CN110883395A - 一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，本发明涉及一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法。本发明的目的是为了解决目前铝合金钎焊的方法需要钎剂去除母材的氧化膜，所以钎焊温度高、周期长，从而导致母材金属严重软化，不适合钎焊热敏感铝合金材料的问题，本发明方法为：一、预处理铝合金母材；二、将预处理后的铝合金预热，再将镓加热至熔化，然后涂覆在预热后的铝合金待焊表面上，冷却至室温，再和钎料装配组成钎焊件，进行钎焊。本发明预涂覆工艺预热温度低，钎焊过程不需要过高的钎焊温度或很长的保温时间以确保Ga元素的充分扩散，可以保护母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。本发明应用于钎焊领域。

Description

一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法
技术领域
本发明涉及一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法。
背景技术
铝合金的钎焊材料根据使用温度可分为用于硬钎焊的Al-Si系合金，用于中温钎焊的Zn-Al系合金以及用于低温软钎焊的Sn基合金。
Al-Si系钎料的熔点在570～630℃的区间，一般只能用于钎焊熔点较高的铝合金，需要配合钎剂或真空钎焊工艺实现连接。高温铝钎剂可分为氟化物钎剂和氯化物钎剂，氯化物钎剂的容易吸潮，易造成钎焊接头的电化学腐蚀；氟铝酸钾钎剂具有不溶，不吸潮，无腐蚀等优点，但是对含镁量高于2wt.％的铝合金活性不理想。而且对于具有复杂孔隙或管道结构的器件，如散热器等，如果钎缝中的钎剂残渣不清理干净，容易造成管道的堵塞，造成设备的失效。真空钎焊不需钎剂，但是设备昂贵，且需要长时间的升温降温，产率有限。
Zn-Al系钎料的熔化温度范围在380～450℃之间，由于含有易挥发和易氧化的元素，不宜用于真空钎焊。氟铝酸铯无腐蚀钎剂熔化温度范围在440～480℃的区间，可以搭配Zn-Al系钎料钎焊多数铝合金材料。但是氟铝酸铯钎剂仍存在熔化温度高，去膜效果较差的缺点。
Sn基钎料的熔化温度范围在150～370℃之间，传统工艺一般为间接钎焊，即焊前化学镀镍再用Sn基钎料连接。出于环保考虑，化学镀镍的钎焊工艺已逐渐被废止。采用Sn基钎料直接钎焊的方法包括使用钎剂和利用超声辅助钎焊。铝用软钎剂种类稀少，活性差，且很容易造成污染问题。超声辅助钎焊技术不需钎剂辅助，但是工艺较复杂，所以生产中不经常采用。
综上所述，目前铝合金的钎焊仍存在较多的技术难题。硬钎焊方法的温度普遍较高，周期很长，很容易造成铝合金材料的软化和过烧，因而不适合热敏感铝合金材料的连接。软钎焊则因缺乏合适的去膜手段，而在生产应用中受限。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前铝合金钎焊的方法需要钎剂去除母材的氧化膜，所以钎焊温度高、周期长，从而导致母材金属严重软化，不适合钎焊热敏感铝合金材料的问题，提供了一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法。
本发明一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，按以下步骤进行：
一、对铝合金的待钎焊表面进行打磨，然后清洗烘干，得到预处理后的铝合金；
二、将预处理后的铝合金预热至30-50℃，再将镓加热至熔化，然后涂覆在预热后的铝合金待焊表面上，冷却至室温，再和钎料装配组成钎焊件，进行钎焊，钎焊温度高于钎料熔点20-30℃，钎焊保温时间为1-5min，焊后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊；镓层厚度为0.5-2μm。
本发明的有益效果是：
一、将Ga层预涂覆在待焊铝合金的表面，破坏了铝合金原有的氧化膜，并且防止铝表面生成新的稳定的氧化膜；钎焊过程中不需要再次去除铝合金的氧化膜，简化了工艺。
二、Ga元素与铝用钎料的主体成分Sn、Zn元素有较大的互溶度，确保了钎料在涂覆层上良好的润湿性；
三、钎料熔化后，Ga元素作为痕量元素迅速溶解进入钎料，而非以扩散的形式进入母材，有效解决了Ga元素在界面的偏聚而形成Al-Ga固溶体的问题，改善了界面的脆性。
四、均匀溶解在钎料中的Ga元素不会显著改变钎料的微观组织和力学性能。痕量Ga元素还有细化钎缝组织的效果。
