CN111730178A

CN111730178A - 一种铝青铜的焊接工艺

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Publication number: CN111730178A
Application number: CN202010629936.6A
Authority: CN
Inventors: 胡克福
Original assignee: Guixi Junda Special Copper Co ltd
Current assignee: Guixi Junda Special Copper Co ltd
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111730178B

Abstract

本发明提供一种铝青铜的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：S1.打磨待焊接的铝青铜工件，除去铝青铜工件的表面的氧化膜；S2.在铝青铜工件的表面铺覆焊剂，焊剂含有三乙烯四胺、辛酸亚锡、锌粉、有机酸、载体、缓蚀剂；S3.预热铝青铜工件；S4.将铝青铜工件和钨极与交流电源连接，交流电源的频率7～15Hz，对铝青铜工件采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接，保护气体为99.99﹪氩气，采用的电弧为铝青铜粉末等离子弧，焊接电流为90A～120A；S5.焊接完成后，对铝青铜工件进行退火热处理。交流等离子弧的阴极雾化作用击碎工件表面的氧化膜，而焊剂能够与氧化膜充分反应，提高焊接效率。

Description

一种铝青铜的焊接工艺

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体地，涉及一种铝青铜的焊接工艺。

背景技术

铝青铜是一种应用广泛的合金材料，在民用、军用工业中占有重要的地位，被广泛应用于机械、飞机和汽车制造业、船舶和海洋工业、冶金、石化工业以及建筑业等。铝青铜具有以下优良的性能：具有很高的强度、硬度和耐磨性,常用来制造齿轮坯料、螺纹等零件；具有很好的耐蚀性，因此可用来制造耐腐蚀零件，如螺旋桨、阀门等；在冲击作用下铝青铜不会产生火花，可用来制造无火花工具材料；具有优良的导热系数和稳定的刚度，作为模具材料在拉伸、压延不锈钢板式换热器时不会产生粘模、划伤工件等优点，己成为一种新型模具材料；有形状记忆效应,已经作为形状记忆合金得到发展；价格相对便宜，成为一些昂贵金属材料的部分替代品，如替代锡青铜、不锈钢、镍基合金等。

大面积金属壁面常见于工厂和大型机械设备中，例如：核电设备和船体。随着服役年龄增长，这些金属壁面可能会产生环境腐蚀、疲劳裂纹或外力损伤等问题。堆焊是用电焊或气焊法把金属熔化堆在工具或机器零件上的焊接法，通常用来修复磨损和崩裂部分。对于铝青铜来说，焊接的主要困难是铝的氧化，生成致密而难熔的Al₂O₃薄膜覆盖在熔滴和熔池表面，易在焊缝中产生夹渣、气孔和未熔合等缺陷，降低焊接的效率和质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝青铜的焊接工艺，以降低焊接过程中生成的 Al₂O₃薄膜对焊接工艺带来的不良影响。

根据本发明的一个方面，提供一种铝青铜的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：S1.打磨待焊接的铝青铜工件，除去铝青铜工件的表面的氧化膜；S2.在铝青铜工件的表面铺覆焊剂，按质量百分比计算焊剂含有三乙烯四胺5～25％、辛酸亚锡5～25％、锌粉3～12.5％、有机酸2～5％、载体10～30％、缓蚀剂5～12％；S3.预热铝青铜工件；S4.将铝青铜工件和钨极与交流电源连接，交流电源的频率7～15Hz，对铝青铜工件采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接，保护气体为99.99﹪氩气，采用的电弧为铝青铜粉末等离子弧，焊接电流为90A～120A； S5.焊接完成后，对铝青铜工件进行退火热处理。

利用等离子弧具有温度高、热量集中、热稳定性好以及可控性强的优点，采用铝青铜粉末等离子弧作为焊接电弧，降低了熔点高的氧化膜对焊接的阻碍作用。在焊接的过程中，交流电源使铝青铜工件和钨极的极性来回切换，当铝青铜工件切换至负极时，基于阴极雾化作用，等离子弧的等离子可有效地击碎工件表面的氧化膜，而当铝青铜切换至正极时，钨极以热发散形式产生的电子撞击铝青铜工件(正极)，释放出全部动能和位能，在铝青铜工件表面产生大量的热能加热工件，并能够疏导在钨极囤积的热量，避免钨极过热。焊剂中的胺类物质在工件表面与多种金属离子相互作用生成相应的螯合或络合物，达到去膜目的。另外，焊剂中的锌粉在焊接温度与铝青铜工件发生氧化还原反应，铝青铜工件表层被置换出一层新的金属与铝青铜工件形成有效的原子间连接，同时也可以与钎料有很好的润湿性和冶金结合。而焊剂中的辛酸亚锡不但可以与锌粉发生氧化还原后生成的产物复配，溶解铝青铜表面的氧化膜，而且还可以与弧柱中的氢离子结合，减小或者消除焊缝中的气孔，并使焊剂具有较好的延展性。

