CN116900543A - 一种自钎焊铝合金材料、其制造方法及用途 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自钎焊铝合金材料，其包含：Al、Si、Cu、Zn、Mg、Sr和任选存在的以下元素中的一种或多种：Fe、Mn、Ti、Zr和Cr；其中，当存在时，基于所述自钎焊铝合金材料的重量，各元素的含量满足以下关系：Si和Fe的总含量为1.5‑6.5wt％，且Si与Fe的含量的比例为5以上；Mn和Cu的总含量为1.5‑5.5wt％，且Cu与Mn的含量的比例为0.5以上；Zn和Mg的总含量为0.5‑5.5wt％，Mg的含量为0.05‑0.6wt％，且Zn与Mg的含量的比例为5以上；Ti和Zr和Cr的总含量为0.5wt％以下；并且Sr含量为0.003‑0.2wt％。本申请的自钎焊铝合金材料在钎焊过程中可以通过自身的部分熔化，与待钎焊部件形成钎焊质量良好的钎焊接头，并且制备流程简单且成本低，使用简便，具有很好的应用前景。

Description

一种自钎焊铝合金材料、其制造方法及用途

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种自钎焊铝合金材料、其制造方法及用途，以及使用该自钎焊铝合金材料的钎焊方法。

背景技术

钎焊是一种高效的金属连接技术，是利用比母材熔点低的金属材料作为钎料，加热母材到一定温度(高于钎料熔点且低于母材熔点的温度)，熔化的钎料润湿填充处于固态的母材间隙，形成一种牢固接头的方法。钎焊过程中变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如铝制换热器、蜂窝结构板等。在钎焊前一般需要对工件进行细致加工和清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙，使用钎剂可增加钎料的润湿性。间隙一般要求在0.02-0.15毫米之间。与熔化焊相比，钎焊时母材不熔化，仅钎料熔化；与压焊相比，钎焊时不对焊件施加压力。钎焊形成的焊缝称为钎缝。钎焊所用的填充金属称为钎料。钎焊的加热主要方式有火焰加热、炉中加热、电阻加热、感应加热等。

铝合金的钎焊温度通常在600℃左右，此时钎料合金(通常为Al-Si合金)完全熔化，通过液态钎料经毛细作用流动到接头处形成冶金连接。铝合金钎焊材料通常是由包含芯层和至少一层钎料层的复合材料，钎料层的合金一般为相对于芯层的低熔点合金，通常为Al-Si系合金。钎料层在高温钎焊条件下会优先熔化，然后通过毛细作用流动到待焊接的接头处，从而实现各个零部件之间的金属连接。为了去除铝表面的氧化膜，一般在钎焊前施加助焊剂。但是多层复合材料加工流程冗长，加工成本高，生产工艺复杂，耗时长，生产效率低。

除了用复合材料自带钎料层来进行钎焊外，还有采用外加Al-Si系钎料粉或钎料片进行钎焊。但是外加的钎料粉是粉末颗粒，其表面有氧化膜较多，需要使用较多的钎剂，并且在待焊件之间喷洒粉末容易导致表面喷洒量不均匀，致使钎焊接头质量不稳定，容易出现夹渣、气孔等缺陷。而使用钎料片时，如果贴合不紧密或焊料片有油污等表面污染，也会导致钎焊接头的质量不稳定。

通过铝合金材料自身在钎焊时发生部分熔化产生一定比例的液相而形成钎焊接头，即具有自钎焊性质的铝合金材料，目前有一定的研究。CN115106677A公开了一种单层自钎焊铝合金材料及其制备方法，其中，铝合金包含一定量的Si、Zr和Zr等元素，具有良好的自钎焊性能。

发明内容

目前的现有技术中，主要通过控制Si含量范围内来实现铝合金材料的自钎焊性质，并且配合添加其他元素如Mn、Fe、Cu、Zn等来调整材料的强度或其他性能。申请人发现，对于铝合金材料，除Si元素外，其他元素同样具有降低铝合金的熔点从而实现在铝合金材料在钎焊时形成部分熔化的效果，但现有技术中并未有相关研究。

在一方面，本申请涉及一种自钎焊铝合金材料，其包含：Al、Si、Cu、Zn、Mg、Sr和任选存在的以下元素中的一种或多种：Fe、Mn、Ti、Zr和Cr；其中，当存在时，基于所述自钎焊铝合金材料的重量，各元素的含量满足以下关系：Si和Fe的总含量为1.5-6.5wt％，且Si与Fe的含量的比例为5以上；Mn和Cu的总含量为1.5-5.5wt％，且Cu与Mn的含量的比例为0.5以上；Zn和Mg的总含量为0.5-5.5wt％，Mg的含量为0.05-0.6wt％，且Zn与Mg的含量的比例为5以上；Ti和Zr和Cr的总含量为0.5wt％以下；并且Sr含量为0.003-0.2wt％。