五、Ga元素与Al、Zn、Sn元素的共晶温度分别为26.6℃、15.3℃和20.5℃。钎焊过程中，在低于钎料熔点的温度下，钎料、母材和Ga涂覆层就可以发生共晶反应而液化，并进行充分的溶解和扩散。因而实际钎焊所需的温度较低，钎焊时间较短，可以保护母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。该方法尤其适合热敏感铝合金材料的连接工作。
六、本发明适用范围较宽，可用于各种铝合金的低温、中温及高温钎焊。钎料可根据钎焊温度选择Al-Si系、Al-Si-Cu系合金，Zn-Al系、Zn-Al-Cu系合金，以及Sn-Zn系、Sn-Pb系、Sn-Ag系合金等。
附图说明
图1是铝合金表面涂覆镓层后的示意图：其中1为待焊母材，2为镓层；
图2是实施例1装配的待焊件的示意图：其中1和5为待焊母材，3为高频线圈，4为钎料；
图3是实施例1采用Sn-20Zn钎料钎焊纯Ga激活后的7034铝合金的微观组织示意图；
图4是实施例2装配的待焊件的示意图：其中1和5为待焊母材，3为高频线圈，6为钎料片或钎料箔；
图5是实施例2采用Zn-5Al钎料钎焊纯Ga激活后的7034铝合金的微观组织示意图。
图6是实施例3装配的待焊件的示意图：其中1和5为待焊母材，3为高频线圈，7为粉状钎料；
图7是实施例3采用纯Zn钎料钎焊钎焊纯Ga激活后的7034铝合金的微观组织示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，按以下步骤进行：
一、对铝合金的待钎焊表面进行打磨，然后清洗烘干，得到预处理后的铝合金；
二、将预处理后的铝合金预热至30-50℃，再将镓加热至熔化，然后涂覆在预热后的铝合金待焊表面上，冷却至室温，再和钎料装配组成钎焊件，进行钎焊，钎焊温度高于钎料熔点20-30℃，钎焊保温时间为1-5min，焊后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊；镓层厚度为0.5-2μm。
本实施方式的有益效果是：
一、将Ga层预涂覆在待焊铝合金的表面，破坏了铝合金原有的氧化膜，并且防止铝表面生成新的稳定的氧化膜；钎焊过程中不需要再次去除铝合金的氧化膜，简化了工艺。
二、Ga元素与铝用钎料的主体成分Sn、Zn元素有较大的互溶度，确保了钎料在涂覆层上良好的润湿性；
三、钎料熔化后，Ga元素作为痕量元素迅速溶解进入钎料，而非以扩散的形式进入母材，有效解决了Ga元素在界面的偏聚而形成Al-Ga固溶体的问题，改善了界面的脆性。
四、均匀溶解在钎料中的Ga元素不会显著改变钎料的微观组织和力学性能。痕量Ga元素还有细化钎缝组织的效果。
五、Ga元素与Al、Zn、Sn元素的共晶温度分别为26.6℃、15.3℃和20.5℃。钎焊过程中，在低于钎料熔点的温度下，钎料、母材和Ga涂覆层就可以发生共晶反应而液化，并进行充分的溶解和扩散。因而实际钎焊所需的温度较低，钎焊时间较短，可以保护母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。该方法尤其适合热敏感铝合金材料的连接工作。
六、本实施方式适用范围较宽，可用于各种铝合金的低温、中温及高温钎焊。钎料可根据钎焊温度选择Al-Si系、Al-Si-Cu系合金，Zn-Al系、Zn-Al-Cu系合金，以及Sn-Zn系、Sn-Pb系、Sn-Ag系合金等。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：依次用200-800#的砂纸对铝合金的待钎焊表面进行打磨，至表面粗糙度达到6.3μm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一采用丙酮清洗打磨后的铝合金待钎焊表面。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中涂覆方式为抛光布涂抹、电烙铁涂抹或雾化喷涂。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，待钎焊面相对以搭接形式组成钎焊件，然后加热到钎焊温度，再对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，将熔融钎料以落滴式滴至搭接边缘，钎料沿着预先涂覆Ga的表面流入搭接的缝隙，形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，利用雾化技术在钎料片或箔带的两面涂覆厚度为0.5-2μm的液态Ga层，将涂覆后的钎料片或箔带夹在母材之间，对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，加热到钎焊温度，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，将钎料以粉状均匀地洒在下板母材的待焊面上，与另一块母材待钎焊面对接组成钎焊件；对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，加热到钎焊温度，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述铝合金为1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或细晶强化的超细晶铝合金。