CN1090240A - 焊接用铝材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊接用铝材料是在铝材的表面通过熔射法 形成一层焊接材料层。焊接材料层中，存在许多粒子 状非熔融组织。焊接材料层含有Al-Si系合金和/ 或Al和Si的混合物。一种焊接用铝材料的制造方 法在铝材的表面通过熔射法覆盖一层焊接材料层。 在使用作为熔射材料的粉末的同时，使粉末的表面部 分熔化而内部成非熔融状态下进行熔射。粉末含有 Al-Si系合金和/或Al和Si的混合物。

Description

本发明涉及例如通过焊接安装方法制作的用作热交换器的构成材料等的焊接用的铝材料及制造方法。
另外，在本发明的说明书中，铝这个术语也包含有其合金的含义。
由于铝具有质量轻、加工性好、高热传导性等特性且焊接容易，因此，被广泛地用在换热器和各种焊接制品材料上。
制作如此的焊接制品的情况下，为接合的简易性，一般地，使用了在铝芯材的表面压延而包覆有焊接材料的硬钎焊用薄板，但是，由于铝材种类不同，也有不能包覆焊接材料的情况出现。例如，铝材为挤压出的材料的情况下，挤压出的材料的表面包覆焊接料是困难的。
由此，如这种铝挤压出的材料等，对于在其表面上包覆焊接材料层困难的铝材来说，作为覆盖在其表面上的焊接材料层的焊接材料的制作方法，目前所公知的是通过溶射法形成焊接材料层的方法（例如特公昭63-1152号，特开平1-157794号，特开昭63-119974号，特开平1-107961号，特开平2-46969号）。
但是，在如此的具有焊接材料溶射层的焊接用的铝材料中，也有不能得到良好的接合状态情况。为探究其原因，发明者反复地进行了研究，得到了下面的见解。
即，以前的焊接材料的溶射法，如在上述的特特公昭63-1152，特开平1-157794等记载的，因为使用了作为溶射材料的焊接合金线材，通过溶射焊接材料完全成溶融的液状粒子，而附着在铝材的表面。然而，在焊接材料完全成溶融时处于高温状态，因为生成了坚硬的氧化膜，由此可见该氧化膜成为阻碍焊接连接性的原因。而且，一旦焊接材料完全溶融结束，在附着后的凝固时间内，全部的溶射粒子进行了焊接并成为相同的内部组织状态，在之后的焊接时，不能充分地发挥出原有的焊接功能。而且，在等离子弧溶射等的场合下，因为焊接材料成完全的熔融状态下附着在挤压出的材料表面上，焊接材料因蒸发可能出现组成发生变化，因此，被认为往往不可能进行好的焊接。
本发明的目的是提供一种焊接用的铝材料，一方面它可以在与以前的同样的在铝材料表面上通过熔射形成焊接材料层，另一方面不会发生与以前出现的焊接不良现象而是可进行良好焊接的铝材料。
本发明的另一个目的是提供制作上述焊接用铝材料的制造方法。
为完成上述的目的，在铝材的表面上通过熔射方法形成一层焊接材料层而得到焊接用铝材料，其特征是在上述的焊接材料层中，存在许多的粒子状非熔融组织，以此来提供一种焊接用铝材料，进一步地，在铝材料层的表面上通过熔射法形成覆盖铝材的焊接材料层的制造焊接用铝材料的方法中，其特征是使用上述熔射材料的粉末，且在进行熔射时该粉末的表面部分熔融而内部成非熔融状态，以此来提供制造焊接用铝材料的方法。
本发明的另外的目的，特点和优越性，参照附图通过下述的说明将会很清楚。
图1是在本发明中与挤压出的材料过程同时地进行熔射的概略构成图。
图2是图1的主要部分的放大断面图。
图3是第1实施例所用的熔射枪的放大断面图。
图4是在第1实施例中制作的多流型式的铝热交换器的正面图。
图5是图4的热交换器的管和波纹肋片成分离状的斜视图。
图6（a）表示实施例的试验材料No2的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片，（b）是表该组织的模式图。
图7（a）表示实施例的试验材料No8的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片，（b）是表示该组织的模式图。
图8（a）表示实施例的试验材料No9的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片，（b）是表示该组织的模式图。
图9是表示实施例的试验材料No10的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图10是表示实施例的试验材料No11的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图11是表示实施例的试验材料No12的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图12是表示实施例的试验材料No13的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图13是表示实施例的试验材料No14的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图14是表示实施例的试验材料No15的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图15是表示实施例的试验材料No16的焊接用铝材料的焊接材料层的金相组织的相片。
