CN105171266B

CN105171266B - 一种自蔓延铝焊剂及其焊接方法

Info

Publication number: CN105171266B
Application number: CN201510549756.6A
Authority: CN
Inventors: 张国栋; 邱智华; 张晖; 杨博逸; 李莉; 杨辉; 张雅芝; 王麒瑜
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: QIANJIANG CITY JIANGHAN DRILLING Co.,Ltd.
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: CN105171266A

Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种自蔓延铝焊剂及其焊接方法。本发明的自蔓延铝焊剂由以下质量分数的粉末组成：铝粉28%‑38%；氧化锡24%‑34%；AlSr₁₀0.5%‑3%；氧化铜18%‑23%；硫酸钙8%‑13%；Si粉1%‑6%；氟化钙2.5%‑5.0%，所有粉末的粒径为100nm‑600μm。铝焊剂综合使用三种自蔓延反应体系，整个反应过程平稳；加入了Si粉，提高了合金液体的流动性和润湿性，使得合金的成分更加的均匀；加入了AlSr₁₀中间合金，细化了合金组织，改善和优化了合金的导电性、耐磨性和耐蚀性，使得堆焊合金的品质得到提高。

Description

一种自蔓延铝焊剂及其焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种自蔓延铝焊剂及其焊接方法。

背景技术

随着环保和节能观念的逐步深入，轻量化逐渐成为各大制造行业的主题。铝作为一种轻金属，其优异的延展性以及丰富的储量得到人们的广泛关注。在汽车、建筑和制造等行业，铝以及铝合金的应用越来越广泛。在铝及铝合金的使用过程中，由于各种各样的原因，包括运行环境和服役时间，都会受到不同程度的损伤，需要进行不同程度的表面修复。对铝及铝合金进行表面修复最常用的方法就是焊接技术，传统的焊接修复技术包括手工电弧焊以及气体保护焊。但是在实际的工况当中，比如说地震区域和冰雪低温区域，可能存在断电的情况，这种情况传统的需要电力维持的焊接方法就存在明显的不足之处，不能实现铝结构部件的及时抢修，造成不必要的损失。因此，开发出一种无电的焊接修复方法，以便在恶劣的工况下实现铝结构部件的高效率抢修，从而减少不必要的损失，具有重要的实际意义。

自蔓延高温合成技术（SHS）是一项具有自加热和自传导特性的，能够在无电以及条件恶劣的情况下实现稳定反应的新技术。高温自蔓延焊剂不需要其他外来能源和设备的供给，只需要提供反应所需要的最基本的初始触发能量，即可实现铝结构部件的焊接修复。同时，其不受工况条件的限制，无论是在冰雪天气，还是在地震灾区，均能实现稳定的焊接修复。

目前，国内对于自蔓延焊剂的研究也有不错的进展，主要围绕着两方面的工作展开，一方面主要运用在焊接钢和铜，另一方面主要是运用在焊接铝构件。专利201310557331.0，铝焊剂为石膏、铝、氟化钙、氟硅酸钠、铜、锡、锌、硅、钪、钇和银等，其成功实现了铝合金的焊接，但是其焊剂中使用了大量的纯金属粉末，包括纯铜、纯锌、纯硅、纯钪等，这些纯金属的价格都是比较高昂的，不符合资源节约型的要求；专利201310367501.9，其利用焊剂为铝粉、氧化铜、氧化锡、锌粉和氟化钙，成功实现铝和钢的焊接，同时得到不错的铝钢焊接接头，但是其操作流程相对比较繁琐，同时添加纯锌粉，成本并没有得到很好的控制。此外，以上两个专利都是用来实现母材之间的对焊连接，添加的焊剂在反应后均不能产生硬质相，并不能发挥母材表面修复所需要的硬度和耐磨性作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铝合金表面修复的高温自蔓延焊剂以及焊接方法。该铝焊剂配方所含成分价格低廉，成本容易控制；对铝结构修复的操作流程简单，修复效率高；焊接方法操作简单，焊接流程简易；焊剂中添加AlSr₁₀中间合金，稳定母材表面修复组织。

本发明的自蔓延铝焊剂由以下质量分数的粉末组成：铝粉28%-38%；氧化锡24%-34%；AlSr₁₀0.5%-3%；氧化铜18%-23%；硫酸钙8%-13%；Si粉1%-6%；氟化钙2.5%-5.0%，所有粉末的粒径为100nm-600μm。