在一个实施方案中，材料中，等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布与等效圆直径大于2.0μm的颗粒分布的比例在2以上，优选2.5以上。

在一个实施方案中，材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布在5000个/mm²以上。

在一个实施方案中，所述材料的厚度为0.2mm以上，优选0.25mm以上，更优选0.5mm以上。

在一个实施方案中，在600℃，所述材料中，熔化的材料体积为材料整体体积的10-35％，优选15-30％，更优选20-30％。

在另一方面，本申请涉及一种制造本申请的自钎焊铝合金材料的方法，其包括以下步骤：按元素组成铸造自钎焊铝合金材料铸锭；将自钎焊铝合金材料铸锭进行铣面、加热后，热轧至一定厚度；冷却后冷轧至目标厚度；软化退火。

在一个实施方案中，铸造自钎焊铝合金材料铸锭采用半连续铸造工艺，其中，铸造过程中冷却速度为100℃/min以上。

在又一方面，本申请涉及本申请的自钎焊铝合金材料在大面积钎焊中的用途。

在又一方面，本申请涉及一种钎焊方法，其包括以下步骤：在本申请的自钎焊铝合金材料和/或待焊部件的待钎焊表面上涂覆钎剂；组装自钎焊铝合金材料和待焊部件，以使得待钎焊表面接触；加热以使得自钎焊铝合金材料的部分材料熔化，熔化的材料润湿填充待钎焊表面之间的缝隙；冷却形成钎焊接头。

在一个实施方案中，待焊部件的材质为铝材，并且加热的温度为600-650℃，加热时间为20-90min。

在一个实施方案中，待焊部件的材质为钢材，并且加热的温度为650-700℃，加热时间为20-90min。

附图说明

图1：包含本发明的自钎焊铝合金材料的构成；

图2：本发明的自钎焊铝合金材料的显微组织照片；

图3：根据本发明的一个实施方案的自钎焊铝板与不锈钢板的钎焊接头的(a)低倍照片，(b)高倍照片；

图4：根据本发明的一个实施方案的自钎焊铝板与铝板的钎焊接头的(a)低倍照片，(b)高倍照片。

具体实施方式

一般定义和术语

如果没有另行指出，在此所提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献通过援引以其全部并入本文。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常理解的相同的含义。若存在矛盾，则以本文提供的定义为准。

除非另有说明，所有的百分比、份数、比例等都是按重量计的。

当给出数量、浓度或其它值或参数作为范围、优选范围或优选的上限值和下限值或者具体的值时，应将其理解为特定公开了从任意上限范围或优选值与任意下限范围或优选值的成对数值所形成的所有范围，而无论范围是否单独地被公开。除非另有说明，当本文引用数值范围时，所述的范围是指包括其端点、以及所有该范围内的整数和分数。本发明的范围并不限制于当定义范围时所引用的特定数值。例如“1-8”涵盖1、2、3、4、5、6、7、8以及由其中任何两个值组成的任何亚范围，例如2-6、3-5。

术语“约”、“大约”当与数值变量并用时，通常指该变量的数值和该变量的所有数值在实验误差内(例如对于平均值95％的置信区间内)或在指定数值的±10％内，或更宽范围内。

术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”及其在本文中的其它变体形式为包含性的或开放式的，且不排除其它未列举的元素或方法步骤。本领域技术人员应当理解，上述术语如“包括”涵盖“由…组成”的含义。表述“由…组成”排除未指明的任何元素、步骤或成分。表述“基本上由…组成”指范围限制在指定的元素、步骤或成分，加上任选存在的不会实质上影响所要求保护的主题的基本和新的特征的元素、步骤或成分。应当理解，表述“包含”涵盖表述“基本上由…组成”和“由…组成”。

术语“选自…”是指在后面所列的组中的一个或多个元素，独立地加以选择，并且可以包括两个或更多个元素的组合。

当在本文中描述数值或范围端值时，应理解所公开的内容包括所引用的特定值或端值。

本文所使用的术语“一种或多种”或“至少一种”指一种、两种、三种、四种、五种、六种、七种、八种、九种或更多种。

此外，本发明的部件或组分之前未标明个数的，表示对于部件或组分的出现(或存在)数是没有限制的。因此，应当解读为包括一个或至少一个，并且部件或组分的单数词形式也包括复数，除非该数值明显地表示单数。

