CN118046136A

CN118046136A - 一种钎料、制备方法及其在5083铝合金板材焊接中的应用

Info

Publication number: CN118046136A
Application number: CN202410321053.7A
Authority: CN
Inventors: 韩冰源; 卓越超; 杨军; 王天波; 杭卫星; 崔方方; 张睿华; 李阳
Original assignee: Jiangsu University of Technology
Current assignee: Jiangsu University of Technology
Priority date: 2024-03-20
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2024-05-17

Abstract

本发明公开了一种钎料、制备方法及其在5083铝合金板材焊接中的应用，该钎料包括按质量分数计的如下组分：Si 6.5‑9.6％，Cu 10‑15％，Mg 0.5‑2％，Zn 2‑5％，Zr 0.1‑0.2％，Re0.05‑0.5％，余量为Al。其中，Re为Er、Ce、Y中的任一种。该钎料能够有效解决现有钎料液相线温度太高而无法实现对5083铝合金有效焊接的问题，同时，该钎料在焊接时能够有效解决铝合金表面氧化膜难以去除的问题。且将该钎料配合TIG焊接技术进行5083铝合金板材的焊接时，能够解决钎焊过程中因高温产生的氧化膜难以去除的问题，避免残留焊剂腐蚀焊接接头，省去焊后清洗过程。

Description

一种钎料、制备方法及其在5083铝合金板材焊接中的应用

技术领域

本发明涉及一种钎料、制备方法及其在5083铝合金板材焊接中的应用，属于钎料及钎焊技术领域。

背景技术

5083铝合金成形加工性能、抗蚀性、焊接性优异，且具有中等强度，多用于制造汽车、传播的钣金件。但5083铝合金板材固相线温度较低，固相点在574℃-638℃之间。钎焊温度需低于母材固相点30-40℃，即钎焊温度不超过550℃。而钎料熔点要求钎料液相线温度低于钎焊温度20-35℃，一般的钎料难以实现5083铝合金的有效焊接。此外5083铝合金基体含镁量较高，铝合金表面Al₂O₃基氧化膜及钎焊过程中析出的MgO基氧化膜难以去除，一般的钎剂也难以实现氧化膜的有效去除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钎料、制备方法及其在5083铝合金板材焊接中的应用，以解决现有钎料液相线温度太高而无法实现对5083铝合金有效焊接的问题，同时，该钎料在焊接时能够有效解决铝合金表面氧化膜难以去除以及钎焊过程中因高温产生的氧化膜难以去除的问题，省略了钎剂的使用，并避免残留焊剂腐蚀焊接接头，省去焊后清洗过程。

本发明所采用的技术方案为：

一种钎料，包括按质量分数计的如下组分：Si 6.5-9.6％，Cu 10-15％，Mg 0.5-2％，Zn 2-5％，Zr 0.1-0.2％，Re 0.05-0.5％，余量为Al。

优选地，所述Re为Er、Ce、Y中的任一种。

任一上述的钎料的制备方法，包括如下步骤：

S1、取相应单质和/或合金进行清洗、干燥后按照各组分比例称取；

S2、将单质和/或合金进行熔炼后浇铸，得到合金铸锭；

S3、将合金铸锭进行重复冷轧退火处理，直至轧制成目标厚度的合金带材，再将合金带材拉拔成丝或切割成条，得所述钎料。

优选地，所述的步骤S1中，单质和/或合金按照碱洗-酸洗-水洗-乙醇洗的工序进行清洗。

优选地，所述的步骤S2中，熔炼的温度为700-800℃。

优选地，所述的步骤S2中，在熔炼过程中，还加入了六氯乙烷进行精炼除气。

优选地，所述的步骤S3中，在每次冷轧前将合金铸锭以30-70℃的速率升温至400-450℃，保温0.2-2h。

优选地，所述的步骤S3中，退火的具体处理方法是：将冷轧后的合金带材以10-60℃的升温速率升温至350-450℃，保温0.5-3h。

任一上述的钎料在5083铝合金板材焊接中的应用，是采用TIG焊接技术进行5083铝合金板材的焊接，且在焊接过程中采用交流电。

优选地，焊接时，焊接电流为50-100A，焊接速度为1-5mm/s。

本发明的有益效果在于：

Cu元素可以有效降低Al-Si钎料的熔点，但添加量不宜超过20％，否则组织中出现过多的脆性Al₂Cu相，降低钎料合金强度，为有效降低钎料熔点，范围选择为10-15％；Si元素可以与Cu、Al实现低熔点共晶，此外Si元素可以提升钎料的流动性，但Si元素过多会导致脆性Si颗粒增多，降低焊后强度，因此最佳添加量在6.5-9.6％之间；Zn元素与Al之间有较大的固溶度，且无化合物生成，可以有效提升钎料的铺展润湿性，同时Zn元素可以进一步降低钎料合金的熔点，但Zn元素超过5％后，会占据大量固溶位置，导致组织中脆性相堆积，影响强度，因此最佳添加量在2-5％之间。

