釬焊鋁制熱交換器用無(wú)腐蝕鋁釬劑的研究

劉宏江，曾 燕，蔡志紅，蔡沛沛，賀軍四，胡澤宇，李世婕，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(dǎo)率高，并且價(jià)格便宜，在熱交換器材質(zhì)的選擇制造方面，基本上取代了銅和銅合金［1］。以汽車行業(yè)為例，目前，汽車的水箱、冷凝器和蒸發(fā)器等熱交換器的鋁化率已達(dá)到95%以上。鋁制熱交換器還廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)和制冷行業(yè)。鋁制熱交換器在各部件裝配完后，還需釬焊，以增加部件間的密封和連接牢固度。傳統(tǒng)的AlF3-KF共晶化合物鋁釬劑，其優(yōu)點(diǎn)是熔化溫度低、流動(dòng)性好，缺點(diǎn)是去膜能力弱、助焊性差。當(dāng)其用于一般工件、一般工藝的鋁(鋁合金)焊接時(shí)，優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮、綽綽有余;但將其直接應(yīng)用于鋁制熱交換器的釬焊，則表現(xiàn)出去膜能力弱、助焊性差的缺點(diǎn);同時(shí)還因釬焊工藝的原因，釬劑會(huì)被調(diào)成濃度為5%左右的懸浮水溶液，其又表現(xiàn)出與水分層快、抗沉降性差等缺點(diǎn)。提高AlF3-KF共晶化合物釬劑的助焊性能，改善AlF3-KF共晶釬劑使之“揚(yáng)長(zhǎng)避短”，是汽車工業(yè)中鋁制熱交換器用鋁釬劑成分研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)的就是此無(wú)腐蝕鋁釬劑的研究。

2 試驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)研究的原料有:AlF3，KF，無(wú)機(jī)助劑為Zn化合物，有機(jī)助劑為高分子醇類。具體實(shí)驗(yàn)步驟為:(1)用熔煉法制備AlF3-KF共聚化合物［2］;(2)將AlF3-KF共聚化合物和無(wú)機(jī)助劑按比例混勻;(3)將混勻物在600℃熔化，再次勻化;(4)將熔融物冷卻、打磨成150目細(xì)粉;(5)將打磨細(xì)粉和150目的有機(jī)助劑再次混勻，即得到成品。其中無(wú)機(jī)助劑的含量確定試驗(yàn)方法為:先合成出不同含鋅量的改性釬劑，以未添加助劑Zn化合物的AlF3-KF共用水調(diào)制(濃度5%左右)成懸浮液，半小時(shí)后觀察懸浮液的分層情況及焊后殘留情況。

晶化合物釬劑為參比，通過(guò)在純鋁板上同等加熱條件，做置換反應(yīng)和攤流實(shí)驗(yàn)，由此定量出Zn的合適添加量;有機(jī)助劑的含量確定試驗(yàn)方法為:先合成出不同有機(jī)含量的改性釬劑。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

傳統(tǒng)、常用的AlF3-KF共晶化合物鋁釬劑(共晶熔化溫度 558℃，w(KF)∶w(AlF3)=45.8∶54.2)，性質(zhì)為無(wú)腐蝕、熔化溫度低、流動(dòng)性好［3-4］。將其直接應(yīng)用于鋁制熱交換器的釬焊，則表現(xiàn)出去膜能力弱、助焊性差的缺點(diǎn);同時(shí)還因釬焊工藝的原因，釬劑會(huì)被調(diào)成濃度為5%左右的懸浮水溶液，其又表現(xiàn)出與水分層快、抗沉降性差等缺點(diǎn)。

由此，需要對(duì)AlF3-KF共晶化合物鋁釬劑進(jìn)行改進(jìn)，使其能高效應(yīng)用于鋁制熱交換器的釬焊。研究發(fā)現(xiàn)，以AlF3-KF共晶化合物釬劑為基礎(chǔ)，在不改變其無(wú)腐蝕本性的條件下，通過(guò)添加適量無(wú)機(jī)助劑，可提高去膜能力，加強(qiáng)助焊性;通過(guò)添加適量有機(jī)助劑，可提高釬劑在水中的抗沉降性能。具體試驗(yàn)結(jié)果如下:

