CN108672978B - 一种铝热焊粉及其制备工艺及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝热焊接技术领域，特别涉及一种铝热焊粉及其制备工艺及其使用方法，解决了铝热焊粉容易发生自燃或爆炸的问题，其技术方案要点是，一种铝热焊粉，包括质量份数为50‑65份的铝铜合金、120‑150份的氧化铜、3‑5份的镍、3‑5份的氟化钙、3‑4份的氧化钙、2‑3份的铬、2‑3份的硅、1‑2份的硼、1‑2份的钡、0.5‑1份的铂，传统的焊粉容易发生自燃或爆炸，根本原因是传统焊粉中的铝粉容易发生自燃或爆炸，铝铜合金粉末相对于普通铝粉，燃点更高，普通铝粉的燃点约为550℃，而铝铜合金粉末的燃点提高至730℃以上，燃点提高超过32％，因而在运输过程中，提高了焊粉的安全性。

Description

一种铝热焊粉及其制备工艺及其使用方法

技术领域

本发明涉及铝热焊接技术领域，特别涉及一种铝热焊粉及其制备工艺及其使用方法。

背景技术

铝热焊接，是利用金属氧化物和铝粉之间进行铝热反应，产生过热熔融金属从而将需要连接的焊件相连接的一种焊接方法。

传统的铝热焊粉包括铝粉及金属氧化物，通过铝粉与金属氧化物的铝热反应(氧化还原反应)，生成了氧化铝与金属，同时放出大量热量，将生成的金属熔化，并连接在两个焊件之间，从而将两个焊件进行焊接。而铝热焊接也常常应用于铜件的焊接。

传统的用于铜件焊接的铝热焊粉由于铝热焊粉内含有大量的铝粉，铝粉在一定的浓度下，容易发生自燃或爆炸，因而在运输过程中具有较大的危险性，给铝热焊粉的使用造成了一定的不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝热焊粉及其制备方法及其使用方法，其优势在于，铝热焊粉的燃点高，不易自燃或爆炸。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种铝热焊粉，包括质量份数为50-65份的铝铜合金、120-150份的氧化铜、3-5份的镍、3-5份的氟化钙、3-4份的氧化钙、2-3份的铬、2-3份的硅、1-2份的硼、1-2份的钡、0.5-1份的铂。

通过采用上述技术方案，传统的焊粉容易发生自燃或爆炸，根本原因是传统焊粉中的铝粉容易发生自燃或爆炸，铝铜合金粉末相对于普通铝粉，燃点更高，普通铝粉的燃点约为550℃，而铝铜合金粉末的燃点提高至730℃以上，燃点提高超过32％，因而在运输过程中，提高了焊粉的安全性。

铝铜合金与氧化铜发生氧化还原反应，生成了铜与氧化铝，并产生大量热量，铝铜合金中的铜与生成的铜吸收了铝热反应产生的部分热量熔化，将两焊件连接，从而实现两焊件的焊接，同时，防止反应温度过高，造成其他元素的挥发。由于，焊件本身为铜制，因而，铝热焊粉能更好的与两焊件进行焊接。

由于氧化铝的熔点较高超过了2000℃，远高于铜的熔点。因而，在逐渐冷却的过程中，氧化铝首先凝固。由于氧化铝的密度小于铜的密度，因而从熔融的铝热焊粉内上浮至表面。

硅与氧气反应生成了二氧化硅，通过二氧化硅与氧化钙，可调节熔融的铝热焊粉的碱度，使铝热焊粉处于碱度较高的状态，从而降低熔融铝热焊粉的黏度，改善熔融铝热焊粉的流动性，提高了氧化铝上浮的速率。

同时，氧化钙与铜的硫发生反应，形成硫化钙，从而去除了杂质硫，提高了焊接质量。

氟化钙能显著降低铝热焊粉的熔化温度和黏度，促进氧化钙的熔化。因而，降低了铝热焊粉的熔化性温度，提高其流动性，以便于氧化铝的上浮。

加入铬、镍，可提高了使用铝热焊粉焊接后的焊接接头抗腐蚀性能，因而提高了焊接后的焊接质量，同时降低焊接接头的导向性能。

硼、钡作为脱氧剂，防止焊件在焊接过程中，原始焊件在高温状态下发生氧化，影响焊件的质量。

加入铂后，铂与铜形成连续固溶体，使得铝热焊粉可用于焊接电气接电与电阻材料。

作为优选，所述铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为23-35份的铜。

通过采用上述技术方案，当铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为23-35份的铜时，铝铜合金的燃点相对铝的燃点提升较为明显。

