CN113732422A - 一种铝合金的无钎剂钎焊方法及钎料膏 - Google Patents

Abstract

本发明属于钎焊材料领域，具体涉及一种铝合金的无钎剂钎焊方法及钎料膏。该铝合金的无钎剂钎焊方法包括以下步骤：(1)在铝合金的待焊面上镀锌，形成镀锌层；(2)将无钎剂钎料膏涂覆在镀锌层上，所述无钎剂钎料膏由粘结剂和以下重量份数的组分组成：锌铝钎料70～80份，铷铁硼磁性颗粒6.0～8.0份；(3)对待焊部位加热，使镀锌层与锌铝钎料形成共晶或近共晶钎料液，施加旋转磁场，铷铁硼磁性颗粒在旋转磁场作用下自旋运动，将铝合金在无钎剂下钎焊连接。本发明中，镀层与钎料层在浓度梯度作用下发生扩散，在强磁颗粒自旋破膜、促流下，实现铝合金的无钎剂钎焊；所获钎焊接头中夹杂、气孔缺欠少，钎缝较致密，接头强度高。

Description

一种铝合金的无钎剂钎焊方法及钎料膏

技术领域

本发明属于钎焊材料领域，具体涉及一种铝合金的无钎剂钎焊方法及钎料膏。

背景技术

铸造铝合金的制造成本低、质量轻、强度高和低温性能良好，被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、摩托车以及大型设备中。铸造铝合金在铸造过程中本身就容易产生氧化夹杂、气孔、缩松、裂纹等缺陷。由于铸造铝合金铸件自身存在的缺陷，所以在钎焊过程中易产生夹杂、气孔、裂纹等焊接缺陷。

目前，铸造铝合金常用钎焊方法为Zn95Al钎料配合氟铝酸铯钎剂在大气下进行感应或火焰钎焊。Zn95Al为共晶钎料(Zn含量为95％的钎料为共晶钎料，Zn含量低于95％的钎料为亚共晶钎料)，其流动性能好，钎焊温度低，被广泛用来钎焊铸造铝合金。但是，与Zn95Al共晶钎料相匹配的氟铝酸铯钎剂中主要成分是CsF、Al₃F，黏度高，其钎焊残渣较难排除，会进一步造成钎缝中形成过多夹渣、气孔等缺欠，导致接头强度低，影响铸件的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金的无钎剂钎焊方法，减少夹杂和气孔，提高接头强度。

本发明的第二个目的在于提供匹配上述方法使用的钎料膏。

为实现上述目的，本发明的铝合金的无钎剂钎焊方法的技术方案是：

一种铝合金的无钎剂钎焊方法，包括以下步骤：

(1)在铝合金的待焊面上镀锌，形成镀锌层；

(2)将无钎剂钎料膏涂覆在镀锌层上，所述无钎剂钎料膏由粘结剂和以下重量份数的组分组成：锌铝钎料70～80份，铷铁硼磁性颗粒6.0～8.0份；所述锌铝钎料由以下重量份数的组分组成：Zn 80.0～90.0份、Al 5.0～15.0份；

(3)对待焊部位加热，使镀锌层与锌铝钎料形成共晶或近共晶钎料液，施加旋转磁场，铷铁硼磁性颗粒在旋转磁场作用下自旋运动，将铝合金在无钎剂下钎焊连接。

本发明的铸造铝合金的无钎剂钎焊方法，镀层与钎料层在浓度梯度作用下发生扩散，在强磁颗粒自旋破膜、促流下，实现铝合金的无钎剂钎焊；所获钎焊接头中夹杂、气孔缺欠少，钎缝较致密，接头强度高。

优选的，步骤(1)中，所述镀锌层的厚度为15～30μm。

优选的，所述铷铁硼磁性颗粒的粒径为30～50nm。铷铁硼磁性颗粒即铷铁硼磁铁(Nd2Fe14B)，是由铷、铁、硼形成的四方晶系晶体，属于强磁材料；选择铷铁硼磁性颗粒的另一原因在于，其对钎料的润湿性好，不影响与钎料的界面结合性。

优选的，锌铝钎料与粘结剂的重量比为(70.0～80.0):(3.0～6.0)；所述粘结剂选自聚乙二醇200、松油醇、异丙醇中的一种或两种以上组合。更优选的，钎料膏的涂覆厚度为3～8μm。

