、压力加工、致密化处理、定型、包装等步骤制得焊条，其主要结构包括药柱、引燃线、手柄、药柱外包薄铝筒四个部分。本发明焊条便于储运，生产成本低，设备投入小；施焊前无需对母材进行预处理；施焊过程无需外加电源，不受磁场干扰，燃烧过程安全、稳定；焊后母材与焊缝合金形成良好冶金结合，接头无常规焊接缺陷，力学性能优良。本发明焊条除用于常规铝合金部件焊接外，还适用于铝母线、铝导线等导电母材的焊接。

Description

一种自蔓延铝焊剂及焊条

技术领域

本发明涉及一种自蔓延铝焊剂及焊条，属于铝及铝合金焊接材料技术领域。

背景技术

由于铝及铝合金密度小、强度高、耐腐蚀、导热和导电性好，在交通运输、冶金、航空航天、建筑桥梁、电子电气、汽车制造、包装容器、军工装备等行业应用日趋广泛。在铝及铝合金部件服役过程中，由于某些原因可能发生损伤，大部分需要进行焊接修复。通常情况下采用手工电弧焊和气焊进行修复。但在一些环境下，可能面临着无电、无气源、无焊接设备的情况，比如5.12大地震、南方冰灾、雪灾情况下的铝结构部件和铝导线的快速抢修；以及高山、水下、恶劣环境情况下损伤铝部件及铝导线的快速连接。另外一种情况是现场工况下不允许采用电弧焊技术。在铝冶炼生产中，为提高铝的产量，铝电解槽的电流强度呈上升趋势，目前国内铝电解槽的电流强度己达350000安培。如此大的直流电流使电解槽及其周围产生了直径达数米的强磁场，磁场强度经计算可达180高斯。铝导线在生产中常会意外损坏，一般情况下降电流或停电后采用碳弧焊。降电流焊接依然受磁场的影响，接头质量差，接头强度和导电性受到影响；停电焊接不但造成电解铝产量减少、能耗大幅增加，还会增加有害气体排放，造成环境污染，而且由于热胀冷缩，会对电解槽内衬产生影响。所以，开发适合于铝基体材料无电焊接的自蔓延焊条具有非常重要的意义和应用前景。

无电自蔓延焊剂是借鉴熔焊和钎焊连接机理，基于自蔓延高温合成技术与焊接技术的一种新型焊接材料，它以高热剂的自蔓延反应放热为焊接热源，以反应生成的金属为焊缝填充成分实现焊接。使用无电自蔓延焊条进行焊接不需外界能源和设备，只需要一根小巧轻便的自蔓延焊条，即可随时随地实施焊接，携带使用方便，操作灵活简单。目前的无电自蔓延焊条主要用来进行钢铁材料和铜材料的焊接，尚未见到适合于铝及铝合金焊接的无电自蔓延焊条。这是因为适用于钢铁料和铜材料的焊条主要成分为氧化铁、氧化铜和铝粉，而铁、铜和铝在凝固的过程中容易生成脆性化合物，力学性能很差，焊接刚刚完成，焊缝就发生了脆性破坏。所以，无法采用普通的铜、铁等金属氧化物作为自燃型焊条高热剂成分来实现铝及铝合金的自蔓延焊接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种专用于铝及铝合金焊接的自蔓延焊剂。使用该焊剂，无需外界能源和设备，安全便携，操作快捷简便；无需专业人员、工人劳动强度低；不存在焊接电弧，适合在强磁场等特殊环境下应用；焊接效率高；焊接热变形小；焊缝具有较高强度。

本发明的自蔓延铝焊剂由如下质量分数的粉末组成：石膏（生石膏、熟石膏皆可）26%-32.5%；铝40.5%-57.7%；氟化钙1.8%-2.5%；氟硅酸钠1%-2.5%；铜3%-8%；锡1%-13%；锌1%-4%；硅0.5%-2%；钪0.05%-0.1%；钇0.05%-0.25%和银0.5%-2%。

采用本发明上述的自蔓延铝焊剂的焊条制备步骤如下：

（1）选用200目的石膏（生石膏、熟石膏皆可）粉、铝粉、铜粉、锡粉、锌粉、硅粉、氟化钙粉、氟硅酸钠粉、钪粉、钇粉和银粉，将之分别干燥以去除粉料内的自由水与结合水；

（2）按比例将上述干燥后的原料粉末均匀混合，然后，将混合好的粉末与松香粉、石蜡粉按照质量比28：1：1均匀混合；混合好的粉末在90℃下搅拌成泥状，后将其反复敦实挤压成型为圆柱状坯体；

