新型水性鋁焊膏的研究

劉宏江，賀軍四，林業(yè)偉，李世婕，殷 健，黃 燁

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650)

1 引言

鋁及鋁合金，由于密度小、熱導和電導率高，被廣泛應用于人造衛(wèi)星、火箭、導彈、飛機、汽車水箱和空調散熱器等多領域行業(yè)上［1］，由此涉及鋁、鋁合金和不銹鋼相互之間的焊接也越來越多。傳統(tǒng)的鋁焊接材料，為粉狀的釬劑和粉狀、絲狀、箔狀和片狀的釬料相搭配使用。但隨著時代的發(fā)展和科技的進步，所焊產(chǎn)品的種類日益增多，焊接工件小型化、接頭形式不規(guī)則和多樣化、焊接工藝自動化等，漸漸成為流行和趨勢。傳統(tǒng)的焊接材料已不能滿足現(xiàn)代焊接的要求［2］，基于此，集釬劑、釬料和成膏體于一身，具有方便性、靈活性和高效性特點的鋁焊膏，便應運而生。鋁焊膏分油性和水性，兩者各有優(yōu)點。目前，油性鋁焊膏研究的較多，水性研究的較少。本文針對的是水性鋁焊膏的研究。

2 水性鋁焊膏的組成和要求

鋁焊膏由三部分組成:釬料、釬劑和成膏體。油性和水性鋁焊膏的區(qū)別只在成膏體，水性鋁焊膏的成膏體為水性。水性鋁焊膏的三組分必須符合相關的要求，分述如下。

2.1 釬料

實驗研究和事實證明:BAl88Si 共晶釬料，熔點為577℃，可以滿足鋁-鋁、鋁-鋁合金和鋁-不銹鋼的釬焊要求，因此將焊膏用釬料的化學成分定為BAl88Si 共晶釬料［3-4］。除此之外，此釬料還要滿足以下要求:粒度細且分布集中、球形度好、含氧量低。

2.2 釬劑

實驗研究和事實證明:用氟鋁酸鉀共晶釬劑，可以滿足鋁-鋁、鋁-鋁合金和鋁-不銹鋼的釬焊要求，因此將焊膏用釬劑的化學成分定為氟鋁酸鉀共晶釬劑(共晶熔化溫度558℃，w(KF)∶ w(AlF3)=45.8∶ 54.2，具有不吸潮、無腐蝕和去膜能力強等優(yōu)點［5-6］。

2.3 成膏體

釬料和釬劑的各種性質一經(jīng)確定，成膏體便成為制備焊膏的關鍵。成膏體是聯(lián)系釬料和釬劑的橋梁和紐帶。油性成膏體相對簡單，高質量的水性成膏體較為復雜，其應滿足以下條件:可用水或水性有機溶劑混溶和調配;無明顯刺激性氣味，符合環(huán)保要求;能在釬劑和釬料熔化前完全揮發(fā)，不積碳、無殘留;能和釬劑、釬料長期穩(wěn)定共存，不改變釬劑、釬料的化學性質，抗沉降良好。這是本文研究的重點。

2.4 水性鋁焊膏

主要在于釬劑、釬料和水性成膏體的配比，既要保證焊膏不分層、長儲存、加料順，又要保證所焊工件的焊接強度和質量。

3 試驗結果與討論

3.1 釬料

BAl88Si 共晶釬料的化學成分已確定，本文研究的重點放在該釬料的制備方法上。該共晶釬料的制備方法很多，如濕噴、干噴和機械破碎等［7］。本文采用惰性氣體保護熔煉和霧化制粉的干噴工藝，此工藝具有:釬料粉末球形度高、粉末含氧量低和生產(chǎn)工藝易穩(wěn)定控制等優(yōu)點，具體的工藝流程為:原料檢測→配料→加料抽真空→充惰性氣體→熔煉和霧化→篩分、檢驗、混勻→包裝、成品。

影響釬料粉末特性和霧化效率的主要因素有:霧化氣體壓力、金屬合金熔液的流量和熔液的開始霧化溫度。經(jīng)實驗研究，當具體的制粉工藝參數(shù)為:霧化壓力1.5MPa、熔液流量2.3Kg/min、熔液霧化溫度900℃時，所制得的釬料粉呈球形、含氧量低于0.02%(質量分數(shù))、粒徑小于0.096mm 的顆粒占60%以上，符合焊膏用釬料的各項要求。

3.2 釬劑

氟鋁酸鉀共晶釬劑的化學成分已確定，本文研究的重點放在該釬劑的制備方法上。該共晶釬劑的制備方法很多，如熔煉法、機械研磨法、燒結法、水調法和化學沉淀法。本文采用化學共沉淀法，此法具有:成分準確和均勻、易穩(wěn)定控制和成本低等優(yōu)點。具體的工藝流程為:原料檢測→配料→化學共沉淀反應→烘干→粉碎→篩分、檢驗、混勻→包裝、成品。

影響釬劑粉末細度(粒徑小于74μm)的主要因素在于烘干工序:若烘的不透，釬劑在粉碎工序中，就容易形成糊狀、造成粘連，粒徑自然難以保證，同時篩分工序的壓力增大，成本隨之增加;若烘的太透，不必要的能源消耗上升，釬劑輕飄，又會給環(huán)保和包裝增加壓力。經(jīng)實驗研究，當烘干溫度控制在200℃時可滿足焊膏用釬劑的要求。

3.3 水性成膏體

水性成膏體，可分為水和水性有機物，兩者做成的鋁焊膏的特點和用戶要求均不同，是本文研究的重點，具體如下。

3.3.1 以水為成膏體

液態(tài)水，也可以與釬劑、釬料混勻調配成鋁焊膏。這種焊膏的優(yōu)點:簡單快速，成本低等;缺點:儲存時間很短，使用過程易分層，釬料因和水發(fā)生化學反應而易變質失效等。