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：钎料为Al-Si系合金、Al-Si-Cu系合金、Zn-Al系合金、Zn-Al-Cu系合金、Sn-Zn系合金、Sn-Pb系合金或Sn-Ag系合金。其他与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中涂覆镓层后，在5分钟内装配组成钎焊件。其他与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤二中涂覆镓层后，采用压缩空气、干冰或液氮的方法冷却至室温。其他与具体实施方式一至十之一相同。
通过以下实施例对本发明的效果进行验证：
实施例1：本实施例一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，按以下步骤进行：一、依次用200-800#的砂纸对7034铝板的待焊表面进行打磨，至表面粗糙度为6.3μm，然后用丙酮对表面进行清洗后烘干。
二、将两块7034铝板预热至50℃，再将镓加热至熔化，然后用雾化喷涂技术将熔化后的镓涂覆在7034铝板待焊表面，Ga涂覆层厚度为2μm，随后利用液氮迅速使表面Ga层凝固，见图1。
三、以涂覆有镓层的7034铝板为待焊母材，待钎焊面相对以搭接形式组成钎焊件，见图2。对钎焊件施加0.05MPa的压力，利用高频线圈将钎焊件快速加热到钎焊温度300℃，使Ga层熔化实现铝表面的激活。将熔融Sn-20Zn钎料以落滴式滴至搭接边缘；熔融钎料沿着预先涂覆Ga的表面，进入搭接的缝隙，实现填缝，钎焊保温时间为5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。镓层涂覆后在5min以内装配组成钎焊件。Sn-20Zn钎料钎焊7034铝接头的微观组织示意图见图3。由图3可知钎料和母材的界面发生了充分的扩散溶解，接头的拉伸强度达到152MPa，母材的拉伸强度为550MPa，保护了母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。
实施例2：本实施例一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，按以下步骤进行：一、依次用200-800#的砂纸对7034铝板的待焊表面进行打磨，至表面粗糙度为6.3μm，然后用丙酮对表面进行清洗后烘干。
二、将两块7034铝板预热至50℃，再将镓加热至熔化，然后用雾化喷涂技术将熔化后的镓涂覆在7034铝板待焊表面，Ga涂覆层厚度为2μm，随后利用液氮迅速使表面Ga层凝固；
三、以涂覆有镓层的7034铝板为待焊母材，利用雾化技术在Zn-5Al钎料片两面涂覆厚度为2μm的液态Ga层，将涂覆后的钎料片夹在母材之间组成钎焊件，见图4，对钎焊件施加0.05MPa的压力，加热到420℃，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。镓层涂覆后在5min以内装配组成钎焊件。Zn-5Al钎料钎焊7034铝接头的微观组织示意图见图5。由图5可知，钎缝界面生成了大量的α-Al固溶体，保证了母材与钎料组织的结合。接头的拉伸强度达到176MPa，母材的拉伸强度为440MPa。做为对比以Zn-5Al为钎料，采用超声辅助钎焊7034铝板，钎焊后母材的拉伸强度仅为300MPa左右。因此，本实施例的方法保护了母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。
实施例3：本实施例一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，按以下步骤进行：一、依次用200-800#的砂纸对7034铝板的待焊表面进行打磨，至表面粗糙度为6.3μm，然后用丙酮对表面进行清洗后烘干。
二、将两块7034铝板预热至50℃，再将镓加热至熔化，然后用雾化喷涂技术将熔化后的镓涂覆在7034铝板待焊表面，Ga涂覆层厚度为2μm，随后利用液氮迅速使表面Ga层凝固；
三、以涂覆有镓层的铝合金为母材，将粒径为100μm的锌粉均匀地洒在下板母材的待焊面上，与另一块母材待钎焊面对接组成钎焊件，见图6；对钎焊件施加0.05MPa的压力，加热到450℃，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。镓层涂覆后在5min以内装配组成钎焊件。
