釬焊技術(shù)在鋁制品中的應(yīng)用

何珊珊，葛志友

（1.哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱 150046；2.北京市宇航興達(dá)機(jī)械制造有限公司，北京 100076）

0 前言

目前，釬焊材料的生產(chǎn)屬于有色金屬行業(yè)，尤其是鋁及其合金的釬焊問(wèn)題是近年來(lái)研究最多、發(fā)展較快的研究領(lǐng)域之一。各種空調(diào)器、加熱器的散熱部件都采用純鋁或鋁合金，而在國(guó)防工業(yè)上各種強(qiáng)化鋁合金的應(yīng)用發(fā)展速度很快，這些鋁合金的應(yīng)用前提首先是要解決釬焊問(wèn)題，并有配套的釬料作保證。

1 鋁釬焊的優(yōu)點(diǎn)

由于鋁釬焊溫度低于母材的熔點(diǎn)，因此構(gòu)件不易變形或者變形很小。母材不熔化，金相組織不發(fā)生液相變化，不易產(chǎn)生過(guò)燒、過(guò)熱組織。鋁釬焊的加熱溫度較熔焊低，還能夠降低能源消耗，節(jié)約成本，改善操作條件。鋁釬焊是利用毛細(xì)吸附作用或是潤(rùn)濕作用實(shí)現(xiàn)的，因此鋁釬焊接頭的外觀相對(duì)平整美觀，焊接速度較快，消耗釬焊材料少。目前，鋁釬焊有的不用開(kāi)坡口，焊接后無(wú)需打磨或稍加打磨，不但節(jié)省了機(jī)加工工時(shí)，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

2 鋁釬焊工藝的難點(diǎn)

鋁和鋁合金材料的可焊性較差；鋁及鋁合金的熔點(diǎn)與所用的硬釬料熔點(diǎn)相差不大，釬焊時(shí)可選擇的溫度范圍很窄，溫度控制稍有不當(dāng)容易造成母材過(guò)熱甚至熔化，使釬焊過(guò)程難于進(jìn)行。一些熱處理強(qiáng)化的鋁合金還會(huì)因釬焊加熱而引起過(guò)時(shí)效或退火等軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致釬焊接頭性能降低。火焰釬焊時(shí)，因鋁合金在加熱中顏色不改變而不易判斷溫度的高低，這也增加了對(duì)操作者操作水平的要求。鋁和鋁合金的構(gòu)件比較復(fù)雜，例如散熱器和汽化器等，在焊接過(guò)程中極易燒穿，由于對(duì)鋁和鋁合金構(gòu)件表面的要求較高，往往難以保證焊接質(zhì)量。

3 鋁合金釬焊的常見(jiàn)問(wèn)題

（1）過(guò)熱。

實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)加熱方式都可以用于進(jìn)行鋁合金的釬焊。但是由于鋁合金熔點(diǎn)較低，很容易在短時(shí)間之內(nèi)將鋁合金退火或回火至325℃～350℃，也就意味著釬焊過(guò)程中接近或達(dá)到該溫度一定時(shí)間就會(huì)改變被焊母材的基本性質(zhì)。鋁合金過(guò)熱將會(huì)帶來(lái)一系列不良結(jié)果：強(qiáng)度下降、彎曲、變形、改變硬度、韌性、表面狀態(tài)、再結(jié)晶、熱裂甚至惡性熔化。因此，軟釬焊鋁合金在加熱時(shí)要特別注意控制加熱速度、加熱時(shí)間和保溫時(shí)間。如果控制不當(dāng)，鋁合金基體金屬會(huì)在熱影響區(qū)重新形成合金，這樣就改變了母材本身的性質(zhì)，產(chǎn)生發(fā)源于熱影響區(qū)的熱裂紋[1]。

（2）抗腐蝕性。

鋁合金軟釬焊的另一個(gè)問(wèn)題就是焊接接頭的抗腐蝕性比較差。這是因?yàn)殁F料成分與母材（鋁合金）成分差別大，電極電位不同，就會(huì)在接頭中相互接觸的界面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，電極電位低的金屬元素將作為陽(yáng)極首先被腐蝕掉。

