CN112091477B

CN112091477B - 低钎剂残留的高性能复合钎焊材料

Info

Publication number: CN112091477B
Application number: CN202011139812.6A
Authority: CN
Inventors: 孙·科·乌·格·赫尔曼; 娄银斌; 金海斌; 王炜杰; 钱似舰; 应佳为; 王水庆
Original assignee: Zhejiang Xinrui Welding Science And Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Xinrui Welding Science And Technology Co ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2040-10-22
Also published as: CN112091477A

Abstract

本发明公开了一类低钎剂残留的高性能复合钎焊材料，通过对钎剂优化和钎焊材料结构的设计以及各层钎料、钎剂的组合，可改善焊接性能、减少钎剂用量，实现改善金属连接形成、使焊后钎剂残留物最小化的目的，以满足工业需求，从而减少内部和外部的腐蚀问题，同时提高了钎料的流动性。

Description

低钎剂残留的高性能复合钎焊材料

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一类低钎剂残留的高性能复合钎焊材料。

背景技术

活性不足的钎焊材料通常需要过量的钎焊化学物质(即钎剂)来弥补钎焊材料(钎料/钎焊剂制品)可能的活性不足。然而，过量的钎剂会在焊接后产生过多的残渣，导致清洁难度增大，若不清洁，还会导致器件的损坏，尤其在含氯钎剂、银钎剂等焊材方面。在铝药芯钎料领域，虽然氟铝酸钾型钎剂的应用，使得钎焊后接头不用清洗，但是其残留物量对制冷系统毛细管堵塞具有很大的风险。所以在不降低焊接性能前提下，通过设计新型的钎剂和不同结构的复合性钎焊材料，有效降低钎剂残留物存在很大价值。

如今，为了满足日益严峻的对环境负面影响最小化、对钎焊系统和操作人员的健康、换热系统更长的长寿命和持续的系统性能的要求，金属焊接后清洁的需求越来越大。

现有技术中，科研工作者已研究尝试通过调整和改良钎剂的组成和配比来减少焊后的残留物。如公开号为CN102581522A的专利说明书公开了一种ZnSn系无铅钎料用松香基钎剂，对ZnSn系钎料润湿力强，焊后残留物少，可有效的去除金属氧化膜。又如公开号为CN102728967A的专利说明书公开了一种镀镍层钎料软钎焊焊锡丝芯用钎剂，焊接时间短、润湿性好、焊后残留物少。

通过对钎剂本身的改良以及钎焊材料结构的改造可以精确控制钎剂的用量、改善钎焊性能、减少焊后残留物等。所以从钎剂本身改进和钎焊材料的结构上进行调整能够从根源上克服焊后残留物过多等问题，是一种更具有广泛应用前景和潜在价值的技术手段。因此，设计一种新型的高扩散性高活性低残留的钎剂以及特殊的钎焊材料结构以解决上述问题具有重要的现实意义。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种高扩散性高活性低残留的钎剂和低钎剂残留的高性能复合钎焊材料，可减少钎剂的用量，节约成本的同时克服了现有技术中常规药芯焊丝中钎剂药芯层易过量导致残留物过多的问题，同时提高了钎料的流动性。

一种高扩散性高活性低残留的钎剂，以质量百分比计，包括：

组分A 0～100％，

组分B 0～100％，

组分C 0～10％；

所述组分A、组分B占所述钎剂的质量百分比不同时为0；

所述组分A为CsAlF₄和/或Cs₂AlF₅；

所述组分B为KAlF₄和/或K₂AlF₅；

所述组分C为LiF和/或SrF₂。

作为优选，所述组分A、组分B占所述钎剂的质量百分比分别独立为(0,100％)。此处(0,100％)意为大于0且小于100％。

作为优选，所述组分C在所述钎剂中的质量百分比为(0,10％]。此处(0,10％]意为大于0且不大于10％。

作为优选，所述组分A、组分B和组分C占所述钎剂的质量百分比之和为100％。

本发明还提供了一种低钎剂残留的高性能复合钎焊材料，包括钎剂层和将所述钎剂层包裹在内的钎料层。优选地，所述钎剂层为钎料和所述的高扩散性高活性低残留的钎剂通过可控气氛喷雾成型(controlled atmosphere spray forming，CASF)得到的复合内芯，或者为钎料和所述的高扩散性高活性低残留的钎剂的机械混合物(粉末混合物)。所述复合内芯、机械混合物中的钎料、钎剂的比例可根据需要进行调整。