（3）在坯体的一端插入镁带作为引线，另一端插入手柄，之后保持压力，将两端插入镁带和手柄的坯体在模具中晾凉至室温从而定型；

（4）将定型好的坯体表面包覆一层0.1mm厚的铝筒，用以支撑坯体以及补充焊接过程中铝的耗损。

将包覆好铝筒的焊条逐条进行独立真空包装，以免其在储运过程中发生潮解与氧化。

坯体的直径为20mm，长度为220mm。

所述手柄上有一棱柱，插入坯体中。插入坯体中的长度为50mm。

本发明涉及的自蔓延铝焊剂中主要组分的作用如下：

（1）焊剂中作为焊缝填充金属来源的组分包括：铝、铜、锡、锌、硅、钪、钇和银，其中铝为焊缝填充金属的合金基体；铜、锡、锌、钪、钇和银则用于改善填充金属的合金体系，以提高焊缝金属的性能；而锡、锌和硅则是用于改善焊接时金属的润湿性与流动性，以提高焊接品质。

（2）铝焊剂焊接时的主要热量来源于干燥后的石膏粉（CaSO₄）和铝粉（Al）的自蔓延高温放热反应：

2Al+3CaSO₄=Al₂O₃+3CaO+3SO₂+大量热量

在焊接时，该反应释放的热量将点燃后面未反应的焊剂，从而使得焊条得以在始端燃烧后逐步向末端推进，直至燃尽。在此过程中，松香粉与石蜡粉也将随之辅助燃烧释放热量，且由于其完全燃烧产物为二氧化碳（气体，将随之散入空气中），不会混入填充金属，影响焊接品质。

（3）焊剂中作为造渣剂的组分包括：氟化钙、氟硅酸钠、以及上述（2）中反应所生成的氧化钙（CaO）与氧化铝（Al₂O₃）。这四者在焊接过程中共同形成焊接熔池的渣系，以达到净化熔池、保护填充金属的目的。

（4）松香粉与石蜡粉也是焊条的粘合剂与稳定剂。在90℃时，松香粉与石蜡粉以黏稠液态混入焊条原料粉末中，使其成泥状便于塑型。在常温下，二者又回复固态起到粘结周围粉体与稳定焊条形态的作用。

本发明涉及的自蔓延铝焊条具体使用步骤如下：

（1）将焊条从真空包装中取出，手握手柄将焊条始端对准待焊焊缝。

（2）点燃镁带，当焊条始端被引燃时开始焊接。在焊接过程中建议采用后倾的方式握持，具体倾角、焊条的燃烧端与待焊母材表面的距离、焊条移动速度可因具体情况而定，但建议控制在75°倾角、5mm间距、6 mm/s的移动速度为宜，以达到最佳焊接效果。

（3）焊条燃尽时，焊条底托之前没入焊条的部分将随之烧毁脱离，最终完成焊接。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

（1）焊接品质好：焊条成分中铜和锡的加入不仅降低了铝热反应药剂的综合成本，也降低了焊缝金属的熔点，促进了熔化金属与铝母材的焊合。由于锌与铝具有的良好润湿性，焊条成分中的锌能够很好地改善熔融金属与铝母材的浸润性能。焊条成分中加入的硅，在焊接时转变为氧化硅，一方面可以扩大焊缝金属的固液转变温度范围，从而改善液态金属的流动和润湿性能，有利于良好的熔合；另一方面，则可以改善渣系结构，提高渣系对熔池金属的保护能力。此外，银和稀土元素的加入，能够很好地净化焊缝金属，细化晶粒，去除气体和有害杂质，从而减少裂纹源，进而改善焊缝金属的综合力学性能。

（2）操作简便，适应性强：由于本发明焊条在焊接时将释放大量热量，使得待焊母材接触面瞬间熔化与焊缝金属发生冶金反应，因而待焊母材接触面的形态将发生重塑，且表面有机质（如油污）将完全燃烧随之挥发，而表面无机质（如表层氧化膜）将在铝母材熔化后随熔池冶金反应进入渣系。因此，使用本发明焊条焊接前无需对铝母材的待焊界面进行坡口加工、除污除油和去氧化膜等处理。焊接过程无须其他辅助能源、焊剂和设备，且不受外界磁场环境干扰。

（3）安全可靠，便于储运：在焊条制备过程中经过致密化处理，极大降低了焊条中的孔隙量，有效避免了焊条使用过程中发生爆燃。焊条中弥散分布的松香与石蜡，能够有效避免焊条燃烧时发生燃烧中断或串燃。焊条药柱外包覆的薄壁铝筒能够有效避免焊条在储运过程中被折断、损伤。真空包装能够有效防止焊条药柱潮解与氧化，且能够避免焊条在储运中自燃。此外，每根焊条可以独立使用，外形小巧，便于携带。