优选的，步骤(3)中，所述旋转磁场由交变电流产生，电流强度为0.1-20A，电流频率为10²-10⁵Hz。

优选的，步骤(3)中，施加旋转磁场的时间为8-15S。

优选的，步骤(3)中，钎焊的温度为380-420℃。

更优选的，所述铝合金为铸造铝合金。铸造铝合金应用广泛，且铸造过程中会伴随许多缺陷，常规钎焊连接效果较差，而利用本发明的方法可以很好的解决铸造铝合金的钎焊连接问题。

本发明的钎料膏的技术方案是：

一种铝合金无钎剂钎焊用钎料膏，由粘结剂和以下重量份数的组分组成：锌铝钎料70～80份，铷铁硼磁性颗粒6.0～8.0份；所述锌铝钎料由以下重量份数的组分组成：Zn80.0～90份、Al 5.0～15.0份。

本发明的铝合金无钎剂钎焊用钎料膏，配合上述钎焊方法使用，可在大气环境下实现铸造铝合金的快速感应钎焊，不污染环境，绿色环保。

附图说明

图1为本发明的铝合金的无钎剂钎焊方法的钎焊结构装配示意图；

图2为图1的左视图；

图3为现有技术有钎剂钎焊的钎缝形貌；

图4为本发明实施例5中无钎剂钎焊的钎缝形貌；

图5为本发明实施例5的部分剪切强度试验件；

图6为现有技术中有钎剂钎焊接头钎缝中A点夹杂能谱分析结果；

其中，1-铸造铝合金，2-锌层，3-钎料膏，4-磁极。

具体实施方式

本发明的铝合金的无钎剂钎焊方法，主要是借助浓度梯度扩散原理，利用铷铁硼强磁颗粒在旋转磁场作用下的自旋破膜机理，实现铝合金的高可靠、高致密的无钎剂钎焊。

以下钎焊方法主要按照以下步骤实施：

步骤一、将两个待焊铸造铝合金表面均涂覆一层纯锌层，得到镀锌铸造铝合金；

步骤二、将其中一个镀锌铸造铝合金的镀层上均匀涂覆一层钎料膏，并与另一铸造铝合金的镀覆面复合，装配固定后置于旋转磁场内，待焊部位置于感应器内；

步骤三、打开电源，开始加热，加热至380-420℃，钎料层成液态，与两边镀层在浓度梯度作用下，发生扩散溶解，形成共晶或近共晶钎料液；

步骤四、保持钎料处于液态，启动自旋磁场，使钎料层中铷铁硼强磁颗粒自旋运动，碰撞摩擦，钎料液流动填缝，形成冶金结合，关磁场电源，停止加热电源，钎焊完成。

如图1所示，上述方法中，在两个待焊铸造铝合金1表面均镀覆一层纯锌层2，在其中一个铸造铝合金镀层上涂覆一层含铷铁硼强磁颗粒的亚共晶Zn-Al钎料膏3，与另一铸造铝合金镀覆面相对装配。钎焊时，将工件置于自旋磁场，使待焊部位置于感应器内。加热至382-420℃时，钎料层熔化成钎料液，在浓度梯度作用下，钎料液与镀层扩散，发生共晶反应，形成共晶Zn95Al钎料液。启动自旋磁场，强磁颗粒发生自旋运动，摩擦撞击镀层表面，可破膜助流，促进钎料液流动填缝，实现铸造铝合金的无钎剂钎焊。

近共晶钎料指的是接近共晶成分的钎料。钎料膏中锌铝钎料成分(Zn 80.0～90.0份、Al5.0～15.0)是亚共晶钎料，当加热到温度380-420℃时，镀层中Zn不断扩散进入钎料层，导致钎料中Zn含量增加，钎料成分越来越靠近共晶成分(95Zn5Al)，可能形成近共晶钎料液。

旋转磁场由横向磁场发生器产生，根据对称的三相绕组中通过对称的三相交流电产生旋转磁场这一原理设计而成，主要由铁芯和绕组组成，它产生旋转磁场的主要特点是磁场强度大小不变，方向不断旋转。

