CN106141490B - 一种用于钎焊泡沫铝的钎料及泡沫铝和铝的钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钎焊泡沫铝的钎料及泡沫铝和铝的钎焊方法，该钎料按重量百分比计的元素成分包括：Al12.0％～18.0％，Ag2.5％～3.5％，Cu3.0％～5.0％，Mg0.1％～0.5％，Be0.01％～0.06％，Sr0.1％～0.3％，余量为Zn。本发明的一种用于钎焊泡沫铝的钎料，该钎料具有较低的熔点，对泡沫铝和铝都具有良好的润湿性及填缝性，钎焊温度在480～500℃，钎料熔化温度较低，钎料熔化均匀，钎焊温度下对泡沫铝和铝不会有明显的过烧现象，同时，该钎料还具有良好的耐腐蚀性能，设计的钎焊工艺实施方便，生产率高，经济性好，最后能获得力学性能良好的钎焊接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于钎焊泡沫铝的钎料及泡沫铝和铝的钎焊方法，属于钎焊领域。
背景技术
泡沫铝是一种在纯铝或铝合金中加入添加剂，经过发泡或其他工艺制作而成，同时具有金属和气泡特征的新型铝基金属材料。它密度小、耐高温、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、吸收冲击能力强、防火性能强、耐候性强、有过滤能力、电磁屏蔽性高、成形精度高、易加工、易安装、可进行表面涂装。泡沫铝的这些优异的性能使其在当前的材料领域尤其是在航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景，是非常具有开发前途的工程材料。但是以孔隙为特征的泡沫铝材料在焊接领域面临很多问题。用激光焊接泡沫铝后发现在高能热源作用下，泡沫铝孔隙结构大量坍塌导致熔池和焊缝成形困难和熔合不良；用扩散焊和超声波焊焊接泡沫铝后发现焊接接头力学性能较差，不具备实用化条件。迄今为止，有关泡沫铝的焊接技术仍不成熟，这极大地限制了泡沫铝在多领域的推广和应用。但是如果将泡沫铝和铝进行焊接，则会因为孔隙率的降低而使得焊接难度降低。将泡沫铝和铝进行焊接不失为一种对泡沫铝焊接的良好替代方法。
钎焊因其独特的优势常被用来连接新型材料，它也被看做是连接泡沫铝最具实用潜力的方法之一。近年来，关于泡沫铝和铝的钎焊越来越受到大家重视，这也引发了一些问题。一是泡沫铝由于孔隙的存在造成钎焊时钎料对泡沫铝一侧的润湿和填充不良，进而导致整个钎焊接头力学性能较差。二是泡沫铝和铝的钎焊往往采用的是Al-Si系钎料，这类钎料虽对泡沫铝润湿性较好，但是这类钎料熔点高，，容易造成母材过烧甚至熔化，且最终获得的钎焊接头力学性能不高。三是采用的一些钎焊工艺成本较高，生产效率低，不利于工业上推广和使用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种用于钎焊泡沫铝的钎料及泡沫铝和铝的钎焊方法，该钎料具有较低的熔点，对泡沫铝和铝都具有良好的润湿性及填缝性，设计的钎焊工艺实施方便，生产率高，经济性好，最后能获得力学性能良好的钎焊接头。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于钎焊泡沫铝的钎料，该钎料按重量百分比计的元素成分包括：Al12.0％～18.0％，Ag2.5％～3.5％，Cu3.0％～5.0％，Mg0.1％～0.5％，Be0.01％～0.06％，Sr0.1％～0.3％，余量为Zn。
作为优选，该钎料按重量百分比计的元素成分包括：Al15.0％，Ag3.0％，Cu4.0％，Mg0.3％，Be0.03％，Sr0.2％，余量为Zn。
作为优选，所述钎料为片状，厚度为150～200μm。
一种泡沫铝和铝的钎焊方法，包括以下步骤：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成矩形块，一种如权利要求3所述的钎料片剪为合适长度；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板、铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.07MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为480～500℃，保温时间9～13mi，保温时间结束后试样进行随炉冷却。
作为优选，所述步骤(2)中的膏状钎剂包含QJ201粉末和无水酒精，将无水酒精与QJ201粉末均匀混合制成膏状钎剂。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)关于泡沫铝的钎焊，难度就在于钎料对泡沫铝的润湿和填充。本发明提供的钎料因为合理地添加了有关合金元素，使得其对泡沫铝和铝具有很好的润湿性和填缝性，钎焊温度在480～500℃，钎料熔化温度较低，钎料熔化均匀，钎焊温度下对泡沫铝和铝不会有明显的过烧现象，同时，该钎料还具有良好的耐腐蚀性能。
(2)本发明提供的钎焊工艺，采用空气炉中钎焊，需用的设备简单通用，成本较低，一炉可同时钎焊多件，生成效率高。配合提供的钎料和合理的工艺参数，使得整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，最终能获得高强度的钎焊接头。
(3)本发明提供的泡沫铝和铝的钎焊方法简单合理，实施方便快捷，钎料的制备以及钎焊工艺可重复再现，便于广泛的推广与应用。
附图说明
图1为钎焊试样装夹的结构示意图；