本文所使用的术语“任选”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，该描述包括发生所述事件或情况和不发生所述事件或情况。

本文所使用的术语“不可避免的杂质元素”是指铝合金制备过程中非主动加入的为难以避免地进入合金的元素。其中“其它元素”表示不包含在对应的合金中已经指明的元素。

自钎焊铝合金材料

在一方面，本发明涉及一种自钎焊铝合金材料，其组成元素及其含量之间具有合适的关系，使铝合金材料具有自钎焊的性能和良好的力学性能。

如上文中所述，常规的钎焊过程通常在钎剂和钎料的同时参与下进行。利用比母材熔点低的金属材料作为钎料，加热母材到一定温度(高于钎料熔点且低于母材熔点的温度)，使钎料熔化而母材未发生熔化。熔化的钎料润湿填充处于固态的母材间隙，形成牢固的钎焊接头。

本文中，“自钎焊铝合金材料”具体指具有以下特点的铝合金材料：在钎焊过程中，无需使用钎料，自钎焊铝合金材料(其作为母材)可以在加热条件下，自身的内部的部分材料发生熔化，该熔化的部分材料可以润湿填充待钎焊位置处的间隙，形成钎焊接头。

在实际使用中，自钎焊铝合金材料除了自钎焊的性质外，还需具有合适的力学性能(如抗拉强度等)，以满足使用场景的需求。

本申请发明人发现，当在铝材中，添加Si、Cu、Mg、Zn等元素，都能有效降低铝材料的熔化温度，有助于材料的自钎焊性能实现。

Si元素对铝合金材料的性能具有重要的影响。Si元素可以有效降低材料的熔点，当在铝材中单独添加Si元素时，1wt％的Si固溶能使材料的熔点降低约50℃。此外，Si还可以与Fe、Mn一起形成AlFeMnSi系化合物，起到弥散强化的作用。Si还可以通过与Mg反应形成Mg₂Si化合物，进而提高材料强度。此外，Si可以固溶于材料基体中，通过固溶强化来提高材料的强度。因此，Si元素是确保本申请自钎焊铝合金材料的自钎焊性能和力学性能所必须添加的元素。铝合金材料中的合适的Si含量有利于提供合适的熔点降低的效果，并且保持材料的强度等机械性能。在一个实施方案中，基于自钎焊铝合金材料的重量，Si的含量可以为1.25-6.5wt％，例如约1.80wt％、约2.93wt％、约4.22wt％等。若Si含量过高，在相同的钎焊温度下，材料的熔化体积可能过多，这可能导致材料的厚度减薄严重，不利于其尺寸保持；若Si含量过低，在相同的钎焊温度下熔化体积可能过少，进而可能导致钎焊接头偏小和钎焊接头的强度下降。

Cu可以降低材料的熔点，当在铝材中单独添加Cu元素时，1wt％的Cu固溶能使材料熔点降低约20℃。Cu还可以通过固溶强化进而提高芯材层的强度，并能提高电位。基于自钎焊铝合金材料的总重量，Cu的含量可以为0.5-5.5wt％，例如约2.51wt％、约1.39wt％、约0.92wt％等。Cu的含量过低，其带来的优势效果不明显；Cu含量过高，发生晶间腐蚀的可能性变高，并且可能显著影响熔点。

Zn元素同样可以降低铝材的熔点，当在铝材中单独添加Zn元素时，1wt％的Zn固溶能使材料的熔点降低约4℃。Zn元素还可以由提高牺牲阳极作用所带来的耐腐蚀性。基于自钎焊铝合金材料的重量，Zn的含量可以为0.017-5.5wt％，例如约0.65wt％、约2.82wt％、约1.58wt％等。Zn的含量过低或过高均不利于实现其优势效果。

Mg元素可以降低材料熔点，当在铝材中单独添加Mg元素时，1wt％的Mg固溶能使熔点降低约14℃。Mg还可以显著提高合金的强度，通过固溶强化或通过析出Mg₂Si来实现提高强度的效果。基于自钎焊铝合金材料的重量，Mg的含量可以为0-0.92wt％，例如为约0.60wt％、约0.33wt％、约0.24wt％等。当Mg含量过高时，Mg可能会在钎焊过程中扩散挥发，对钎剂的活性产生不利影响，进而导致钎焊效果变差；Mg过量还容易发生晶界腐蚀。

Sr元素的加入有助于细化铸造过程中形成的铸态组织，尤其是能细化Al-Si铸态组织。基于自钎焊铝合金材料的重量，Sr的含量可以为0.003-0.2wt％，优选0.005-0.15wt％，例如约0.005wt％、0.015wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.10wt％、0.15wt％等。当Sr含量过高时，铸造过程中容易形成Al₄Sr等粗大化合物，而影响材料性能；Sr含量过低时，其细化铸态组织的效果几乎消失，从而导致铸态组织粗大。