优选地，在S4过程中，提供横向磁场，横向磁场的磁场方向垂直于铝青铜粉末等离子弧的轴向方向。通过外加磁场使焊接位点的硬度、耐磨性得到提高。

优选地，横向磁场的磁场强度为0.15T～0.18T。

优选地，焊接电流为110A。

优选地，在S4过程中，在成功起弧后再施加横向磁场。因为如果起弧之前加磁场，磁场力可能将试板拉偏，影响起弧。

优选地，按质量百分比计算，焊剂含有三乙烯四胺5～10％，还含有三乙醇胺3～10％、二乙醇胺3～10％。

优选地，按质量百分比计算，焊剂含有辛酸亚锡8～15％，锌粉3～8％，还含有无机铵盐8～15％、有机酸2～5％、含钾氟化物5～10％，含钾氟化物选自氟化钾、氟硅化钾、氟硼酸钾中的至少一种。可选地，含钾氟化物为氟硅化钾。焊接时，氟硅化钾析出的硅与铝青铜工件在其表面形成铝硅共晶薄膜，可以明显降低熔融物与铝青铜工件之间的表面张力，促进焊剂在铝青铜工件表面形成铝硅共晶薄膜。

优选地，按质量百分比计算，载体包括聚乙二醇400。

优选地，按质量百分比计算，缓蚀剂包括苯并三氮唑。

优选地，按质量百分比计算，有机酸包括水杨酸和/或己二酸。

本发明提供的焊剂中所含有的有机胺类、活性剂、缓蚀剂、树脂载体、有机酸相互复配、协同增效，有效地去除工件表面的氧化膜，优化焊接位点的材料特性以及表面形貌。

说明书附图

图1为实施例1中硬度试验的结果统计图；

图2为实施例1中磨损试验的质量损失量统计图；

图3为实施例1中磨损试验的长度变化量统计图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例采用的焊剂配方如表1所示。按照以下方法制备本实施例所采用的焊剂：将定量的各组分置于坩埚内，一边混合研磨一边加入沸水，直到成为糊状后，转移至烘箱内，设置干燥温度为200℃，真空干燥，干燥后取出磨碎过筛。

表1本实施例所采用的焊剂配方组成

1.1工件极性对焊接效果的影响

1.1.1实验设置方式

本节采用钨极与待焊接的铝青铜工件搭配开展焊接试验，以铝青铜工件所接的电源极性为变量设置三组处理组：处理1组，钨极和铝青铜工件分别接于交流电极的两极，交流电源的频率为10Hz；处理2组，钨极和铝青铜工件分别接于直流电极的两极，铝青铜工件接正极，钨极接负极；处理3组，钨极和铝青铜工件分别接于直流电极的两极，钨极接正极，铝青铜工件接负极。将各处理组的铝青铜工件和钨极与相应的电源接好，按照以下步骤进行焊接实验：

S1.打磨待焊接的铝青铜工件，至工件表面露出金属光泽，并保持洁净；

S2.在铝青铜工件的表面铺覆焊剂；

S3.将铝青铜工件预热至200℃，保温1小时；

S4.在99.99﹪氩气的保护气氛下，采用铝青铜粉末等离子弧对铝青铜工件进行焊接，焊接电流为110A；

S5.退火热处理，待焊接完的铝青铜工件的温度降至300℃，保温2小时，随后缓冷至室温。

1.1.2形貌及组织观察

在经过焊接的铝青铜工件的堆焊区域上截取尺寸为15mm×10mm×10mm 的试块，在砂轮上磨平、倒角；之后依次用400、800、1000、1500和2000目的水磨砂纸在金相预磨机上对试块进行精磨；无划痕后再使用抛光机对试块抛光；抛光后依次用清水、酒精冲洗试块，用5％的FeCl₃盐酸溶液腐蚀要观察的试块表面10秒左右，经酒精冲洗干净后用吹风机吹干其表面，在OLMPUS BX—6型金相显微镜上对试块进行显微组织观察，放大倍数为100倍。用同样的方法处理试块后对其进行扫描电镜分析。