為了提高釬焊后接頭的抗腐蝕性，可以在低溫軟釬料中加入鋅。因?yàn)殇X和鋅固態(tài)能夠互溶，隨著釬料含鋅量的增加，釬料和母材之間的結(jié)合加強(qiáng)，界面處的電極電位得到提高，從而改善接頭的抗腐蝕性。另外，還可以在鋁合金表面預(yù)先鍍銅或鎳后進(jìn)行釬焊，不但簡(jiǎn)化了去膜工序，而且接頭的電極電位分布也發(fā)生了有利的變化，不會(huì)在界面和釬縫處發(fā)生腐蝕。

4 鋁合金釬焊工藝

4.1 釬焊前后的準(zhǔn)備和清理工作

釬焊前要做好鋁及鋁合金表面的清潔工作，母材表面存在油污和較厚的氧化膜，妨礙釬料的流動(dòng)及其與母材金屬的結(jié)合，導(dǎo)致釬焊缺陷，如接頭強(qiáng)度差、容易滲漏和完全焊接不牢等。若采用無(wú)熔劑真空釬焊，則焊前工件的清洗要求更為嚴(yán)格。目前常用的去膜方法分物理方法和化學(xué)方法[2]兩種。機(jī)械打磨并不能徹底去掉母材表面的全部氧化膜，而且去膜后潤(rùn)濕角仍然較大，不能實(shí)現(xiàn)液態(tài)釬料毛細(xì)填縫過(guò)程。因此，往往還要采用化學(xué)清洗的方式，即用清洗液清洗，焊前清洗液分以堿或酸為主要成分的兩大類(lèi)洗液。因?yàn)殇X是一種兩性元素,所以鋁及其氧化物（即氧化鋁）既能與堿液又能與酸液作用從而達(dá)到除氧化膜的目的。

4.2 鋁合金軟釬焊工藝

通常，鋁合金的軟釬焊既使用軟釬料（錫基的低溫釬料）并采用適應(yīng)焊接溫度范圍的合適釬劑。一般來(lái)說(shuō)，軟釬焊是一種低溫結(jié)合工藝，因此與硬釬焊或其他焊接方法相比，軟釬焊鋁合金產(chǎn)生的熱變形更小。軟釬焊溫度常選擇225℃～490℃，比鋁的熔點(diǎn)（660℃）要低得多。如果是局部加熱的軟釬焊，則會(huì)改變鋁合金在剪切、拉伸及熱處理時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力從而導(dǎo)致變形。因此根據(jù)軟釬焊工藝，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)熱、不連續(xù)焊接和接頭形狀至關(guān)重要。

鋁合金軟釬焊的方法很多，不用釬劑的有鋁合金與釬料機(jī)械摩擦、超聲波釬焊和熱噴涂；使用釬劑的有感應(yīng)、火焰、紅外線、熱板、釬焊爐、烙鐵、激光、電弧燈等加熱鋁合金構(gòu)件。但由于鋁合金本身具有很高的熱傳導(dǎo)性和反射性，加熱過(guò)程中熱量并不僅僅用于釬劑和釬料的熔化，因此雖然軟釬焊的溫度不高，仍需要大量足夠的熱量。

適合用軟釬焊鋁合金的釬料通常包含鋅以及少量鉛、鎘、錫、銅或鋁等元素。但現(xiàn)在全球禁止釬料里含有鉛，使用無(wú)鉛釬料已經(jīng)成為共識(shí)，而鎘釬料由于會(huì)危害工人健康已經(jīng)被禁止。因此，現(xiàn)在主要使用的是錫-鋅軟釬料+有機(jī)或無(wú)機(jī)釬劑（熔點(diǎn)低于330℃）、鋅基硬釬料+高熔點(diǎn)釬劑。

4.3 鋁合金硬釬焊工藝

相對(duì)于軟釬焊來(lái)說(shuō)，鋁合金硬釬焊的接頭強(qiáng)度和耐蝕性都更好一些，可靠性也較高。

目前，鋁合金硬釬焊常用的釬料是鋁基釬料。比如，Al-Si釬料焊接得到的接頭強(qiáng)度高，鋁和硅電極電位接近，抗電化學(xué)腐蝕性能也比軟釬焊優(yōu)越。另外，在Al-Si釬料中添加Cu元素可以降低釬料的熔點(diǎn)，但是Cu元素過(guò)多會(huì)導(dǎo)致接頭變脆，添加Ni元素在一定程度上彌補(bǔ)Cu元素帶來(lái)的脆性，但Ni元素又會(huì)提高釬料的熔點(diǎn)。