图2为实施例1得到的泡沫铝和铝钎焊接头的剪切断口形貌照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提供的钎料通过合理添加多种合金元素使钎料具有良好的钎焊工艺性能，耐腐蚀性能和加工性能。其中加入的Al元素不仅可以提高钎料的润湿和铺展性，钎料的成形加工性，而且对钎料的力学性能也有很大的提高；加入的Ag元素不仅可以提高钎料的铺展性，钎料的力学性能，且能提高钎料的耐腐蚀性能；Cu元素的加入不仅对钎料的铺展面积有很大的帮助，且Cu元素对组织有较好的弥散强化作用，对最终钎焊接头的力学性能有显著的提高；加入适量的Mg元素主要为了增强钎料的润湿性；加入微量的Be元素和Sr元素不仅可以提供钎料的流动性，还能提高钎料的耐晶间腐蚀性。
本发明提供的钎焊工艺是采用先将泡沫铝板和铝板以对接的方式放入专门的夹具中，如图1所示，再将夹具和装夹好的试样一同放入空气炉中，配合提供的钎料和QJ201钎剂在空气炉中实现钎焊。空气炉加热均匀，最终制得的钎焊接头力学性能高，无变形，微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷。
实施例1
选择泡沫铝板(孔隙率为75％)与铝板进行对接接头空气炉中钎焊。其中泡沫铝板与铝板试样尺寸均为40mm×20mm×8mm，待钎焊面为40mm×8mm截面。
所用钎料成分按质量百分比配比为：Al15.0％，Ag3.0％，Cu4.0％，Mg0.3％，Be0.03％，Sr0.2％，余量为Zn。钎料片厚度为150μm。
所用钎剂为QJ201粉末。将无水酒精和QJ201粉末均匀混合制成膏状。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成尺寸为20mm×20mm×8mm的矩形块，钎料片剪为长度为20mm×8mm；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板，铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上调制好的膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.07MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为490℃，保温时间10min。保温时间结束后试样进行随炉冷却。
结果：钎焊获得的泡沫铝板和铝板接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温剪切强度为11.52Mpa，钎焊接头的剪切断口形貌照片如图2所示。
实施例2
选择泡沫铝板(孔隙率为75％)与铝板进行对接接头空气炉中钎焊。其中泡沫铝板与铝板试样尺寸均为40mm×20mm×8mm，待钎焊面为40mm×8mm截面。
所用钎料成分按质量百分比配比为：Al13.0％，Ag3.5％，Cu4.5％，Mg0.2％，Be0.05％，Sr0.3％，余量为Zn。钎料片厚度为180μm。
所用钎剂为QJ201粉末。将无水酒精和QJ201粉末均匀混合制成膏状。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成尺寸为20mm×20mm×8mm的矩形块，钎料片剪为长度为20mm×8mm；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板，铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上调制好的膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为500℃，保温时间12min。保温时间结束后试样进行随炉冷却。
结果：钎焊获得的泡沫铝板和铝板接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温剪切强度为10.23MPa。
实施例3
选择泡沫铝板(孔隙率为75％)与铝板进行对接接头空气炉中钎焊。其中泡沫铝板与铝板试样尺寸均为40mm×20mm×8mm，待钎焊面为40mm×8mm截面。
所用钎料成分按质量百分比配比为：Al17.0％，Ag2.5％，Cu3.5％，Mg0.4％，Be0.02％，Sr0.1％，余量为Zn。钎料片厚度为200μm。
所用钎剂为QJ201粉末。将无水酒精和QJ201粉末均匀混合制成膏状。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成尺寸为20mm×20mm×8mm的矩形块，钎料片剪为长度为20mm×8mm；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板，铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上调制好的膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.05MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为485℃，保温时间13min。保温时间结束后试样进行随炉冷却。
结果：钎焊获得的泡沫铝板和铝板接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温剪切强度为10.81MPa。
实施例4
选择泡沫铝板(孔隙率为75％)与铝板进行对接接头空气炉中钎焊。其中泡沫铝板与铝板试样尺寸均为40mm×20mm×8mm，待钎焊面为40mm×8mm截面。