图16是表示与实施例的试验材料No10相同条件下，形成焊接材料层的焊接用铝材料的焊接部分的金相组织的相片。
图17是表示与实施例的试验材料No11相同条件下，形成焊接材料层的焊接用铝材料的焊接部分的金相组织的相片。
图18是表示与实施例的试验材料No12相同条件下，形成焊接材料层的焊接用铝材料的焊接部分的金相组织的相片。
图19是表示与实施例的试验材料No13相同条件下，形成焊接材料层的焊接用铝材料的焊接部分的金相组织的相片。
图20是表示与实施例的试验材料No14相同条件下，形成焊接材料层的焊接用铝材料的焊接部分的金相组织的相片。
本发明中所用的铝材的组成没有特别的限定，根据用途的要求可使用各种材质的铝材。另外，对铝材的加工方法也无限定，可使用挤压出的材料，压延材，铸成材以及其它种类的材料。而且，对铝材的断面形状也无限定，根据用途来决定选用的何种形状。
通过熔射在铝材的表面上形成的焊接材料层中，存在许多粒子状非熔融组织，由于该组织依旧保持熔射前的组织结构，利用该组织可进行有效的焊接工作。
如此地，为了存在许多粒子状非熔融组织，在本发明中，应使用作为形成焊接材料层的熔射材料的粉末。该理由是因为能够容易地防止熔射粒子的全部熔融，实现仅使表面部分成熔融状态而内部（至少为芯部）为非熔融状态。作为所用的粉末，具代表性的有Al-Si系合金构成的焊接材料粉末。另外，只要粉末在熔融射后可以形成良好的焊接材料，也可使用为粉末的铝粉和硅粉的混合粉末。而且，在使用Al-Si系合金粉末的场合下，焊接材料层中总Si含量在5wt%以下或超过40wt%时，液相线温度变高，焊接变得困难。为此，为进行良好的焊接，焊接材料层中的Si含量为5-40wt%，较好的是为8-13wt%。为此，考虑到熔射的Al，Si等的变化，为射出材料的Al-Si系合金粉末的Si的含有量应为5-40wt%较好的是8-25wt%。一方面，在使用Al粉和Si粉的混合粉末的情况下，由于在合金材料中的Al和Si不会完全成合金从而焊接材料层中的Si含有量在5-40wt%时能确保进行较好的焊接。为此，在混合粉末的阶段，使Si的含量保持5-50wt%的比例为好。另外，作为混合粉末，Al-Si系粉末，Al粉末和Si粉末的混合粉末也可使用。
为了促进上述粉末在表面部分的接触，象扁平状颗粒到圆球状或与之相类似的形状的喷射粉末是较好的，为了使能光滑地通过熔射枪的细喷嘴调制成球状也是较好的。在实用中，希望至少10%以上的粉末，更好的是50%以上的粉末为球状。而且，若粉末的粒径过小的话，就很容易完成地熔化，确保粉末粒径平均为10μm以上为好。一方面，若平均粒径超过200μm，在相邻的颗粒之间易出现间隙，因为会有焊接材料层太粗的担心，所以平均粒径在200μm以下为好。从而设定粉末粒径最好在10-200μm，特别在50-150μm内最佳。
熔射条件并不特别限定仅在粉末的表面部分熔化而内部成非熔融状态的熔射条件，虽然粉末的内部（至少芯部）不熔而表面熔化是满足本发明的必要条件，不过，下面表示了另外一种较好的熔化条件。
即，把熔射温度控制在1000-3000℃，不到1000℃，粉末表面的熔化就不充分，与铝材的附合性就会有变坏的危险。相反，超过了3000℃，就会担心内部会完全熔化。较好的是把温度设定在2300-2900℃，作为实现这样的熔化温度的熔射法，可以举出的例子是火焰熔射法。
熔射距离应在50-500mm。若不到50mm，不但粉末过度熔化，使焊接层氧化，而且就会担心铝材因加热出现形状和组织发生变化的情况。另外一方面，若超过500mm，粉末会再凝固而导致附着量下降，为此会担心焊接性能下降。特别好的熔射距离是150-300mm。而且，最好粉末的供给量应设定为30-180g/min。不到30g/min，焊接材料的绝对量不足会使焊接性能下降，若超过180g/min，焊接材料层变厚，由于冷却时的收缩差，使其附合性下降的同时，导致很不经济。特别好的是设定在90-150g/min。
还有，为了在熔射过程中，防止铝材表面氧化和粉末粒子的氧化，促进焊接层的形成，同时进行良好的焊接，形成一种N2气氛等的非氧化性气氛为好。而且，对于粉末来说，使用氧的浓度为0.05wt%以下的氧化度的少量粒子，从得到一层防止熔射后的氧化而言是好的。
如上述的熔射在铝材的制作过程完全结束后，虽然也可在另外一条线上生产进行，不过，特别当铝材是挤压出的材料的情况下，也可在正挤压出的材料上连续地进行熔射，这样就同时地实施挤压过程和熔射过程，从提高作业效率和生产性来看是好的。此时，如图1所示，在挤压机附近的位置，对在刚被挤压的尚为高温的挤压出的材料（2）上进行熔射，当然是可以的，不过，希望在冷却槽（3）的出口侧配置熔射枪（4），在用水冷等冷却后接近常温的挤压出的材料上进行熔射。共理由是附着在挤压出的材料表面上熔射粒子能由挤压出的材料冷却进而防止了粒子进一步的熔化的氧化，而若在冷却前熔射，在水冷时在多孔的熔射层（焊接层）表面吸进水，直接对焊接造成严重的影响。另外，焊接材料层（如图2所示）可以是一层，为了确保良好的焊接性能。另外，挤压出的材料（2）的单面上形成焊接材料层（5）也行，如图1所示，在挤压出的材料的上下均配置了熔射枪（4a）（4a），通过熔射，可在上下两面上形成焊接材料层。