Fe元素可以与其他元素，如Mn和Si结合，形成铸造结晶相，这些结晶相能够成为再结晶晶核尺寸的金属间化合物，使再结晶温度降低。基于自钎焊铝合金材料的重量，Fe的含量可以为0-1.10wt％，例如为约0.32wt％、约0.55wt％、约0.71wt％等，从而保证材料有良好的成形性和腐蚀性表现。Fe含量过高可能会降低复合材料的抗腐蚀性能，也会降低材料的强度。

材料中的Mn元素有助于调节提高材料的强度、钎焊性、耐蚀性以及提高电位。在一个实施方案中，基于自钎焊铝合金材料的重量，Mn的含量可以为0-1.5wt％，例如约0.60wt％、约0.89wt％、约1.35wt％等。当Mn含量过低时，其所带来的优势效果不明显；当Mn含量过高时，会形成粗大的含Mn颗粒，进而影响轧制生产，导致材料中形成孔洞或断带。

Ti通过固溶强化来提高强度，并使耐蚀性能提高。基于自钎焊铝合金材料的重量，Ti的含量为0.25wt％以下，优选0.15wt％以下，例如为约0.08wt％、0.11wt％、0.09重量等。Ti的含量过高时，容易形成巨大的金属间化合物，使塑性加工性降低。

Zr作为合金元素的添加是为了进一步提高合金在钎焊后的强度及控制再结晶晶粒的大小。基于自钎焊铝合金材料的重量，Zr的含量可以为0.25wt％以下，例如为约0.04wt％、约0.05wt％％等。

Cr作为合金元素的添加可进一步提高合金在钎焊后的强度及耐腐蚀性能。基于自钎焊铝合金材料的重量，Cr的含量可以为0.4wt％以下，例如为约0.03wt％、约0.10wt％、约0.19wt％等。

控制铝合金材料的熔化区间是赋予材料自钎焊性能的重要影响因素。本申请人还发现，当在铝材料中添加多种元素的组合时，受到各种元素之间相互的影响，会使得这些元素对材料熔点的影响复杂化，进而影响自钎焊性能。

本发明中，自钎焊铝合金材料的组成元素之间具有合适的含量关系，赋予材料自钎焊的性质，并且能够实现良好的钎焊效果，还使其具有良好的力学性能。本发明的自钎焊铝合金材料包含：Al、Si、Cu、Zn、Mg、Sr和任选存在的以下元素中的一种或多种：Fe、Mn、Ti、Zr和Cr；其中，当存在时，基于自钎焊铝合金材料的重量，各元素的含量满足以下关系：Si和Fe的总含量为1.5-6.5wt％，且Si与Fe的含量的比例为5以上，例如为5.6、5.3、5.9等；Mn和Cu的总含量为1.5-5.5wt％，且Cu与Mn的含量的比例为0.5以上，例如为0.7、1.6、2.1、4.2、10.9等；Zn和Mg的总含量为0.5-5.5wt％，Mg的含量为0.05-0.6wt％，且Zn与Mg的含量的比例为5以上，例如为5.4、6.0、8.5、6.6、5.2等；Ti和Zr和Cr的总含量为0.5wt％以下；并且Sr含量为0.005-0.15wt％。组成元素之间满足上述关系的自钎焊铝合金材料能够具有自钎焊功能和良好的钎焊质量，并保证其力学性能。

应当理解，除了上述元素外，在生产、制备等过程中，通常会向材料中引入一些不可避免的杂质。本申请中，自钎焊铝合金材料中不可避免的杂质的含量较低，通常为0.15wt％以下。较低的杂质含量能够尽可能降低对材料性能可能的影响。

本申请人发现，材料的微观结构也会对自钎焊性能造成影响。特别地，材料中特定尺寸的颗粒分布会影响材料的自钎焊性能。

自钎焊铝合金材料中，较小尺寸的颗粒与较大尺寸的颗粒的比例影响钎焊效果。在一个实施方案中，自钎焊铝合金材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布与等效圆直径大于2.0μm的颗粒分布的比例在2以上，优选2.5以上，例如为约2.6、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5等。所述比例过低，钎焊性能可能会下降。