（4）绿色环保，制备成本低：本发明焊条焊接时无须外加能源，节能环保。由于焊条原料药粉均需干燥处理，故而药柱主要成分之一的石膏粉可以选用废弃石膏粉，二次利用，节约资源。焊条制备过程简单，设备要求低，生产投入小。

（5）除常规铝部件外，可适用于铝母线、铝导线等导电线缆的焊接：由于焊条成分中银的加入，不仅提高了焊缝品质，还改善了焊缝的导电性能，使其得以满足导线的电流输导要求。

附图说明

图1是本发明自蔓延铝焊条的结构示意图，图中1为引燃线，2薄铝筒，3为焊条药柱，4为手柄。

图2是实施例1中焊缝接头显微组织的金相照片。

图3是实施例2中焊缝接头组织的场发射扫描电子显微镜照片及其能谱仪附件线扫描结果。

图4是实施例3中焊缝接头组织的微区X射线衍射仪分析结果。

图5是实施例4中焊缝接头上距离熔合线不同距离的取样点的维氏硬度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施案例对本发明自蔓延铝焊条及其使用效果做进一步阐述。

本发明自蔓延铝焊条由药柱、引燃线、手柄、薄铝筒四个部分构成，如附图1所示。其中药柱为直径20mm，长度220mm的圆柱状坯体。药柱采用的药剂均为200目粉体，各主要组分的质量比为石膏粉（生石膏、熟石膏皆可）26%-32.5%；铝粉40.5%-57.7%；氟化钙粉1.8%-2.5%；氟硅酸钠粉1%-2.5%；铜粉3%-8%；锡粉1%-13%；锌粉1%-4%；硅粉0.5%-2%；钪粉0.05%-0.1%；钇粉0.05%-0.25%和银粉0.5%-2%。药柱中主要组分质量和与松香粉、石蜡粉的质量比为28：1：1。引燃线为宽3mm的镁带，其没入药柱的长度为40mm，留在外面的长度为60mm。手柄是由长10mm、宽2mm、高50mm的棱柱，直径30mm，厚2mm的托盘和直径20mm，长度150mm的圆柱状手柄共同组成的PVC构件。药柱外包薄铝筒则由0.1mm厚的铝片卷曲包覆而成。

本发明自蔓延铝焊条的制备过程主要包括：将药柱主要组分脱去自由水与结合水后按比例混合均匀，再与松香粉、石蜡粉混合均匀，并在90℃下搅拌成泥状，组装上引燃线与手柄，反复挤压敦实使之致密成型为附图1所示柱体。最后，在室温下晾凉定型，外包薄铝筒，逐条真空包装即可。

本发明自蔓延铝焊条具体使用步骤包括：从真空包装取出焊条，握紧手柄使焊条始端对准待焊焊缝后点燃引燃线，根据具体需要倾斜焊条施焊，待焊条燃至药柱尾端，将烧毁手柄没入药柱的部分而自动脱落，最终完成焊接。

以下实施例是对本发明使用效果的进一步说明，但并不限制其范围。

实施例1

选用质量比为石膏粉31.9%；铝粉53%；氟化钙粉2.5%；氟硅酸钠粉1.5%；铜粉4.5%；锡粉2%；锌粉1.3%；硅粉2%；钪粉0.1%；钇粉0.2%和银粉1%的200目粉体药剂，按照上述制备过程制备焊条。以后倾的方式握持，具体倾角为65°，焊条的燃烧端与待焊母材表面的距离为5mm，焊条移动的速度为9mm/s，按照上述使用步骤施焊，实现厚度6mm的对接铝板焊接。

将焊好的焊缝接头制样后放于金相显微镜下观察，其显微组织如图2所示。图中焊缝合金与母材连接紧密、相互浸润，熔合线弯曲、层次清晰，形成了明显的冶金连接，且界面处及焊缝合金内部无裂纹、夹渣、连续性气孔等缺陷存在，焊接品质良好。

实施例2

选用质量比为石膏粉26%；铝粉45%；氟化钙粉2.3%；氟硅酸钠粉1.2%；铜粉7%；锡粉13%；锌粉2%；硅粉2%；钪粉0.05%；钇粉0.05%和银粉1.4%的200目粉体药剂，按照上述制备过程制备焊条。以后倾的方式握持，具体倾角为70°，焊条的燃烧端与待焊母材表面的距离为5mm，焊条移动的速度为8mm/s，按照上述使用步骤施焊，实现厚度8mm的对接铝板焊接。