作为优选，所述铝铜合金还包括：质量份数为0.5-1.5份的稀土。

通过采用上述技术方案，稀土加入到铝铜合金内，具有细化晶粒的效果，从而实现了强化合金的效果，提高合金中固溶体的熔点，稀土的加入，影响了铝铜合金的氧化行为，改变了铝铜合金的氧化热力学和动力学行为，强化了氧化铝膜的致密性，降低了铝铜合金的氧化速率，延长了铝热焊粉的质保时间，从而提高了燃点。

作为优选，所述铝铜合金还包括：质量份数为0.2-0.8份的锆。

通过采用上述技术方案，锆加入到铝铜合金中，可以减缓合金的扩散速度，阻止晶粒长大，因而可以细化晶粒以达到提高力学性能的作用，同时，锆与铜、铝形成了金属间化合物，从而提高了铝铜合金的耐热性，进而提高了铝铜合金的燃点。

作为优选，所述铝铜合金包括质量份数为30份的铝，质量份数为30份的铜，质量份数为0.7份的稀土和质量份数为0.5份的锆。

通过采用上述技术方案，当铝铜合金的包括质量份数30份的铝，质量份数为30份的铜，质量份数为0.7份的稀土和质量份数为0.5份的锆时，铝铜合金的燃点最高，超过了970℃。

一种铝热焊粉的制备工艺，包括以下步骤：

S1、铝铜合金的制备：

S11、将铝粉、铜粉、及铝铜合金中的其他粉末使用球磨机进行球磨；

S12、铝铜合金的熔炼：将研磨完毕后的铝粉、铜粉、铝铜合金中的其他粉末，加入到真空熔炼炉内，在温度为1100-1300℃下熔炼3h；

S13、铝铜合金的快速凝固：将熔融的铝铜合金，使用气体雾化法进行快速凝固；

S2、铝热焊粉制粉：将铝铜合金粉末、氧化铜粉、镍粉、氟化钙粉、铬粉、硅粉、硼粉、钡粉、铂粉使用球磨机进行球磨，制得铝热焊粉。

通过采用上述技术方案，通过S11，对铝铜合金所包括的各种金属粉末进行球磨，从而使得同种金属粉末间的粒径相同，从而提高了各种金属粉末混合的均匀性。

通过S12，通过在真空熔炼炉内将铝粉、铜粉、稀土、锆粉进行熔炼，铝与铜之间形成了Al-Al2Cu共晶组织、初生Al2Cu相，因而，相对于直接将铝粉、铜粉加入到铝热焊粉中，由于铝与铜间形成了Al-Al2Cu共晶组织、初生Al2Cu相，在点燃时，需要将Al-Al2Cu共晶组织、初生Al2Cu相进行分解，因而所需能量更多，极大的提升了铝铜合金的燃点，进而提高了铝热焊粉的燃点，提高了运输和使用铝热焊粉的安全性。

通过S13，通过快速凝固，可一直或减少偏析，增大合金化程度，提高合金化效果。通过气体喷雾法，可快速对熔融的铝铜合金进行冷却，并用高压气体，吹动熔融的铝铜合金为均匀的粉末状。

通过S2，通过球磨，是合金粉末与热率焊粉的其他组分，进行充分均匀混合。

作为优选，所述S11、S2所采用的球磨均为真空球磨。

通过采用上述技术方案，真空球磨可防止，在球磨过程中，金属粉末与氧气发生氧化反应，造成金属粉末的浪费。

作为优选，所述S11具体包括以下步骤：

S11a、铝粉、铜粉的研磨：将铝粉与铜粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末A，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为8mm的不锈钢球对混合粉末A研磨3h；

S12b、稀土粉、锆粉的研磨：将稀土粉与锆粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末B，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为8mm的不锈钢球对混合粉末B研磨6h；

通过采用上述技术方案，将稀土粉、锆粉研磨成比铝粉、铜粉粒径更小的粉末，从而，在混合铝粉、铜粉、稀土粉、锆粉时，稀土粉、锆粉能均匀的分散在铝粉与铜粉颗粒间的间隙内，从而使铝铜粉末更加致密，燃点更高。

一种铝热焊粉的使用方法，包括以下步骤：

A1：将铝热焊粉装入预制的模腔内；

A2：将引燃管插入模腔，且一端露出模腔，另一端插入铝热焊粉内；

A3：通过电子点火器，将引燃管引燃。

通过采用上述技术方案，引燃管由铝与铜制成，在通入高压电流后，发生瞬间击穿，同时产生大量热量，从而引燃模腔内的铝热焊粉，整个点燃过程，安全快捷。

引燃管埋入铝热焊粉内，使得铝热焊粉从其中部开始燃烧，提高了燃烧效率，进而提升了焊接效率。

作为优选，A2中所述的引燃管内填充有铝热焊粉。

通过采用上述技术方案，通过在引燃管内填充铝热焊粉，因而在电子点火器向引燃管发出高压电流时，电流通过引燃管及引燃管内填充的铝热焊粉，铝热焊粉具有一定的导电性，因而通过瞬时高压电流时，产生大量的热量，且超过铝铜合金的燃点，从而点燃引燃管内的铝热焊粉，熔融的铝热焊粉滴入模腔内，进而引燃模腔内的焊粉，进一步提高了铝热焊粉的点燃效率，同时，随着击穿现象的发生，能电流通过模腔内的铝热焊粉，也产生了大量热，辅助铝热焊粉的点燃。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过铝铜合金代替现有的铝粉，提高了铝热焊粉的燃点，同时，铝铜合金内的铜可吸收部分热量，从而达到控制热量的效果，防止温度过高，导致铝热焊粉内其他元素的挥发；