自钎焊铝合金材料中具有一定量的较小尺寸的颗粒能进一步改善材料的自钎焊性能。在一个实施方案中，自钎焊铝合金材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布在5000个/mm²以上、或6000个/mm²以上、或7000个/mm²以上、7500个/mm²以上等，例如，自钎焊铝合金材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布为约11225个/mm²、7539个/mm²、18766个/mm²、24537个/mm²、16698个/mm²。自钎焊铝合金材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布过低，也可能对钎焊性能造成不利影响。

本文所使用的术语“等效圆直径”也可称为“等效直径”，指按照不规则形状颗粒的面积换算成与其面积相等的圆形颗粒时的直径。颗粒密度可以由常规方法确定，例如借助例如与光学显微镜连接的图像分析系统。图2示出通过光学显微镜获得的本申请的自钎焊铝合金材料的照片，其中示出分散于自钎焊铝合金材料中的颗粒，例如圆框内所示。

仅出于解释而非限制性的目的，材料中特定尺寸的颗粒分布可能基于以下因素对材料的自钎焊性能造成影响：相比于较小尺寸的颗粒，在较大尺寸的颗粒的导热效果较差，且较大尺寸的颗粒间的间隙相对更大，因此，可能导致在钎焊过程中，颗粒不易熔化且可能会存在较多未熔化的位置(即颗粒的间隙处)，这可能会导致钎焊接头的牢固程度下降。材料中大量均匀分布的较小尺寸的颗粒的存在，使得在钎焊过程中，自钎焊材料的待钎焊部位可以顺利、均匀、充分地熔化，很好地润湿待钎焊表面之间的缝隙，形成牢固的钎焊接头。

为了使自钎焊铝合金材料在使用中获得良好的钎焊效果，需要控制在钎焊温度下，材料熔化部分的比例。在钎焊温度下，若自钎焊材料中熔化的部分占材料整体体积过小，则熔化的材料无法充分润湿填充待钎焊位置处的间隙，无法完成钎焊或钎焊效果较差；在钎焊温度下，若自钎焊材料中熔化的部分占材料整体体积过高，钎焊时可能会导致材料的形状改变明显，不利于材料的形状保持。在本发明中，通过如上所述的成份、结构设计，可以实现在600℃时，材料中熔化的材料体积为材料整体体积的10-35％，优选15-30％，更优选20-30％，例如约23.7％、25.3％、28.1％、26.9％、25.3％等。这样的设计，确保在通常的铝合金钎焊温度下(约600-700℃)进行钎焊时，可以获得合适的熔化的材料体积来实现良好的钎焊效果。

自钎焊铝合金材料的厚度通常会影响钎焊效果。当在相同温度下进行钎焊，当材料厚度较薄时，材料的传热速率较高；当材料厚度较厚时，材料的传热速率较低。传热速率的差异会影响不同厚度的自钎焊铝合金材料的钎焊效果。

特别是，当自钎焊铝合金材料的厚度较高时(例如铝合金板材、管材等)，在钎焊条件下导热速率较慢，在相同的钎焊炉气温度下，会使实际的金属温度过低而导致钎焊接头小，接头强度低。并且，由于材料的厚度较大，不利于熔化的材料向待钎焊位置的间隙中填充。因此，对于厚度较大的材料，实现其自钎焊功能具有挑战性。

本申请的自钎焊材料具有合适的组成成分、微观结构，这使得本申请的自钎焊材料能够在自身厚度较厚的条件下仍保持优良的自钎焊性能，且自钎焊性能优秀。这显著拓宽本申请自钎焊铝合金材料的可应用场景。在一个实施方案中，自钎焊铝合金材料的厚度为可以为0.2mm以上、或0.25mm以上、或0.3mm以上、或0.5mm以上、或1.0mm以上等。自钎焊铝合金材料的厚度可以例如为约1.45mm、约1.65mm、约2.45mm、约1.20mm、约1.35mm等。

自钎焊铝合金材料的制造方法

在另一方面，本发明还涉及一种制造自钎焊铝合金材料的方法，其包括以下步骤：按元素组成铸造自钎焊铝合金材料铸锭；将自钎焊铝合金材料铸锭进行铣面、加热后，热轧至一定厚度；冷却后冷轧至目标厚度；软化退火。

根据自钎焊铝合金材料的元素组成进行配料，可以采用半连续铸造工艺来铸造自钎焊铝合金材料铸锭，例如扁锭。其中，控制铸造过中的冷却速度在一定速率以上，有助于细化晶粒和铸态共晶组织，并能减少铸造过程中金属间化合物形成的数量。在一个实施方案中，铸造过中的冷却速度为100℃/min以上。过低的冷却速率会大幅增加铸造过程中金属间化合物的形成数目。