1.1.3实验结果

焊接时，处理2组用于熔化焊的热量小，相应合金元素的烧损较小，但是电弧不稳，电弧能量分布不均匀，操作性差，成型性不好。处理2组的铝青铜工件堆焊处的熔深比较深，会增加堆焊层的稀释率，堆焊层焊缝窄、表面凹凸不平，分布着球状颗粒且表面发乌。此外，在铝青铜工件经过抛光后，用肉眼即可以观察到产生了严重的渗透裂纹。

处理1组和处理3组的堆焊层焊缝宽、平直光滑，在熔合区和铝青铜工件上皆观察不到渗透裂纹，且熔合线较为平直，即熔合比较小。当在铝青铜工件与电源负极连接时进行焊接，由于阴极雾化作用，有效地清除了熔池周围固态金属表面的氧化膜，而且能不断地清理焊接过程中新产生的氧化膜，使焊缝产生出金属的光泽，氧化膜的不断清除，同时对抗裂性低的合金材料的堆焊是十分有效的。清除氧化膜后在铝青铜工件表面形成了一个椭圆形的净化区，在这个净化区内熔池前沿地带的新鲜金属表面被阴极斑点等离子能量加热到具有良好润湿性的发汗状态，这时熔池中少量金属漫流到这个区域形成一个很薄的膜，随着熔池的移动，熔池中的大量液态金属在没有电弧力搅拌的情况下，非常平静地流淌在此薄膜上，最后形成了熔深较浅，表面光洁的焊道。然而，与处理3组对比，处理1组的铝青铜工件上的熔深更深，但不至于造成凹凸不平的突起和裂纹，将其表面形貌性质与处理2组、处理3组对比，其表面形貌与处理3组更相似。

综上，就堆焊层的成形性来说，处理1组优于处理2组和处理3组，处理2 组优于处理3组。

1.2焊接电流对焊接效果的影响

1.2.1实验设置方式

本节以本实施例的处理1组作为参照，以焊接电流作为变量，设置了4组处理组，分别标记为：处理1A组，焊接电流为90A；处理1B组，焊接电流为100 A；处理1C组，焊剂电流为120A；焊接D组，焊接电流为130A。设定好各处理组的焊接电流后，按照以下步骤进行焊接实验：

S2.在铝青铜工件的表面铺覆焊剂；

S3.将铝青铜工件预热至200℃，保温1小时；

S4.将钨极和铝青铜工件分别接于交流电极的两极，交流电源的频率为10Hz，在99.99﹪氩气的保护气氛下，分别提供各处理组设定的焊接电流，采用电离子弧对铝青铜工件进行焊接；

1.2.2性质试验

1.2.2.1硬度试验

硬度是衡量金属材料强度的主要性能指标之一，本实施例采用压入法来测量材料的硬度，通过压头或压球在材料表面产生压痕的深浅来衡量材料的硬度。本实施例硬度值由HB-3000型布氏硬度计测得。具体过程为使用硬度计在试件上打出具有一定直径的圆坑，测出其直径，查表后得出硬度值。

1.2.2.2磨损试验

本研究中采用质量磨损来评定试验材料的耐磨性，比较每次磨损后试件的质量损失多少及长度变化，来评定材料的耐磨性。磨损实验在MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机上进行，销盘摩擦副——单销大试环摩擦磨损试验。试样销尺寸为Φ4.8mm×12mm，对磨材料为Φ31.5mm×Φ16mm×10mm的45#钢环试样。实验用失重量和线磨损量表征合金的耐磨性。丙酮清洗，用AUY220型分析天平称重。实验温度为室温，干摩擦无润滑，外加载荷为150N，试验转速为200 r/min，磨损时间为5min。需要注意的是，45#钢对偶试件在试验之前需要用细砂纸将表面进行打磨一下，提高摩擦表面的光洁度，摩擦表面的粗糙度为0.4μ以下。

1.2.3实验结果

硬度测试结果如图1所示，在焊接电流达到110A之前，随着焊接电流增大，堆焊层的硬度增大，当焊接电流等于110A时，堆焊层的硬度达到峰值，焊接电流进一步加大，堆焊层的硬度下降。

磨损试验后，试件的长度变化量如图3所示，随着焊接电流增大，质量损失量和长度变化量呈先降后升的变化趋势，当焊接电流等于110A时，质量损失量和长度变化量达到最小值。

实施例2

2.1外加磁场对焊接效果的影响

本实施例以实施例1的处理1组(外加磁场强度为0T)作为参照，以在焊接过程中外加具有不同磁场强度的横向磁场作为变量设置5组处理组，分别是：处理4组，磁场强度为0.14T；处理5组，磁场强度为0.15T；处理6组，磁场强度为0.16T；处理7组，磁场强度为0.17T；处理8组，磁场强度为0.18T。上述横向磁场是指磁场方向垂直于铝青铜粉末等离子弧的轴向方向的磁场。