Mg元素在高温下可通过化学反应还原5083板材表面的Al₂O₃基氧化膜，生成新氧化物的熔点远远低于连接温度；对于因含Mg量较高，在高温下生成的MgO基氧化膜，运用阴极破碎机理，对5083铝合金母材施加交流负半波，在高温电弧的作用下，保护气体氩气被电离成大量的正离子，正离子受到阴极区电场的加速作用，高速冲击到5083板材表面，释放出的能量可有效去除焊接过程中生成的MgO基氧化膜，提升钎料铺展效果，此外与母材成分接近有利于提升钎料合金的流动性，但Mg元素过多会导致母材中的Mg向钎料中渗透，影响铺展，因此最佳添加量在0.5-2％之间。

Zr元素会与Al形成ZrAl₃化合物，可阻碍再结晶过程，细化晶粒，但添加量不宜过高，因此添加量控制在0.1-0.2％即可；稀土元素Ce或者Er、Y可以有效实现钎料微观组织的改性，提升晶间结合力，提升焊后接头强度，但稀土元素的变质效果取决于稀土元素在Al基体中的固溶度，因此在多元Al-Si体系中，稀土元素同样需要微量添加。

附图说明

图1为实施例1中制备的钎料的熔点DSC曲线；

图2为a实施例1，b对比例2及c对比例3的钎料微观金相图像；

图3为实施例2中的钎焊方式示意图；

图4为实施例2中钎料配合交流TIG焊接过程中的钎料润湿过程；

图5为对比例4中钎料配合直流TIG焊接过程中的钎料润湿过程。

具体实施方式

实施例1

钎料合金的化学成分见表1，制备方式如下：

首先，根据配比进行理论计算，得到不同制备原料所需质量；具体为：将各制备原料采用质量分数为10％的NaOH溶液清洗1min，后采用质量分数为15％的稀硝酸中和，之后用清水清洗，最后置于乙醇中，用超声波清洗30min，以去除原料表面油污及氧化膜。最后置于真空干燥箱中进行保温，干燥，待原料完全干燥后，采用电子天平按照设计的成分进行称量。

再将石墨坩埚放入SX2-4-10A的箱式电阻炉中预热至500℃，之后加入Al-20Si中间合金(含20％硅的铝硅合金)及纯铝升温至750℃，待其全部熔化后，加入Al-50Cu(含50％铜的铝铜合金)、Al-10Zr(含10％锆的铝锆合金)、Al-10Ce(含10％铈的铝铈合金)中间合金及纯Mg，加入六氯乙烷(钎料合金质量的1％)精炼除气，保温10min后，除渣，加入纯Mg、Zn单质，搅拌均匀，使金属液充分反应，去除金属液表面的氧化物，在720℃时将金属液浇铸到预热至200℃的石墨模具中，制得5mm厚钎料合金锭。

将得到的铝合金铸锭以30-70℃的升温速率升温至420℃，保温0.5h，以促进AlSiCe、AlErZr弥散相的析出。并通过冷轧促进组织中粗大化合物的破碎细化，提升合金延展性后一次冷轧至3mm；冷轧结束后进行一次退火(以30℃/h的速率升温至400℃并保温0.5h)，通过退火促进Mg₂Si相析出，提高Mg元素的固溶，有利于合金的强度、钎焊，同时控制弥散相的长大，使钎焊时成形尺寸合适的晶粒，调控合适的晶界数量，保证钎焊过程中有足够的Si液相能沿晶界扩散到表面进行接合，提升钎料合金的力学性能及加工性能；退火后将带材进行二次冷轧到1mm厚度后进行第二次退火(以15℃/s的加热速率升温到380℃保温0.5h)；对退火带材进行最终冷轧至0.5mm，再拉拔成丝或切割成条。所得钎料的DSC曲线见图1，微观金相图像见图2左侧区域，焊后抗拉强度见表1。

对比例1

与实施例1的不同之处铝合金钎料为常用普通Al-Si系焊料，具体组成、液相线温度以及焊后抗拉强度见表1。

对比例2

与实施例1基本相同，不同之处在于，铝基合金钎料包括按照质量百分比计的如下组分：72.5％的Al、7.5％的Si、15％的Cu、5％的Zn，微观金相图像见图2中间区域，液相线温度以及焊后抗拉强度见表1。