将自钎焊铝合金材料铸锭进行铣面，以获得平整的表面，铣面深度可以为5-15mm。将铣面完成后的铸锭进行加热，可以采用常规的设备(例如加热炉)进行。可根据实际选择合适的加热温度和时间。加热温度可以为400-510℃，加热时间可以为5-20小时。

将加热的铸锭进行热轧至一定厚度。可以通过多道次轧制至一定厚度。在一个实施方案中，加热的铸锭经过10-20道次从初始厚度热轧至2-7mm。热轧终轧温度可以控制在320℃以下。热轧后可以进行卷曲形成热轧卷。

将热轧后的材料进行冷却，然后通过冷轧机轧至目标厚度。

将获得的目标厚度的材料进行软化退火。软化退火可以减少轧制油残留，消除内应力并降低强度，防止后续加工过程中出现开裂。软化退火的温度可根据自钎焊铝合金材料的具体组成进行合理选择，但应当低于自钎焊铝合金材料中可能发生材料熔化的温度，以避免在软化退火过程中在自钎焊铝合金材料发生熔化。软化退火的温度可以为300℃-380℃。软化退火的时间可以为5-15小时。

自钎焊铝合金材料可以根据实际需要具有各种形式，包括但不限于：板材、卷材等。

除了制备成单层材料之外，本申请的自钎焊铝合金材料也可制备成两层或三层材料，例如图1所示。可根据需求将本申请的自钎焊铝合金材料作为复合层或芯材来制备两层或三层材料。在制备成两层或三层材料时，与其搭配的芯材或复合层的合金可选用1xxx、3xxx、6xxx铝合金等，且铝合金的熔点在620℃以上。

图1a示出由本申请的自钎焊铝合金材料形成的单层芯材1。图1b示出芯材1和复合层2形成的两层材料，其中复合层2的材质为本申请的自钎焊铝合金材料。芯材1的材料可选用1xxx、3xxx、6xxx铝合金等，且铝合金的熔点在620℃以上。图1c示出芯材1和复合层2形成的两层材料，其中，芯材2的材质为本申请的自钎焊铝合金材料，复合层2的材料可选用1xxx、3xxx、6xxx铝合金等，且铝合金的熔点在620℃以上。图1d示出芯材1、复合层2和复合层2’形成的三层材料。其中，复合层2和复合层2’的材质可以为本申请的自钎焊铝合金材料。复合层2和复合层2’的材料可以相同或不相同。芯材1的材料可选用1xxx、3xxx、6xxx铝合金等，且铝合金的熔点在620℃以上。

自钎焊铝合金材料的用途

在另一方面，本申请还涉及本申请的自钎焊铝合金材料在钎焊中的用途，特别是在大面积连接中的钎焊用途。

现有技术中，通过制备带有钎料层的复合材料可以获得良好的钎焊效果，但是制备成本较高，特别是对于大面积连接钎焊时，成本会显著上升。现有技术中还存在使用外加Al-Si系钎料粉或钎料片进行钎焊。由于钎料粉是粉末颗粒，需要使用较多的钎剂来去除其表面上较多的氧化膜，并且在待焊件之间喷洒粉末容易导致表面喷洒量不均匀，致使钎焊接头质量不稳定，容易出现夹渣、气孔等缺陷。而使用钎料片时如贴合不紧密或焊料片有油污等表面污染，也会导致钎焊接头的质量不稳定，同样不适合大面积连接钎焊。

本申请的自钎焊铝合金材料在钎焊过程中，无需额外使用钎料，其钎焊效果好，且制备成本低，对于大面积连接钎焊同样可以实现较好的钎焊效果和较低的成本。本申请的材料适用于各种钎焊环境，例如：可控气氛钎焊、真空钎焊、感应钎焊等。因而，本申请的材料可以在各类场景中具有广泛的应用。

钎焊方法

在又一方面，本申请还涉及一种钎焊方法，其包括以下步骤：在自钎焊铝合金材料和/或待焊部件的待钎焊表面上涂覆钎剂；组装自钎焊铝合金材料和待焊部件，以使得待钎焊表面接触；加热以使得自钎焊铝合金材料的部分材料熔化，熔化的材料润湿填充待钎焊表面之间的缝隙；冷却形成钎焊接头。

钎剂可以由在钎焊期间破坏待钎焊表面上的氧化物的物质制成。钎剂可以为无机盐，优选包含F，还可以包含以下元素中的至少一种：Al、K、Li、Na、Cs。无机盐实例包括但不限于：氟铝酸钾(例如KAlF₄、K₂AlF₅·H₂O、K₃AlF₆等)、羟基氟铝、氟铝酸钠、氟化铯铝、氟硅酸钾等。其他可能的无机盐包括：AlF₃、NaF、KF、LiF、K_1-3AlF_4-6、Cs_1-3AlF_4-6、Li₃AlF₆和Cs_xAl_yF₂。上述盐可以单独或以混合物的形式使用。还可以使用上述盐的水合物。