2、通过熔炼铝粉、铜粉、稀土粉、锆粉，形成的铝铜合金，铝与铜间形成了固溶体和中间化合物，因而在点燃铝铜合金时，需要更大的能量，从而，相对普通的铝铜合金，具有更高的燃点；

3、通过在铝热焊粉内加入氧化钙与硅，从而达到了调整铝热焊粉碱度的作用，同时，氧化钙可除去铝热焊粉内的杂质硫；

4、由于在铝热焊粉内存在铝、镍，降低了铜的导电性，从而增大了铝热焊粉的电阻，更便于通过电子点火器在点燃铝热焊粉时产生热量。

附图说明

图1为铝热焊粉的制备工艺示意图；

图2为气体雾化装置的结构示意图。

图中：1、真空感应加热器；2、雾化室；3、收集室；4、气源室；5、喷嘴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例中用到了以下设备及原料：

1、由长沙市德科仪器设备有限公司生产的DECO-PBM-V-100L型立式行星球磨机；

2、由上海钜晶精密仪器制造有限公司生产的SZRL型真空感应熔炼炉；

3、由美国奔迪工具公司生产的远程电子点火器；

4、市售铝粉、铜粉、氧化铜粉、镍粉、氟化钙粉、氧化钙粉、铬粉、硅粉、硼粉、钡粉、铂粉、锆粉、稀土粉。

本专利中采用的稀土为钇、铈、钕、镧、钆等元素。

一种铝热焊粉，包括质量份数为50-65份的铝铜合金、120-150份的氧化铜、3-5份的镍、3-5份的氟化钙、3-4份的氧化钙、2-3份的铬、2-3份的硅、1-2份的硼、1-2份的钡、0.5-1份的铂。其中，铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为23-35份的铜、质量份数为0.5-1.5份的稀土、质量份数为0.2-0.8份的锆。

参考附图1，一种铝热焊粉的制备工艺，包括以下步骤：

S1、铝铜合金的制备：

S11、将铝粉、铜粉、钙粉、锆粉使用球磨机进行球磨；

S11a：铝粉、铜粉的研磨：将铝粉与铜粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末A，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为8mm的不锈钢球对混合粉末A研磨3h；

S11b：稀土粉、锆粉的研磨：将钙粉与锆粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末B，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为5mm的不锈钢球对混合粉末B研磨6h；

S12、铝铜合金的熔炼：将研磨完毕后的铝粉、铜粉、钙粉、锆粉，加入到真空熔炼炉内，在温度为1200℃下熔炼3h；

S13、铝铜合金的快速凝固：将熔融的铝粉与铜粉的混合物，将熔融的铝铜合金，使用气体雾化法进行快速凝固；

参考附图2，气体雾化法过程中，需使用气体雾化装置。

包括设置于顶部的真空感应加热器1、与真空感应加热器1相连接的雾化室2、设置于雾化室2底部的收集室3，雾化室2的一侧连接有气源室4。真空感应加热器1的底部设置有朝向雾化室2的喷嘴5。在使用时，将气体雾化装置与真空感应熔炼炉相连接，熔融的铝铜合金进入真空感应加热器1内，并保温，维持温度在1200℃。熔融的铝铜合金通过喷嘴5向下喷出，气源室4内连接有氩气气源，在高压氩气的冲击下，熔融的铝铜合金被冲击形成小颗粒，并迅速冷却凝固。

S2、铝热焊粉制粉：将铝铜合金粉末、氧化铜粉、镍粉、氟化钙粉、铬粉、硅粉、硼粉、钡粉、铂粉使用球磨机进行球磨，制得铝热焊粉。

将铝粉、铜粉、氧化铜粉、镍粉、氟化钙粉、氧化钙粉、铬粉、硅粉、硼粉、钡粉、铂粉、锆粉、稀土粉分别按照如下表所示的比例进行添加，制成相应的铝热焊粉。并进行燃点的检测，铝热焊粉的燃点检测方法采用《计量技术》2003No4中《固体燃料的燃点测定》中所公开的检测方法进行检测。