由此，由于仅在铝材表面上形成了焊接材料层，不能期待铝材的耐蚀性有提高效果。为此，在特别要求高耐蚀性的情况下，在焊接材料层形成之前，对挤压出的材料上熔射Zn，与上述的焊接层不同的是，如图1所示，在挤压机附近配置了熔射枪（6），希望挤压出的材料（2）的表面刚挤压后的高温下在活性状态时进行。这样在挤压出的材料表面成活性时，附着的Zn粒子就可容易且顺利地扩散和渗透。
另外，既使不形成Zn熔射层的情况下，在使用作为熔射粉末的Al-Si合金粉末的场合，由于Zn的扩散而可得到防蚀效果。
还有，在本发明中，对于全部的熔射粉末来说，并不是说所有这些表面部分都必须熔化，也可以包含其一部分直到内部成完全熔融状态，相反包含表面部分和内部未熔化的完全固体状也可以。
本发明依上述的顺序，在使用作为熔射材料的粉末的同时，进行只粉末的表面部分熔化的熔射，由此形成焊接材料层，所以，因熔射时粉末不是在高温下的完全熔融状态，就能够防止粒子的氧化，同时还能防止发生焊接不良。而且，粉末粒子的内部不熔，由于依旧维持熔射前的组织状态，防止了全部粉末粒子在进行焊接时已成为相同的凝固组织，进一步地，利用非熔融的内部组织可实现良好的焊接接合。另外，也能降低因蒸发而造成的组织变化，就可以不必担心由此引起的焊接不好的情况出现。因而，由于实现了良好的焊接效果，能够提供高品质的制品。
由此，粉末粒子因其表面的熔融部分与铝材很好地接合着，就不会有因焊接材料层的接合性差而出现剥落现象。
实施例
如图1所示，由挤压机（1）挤压的由JIS1070Al合金构成的一块宽16mmx高3mm的多孔扁平挤压的材料在冷却槽（3）中冷却，之后连续地卷取成圈状。而且，在冷却用水槽（3）的出口侧，在挤压出的材料的上下朝带卷的方向倾斜地配置了熔射枪（4a）（4a）。作为熔射枪（4a），具有如图3所示的喷嘴，用以产生火焰。用该熔射喷枪，通过燃料输送管（41）供给的燃烧气体以及氧气的混合燃料气体从喷嘴的前端喷出而被点着，形成圆柱状的火焰，加热通过粉末供给管（42）与载气一起送入到火焰中的原料粉末。而且，被加热的粉末由于压缩空气输送管（44）输送的压缩空气的喷出而成雾状并向前方飞出，覆盖在挤压出的材料（2）的表面上形成一覆盖层。图3中（45）表示空气气流。另外，在本实施例中的熔射喷枪所用的燃料气体是O2：700升/分，丙炔：68升/分的混合气体，压缩空气量为800升/分。另外，火焰温度（熔射温度）约为2700℃。
在上述的构成中，表1中的No1-17表示了应该熔射的粉末的种类，Si量及熔射条件的各种变化，进行粉末粒子的内部不熔而表面部分熔化的熔射，在挤压的材料的上下两面上覆盖上的一层焊接材料层。而且，对于No3，4，7，9来说，在熔射焊接材料层之前，如图1所示，由靠着挤压机（1）的出口侧配置的Zn熔射机（6）（6）形成一层Zn熔射层，其次形成焊接材料层。
因此对所得到的焊接用铝材料要测定焊接材料层的平均厚度，焊接材料层中的Si量。其结果在表1中表示。
其次，用上述的方法制成的各种焊接用铝材料来做热交换管。图4及图5分别表示了所谓的多流形状的铝制热交换器结构。而且，图4及图5所示的热交换器由成水平状平行地配置的上述的焊接用铝材料构成的多根管子（11），配置在相邻的管子（11）之间的波纹形肋片（12），连接在各管两端的左右的一对中空筒状集管（13）（14）组成，而且，在左集管（13）的上下圆周面上连接有致冷剂入口管和致冷剂出口管，同时，在左右集管处，设置有将致冷剂回路分隔成蛇形回路的分隔板（17）。另外，作为波纹形肋片（12）可用由JIS1050Al合金构成的厚为0.15mm的材料。
其次，在上述交换器的结构件上，涂上助熔悬浮剂并干燥后，在N2氧气中于580℃加热5分钟，然后，焊接管（11）和波纹形肋片（12），以及管（11）和集管（13）（14），其它各构成部件。由此，管（11）和波纹形肋片（12）之间的接合由管表面的上述的焊接，熔射层进行，管（11）和集管（13）（14）之间的接合出覆盖在集管的内外面上的焊接材料进行。
而且，对于各热交换器的管（11），由于要求与波纹形肋片（12）的接合率，来对焊接性进行评价。接合率，是通过留下波纹形肋片（12）的根部，切除肋片后，肋片留下部分的数目相对于全部根部的接合比例。对留下的一部分是通过对根部4等分而计算出的。
一方面，作为比较例（表1的No18-20），用等离子熔射法（熔射温度约为10000℃），在表1的各件下粉末直至内部为完全熔融状态时，在管的表面上熔射来制造的焊接用管。还有，作为另外的比较例（表1的No21），用电弧熔接法（熔射温度约为10000℃）同样地在管的表面熔射由Al-12wt%Si合金构成的2.4mm的焊接合金线材，制造焊接用管。然后，用所得的焊接用管组成图4及图5所示的热交换器，有前述的条件下进行焊接，求得肋片的接合率。