钎剂可以涂敷在自钎焊铝合金材料的待钎焊表面上，也可以涂敷在待焊部件的待钎焊表面上，还可以在自钎焊铝合金材料和待焊部件的待钎焊表面上均涂敷钎剂。可以根据实际情况进行调整。钎剂的涂覆量应使得其能充分破坏待钎焊表面的氧化物，从而有助于获得良好的钎焊质量。在一个实施方案中，钎剂的涂覆量为5-15g/m²。

涂敷钎剂后将自钎焊铝合金材料和待焊部件进行组装，以使得待钎焊表面接触。接触的待钎焊表面形成待钎焊的位置。在进行加热之前，可以适当烘干组装好的自钎焊铝合金材料和待焊部件，以去除水分，这有助于避免残留的水分在高温下与钎剂发生反应，影响钎剂发挥其去除氧化膜的效果。

加热过程中，待钎焊的位置的钎剂破除表面的氧化物，自钎焊铝合金材料的部分材料熔化，润湿填充到待钎焊的位置的间隙中。

加热过程可以在连续式焊接炉中进行。本申请的自钎焊铝合金材料可以与各种材质的部件形成良好的钎焊接头。对本申请的自钎焊铝合金材料而言，需要根据待焊部件的材质差异调整焊接过程，以获得最优的焊接效果。

在一个实施方案中，待焊部件的材质为铝材，使自钎焊铝合金材料的部分材料熔化的加热的温度为600-650℃，加热时间为20-90min。当待焊部件的材质为铝材时，焊接过程可以在氮气的保护下进行。

在一个实施方案中，待焊部件的材质为钢材(例如不锈钢)，使自钎焊铝合金材料的部分材料熔化的加热的温度为650-700℃，加热时间为20-90min。当待焊部件的材质为钢材时，焊接过程可以在氨气分解气体(分解为：氮气和氢气)的保护下进行。

有益效果

本发明通过合理设计自钎焊铝合金材料的组成成份、微观结构，使其能够使用的厚度范围很宽，应用范围广，适合用作各种板材或管材等。通过控制各种不同元素的配比和颗粒分布，本申请的自钎焊铝合金材料能很好地满足实际中的应用需求，特别是对厚度较高的自钎焊材料的需求。本申请的自钎焊材料生产工艺简单，生产流程短，成品率高，是一种能够显著降低生产成本和材料成本、具有高性能的自钎焊铝合金材料。本申请的自钎焊铝合金材料可以在无需使用钎料的前提下，获得优秀的钎焊质量，并且制造成本低，有利于大规模使用。

实施例

下面结合具体实施例对本发明的方案做进一步详细的描述。

需要说明的是，以下实施例仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非对本发明的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。除非另外指明，本文所用的仪器设备和试剂材料都是可以商购的。

通过以下步骤制备实施例1-5的样品：

表1为本发明的实施例的合金成份组成，表2示出实施例1-5的相关参数特征。

按照表1所示的合金成分进行配料后，采用半连续铸造工艺得到扁锭，冷却速度100-200℃/min；

对扁锭进行铣面(铣面深度10mm)后装入加热炉中加热，加热温度470-490℃，加热时间5-20小时；

从加热炉取出扁锭后进行热轧，经过10-20道次从初始厚度热轧至2-7mm，并卷曲成热轧卷，热轧终轧温度控制在320℃以下；

对热轧卷进行冷却后通过冷轧机轧至目标厚度(如表3所示)，然后进行退火，退火温度为320-360℃，退火总时间10-15小时，制得实施例1-5的板状自钎焊铝合金材料。

表1

表2

将实施例1-5样品和其他常规材料(见表3)作为测试材料，按照下面所示的方法进行测试评价，结果示于表3。

不同部件的气体保护钎焊

铝-铝钎焊：在测试材料和待焊部件的表面涂敷钎剂，钎剂的添加量在5-10g/m²，然后将测试材料和待焊部件进行组装并适当烘干，之后装入连续式钎焊炉，炉温设定600-650℃，钎焊过程中全程有氮气保护，从入炉至出炉的时间控制在20-90min。

铝-钢钎焊：在测试材料和待焊部件的表面涂敷钎剂，钎剂的添加量在10-15g/m²，然后将测试材料和待焊部件进行组装并适当烘干，之后装入连续式钎焊炉，炉温设定650-700℃，钎焊过程中全程有氨气分解气体(氮气+氢气)保护，从入炉至出炉的时间控制在20-90min。