具体地，如图1和图2所示，采用三对磁极4均布同一圆周上(钎焊工件置于三对磁极形成的磁场内部)，三对磁极4均布的圆心轴线通过焊缝中心位置，并对磁极上的励磁线圈采用三相单六拍的励磁顺序供电，从而产生旋转磁场。电流强度为0.1-20A，电流频率为10²-10⁵Hz，时间为8-15S。

旋转磁场在垂直于待焊面的平面内沿顺时针或逆时针旋转。在图2的左视图上，磁场旋转方向可以为顺时针或逆时针。

本发明无需用钎剂，钎缝中无钎剂残留；另外，铷铁硼强磁颗粒的自旋撞击(往复运动)，可进一步起到排渣除气作用，所获接头较致密、强度高。

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

一、铸造铝合金的无钎剂钎焊方法的具体实施例

实施例1

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，包括以下步骤：

(1)将两个铸造铝合金待焊面均镀覆一层15-30μm厚的纯锌层，得到镀锌铸造铝合金；

(2)将其中一个铸造铝合金的镀层上均匀涂覆一层3-8μm厚的钎料膏，与另一铸造铝合金的镀覆面相对配合，固定后置于旋转磁场内，待焊部位置于感应器内；

钎料膏各组分的质量份数分别为：钎料粉75.0份、铷铁硼强磁颗粒6.0份、粘结剂3.0份。钎料粉中各组分的质量份数为：Zn 80.0份、Al 5.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒径为30nm。粘结剂为聚乙二醇200。

(3)打开电源，开始加热，加热至400℃，钎料层与两边镀层在浓度梯度作用下，发生扩散溶解，形成共晶钎料液；

(4)保持钎料处于液态，启动旋转磁场，使钎料层中铷铁硼强磁颗粒发生自旋运动，当钎料液流动填缝、形成冶金结合时，关磁场电源，停止加热电源，钎焊完成。

本实施例中，采用三对磁极均布同一圆周上，三对磁极均布的圆心轴线通过焊缝中心位置，并对磁极上的励磁线圈采用三相单六拍的励磁顺序供电，从而产生旋转磁场。电流强度为10A，电流频率为10⁴Hz，时间为10S。

在其他实施情形中，视钎焊情形，电流强度可以为0.1、0.5、1、3、5、8、15、20A不等，电流频率可以为10²、10³、10⁵Hz不等，时间可以为8、12、15s不等，以达到磁粒能够往复运动、破膜助流为宜。

实施例2

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：钎料膏各组分的质量份数为：钎料粉76.0份、铷铁硼强磁颗粒7.0份、粘结剂5.0份。料粉中各组分的质量份数为：Zn 82.0份、Al 8.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒度为40nm。粘结剂为松油醇。

实施例3

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：钎料膏各组分的质量份数分别为：钎料粉77.0份、铷铁硼强磁颗粒8.0份、粘结剂6.0份。钎料粉中各组分的质量份数为：Zn 85.0份、Al 10.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒度为50nm。粘结剂为异丙醇。

实施例4

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：钎料膏各组分的质量份数分别为：钎料粉78.0份、铷铁硼强磁颗粒6.0份、粘结剂3.0份。钎料粉中各组分的质量份数为：Zn 87.0份、Al 12.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒度为30nm。粘结剂由松油醇、异丙醇组成，松油醇、异丙醇的体积比为1:1。

实施例5

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：钎料膏各组分的质量份数分别为：钎料粉79.0份、铷铁硼强磁颗粒7.0份、粘结剂5.0份。钎料粉中各组分的质量份数为：Zn 88.0份、Al 14.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒度为50nm。粘结剂由聚乙二醇200、松油醇按体积比1:1组成。

实施例6

本实施例的铝合金的无钎剂钎焊方法，与实施例1基本相同，区别仅在于：钎料膏各组分的质量份数分别为：钎料粉70.0份、铷铁硼强磁颗粒8.0份、粘结剂6.0份。钎料粉中各组分的质量份数为：Zn 90.0份、Al 15.0份。铷铁硼强磁颗粒的粒度为40nm。粘结剂由聚乙二醇200、松油醇、异丙醇按体积比1:1:1组成。