本发明的高温自蔓延铝焊剂，采用三个自蔓延复合体系，Al-CaSO₄自蔓延体系、Al-Cu₂O自蔓延体系和Al-SnO₂自蔓延体系。单独的Al-Cu₂O自蔓延体系反应过于剧烈，自蔓延反应温度过高，容易造成液体的飞溅现象；单独的Al-SnO₂体系反应相对平缓，反应温度不足，同时反应生成较多的低熔点Sn，容易影响铝合金构件的修复强度；单独的Al-CaSO₄自蔓延体系反应不稳定，但是该体系不会生成多余的液体，只要造渣性足够好，反应能够提供稳定的热量；三个自蔓延体系的复合，刚好弥补各自的不足，驱使整个反应平稳的进行。同时，本发明的自蔓延焊剂还增添了AlSr₁₀中间合金，在Al-Sn-Cu合金结晶过程中，少量的AlSr₁₀中间合金均匀弥散分布在Al-Sn-Cu合金晶界处，阻止晶粒的进一步长大，从而达到细化晶粒的目的，同时AlSr₁₀中间合金能够调节合金的成分，平稳了母材修复合金的组织，使得Al-Sn-Cu合金的性能包括导电性、耐磨性和耐蚀性更加优异。另外，本发明的高温自蔓延焊剂还添加了Si粉，在高温下熔化的Si粉能够使合金液体的润湿性和流动性获得提高，使得铝构件的修复更加的完善。

本发明所述的自蔓延铝焊剂，其制备步骤如下：

（1）按质量比例称取如下的原料：铝粉28%-38%；氧化锡24%-34%；AlSr₁₀0.5%-3%；氧化铜18%-23%；硫酸钙8%-18%；Si粉1%-6%；氟化钙2.5%-5.0%；

（2）将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30min；

（3）混合好的粉末进行致密处理，然后装于储存罐中。

使用本发明的铝焊剂进行焊接步骤如下：

（1）将石墨坩埚置于待焊铝构件上方，石墨坩埚的下道口对准铝构件的损伤部位；

（2）将铝焊剂置于石墨坩埚内；

（3）在铝焊剂表明撒上一层火药层，用引线引出；点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复，待铝焊剂燃烧完毕，取下铝构件，冷却至室温后修复完成。

因为铝焊剂的金属获得率为30%左右，铝焊剂的加入质量为铝构件损伤部位所损失质量的3倍。

本发明铝焊剂在使用过程中，不需要外界的能量供应，方便快捷；不需要专业人士的操作，使用便捷。本发明有如下优点：

1.原料易得，成本低廉。反应所需的原料包括铝粉、氧化锡、AlSr₁₀、氧化铜、硫酸钙、Si粉和氟化钙都是实验室比较容易获得的材料，同时提供热量所进行反应的都是氧化物，价格低廉。

2.安全可靠，便与储存。制备的铝焊剂进行了致密化处理，降低了焊剂材料之间含有空气的含量，在使用过程中不会产生爆炸的危险；同时焊剂位于储存罐中，运输和储存都相当方便，也不容易潮解。

3.堆焊修复的品质好。铝焊剂综合使用三种自蔓延反应体系，整个反应过程平稳；加入了Si粉，提高了合金液体的流动性和润湿性，使得合金的成分更加的均匀；加入了AlSr₁₀中间合金，细化了合金组织，改善和优化了合金的导电性、耐磨性和耐蚀性，使得堆焊合金的品质得到提高。

4.成分合理，反应稳定。三种自蔓延体系的综合，使得整个反应的稳定性进一步提高，同时加入了CaF₂造渣，使得渣液得到很好的分离，合金组织的纯度加以提高。

5.焊接方法操作简单，焊接设备简易。焊接操作仅需放好焊剂，撒上一层火药以及点燃即可；焊接设备仅分为焊接部位和反应部位两部分，设备简易。

附图说明

图1为本发明高温自蔓延铝焊剂堆焊修复的装置示意图。

图2为本发明实施例1的堆焊修复的显微组织图片。

图3为本发明实施例2的堆焊修复界面维氏硬度变化曲线。

图4为本发明所述的不同含量AlSr₁₀中间合金的堆焊修复界面导电性曲线。

图5为本发明所述的不同含量AlSr₁₀中间合金的堆焊修复界面耐磨性曲线。

图6为本发明所述的不同含量AlSr₁₀中间合金的堆焊修复界面耐蚀性曲线。

以下实施例是对本发明使用效果的进一步说明，但不限制其范围。

具体实施方式

实施例1

选取质量比例为铝粉28%、氧化锡34%、AlSr₁₀1.0%、氧化铜18%、硫酸钙13%、Si粉1%和氟化钙5%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，所述的铝构件和石墨坩埚间的距离为2cm。同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