所用钎料成分按质量百分比配比为：Al18.0％，Ag2.8％，Cu3.0％，Mg0.5％，Be0.06％，Sr0.15％，余量为Zn。钎料片厚度为180μm。
所用钎剂为QJ201粉末。将无水酒精和QJ201粉末均匀混合制成膏状。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成尺寸为20mm×20mm×8mm的矩形块，钎料片剪为长度为20mm×8mm；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板，铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上调制好的膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.06MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为500℃，保温时间12min。保温时间结束后试样进行随炉冷却。
结果：钎焊获得的泡沫铝板和铝板接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温剪切强度为10.58MPa。
实施例5
选择泡沫铝板(孔隙率为75％)与铝板进行对接接头空气炉中钎焊。其中泡沫铝板与铝板试样尺寸均为40mm×20mm×8mm，待钎焊面为40mm×8mm截面。
所用钎料成分按质量百分比配比为：Al12.0％，Ag2.6％，Cu5.0％，Mg0.4％，Be0.04％，Sr0.2％，余量为Zn。钎料片厚度为200μm。
所用钎剂为QJ201粉末。将无水酒精和QJ201粉末均匀混合制成膏状。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成尺寸为20mm×20mm×8mm的矩形块，钎料片剪为长度为20mm×8mm；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板，铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上调制好的膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.05MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为485℃，保温时间13min。保温时间结束后试样进行随炉冷却。
结果：钎焊获得的泡沫铝板和铝板接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温剪切强度为11.25MPa。
对比实施例与实施例1-5使用相同的泡沫铝和铝板，钎料的成分与实施例1-5不同，钎焊工艺相同，对比实施例如下表所示：
通过实施例1-5和对比例1-6得出，Ag、Be和Sr虽然在钎料含量较低，但是对于钎焊质量作用十分显著，而且对于Ag、Be和Sr在钎料中的含量要求十分严格，超过本范围也严重影响焊接质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于钎焊泡沫铝的钎料，其特征在于：该钎料按重量百分比计的元素成分由以下构成：Al12.0％～18.0％，Ag2.5％～3.5％，Cu3.0％～5.0％，Mg0.1％～0.5％，Be0.01％～0.06％，Sr0.1％～0.3％，余量为Zn。
2.根据权利要求1所述的用于钎焊泡沫铝的钎料，其特征在于：该钎料按重量百分比计的元素成分包括：Al15.0％，Ag3.0％，Cu4.0％，Mg0.3％，Be0.03％，Sr0.2％，余量为Zn。
3.根据权利要求1所述的用于钎焊泡沫铝的钎料，其特征在于：所述钎料为片状，厚度为150～200μm。
4.一种泡沫铝和铝的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备阶段：将待钎焊的泡沫铝和铝用线切割方法切成矩形块，一种如权利要求3所述的钎料片剪为合适长度；将待钎焊的泡沫铝板和铝板钎焊端面利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，钎料片两面用W3.5号金相砂纸进行研磨光滑；将研磨好的泡沫铝板先放入60～80℃质量分数为1.5～2％的Na2CO3溶液中浸渍20～30min，取出用清水冲洗后用30～40％的HNO3溶液清洗，再用清水冲洗并烘干，烘干后将泡沫铝板、铝板，钎料片一同放入丙酮溶液中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；
(2)装配阶段：将清洗后的泡沫铝板和铝板待钎焊端面及钎料片双面上均匀涂上膏状钎剂，钎料片置于泡沫铝板和铝板待焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04～0.07MPa的恒定垂直压力；
(3)钎焊阶段：将装配好的试样及夹具一同置于空气炉中，关上炉门，设置钎焊温度为480～500℃，保温时间9～13min ，保温时间结束后试样进行随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的泡沫铝和铝的钎焊方法，其特征在于：所述步骤(2)中的膏状钎剂包含QJ201粉末和无水酒精，将无水酒精与QJ201粉末均匀混合制成膏状钎剂。
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