将焊好的焊缝接头制样后放于场发射扫描电子显微镜下观察，并利用能谱仪对其进行线扫描，结果如图3所示。熔合线两侧组织具有明显差异，右侧母材区组织均匀致密，左侧焊缝合金区在均匀致密的基体上出现了弥散分部的强化相，有利于提高焊接接头的性能。熔合线弯曲而致密，且母材与焊缝合金中的铝、铜、锡等合金元素均越过熔合线彼此相互扩散进入另一侧，形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域成形良好，没有观察到裂纹、夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，焊接质量较好。

实施例3

选用质量比为石膏粉28%；铝粉40.5%；氟化钙粉1.8%；氟硅酸钠粉2.5%；铜粉8%；锡粉12%；锌粉4%；硅粉1%；钪粉0.1%；钇粉0.1%和银粉2%的200目粉体药剂，按照上述制备过程制备焊条。以后倾的方式握持，具体倾角为75°，焊条的燃烧端与待焊母材表面的距离为5mm，焊条移动的速度为7mm/s，按照上述使用步骤施焊，实现厚度10mm的对接铝板焊接。

将焊好的焊缝接头制样后利用微区X射线衍射仪对其进行局部相分析，结果如图4所示。微区两侧组织具有明显差异，右侧母材区组织为单相，期间有少量铜固溶，说明焊缝合金中的铜元素越过熔合线扩散进入母材，加之熔合线弯曲而致密，这表明焊缝合金与母材间形成了有效的冶金结合。左侧焊缝合金区在均匀致密的铝基含铜固溶体基体上出现了不同的析出相，其中白色的析出相为锡基的铜铝锡固溶体，能够很好地改善接头的强韧配比；灰色的析出相为弥散分部的Al₂Cu，能够很好地改善接头的硬度、强度。整个观测微区成形良好，没有观察到微观裂纹、夹渣、夹杂等焊接缺陷，焊接质量较好。

实施例4

选用质量比为石膏粉32.5%；铝粉57.7%；氟化钙粉2.5%；氟硅酸钠粉1%；铜粉3%；锡粉1%；锌粉1%；硅粉0.5%；钪粉0.05%；钇粉0.25%和银粉0.5%的200目粉体药剂，按照上述制备过程制备焊条。以后倾的方式握持，具体倾角为80°，焊条的燃烧端与待焊母材表面的距离为5mm，焊条移动的速度为6 mm/s，按照上述使用步骤施焊，实现厚度12mm的对接铝板焊接。

将焊好的焊缝接头制样后沿熔合线向两侧不同距离处取点测量其维氏硬度，结果如图5所示。原始母材硬度为45HV，随着进入热影响区（HAZ）后硬度呈波动性变化，略有下降，最低硬度为40HV。这主要是由于铝合金焊接时常常发生HAZ软化，导致热影响区内硬度下降，然而较之目前常见的其他铝合金焊接方法而言，本发明焊条焊接后引起的热影响区内硬度下降要小得多，使其完全能够满足焊后构件的服役要求。而在越过熔合线进入焊缝合金之后，测量的硬度值呈现波动性快速上升，最高达到85HV。这说明焊接过程中，焊缝合金内的合金元素向熔合线方向呈梯度性均匀扩散，实现了焊缝合金与母材间力学性能的良好过度。此外，所得焊缝接头母材与焊缝合金紧密结合，且熔合线弯曲而致密，形成了有效的冶金结合。整个焊缝区域成形良好，无裂纹、夹渣、气孔、未熔合等常规焊接缺陷，焊接品质良好。

Claims

1.一种自蔓延铝焊剂，由如下质量分数的粉末组成：石膏26%-32.5%；铝40.5%-57.7%；氟化钙1.8%-2.5%；氟硅酸钠1%-2.5%；铜3%-8%；锡1%-13%；锌1%-4%；硅0.5%-2%；钪0.05%-0.1%；钇0.05%-0.25%和银0.5%-2%。

2.采用权利要求1所述的自蔓延铝焊剂制备焊条的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）选用200目的石膏粉、铝粉、铜粉、锡粉、锌粉、硅粉、氟化钙粉、氟硅酸钠粉、钪粉、钇粉和银粉作为原料，将之分别干燥以去除粉料内的自由水与结合水；

（2）按比例将原料粉末均匀混合，然后，将混合好的粉末与松香粉、石蜡粉按照质量比28：1：1均匀混合；混合好的粉末在90℃下搅拌成泥状，后将其反复敦实挤压成型为直径20mm，长度220mm的圆柱状坯体；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述坯体的直径为20mm，长度为220mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述手柄上有一棱柱，插入坯体中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，棱柱插入坯体中的长度为50mm。