对比例3

与实施例1基本相同，不同之处在于，钎料的组成为：72％的Al、7.5％的Si、15％的Cu、5％的Zn、0.5％的Mg，微观金相图像见图2右侧区域，液相线温度以及焊后抗拉强度见表1。

表1实施例1和对比例1钎料成分(wt％)、液相线温度(℃)、焊后抗拉强度(MPa)。

	Al	Si	Cu	Mg	Zn	Zr	Ce	液相线温度	焊后抗拉强度
										实施例1	Bal.	7.5	15	0.5	5	0.1	0.1	501.2	235.27
对比例1	Bal.	12	—	—	—	—	—	577	208.63
										对比例2	Bal.	7.5	20	—	5	—	—	504.4	162.41
对比例3	Bal.	7.5	15	0.5	5	—	—	505.6	193.68

由表1的结果可知，本发明提供的铝合金钎料具有更低的液相线温度，较对比例1常规Al-Si钎料下降了75.8℃，与对比例2及对比例3中钎料液相线相差不大，说明引入Cu、Zn等元素可以有效降低铝合金熔点能够实现5083铝合金的中温TIG钎焊。

实施例1中钎料合金焊后抗拉强度达235.27Mpa，较对比例2提升了72.86MPa，表明20％的Cu含量虽然可以降低钎料熔点(对比例2)，但组织中会出现大量脆性Al₂Cu相，影响钎料的抗拉强度，因此Cu元素的含量不易过高；此外Zn元素固溶后使得脆性Si颗粒析出，而焊后抗拉强度取决于钎料合金的微观组织，由此导致焊后强度较低；对比例3中引入微量Mg，其在一定程度的减少、细化了Si颗粒，提升了焊后强度，但细化效果不及实施例1中引入微量Zr元素及稀土元素的综合作用，从金相组织图(图2)中可以看出，实施例1中的钎料金相中，Si颗粒基本消失，合金组织更加均匀，继而能够使得焊后抗拉强度得以提升。

实施例2

第一步，将两块5083铝合金表明使用角磨机打磨，去除表面氧化膜，之后用酒精清洗干净；第二步，将两块5083铝合金母材对接摆放，并使用夹具固定。第三步，焊接，根据实例1制备的钎料合金液相线温度，调整TIG焊机热输入，开启氩气保护，采用交流电并设定焊接电流为80A，焊接速度2.5mm/s，配合实施例1的钎料合金条完成焊接(钎焊方式示意图如图3所示)。钎料在5083铝合金表面钎焊过程中的润湿效果见图4。

对比例4

与实施例2基本相同，不同之处在于，对比例4中焊接时采用的是直流电。润湿效果见图5。

从图4中可以看出，随着交流电弧钎焊时间的增加，保护气体氩气被高温电弧电离成大量的正离子，正离子受到5083铝合金板材阴极区电场的加速作用，高速冲击板材表面，破碎氧化膜，随即钎料在短时间内迅速铺展5083铝合金板材表面，最终展现出良好的铺展效果，同时由于采用50-100A的电流，避免了5083板材的熔化；对比例4中采用直流TIG后，存在烧损钨极现象，焊接时间较长，钎料难以在5083表面铺展，且存在黑色杂质，母材表面出现熔化迹象(图5)。因此采用交流TIG焊接搭配实施例1中制备的钎料可有效实现5083铝合金的焊接，且能够有效去除5083铝合金板材的表面的氧化膜以及焊接过程中生成的MgO基氧化膜。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。

Claims

1.一种钎料，其特征在于，包括按质量分数计的如下组分：Si 6.5-9.6％，Cu 10-15％，Mg 0.5-2％，Zn 2-5％，Zr 0.1-0.2％，Re 0.05-0.5％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述Re为Er、Ce、Y中的任一种。

3.权利要求1-2任一所述的钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、将单质和/或合金进行熔炼后浇铸，得到合金铸锭；

4.根据权利要求3所述的钎料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中，单质和/或合金按照碱洗-酸洗-水洗-乙醇洗的工序进行清洗。

5.根据权利要求3所述的钎料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中，熔炼的温度为700-800℃。

6.根据权利要求3所述的钎料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中，在熔炼过程中，还加入了六氯乙烷进行精炼除气。

7.根据权利要求4所述的钎料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中，在每次冷轧前将合金铸锭以30-70℃的速率升温至400-450℃，保温0.2-2h。

8.根据权利要求4所述的钎料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中，退火的具体处理方法是：将冷轧后的合金带材以10-60℃的升温速率升温至350-450℃，保温0.5-3h。

9.权利要求1-2任一所述的钎料在5083铝合金板材焊接中的应用，其特征在于，是采用TIG焊接技术进行5083铝合金板材的焊接，且在焊接过程中采用交流电。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，焊接时，焊接电流为50-100A，焊接速度为1-5mm/s。