在本发明的无钎剂钎焊方法的其他实施例中，钎焊温度可以控制为385℃、395℃、405℃、415℃、420℃等等，均可以达到基本相当的实验效果。

二、钎料膏的具体实施例

实施例7

本实施例的铝合金无钎剂钎焊用钎料膏，对应实施例1的钎焊方法中的钎料膏。

钎料膏的其他实施例，分别对应实施例2～6的钎焊方法中的钎料膏。

三、实验例

实验例1

在其他条件相同的情况下，采用Zn95Al共晶钎料配合氟铝酸铯钎剂进行铸造铝合金的有钎剂感应钎焊，另外采用实施例5的钎焊方法进行铸造铝合金的无钎剂感应钎焊，对比两种接头的钎缝形貌和接头强度。

有钎剂钎焊的钎缝形貌如图3所示，无钎剂钎焊的钎缝形貌如图4所示。

通过以上钎缝形貌对比可以看出，与无钎剂钎焊钎缝相比，有钎剂钎焊所获得钎缝中的夹杂和气孔较多。

铸造铝合金焊接试验母材为2mm厚、15mm宽、50mm长的板，钎焊后按照GB/T11364-2008的规定的规定加工成标准剪切试样，测试对比接头的剪切强度，结果如表1所示。

两种接头的剪切强度对比如表1所示。部分剪切强度试验件情况如图5所示。

表1 两种接头的剪切强度

可以看出，无钎剂钎焊钎缝，也即实施例1的钎缝平均剪切强度值为44.7MPa，而有钎剂钎焊所获得钎缝的剪切强度平均值仅21.8MPa，前者远远高于后者。

实施例1～6的接头的剪切强度如表2所示。

表2 实施例1～6的接头的剪切强度

	接头平均强度/MPa
		实施例1	30
实施例2	32
		实施例3	35.6
实施例4	38.5
		实施例5	44.7
实施例6	52
		Zn95Al钎料有钎剂钎缝	21.8

由表2可知，相对于Zn95Al钎料有钎剂钎焊，实施例的方法所得接头的剪切强度具有显著提高。

实验例2

对由钎剂钎缝中夹杂进行能谱分析，结果如图6所示。

由图6可以看出，有钎剂钎缝中的A点能谱分析结果中有Cs、F成分，证明钎缝中的钎剂残渣较多，难以排除干净，这也导致了其钎焊强度难以得到有效提高。

Claims (10)

1.一种铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在铝合金的待焊面上镀锌，形成镀锌层；

(2)将无钎剂钎料膏涂覆在镀锌层上，所述无钎剂钎料膏由粘结剂和以下重量份数的组分组成：锌铝钎料70～80份，铷铁硼磁性颗粒6.0～8.0份；所述锌铝钎料由以下重量份数的组分组成：Zn 80.0～90.0份、Al 5.0～15.0份；

(3)对待焊部位加热，使镀锌层与锌铝钎料形成共晶或近共晶钎料液，施加旋转磁场，铷铁硼磁性颗粒在旋转磁场作用下自旋运动，将铝合金在无钎剂下钎焊连接。

2.如权利要求1所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镀锌层的厚度为15～30μm。

3.如权利要求1所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，所述铷铁硼磁性颗粒的粒径为30～50nm。

4.如权利要求1～3中任一项所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，锌铝钎料与粘结剂的重量比为(70.0～80.0):(3.0～6.0)；所述粘结剂选自聚乙二醇200、松油醇、异丙醇中的一种或两种以上。

5.如权利要求4所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，钎料膏的涂覆厚度为3～8μm。

6.如权利要求1所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，步骤(3)中，所述旋转磁场由交变电流产生，电流强度为0.1-20A，电流频率为10²-10⁵Hz。

7.如权利要求6所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，步骤(3)中，施加旋转磁场的时间为8-15S。

8.如权利要求1所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，步骤(3)中，加热的温度为380-420℃。

9.如权利要求1或6或7或8所述的铝合金的无钎剂钎焊方法，其特征在于，所述铝合金为铸造铝合金。

10.一种铝合金无钎剂钎焊用钎料膏，其特征在于，由粘结剂和以下重量份数的组分组成：锌铝钎料70～80份，铷铁硼磁性颗粒6.0～8.0份；所述锌铝钎料由以下重量份数的组分组成：Zn 80.0～90份、Al 5.0～15.0份。

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