处理4～8组按照以下步骤进行焊接实验：

S2.在铝青铜工件的表面铺覆焊剂；

S3.将铝青铜工件预热至200℃，保温1小时；

S4.将钨极和铝青铜工件分别接于交流电极的两极，交流电源的频率为10Hz，在99.99﹪氩气的保护气氛下，起铝青铜粉末等离子弧，起弧成功后再施加具有一定磁场强度的横向磁场，采用铝青铜粉末等离子弧对铝青铜工件进行焊接，焊接电流为110A；

2.1.2形貌及组织观察

操作及表征方式与实施例1的1.1.2相同。

2.1.3实验结果

外加横向磁场的磁场强度不超过0.16T的处理4组、处理5组和处理6组的堆焊层成形形态相对较好，其各自的堆焊层平整度、厚度都与实施例1的处理1 组较为接近。若外加横向磁场的磁场强度进一步增大，磁场力作用明显变宽，相对实施例1的处理1组而言，处理7组和处理8组各自的堆焊层明显变薄，而且堆焊层变得不均匀，出现明显的宏观缺陷。相对于本实施例的5组处理组而言，实施例1的处理1组的堆焊层组织分布无序且稀疏。而相较实施例1的处理1 组，本实施例的5组处理组的堆焊层的晶粒明显细化，其中，对比处理4～6组，随着磁场强度增大逐渐变得有序化，当磁场强度达到0.16T时，堆焊层的晶粒细化程度达到最优，且明显可以看到晶粒分布的方向性。而磁场强度进一步增大，对比处理6组、处理7组和处理8组，处理7组和处理8组的堆焊层晶粒分布仍具有方向性但是晶粒明显相对于处理6组的粗大。外加横向交流磁场所产生的磁场作用可以改变电弧的形态，使堆焊过程中的温度分布趋向均匀化，并且使堆焊过程中的熔池变宽增加了液态金属的流动，可以减小液态熔池中的温度梯度，降低了溶质富集层的厚度，同时减小了组织成分的过冷度。

实施例3

3.1焊剂的制备

按照表2所示配方，准备原料，分别按照如下方法制备7种焊剂：将定量的各组分置于坩埚内，一边混合研磨一边加入沸水，直到成为糊状后，转移至烘箱内，设置干燥温度为200℃，真空干燥，干燥后取出磨碎过筛。

表2本实施例设置的处理组所采用的焊剂配方

3.2焊剂的除膜性试验

3.2.1原理与表征参数

本实施例通过考察钎料在铝青铜工件表面的润湿角，以评价不同焊剂针对铝青铜工件表面的氧化膜的除膜能力。钎料在焊剂与铝青铜工件反应后润湿，在该过程中，钎料由初始的固态随着温度升高而熔化，在基底上铺展并最终达到平衡状态。强的活性剂能够更彻底地去除铝青铜工件表面的氧化膜，钎料在无氧化物的铝青铜工件表面能更充分铺展，润湿角更小；而弱的去膜活性剂无法彻底去除铝材表面的氧化物，钎料在残余有氧化物铝青铜工件表面无法充分铺展而润湿角大。

3.2.2润湿角测试试样准备

将直径1.0mm、质量为0.30±0.005g的Sn-0.7Cu实芯锡丝绕制成内径为 1.5mm的钎料环并整平。采用无水乙醇将规格为50×50×0.5mm的铝青铜工件清洗干净，冷风吹干，确保铝青铜工件表面清洁平整，在铝青铜工件的表面铺覆焊剂；在铝青铜工件铺覆了焊剂的一面的中心位置，放置上述钎料环，升温至 232℃，保持15s后，移除加热装置，表面放置有钎料环的铝青铜工件自然冷却至室温。

本节设置一个对照试样，对照试样在制样的过程中不采用任何焊剂：将直径1.0mm、质量为0.30±0.005g的Sn-0.7Cu实芯锡丝绕制成内径为1.5mm的钎料环并整平。采用无水乙醇将规格为50×50×0.5mm的铝青铜工件清洗干净，冷风吹干，确保铝青铜工件表面清洁平整；在铝青铜工件的一面的中心位置，放置上述钎料环，升温至232℃，保持15s后，移除加热装置，表面放置有钎料环的铝青铜工件自然冷却至室温。