實驗中，分別取焊膏用100g 氟鋁酸鉀共晶釬劑粉末和150gBAl88Si 共晶釬料粉末，加入150g 純水，攪拌均勻后即成鋁焊膏，將其放置、觀察現(xiàn)象，實驗結果見表1。

表1 水為成膏體的鋁焊膏隨時間變化情況

由表1 可知:鋁為活潑性很強的金屬，在水為成膏體的鋁焊膏中，一定時間后，會和水發(fā)生化學反應，置換出氫氣，引發(fā)冒泡現(xiàn)象。隨著冒泡變多、變大，釬劑、釬料開始分層，釬劑開始向表面析出。當釬料和水的反應最終停止后，釬劑、釬料已嚴重分層，焊膏表面一層白色釬劑，整個焊膏變硬，焊膏失效。對于短時間可使用完畢，且焊接要求不高的用戶，此焊膏可以滿足。但對于高端用戶，還要研究新的水性成膏體。

3.3.2 以水性有機物為成膏體

水性有機物，不含水，但可與水或水性有機溶劑相混溶和調配。其優(yōu)點:一、需要時可用水臨時調配，使用起來簡單、方便;二、水性有機物相比水，化學活性急劇下降，很難和鋁釬料發(fā)生化學反應，從而保證焊膏的釬焊性;三、水性有機物相比水，粘度大大提升，可有效防止釬劑和釬料的儲放分層，從而保證焊膏的穩(wěn)定性。不過需要強調的是，在選擇水性有機物時，同樣要考慮其在500℃的揮發(fā)性和積碳殘留情況。

通過實驗研究，用水性溶劑乙二醇以及能和乙二醇均勻分散的水性聚合物搭配使用，可滿足要求。乙二醇和水性聚合物的適用配比的實驗結果見表2。

表2 乙二醇和水性聚合物的配比

由表2 可知，綜合48h 分層情況、粘度和500℃的殘留情況，選擇乙二醇和水性聚合物的配比為95∶5。

3.4 釬劑、釬料和成膏體的配比

當釬劑、釬料和成膏體的各種性質確定后，接著就要確定三者相互間的配比，三者間的配比關系到焊膏的各種性質，如成膏性、分層性、加料性和焊接性等。

3.4.1 釬劑和釬料的配比

經(jīng)實驗研究，釬劑和釬料的配比實驗結果見表3。

表3 焊膏中釬劑和釬料的配比

如表3 所示:在保護氣氛的釬焊條件下，釬劑和釬料的質量比控制在1∶(1.0～3.0)較好。若釬料過多，釬劑去渣、排渣能力相對不夠，部分釬料的氧化皮還有殘留，影響焊接效果;若釬料過少，則體現(xiàn)焊接強度的焊料變少，且釬劑相對較多，排渣時間不夠會造成釬劑殘留，同樣影響焊接效果。

3.4.2 成膏體的配比

經(jīng)實驗研究，焊膏中成膏體配比的實驗結果見表4。

表4 焊膏中成膏體的配比

如表4 所示:成膏體占鋁焊膏的質量比控制在25%～40%之間，加料和焊接效果較好。若成膏體過多，太稀，易分層。同時，焊膏中釬劑釬料的有效含量較少，影響焊接效果;若成膏體較少，焊膏顯得干巴，成膏性能差、潤滑性能不足，影響加料效果。

4 結論

通過對釬焊工件為鋁-鋁、鋁-鋁合金和鋁-不銹鋼的水性鋁焊膏的研究，可得出以下結論:

(1)釬料為BAl88Si 共晶釬料，采用惰性氣體保護熔煉和霧化制粉的干噴工藝，在霧化壓力1.5 MPa、熔液流量2.3Kg/min、熔液霧化溫度900℃的條件下，可制得滿足焊膏用的釬料。

(2)釬劑為氟鋁酸鉀共晶釬劑，采用化學共沉淀法的生產(chǎn)工藝，在烘干溫度控制在200℃的條件下，可制得滿足焊膏用的釬劑。

(3)水性鋁焊膏中，在保護氣氛的釬焊條件下，釬劑和釬料的質量比控制在1∶(1.0～3.0)較好;成膏體，可用水也可用水性有機物。要求不高的用戶，可用水;要求高的用戶，必須用水性有機物。本文實驗研究的水性成膏體由乙二醇和水性聚合物構成，兩者適合的比例為95∶5，可滿足要求，水性成膏體在焊膏中所占比例在25%～40%之間較好。

［1］張啟運，莊鴻壽.釬焊手冊［M］.2 版.北京:機械工業(yè)出版社，2008.1 -3.

［2］曾燕，陳志祥，劉宏江，等.新型鋁焊膏的研制［J］.廣東有色金屬學報，2006，16(2):120 -123.

［3］何鵬，馮吉才，錢乙余，等.鋁釬料膏的研制及其在釬焊中的應用［J］.中國有色金屬學報，2002，12(6):1113 -1118.

［4］蔡沛沛，陳平，楊凱珍，等.一種焊膏用鋁基釬料粉末的制備［J］.材料研究與應用.2007，1 (3):214 -217.

［5］梁興華，揭曉華.化合法制備氟鋁酸鉀釬劑的研發(fā)［J］.焊接技術，2006，35(2):51 -53.

［6］張韻惠，尹淑梅，張則甡，等.氟鋁酸鉀共晶釬劑的研究［J］.化學工業(yè)與工程，2004，21(3):231 -234.

［7］金霞，張玉，顧小龍.高性能鋁硅膏的研制及性能測試［J］.焊接技術，2010，39(11):47 -50.