在表1中表示了以下的结果。
另外，对于No2、8-14、19及20的各试验品，在显微镜下观察到熔射形成的焊接材料层的断面放大的金相组织。此时的显微镜下的放大的相片由图6（a）-图15表示。另外，图（b）仿真地表示了图6（a）。表1中No10-14表示的粉末条件，熔射条件下，图16-20表示了由覆盖了焊接材料层的JIS1070Al合金板和JIS1050Al合金板接成的T形接缝和焊接时接合部的金相组织的相片。
如焊接材料层的金相组织的相片，本发明的样品在焊接材料层（5）中的粒子（50）（图6-8的（b）图中表示）的粒子保持着球形状，然而，可经以道通过熔射，粒子表面熔化，其内部仍为非熔融状态地附着。而且，从表1中的结果及焊接接合部分的放大相片可以知道如此的本发明的样品形成了很好的角焊缝，焊接性很好。与之相对比的比较例，熔射粒子成完全熔融状态地附着，其焊接性较差。
Figure 931207150_IMG1

Claims (20)

1、一种在铝材料的表面上通过熔射形成一层焊接材料层焊接用铝材料，其特征在于，在该焊接材料层中，存在许多粒子非熔融组织。
2、根据权利要求1所述的焊接用铝材料，其特征在于焊接材料层含有Al-Si系合金，焊接材料层中的总的Si的量是5-40wt%。
3、根据权利要求2所述的焊接用铝材料，其特征在于焊接材料层中总计的Si量为8-13wt%。
4、根据权利要求1所述的焊接用铝材料，其特征在于焊接材料层含有Al和Si的混合物，焊接材料层中的总的Si量是5-40wt%。
5、根据权利要求1所述的焊接用铝材料，其特征在于铝与焊接材料层之间形成有一层Zn层。
6、一种在铝材料层的表面上通过熔射法形成覆盖铝材的焊接材料层的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于使用作为上述熔射材料的粉末，同时，使该粉末的表面部分熔融而内部成非熔融状态地进行熔射。
7、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于用作为熔射材料的粉末含有Al-Si系合金粉末，焊接材料层中的总的Si量是5-40wt%。
8、根据权利要求7所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于焊接材料层中的总的Si量是8-13wt%。
9、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于用作为熔射材料的粉末含有Al粉末和Si粉末的混合物，焊接材料层中的总的Si量是5-40wt%。
10、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于粉末的平均粒径是10-200μm。
11、根据权利要求10所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于粉末的平均粒径是50-150μm。
12、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射温度是1000-3000℃。
13、根据权利要求12所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射温度是2300-2900℃。
14、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射法是火焰熔射法。
15、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射距离是50-500mm。
16、根据权利要求15所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射距离是150-300mm。
17、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射的粉末供给量是30-180g/min。
18、根据权利要求17所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于熔射的粉末供给量是90-150g/min。
19、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于铝材是挤压材，使由挤压机挤出的铝挤压材通过冷却槽而得到冷却，在冷却槽的出口侧对着挤压出的材料进行熔射。
20、根据权利要求6所述的制造焊接用铝材料的方法，其特征在于在覆盖焊接材料层以前，先在铝材的表面熔射Zn，形成一层Zn。
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