3.2.3测试方法

采用视频光学接触角测量仪(OCA-20，德国Data Physics)及其配套计算软件获取锡钎料在其作为基底的铝青铜工件表面的润湿角数据，将锡钎料与基底的图像信息传输到计算机，利用圆弧弧形，进行分析和计算，完成对接触角的自动测量，每个试样进行不少于3个样品润湿角测试，以平均值作为焊点的润湿角。

3.2.4试验结果

根据表3展示的数据，在铝青铜工件表面铺覆焊剂能够显著降低钎料在工件表面的润湿角，说明焊剂1～7能够有效除去铝青铜工件表面的氧化膜。

表3不同焊剂对应的除膜性表征

3.3工件搭接试验

设置7组处理组，分别标记为处理9组、处理10组、处理11组、处理12 组、处理13组、处理14组和处理15组，每个处理组采用同批次的铝青铜工件作为试件进行搭接试验，上述各处理组所采用的焊剂如表4所示。

表4本节各处理组所采用的焊剂

处理9～15组的搭接实验操作步骤如下：

步骤1.先用丙酮清洗试件的表面以溶解各种有机物，再用酒精将各种杂质冲洗干净，最后将试件吹至干燥；

步骤2.在待搭接的铝青铜工件的表面铺覆焊剂；

步骤3.将待搭接的铝青铜工件预热至200℃，保温1小时；

步骤4.采用交流铝青铜粉末等离子弧对两块试件施焊搭接，交流电源的频率为10Hz，保护气氛为99.99﹪氩气，焊接电流为110A；

步骤5.退火热处理，待试件的温度降至300℃，保温2小时，随后缓冷至室温。

设置一组对照处理组，采用与上述各处理组采用的铝青铜工件同批次的铝青铜工件作为试件，按照下述步骤进行搭接试验：

步骤2.将待搭接的铝青铜工件预热至200℃，保温1小时；

步骤3.采用交流铝青铜粉末等离子弧对两块试件施焊搭接，交流电源的频率为10Hz，保护气氛为99.99﹪氩气，焊接电流为110A；

步骤4.退火热处理，待试件的温度降至300℃，保温2小时，随后缓冷至室温。

3.4接头力学

测试仪器及方式：

采用岛津AG-10TA拉伸试样机，对处理9～15组制得的成品进行剪切强度测试，载荷500KGF，加载速度2mm/min。

测试结果：表5为各处理组的接头剪切强度，焊剂的使用能够显著地提高试件搭接的接头剪切强度。

表5各处理组的接头力学测试结果

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种铝青铜的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1.打磨待焊接的铝青铜工件，除去所述铝青铜工件的表面的氧化膜；

S2.在所述铝青铜工件的表面铺覆焊剂，按质量百分比计算，所述焊剂含有三乙烯四胺5～25％、辛酸亚锡5～25％、锌粉3～12.5％、有机酸2～5％、载体10～30％、缓蚀剂5～12％；

S3.预热所述铝青铜工件；

S4.将所述铝青铜工件和钨极与交流电源连接，所述交流电源的频率7～15Hz，对所述铝青铜工件采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接，保护气体为99.99﹪氩气，采用的电弧为铝青铜粉末等离子弧，焊接电流为90A～120A；

S5.焊接完成后，对所述铝青铜工件进行退火热处理。

2.如权利要求1所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：在所述S4过程中，提供横向磁场，所述横向磁场的磁场方向垂直于所述铝青铜粉末等离子弧的轴向方向。

3.如权利要求2所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：所述横向磁场的磁场强度为0.15T～0.18T。

4.如权利要求3所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：所述焊接电流为110A。

5.如权利要求2所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：在所述S4过程中，在成功起弧后再施加所述横向磁场。

6.如权利要求1～5任一项所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：按质量百分比计算，所述焊剂含有三乙烯四胺5～10％，还含有三乙醇胺3～10％、二乙醇胺3～10％。

7.如权利要求1～5任一项所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：按质量百分比计算，所述焊剂含有所述辛酸亚锡8～15％，所述锌粉3～8％，还含有无机铵盐8～15％、含钾氟化物5～10％，所述含钾氟化物选自氟化钾、氟硅化钾、氟硼酸钾中的至少一种。

8.如权利要求1～5任一项所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：按质量百分比计算，所述载体包括聚乙二醇400。

9.如权利要求1～5任一项所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：按质量百分比计算，所述缓蚀剂包括苯并三氮唑。

10.如权利要求1～5任一项所述铝青铜的焊接工艺，其特征在于：按质量百分比计算，所述有机酸包括水杨酸和/或己二酸。