現(xiàn)在常用的鋁合金硬釬焊方法有火焰釬焊、加熱爐釬焊、浸漬釬焊、感應(yīng)釬焊及電阻釬焊等使用焊劑的釬焊法和真空釬焊、保護(hù)氣體釬焊等不用焊劑釬焊法等，其中不用焊劑的釬焊方法正在迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的焊劑釬焊法相比，真空釬焊和保護(hù)氣體釬焊等無(wú)焊劑釬焊法雖然設(shè)備費(fèi)用大，但具有自動(dòng)化生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；可以省略焊前及焊后處理工序,所以節(jié)省勞力；而且加熱后的有害物及清理殘余物等對(duì)人體有危害的問(wèn)題也可得到解決。

5 鋁合金釬焊的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)對(duì)鋁及其合金的釬焊主要針對(duì)鋁散熱器，高壓鋁制板翅式換熱器[3]，鋁-不銹鋼、銅異種材料連接（如冰箱的制冷系統(tǒng)中就使用了銅與鋁的連接管；微波器件、鋁合金門(mén)框等產(chǎn)品）。

5.1 鋁熱交換器

高壓鋁制板翅式換熱器主要用于大型乙烯冷箱和液氮銑冷箱裝置等一些化工設(shè)備中，其中板翅式換熱器大多在高壓、低溫工況下運(yùn)行，介質(zhì)系含氫烴的復(fù)雜混合物，且為多股流、多組分的加熱、冷卻及部分冷凝與部分蒸發(fā)的相變換熱，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度極大。杭氧公司在高壓鋁制板翅式換熱器的研制過(guò)程中攻克了許多的技術(shù)難題，積累了大量的高壓鋁制板翅式換熱器釬焊技術(shù)。除此之外，超聲波鋁釬焊適用于鋁管鋁翅片式熱交換器的批量生產(chǎn)作業(yè)。

5.2 鋁合金門(mén)框

火焰釬焊是一種適合焊接鋁型材門(mén)窗的工藝。將母材加熱到高于釬料熔點(diǎn)20℃～50℃時(shí)，母材不熔化，可以借助釬劑去除氧化膜，而熔化的釬料在母材所需要焊接的縫隙濕潤(rùn)、漫流，然后與母材相互溶解、擴(kuò)散，冷卻凝固后將母材焊為一體。在使用釬焊焊接時(shí)，應(yīng)使用適宜的工裝夾具來(lái)保證工件的成形質(zhì)量，在工裝的保證下，焊接變形能得到有效控制，滿足實(shí)際需求，且有效地防止了焊接裂紋的出現(xiàn)。

5.3 蜂窩夾芯

蜂窩夾芯是夾層結(jié)構(gòu)中的夾芯材料之一。蜂窩夾芯具有結(jié)構(gòu)稀疏、完整性好和極低的結(jié)構(gòu)密度的特點(diǎn)，相對(duì)于其他夾芯材料有較高的比強(qiáng)度和比剛度，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、交通運(yùn)輸、軍事等領(lǐng)域。蜂窩夾芯在夾層結(jié)構(gòu)中的主要作用是支承面板和傳遞剪切力，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度、穩(wěn)定性。鋁蜂窩芯的制造方法分為膠粘法和釬焊法。釬焊法是將裁切成一定寬度的板條按半六角形的形狀進(jìn)行加工，形成半蜂窩，再用夾具固定后，置于真空釬焊爐內(nèi)焊接為一體。

5 結(jié)論

主要闡述鋁及其合金的釬焊技術(shù)的應(yīng)用，主要針對(duì)鋁散熱器、鋁-不銹鋼異種材料、微波器件、鋁合金門(mén)框等產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)與新材料的不斷引進(jìn)，相信鋁釬焊工藝水平和設(shè)備質(zhì)量還會(huì)不斷提高與完善。

[1]Gickler A E.Leprvost F H.Tips for Soldering Aluminum[J].Welding Journal，2004（2）：46-47.

[2]杭州市化工研究所.鋁及鋁合金的釬焊方法及其發(fā)展趨勢(shì)[M].杭州：杭州制氧機(jī)研究所技術(shù)情報(bào)組，1972：1-31.

[3]黃安庭.高壓鋁制板翅式換熱器的釬焊技術(shù)[J].化工機(jī)械，2010，37（2）：208-210.