把以上经钎焊后的部件进行取样，经过镶嵌，粗磨，精抛等金相样品制备过程之后，通过光学显微镜进行钎焊接头的评估，评估结果见表3。

表3

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测试编号1-8中示出本申请实施例1-5与不同材质的待焊部件的钎焊效果。从评估结果可以看出，本申请的自钎焊铝合金材料可以同铝材、不锈钢的待焊部件之间实现钎焊，并形成良好的钎焊接头，获得良好的钎焊效果。

测试编号1和2的钎焊接头分别如图3和图4所示。从图中可以看出，实施例1的样品与铝和不锈钢的钎焊接头良好，无虚焊现象。

测试编号9-10中，测试材料为AA3003(芯材)和AA4045(钎焊层)的复合材料，复合比为10％，同样可以取得质量较好的钎焊接头，但是相比于本申请的材料，这种复合材料制备的成本较高，不利于大规模使用。

测试编号11-12中，测试材料为1.5mm厚度的AA3003(芯材)上搭配0.15mm的AA4045焊片。从钎焊接头的评估结果来看，其钎焊质量较差。相比于测试编号1-8，测试编号11-12中的钎焊接头中气孔更多，钎焊质量更低。

综上，本申请的自钎焊铝合金材料可以在钎焊过程中通过自身的部分熔化而与待焊部件形成良好的钎焊接头，可代替带钎料层的复合材料和使用焊料片的铝材应用，具有流程短、使用方便、成本低、钎焊效果好的特点，适合用作需要大面积连接的铝-铝，铝-钢等钎焊应用。

以上已揭示本公开的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本公开的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的构思作各种变化和改进，但属于本公开的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本公开的保护范围由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种自钎焊铝合金材料，其包含：

Al、Si、Cu、Zn、Mg、Sr和任选存在的以下元素中的一种或多种：Fe、Mn、Ti、Zr和Cr；

其中，

当存在时，基于所述自钎焊铝合金材料的重量，各元素的含量满足以下关系：

Si和Fe的总含量为1.5-6.5wt％，且Si与Fe的含量的比例为5以上；

Mn和Cu的总含量为1.5-5.5wt％，且Cu与Mn的含量的比例为0.5以上；

Zn和Mg的总含量为0.5-5.5wt％，Mg的含量为0.05-0.6wt％，且Zn与Mg的含量的比例为5以上；

Ti和Zr和Cr的总含量为0.5wt％以下；并且

Sr含量为0.003-0.2wt％。

2.权利要求1所述的自钎焊铝合金材料，其中，

所述材料中，等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布与等效圆直径大于2.0μm的颗粒分布的比例在2以上，优选2.5以上。

3.权利要求1或2所述的自钎焊铝合金材料，其中，

所述材料中等效圆直径为0.1-2.0μm的颗粒分布在5000个/mm²以上。

4.权利要求1-3中任一项所述的自钎焊铝合金材料，其中，

所述材料的厚度为0.2mm以上，优选0.25mm以上，更优选0.5mm以上。

5.权利要求1-4中任一项所述的自钎焊铝合金材料，其中，

在600℃，所述材料中，熔化的材料体积为材料整体体积的10-35％，优选15-30％，更优选20-30％。

6.一种制造权利要求1-5中任一项所述的自钎焊铝合金材料的方法，其包括以下步骤：

按元素组成铸造自钎焊铝合金材料铸锭；

将所述自钎焊铝合金材料铸锭进行铣面、加热后，热轧至一定厚度；

冷却后冷轧至目标厚度；

软化退火。

7.权利要求6所述的方法，其中，

铸造所述自钎焊铝合金材料铸锭采用半连续铸造工艺，其中，

铸造过程中冷却速度为100℃/min以上。

8.权利要求1-5中任一项所述的自钎焊铝合金材料在大面积连接中的钎焊用途。

9.一种钎焊方法，其包括以下步骤：

在权利要求1-5中任一项所述的自钎焊铝合金材料和/或待焊部件的待钎焊表面上涂覆钎剂；

组装自钎焊铝合金材料和待焊部件，以使得待钎焊表面接触；

加热以使得自钎焊铝合金材料的部分材料熔化，熔化的材料润湿填充待钎焊表面之间的缝隙；

冷却形成钎焊接头。

10.权利要求9所述的方法，其中，

所述待焊部件的材质为铝材，并且所述加热的温度为600-650℃，加热时间为20-90min；或者

所述待焊部件的材质为钢材，并且所述加热的温度为650-700℃，加热时间为20-90min。