作为优选，所述钎料层外包覆钎剂涂层。进一步优选地，所述钎剂涂层为所述的高扩散性高活性低残留的钎剂。

常规药芯焊丝最外层通常为钎料层，而单独的钎料熔融后流动性较差，本发明在所述钎料层外包覆钎剂涂层，利用特殊钎剂提高钎料层钎料的流动性，提高其润湿能力。

所述钎剂涂层中的钎剂可与所述钎剂层中的钎剂相同，也可不同。

本发明还提供了一种低钎剂残留的高性能复合钎焊材料，包括由内至外依次设置的钎剂层和钎剂-钎料复合材料涂层。优选地，所述钎剂层为所述的高扩散性高活性低残留的钎剂，或者为钎料和所述的高扩散性高活性低残留的钎剂的机械混合物，该机械混合物中钎料、钎剂的比例可根据需要进行调整。优选地，所述钎剂-钎料复合材料涂层为钎料和所述的高扩散性高活性低残留的钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层，该复合壳层中的钎料、钎剂比例可根据需要进行调整。优选地，所述的钎剂层内包裹有钎料芯。

各种材料的组分和配比都可以按照本发明的钎焊材料结构进行设计。本发明的所有技术方案中，各层中的钎剂、钎料互相之间可以相同，也可以不同。钎剂可以是腐蚀性的，也可以是无腐蚀性的；可以是单一钎剂，也可以是混合钎剂。本发明的钎焊材料结构中各层质量比可根据需要进行调整。

本发明的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料结构设计可以是圆形、棒、环等，也可以为椭圆形、三角形或长方形等；外壳可以有缝，也可以无缝；可以为常规折叠钎料外壳，也可以为钎剂-钎料复合材料外壳。

本发明的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料可以是焊丝、焊条等，为焊丝时，焊丝直径以及各层、各芯的厚度均可根据实际应用需要设计。例如，焊丝直径可以是1～3mm。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明通过对钎剂改良和钎焊材料结构的设计以及各层钎料、钎剂的组合，可改善焊接(钎焊)性能、减少钎剂用量，实现改善金属连接形成、使焊后钎剂残留物最小化的目的，以满足工业需求，从而减少内部和外部的腐蚀问题。本发明钎剂具有高扩散性高活性低残留的特点。

附图说明

图1为实施例1的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料截面结构示意图；

图2为实施例2的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料截面结构示意图；

图3为实施例3的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料截面结构示意图；

图中：钎剂层1；钎料层2；钎剂涂层3；钎料芯4；钎剂-钎料复合材料涂层5。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

如图1所示，本实施例的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料包括钎剂层1和将钎剂层1包裹在内的钎料层2，钎料层2外包覆钎剂涂层3。

按图1所示形成焊丝结构No.1：钎剂层1为核，具体为钎料和钎剂的机械混合物。该结构中各层质量比可根据需要进行调整，本实施例中，以焊丝总质量为100％计，钎剂涂层3为钎剂，质量占比2％，钎料层2为合金钎料，质量占比45％，钎剂层1为钎料和钎剂的机械混合物，其中钎料在焊丝中质量占比为45％、钎剂在焊丝中的质量占比为8％。

按图1所示形成焊丝结构No.2：钎剂层1为核，具体为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合内芯。该结构中各层质量比可根据需要进行调整，本实施例中，以焊丝总质量为100％计，钎剂涂层3为钎剂，质量占比2％，钎料层2为合金钎料，质量占比45％，钎剂层1为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合内芯，其中钎料在焊丝中质量占比为45％、钎剂在焊丝中的质量占比为8％。

实施例2

如图2所示，本实施例的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料包括由内至外依次设置的钎剂层1和钎剂-钎料复合材料涂层5。

按图2所示形成焊丝结构No.3：钎剂层1为核，具体为钎料和钎剂的机械混合物，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层。该结构中各层质量比可根据需要进行调整，本实施例中，以焊丝总质量为100％计，钎剂层1为钎料和钎剂的机械混合物，其中钎料在焊丝中质量占比为44％、钎剂在焊丝中的质量占比为6％，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层，其中钎料在焊丝中质量占比为46％、钎剂在焊丝中的质量占比为4％。

实施例3

如图3所示，本实施例的低钎剂残留的高性能复合钎焊材料包括由内至外依次设置的钎剂层1和钎剂-钎料复合材料涂层5，钎剂层1内包裹有钎料芯4。

按图3所示形成焊丝结构No.4：钎剂层1为钎剂，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层。该结构中各层质量比可根据需要进行调整，本实施例中，以焊丝总质量为100％计，钎料芯为合金钎料，在焊丝中的质量占比为44％，钎剂层1为钎剂，在焊丝中的质量占比为6％，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层，其中钎料在焊丝中质量占比为46％、钎剂在焊丝中的质量占比为4％。