其中，实施例1至实施例9及对比例1、对比例2均为采用本专利中的铝铜合金制备步骤进行制备。

对比例3为按实施例4中的各组分的质量份数，不经过熔炼合金化，直接混合形成的铝-铜-稀土-锆混合粉末；

对比例4为按实施例4中的各组分的质量份数，采用机械合金化法制备生产出的铝铜合金；

对比例5为按实施例4中的各组分的质量份数，采用烧结工艺制备生产出的铝铜合金。

表1：铝铜合金的化学成分表及燃点

从表1的中得出，当采用本专利中的铝铜合金的制备方法且铝铜合金包括质量份数为30份的铝，质量份数为30份的铜，质量份数为0.7份的钙和质量份数为0.5份的锆时，铝铜合金的燃点最高，超过了970℃，相对仅含纯铝的铝热焊粉的燃点(550℃)，提升超过76％；

从实施例1至实施例9得出，当铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为25-35份的铜，燃点均高于730℃，相对仅含纯铝的铝热焊粉的燃点(550℃)，提升超过32％；

从实施例1至实施例7得出，当铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为25-35份的铜，质量份数为0.5-1.5份的稀土，质量份数为0.2-0.8份的锆时，燃点均高于850℃，燃点较高，相对仅含纯铝的铝热焊粉的燃点(550℃)，提升超过54％。

当不采用熔炼合金化，直接加入各组分粉末形成的铝热焊粉的燃点(565℃)，相对于仅含纯铝的铝热焊粉的燃点(550℃)提高不明显；

从对比例4与对比例5得出，当采用机械合金化法、烧结法等其他工艺制备铝铜合金，形成的焊粉，其燃点相对采用熔炼工艺形成铝铜合金，制备的铝热焊粉，燃点远小于实施例4中铝热焊粉的燃点。

一种铝热焊粉的使用方法，包括以下步骤：

A1：将铝热焊粉装入预制的模腔内；

A2：将引燃管插入模盖，且一端露出模盖，另一端插入铝热焊粉内；

引燃管由内层的铝片层与外层的铜片层套设而成，引燃管的壁厚约0.3mm，引燃管的管径约5mm，在引燃管内填充有铝热焊粉；

A3：通过远程电子点火器，将引燃管引燃。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种铝热焊粉，其特征在于，包括质量份数为50-65份的铝铜合金、120-150份的氧化铜、3-5份的镍、3-5份的氟化钙、3-4份的氧化钙、2-3份的铬、2-3份的硅、1-2份的硼、1-2份的钡、0.5-1份的铂；所述铝铜合金包括质量份数为25-35份的铝，质量份数为23-35份的铜。

2.根据权利要求1所述的一种铝热焊粉，其特征在于，所述铝铜合金还包括：质量份数为0.5-1.5份的稀土。

3.根据权利要求2所述的一种铝热焊粉，其特征在于，所述铝铜合金还包括：质量份数为0.2-0.8份的锆。

4.根据权利要求3所述的一种铝热焊粉，其特征在于，所述铝铜合金包括质量份数为30份的铝，质量份数为30份的铜，质量份数为0.7份的稀土和质量份数为0.5份的锆。

5.根据权利要求4所述的一种铝热焊粉的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、铝铜合金的制备：

S11、将铝粉、铜粉、稀土粉和锆粉使用球磨机进行球磨；

S12、铝铜合金的熔炼：将研磨完毕后的铝粉、铜粉、稀土粉和锆粉，加入到真空熔炼炉内，在温度为1100-1300℃下熔炼3h；

S13、铝铜合金的快速凝固：将熔融的铝铜合金，使用气体雾化法进行快速凝固；

S2、铝热焊粉制粉：将铝铜合金粉末、氧化铜粉、镍粉、氟化钙粉、铬粉、硅粉、硼粉、钡粉、铂粉使用球磨机进行球磨，制得铝热焊粉。

6.根据权利要求5所述的一种铝热焊粉的制备工艺，其特征在于，S11和S2所采用的球磨均为真空球磨。

7.根据权利要求5所述的一种铝热焊粉的制备工艺，其特征在于，所述S11具体包括以下步骤：

S11a：铝粉、铜粉的研磨：将铝粉与铜粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末A，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为7-10mm的不锈钢球对混合粉末A研磨3h；

S11b：稀土粉、锆粉的研磨：将稀土粉与锆粉使用球磨机进行研磨制成混合粉末B，在转速为226r/min的条件下，使用球磨介质直径为4-6-mm的不锈钢球对混合粉末B研磨6h。

8.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的一种铝热焊粉的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：将铝热焊粉装入预制的模腔内；

A2：将引燃管插入模盖，且一端露出模盖，另一端插入铝热焊粉内；

A3：通过电子点火器，将引燃管引燃。

9.根据权利要求8所述的一种铝热焊粉的使用方法，其特征在于，A2中所述的引燃管内填充有铝热焊粉。

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