微观组织示意图见图7。由图7可知钎缝显微组织由成分平滑过渡的Zn-Al扩散层构成，钎焊后接头的拉伸强度可以达到220MPa，母材的拉伸强度为410MPa，保护了母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。
由上述实施例可知，实施例中将Ga层预涂覆在待焊铝合金的表面，破坏了铝合金原有的氧化膜，并且防止铝表面生成新的稳定的氧化膜；钎焊过程中不需要再次去除铝合金的氧化膜，简化了工艺。Ga元素与铝用钎料的主体成分Sn、Zn元素有较大的互溶度，确保了钎料在涂覆层上良好的润湿性；钎料熔化后，Ga元素作为痕量元素迅速溶解进入钎料，而非以扩散的形式进入母材，有效解决了Ga元素在界面的偏聚而形成Al-Ga固溶体的问题，改善了界面的脆性。均匀溶解在钎料中的Ga元素不会显著改变钎料的微观组织和力学性能。痕量Ga元素还有细化钎缝组织的效果。且钎焊所需的温度较低，钎焊时间较短，可以保护母材原有的力学性能不受过量焊接热的影响。尤其适合热敏感铝合金材料的连接工作。

Claims (10)

1.一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、对铝合金的待钎焊表面进行打磨，然后清洗烘干，得到预处理后的铝合金；
二、将预处理后的铝合金预热至30-50℃，再将镓加热至熔化，然后涂覆在预热后的铝合金待焊表面上，冷却至室温，再和钎料装配组成钎焊件，进行钎焊，钎焊温度高于钎料熔点20-30℃，钎焊保温时间为1-5min，焊后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊；镓层厚度为0.5-2μm。
2.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于依次用200-800#的砂纸对铝合金的待钎焊表面进行打磨，至表面粗糙度达到6.3μm。
3.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤一采用丙酮清洗打磨后的铝合金待钎焊表面。
4.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤二中涂覆方式为抛光布涂抹、电烙铁涂抹或雾化喷涂。
5.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，待钎焊面相对以搭接形式组成钎焊件，然后加热到钎焊温度，再对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，将熔融钎料以落滴式滴至搭接边缘，钎料沿着预先涂覆Ga的表面流入搭接的缝隙，形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。
6.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，利用雾化技术在钎料片或箔带的两面涂覆厚度为0.5-2μm的液态Ga层，将涂覆后的钎料片或箔带夹在母材之间，对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，加热到钎焊温度，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。
7.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤二中装配钎焊件进行钎焊的方式为：以涂覆有镓层的铝合金为母材，将钎料以粉状均匀地洒在下板母材的待焊面上，与另一块母材待钎焊面对接组成钎焊件；对钎焊件施加0.01-0.1MPa的压力，加热到钎焊温度，钎料熔化后与母材发生冶金作用形成钎缝，钎焊保温时间为1-5min，随后空冷至室温，即完成铝合金的钎焊。
8.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于所述铝合金为1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金或细晶强化的超细晶铝合金。
9.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于钎料为Al-Si系合金、Al-Si-Cu系合金、Zn-Al系合金、Zn-Al-Cu系合金、Sn-Zn系合金、Sn-Pb系合金或Sn-Ag系合金。
10.根据权利要求1所述的一种利用液态镓预涂覆实现表面激活的铝合金的钎焊方法，其特征在于步骤二中涂覆镓层后，采用压缩空气、干冰或液氮的方法冷却至室温。
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