按图3所示形成焊丝结构No.5：钎剂层1为钎料和钎剂的机械混合物，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层。该结构中各层质量比可根据需要进行调整，本实施例中，以焊丝总质量为100％计，钎料芯4为合金钎料，在焊丝中的质量占比为32％，钎剂层1为钎料和钎剂的机械混合物，其中钎料在焊丝中质量占比为12％、钎剂在焊丝中的质量占比为6％，钎剂-钎料复合材料涂层5为钎料和钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层，其中钎料在焊丝中质量占比为46％、钎剂在焊丝中的质量占比为4％。

实施例4

钎剂1～4的组成如表1所示，如无特殊说明，单位为wt％。

表1

化合物(wt％)	钎剂1	钎剂2	钎剂3	钎剂4
					CsAlF<sub>4</sub>	36	36	37	42.5
Cs<sub>2</sub>AlF<sub>5</sub>	12	12	12	7.5
					KAlF<sub>4</sub>	36	36	35	37.5
K<sub>2</sub>AlF<sub>5</sub>	12	12	13	12.5
					LiF	-	4	2	-
SrF<sub>2</sub>	4	-	1	-
					总计	100	100	100	100

将上述钎剂1～4分别与作为钎料的4047合金按上述焊丝结构No.1～6组成相同规格的焊丝，并在相同条件下进行钎焊试验评估，并以4047合金/KAlF₄-CsAlF₄(KAlF₄ CAS号：60304-36-1；CsAlF₄ CAS号：39211-00-2；其中KAlF₄-CsAlF₄中含Cs 2wt％)药芯焊丝(Fluxcored wire，FCW，外层合金钎料包覆内部钎剂KAlF₄-CsAlF₄)作为对照。钎剂、合金的扩散性，以及钎剂残留物和活性等数据指标如表2所示。

焊丝钎焊试验评估中扩散性测试方法：将10mg焊丝置于长×宽×高＝40mm×40mm×2mm的铝合金平台上，空气气氛下对铝合金平台底部进行火焰加热直至铝合金平台上的焊丝熔化，测量钎剂、合金的扩散面积、钎剂残留物面积等。

表2

相同条件下钎剂1～4分别在3003合金上的扩散性能如表3所示，并以KAlF₄(CAS号：60304-36-1)作为对照。

钎剂1～4以及KAlF₄的扩散性测试方法：将2mg钎剂1～4或KAlF₄分别置于长×宽×高＝25mm×25mm×1mm的3003合金上，氮气气氛加热直至3003合金上的钎剂1～4或KAlF₄熔化，测量钎剂1～4、KAlF₄的扩散面积。

表3

钎剂编号	1	2	3	4	对照样品KAlF<sub>4</sub>
						钎剂扩散面积/mm<sup>2</sup>	470	380	450	510	210

从以上实施例和测试结果可看出，先进的新结构设计焊丝(即4047合金与较高活性钎剂的结合)，提高了钎焊性能(参见表2钎剂活性一栏)，显著减少了钎焊残留物(参见表2中钎剂残留物面积一栏)。而且，本发明新的钎剂组成单独就已经显示出更大的扩散面积(表3中从对照样品KAlF₄ 210mm²增至钎剂4的510mm²)。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种低钎剂残留的高性能复合钎焊材料，其特征在于，包括由内至外依次设置的钎剂层和钎剂-钎料复合材料涂层；

所述钎剂层为钎料和高扩散性高活性低残留的钎剂的机械混合物，或者，所述钎剂层为高扩散性高活性低残留的钎剂且所述的钎剂层内包裹有钎料芯；

所述钎剂-钎料复合材料涂层为钎料和高扩散性高活性低残留的钎剂通过可控气氛喷雾成型得到的复合壳层；

所述高扩散性高活性低残留的钎剂，以质量百分比计，包括：

组分A 0～100％，

组分B 0～100％，

组分C 0～10％；

所述组分A、组分B占所述高扩散性高活性低残留的钎剂的质量百分比不同时为0；

所述组分A为CsAlF₄和/或Cs₂AlF₅；

所述组分B为KAlF₄和/或K₂AlF₅；

所述组分C为LiF和/或SrF₂。

2.根据权利要求1所述的高性能复合钎焊材料，其特征在于，所述组分A、组分B占所述高扩散性高活性低残留的钎剂的质量百分比分别独立为(0,100％)。

3.根据权利要求1或2所述的高性能复合钎焊材料，其特征在于，所述组分C在所述高扩散性高活性低残留的钎剂中的质量百分比为(0,10％]。