将堆焊修复的合金制备成金相试样，在显微镜下进行观察，得到堆焊界面的金相显微图像，如图2，从金相显微图像可以看出，堆焊修复界面基本上没有夹杂，没有明显的堆焊缺陷，也没有多余的气孔，组织均匀，铝基体中的锡分布弥散，对整个基体的加强作用显著，保证了堆焊界面的合金质量。

实施例2

选取质量比例为铝粉30%、氧化锡32%、AlSr₁₀1.5%、氧化铜19%、硫酸钙12%、Si粉2%和氟化钙3.5%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

取堆焊修复界面制备成试样，用维氏硬度计对界面两端进行硬度测试，如图3，从硬度变化的趋势可以看出，堆焊界面的硬度变化比较缓和，同时呈梯度式变化，这对堆焊界面的性能有很大的影响，梯度式的变化使得堆焊层组织的性能趋于均匀，在受到外界作用力的时候，能够均匀承受，使得堆焊层的性能大大的提高。

实施例3

选取质量比例为铝粉32%、氧化锡30%、AlSr₁₀2.0%、氧化铜20%、硫酸钙11%、Si粉3%和氟化钙2%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

由堆焊区导电性能测试图4可以看出，在加入AlSr₁₀中间合金之后，合金的导电性能有了明显的提升，且随着焊剂中添加的AlSr₁₀中间合金含量的变化，其导电性稳定在一个范围内，这说明使用该焊剂对母材进行堆焊修复后不仅不影响母材原有的导电性能，反而增强了母材的导电性，这对于输电领域的导电设备具有重要的意义。

实施例4

选取质量比例为铝粉34%、氧化锡26%、AlSr₁₀2.5%、氧化铜21%、硫酸钙10%、Si粉4%和氟化钙2.5%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

堆焊区摩擦性能的变化趋势在图5中给出，可以看到在加入AlSr₁₀中间合金之后，摩擦系数明显降低，随着焊剂中AlSr₁₀中间合金添加量的变化，其摩擦系数也稳定在一个范围之内。这说明在使用该焊剂对母材进行堆焊修复后，降低了修复界面的摩擦系数，提高了母材的耐磨性，这对于机械传动部位设备的修复具有重要的应用价值。

实施例5

选取质量比例为铝粉36%、氧化锡24%、AlSr₁₀2%、氧化铜18%、硫酸钙9%、Si粉6%和氟化钙5%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

耐蚀性能测试通过失重法进行，其随着AlSr₁₀中间合金添加量的变化趋势在图6中给出。可以看出，在焊剂中添加AlSr₁₀中间合金后，堆焊区的失重率明显降低，且随着焊剂中AlSr₁₀中间合金添加量的变化，其失重率稳定在一定的范围内。可以看出，使用该焊剂对母材进行堆焊修复后，母材的耐蚀性能有明显的提高，这对于在酸碱等腐蚀环境下使用的部件的修复具有重要的应用价值。

实施例6

选取质量比例为铝粉38%、氧化锡24%、AlSr₁₀3%、氧化铜18%、硫酸钙8%、Si粉5%和氟化钙4%，将称取好的粉末置于一体式混粉机中进行混合，混合时间为30分钟。将混合好的铝焊剂置于石墨坩埚中，石墨坩埚下道口对准铝构件损伤部位，同时在铝焊剂表面撒上一层引火粉，用导线引出，点燃导线，引燃铝焊剂，对铝构件进行堆焊修复。将堆焊好的材料制备成试样，进行导电性能、摩擦性能和腐蚀性能测试。

Claims

1.一种自蔓延铝焊剂，其特征在于由如下质量分数的粉末组成：铝粉28%-38%；氧化锡24%-34%；AlSr₁₀0.5%-3%；氧化铜18%-23%；硫酸钙8%-13%；Si粉1%-6%；氟化钙2.5%-5.0%。

2.根据权利要求1所述的自蔓延铝焊剂，其特征在于，所有粉末的粒径为100nm-600μm。

3.权利要求1所述的自蔓延铝焊剂在焊接铝构件上的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：

（2）将铝焊剂置于石墨坩埚内；

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的铝构件和石墨坩埚间的距离为2cm。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，铝焊剂的加入质量为铝构件损伤部位所损失质量的3倍。