3.1 添加無(wú)機(jī)助劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無(wú)機(jī)助劑的作用:在釬焊的過(guò)程中，母材中的鋁，因鋁的化學(xué)活性，會(huì)和無(wú)機(jī)助劑發(fā)生置換反應(yīng)。這大大增強(qiáng)了母材和釬劑之間的傳質(zhì)作用，對(duì)松動(dòng)、破碎、去除母材表面的鋁氧化膜有著顯著促進(jìn)作用，由此提高去膜能力，加強(qiáng)助焊性［5-6］。

經(jīng)試驗(yàn)篩選，確定無(wú)機(jī)助劑為Zn化合物。在釬焊過(guò)程中，Zn化合物會(huì)和鋁發(fā)生置換反應(yīng)，反應(yīng)式為:

Zn化合物的定量試驗(yàn):先合成出不同含鋅量的改性釬劑，以未添加助劑Zn化合物的AlF3-KF共晶化合物釬劑為參比，通過(guò)在純鋁板上同等加熱條件，做置換反應(yīng)和攤流實(shí)驗(yàn)，由此定量出Zn的合適添加量，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表:

表1 不同Zn含量的改性釬劑和參比釬劑的對(duì)比攤流情況

由表1可知:Zn含量過(guò)低，化學(xué)作用不明顯，助焊效果不突出;Zn含量過(guò)高，釬劑熔點(diǎn)急劇升高，焊后殘?jiān)^(guò)多，助焊效果不好。Zn含量在0.7～1.4%合適。

3.2 添加有機(jī)助劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

有機(jī)助劑的作用:按照鋁制熱交換器的釬焊工藝，釬劑先制成懸浮水溶液，這時(shí)釬劑中的有機(jī)助劑會(huì)溶解水中，由此增加了水的粘度和釬劑顆粒的浮力，也因此增加了釬劑在水中的抗沉降性能，穩(wěn)定了釬焊質(zhì)量。

從斯托克斯顆粒沉降公式來(lái)看:U=d2(ρs-ρ)g/18μ，沉降速度U與顆粒尺寸d、顆粒與液體的密度差(ρs-ρ)成正比，與粘度μ成反比。其它參數(shù)一定時(shí)，增加液體水的粘度μ，可使釬劑顆粒的沉降速度下降。

經(jīng)試驗(yàn)篩選，確定有機(jī)助劑為高分子醇類，具體含量的確定見(jiàn)下表:

由表2可知:當(dāng)有機(jī)助劑的含量過(guò)低時(shí)，焊后雖不積碳，但抗沉降性不好;當(dāng)含量過(guò)高時(shí)，抗沉降性好，但焊后又會(huì)積碳。有機(jī)助劑的含量在4.0～8.0%合適。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)釬焊鋁制熱交換器用無(wú)腐蝕鋁釬劑的試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論。

(1)以AlF3-KF共晶化合物釬劑為基礎(chǔ)，在不改變其無(wú)腐蝕性質(zhì)的條件下，通過(guò)添加無(wú)機(jī)助劑和有機(jī)助劑，改進(jìn)了釬劑的性能，使其能高效應(yīng)用于鋁制熱交換器的釬焊。

(2)添加的無(wú)機(jī)助劑為Zn化合物，合適的Zn含量在0.7%～1.4%之間，可明顯提高去膜能力，加強(qiáng)助焊性。

(3)添加的有機(jī)助劑為高分子醇類，合適的含量在4.0～8.0%之間，可明顯增強(qiáng)釬劑在水中的抗沉降性能。

［1］劉宏江，賀軍四，林業(yè)偉，等.新型水性鋁焊膏的研究［J］.銅業(yè)工程，2013，(3):1-3.

［2］梁興華，揭曉華.化合法制備氟鋁酸鉀釬劑的研究［J］.焊接設(shè)備與材料，2005，35(2):51-53.

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

［4］張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)第二版［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1-3.

［5］陳志祥，曾燕，蔡志紅，等.新型高溫鋁釬劑FA-3的研制［J］.廣東有色金屬學(xué)報(bào)，2002，12(1)34-38.

［6］張啟運(yùn)，劉淑祺，高念宗.氟鋁酸鉀高溫鋁釬劑的濕法合成及其在釬焊時(shí)的作用機(jī)理［J］.焊接學(xué)報(bào)，1982，3(4):153-155.