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铝合金中温钎焊材料的突破

中国铝业网】文章刊于Lw2016论文集——作者段兆涛1,王国春2,贺宗超3,庄鸿寿4(1、苏州钎谷焊接材料科技有限公司;2、上海汽车空调部件有限公司;3、易孚迪感应设备(上海)有限公司 4、北京航空航天大学 )

摘要:6系铝合金,尤其是6061铝合金由于强度高,在工业上上得到广泛应用。由于该合金的固相线温度低(580℃),使用传统的4047、4045、4043铝钎料,钎料熔点都在580℃以上,这对于被钎焊母材来说,极易造成过烧。因此,钎焊材料科学家一直在谋求铝合金的中温钎焊材料的研发,非常迫切研发成功温度低于580℃的铝钎料,最好在550℃左右,但近50年来一直未果。

钎谷科技研发的7011系列中温铝钎料,该钎料固相线522℃,液相线556℃,钎焊性能指标均优于传统4047、4043、4045铝钎料,经过上汽配批量验证,所有指标均满足客户使用要求,这一研发成果,具备产业化的应用前景。

一  背景

6000系列形变Al合金钎焊问题一直是国内外研究的重点,由于缺少综合性能良好的低熔点钎料,其钎焊后母材的软化问题一直没有得到适当解决。

目前,铝及铝合金钎焊均采用4系Al-Si系铝合金钎料,根据含硅量的不同,主要有4043、4045、4047等牌号。该钎料润湿铝合金母材非常好,焊接强度高,耐腐蚀性好,是少有的优良钎焊材料。

但是由于该钎料理论熔点高,4047铝钎料熔点高达577℃,一般做出来的钎料熔点在580℃左右,而铝合金母材的熔点在630℃左右,二者钎焊温度区间不到50℃,极易造成铝合金母材的过烧和母材的退火等质量问题。

国内外的钎焊材料学家,一直在谋求研发比传统4047铝钎料熔点低、润湿性好、耐腐蚀性好的钎料,这么多年来,虽然有很多的论文和专著在探讨,但未能有一家满足合适要求产业化的钎料。

二  近五十年来研究的方向

据发表的论文和专著,为了谋求低温铝钎料,多集中于以下合金材料研究:

在Al-Si合金的基础上添加适量的Cu、Ni和Sn等不同元素,形成Al合金钎料,作为研究的对象。

通过分析各添加元素对钎料性能的影响,使得Al合金钎焊接头在保证强度的同时,具有良好的耐大气环境腐蚀能力。

Si元素和Cu元素对钎料液相线温度的影响最大,两者的加入会明显降低钎料熔点。随合金元素含量的增大,合金由非一致性熔化逐渐转变为一致性熔化,进而减小了熔化温度范围。

在钎料中添加Sn元素会显著降低其耐蚀性,而Ni元素则会提高钎料的耐蚀性能和力学性能,其质量分数以不超过2%为宜。

具体来说国内外的钎焊材料学家,主要有以下几种合金元素思路。

1 Al-Si-Cu-Zn系钎料

液相线温度范围500℃——577℃,在Al-Si钎料中添加Cu元素后,钎料的流动性显著增加,但由于CuAl金属间化合物的含量很高,因此很脆,只能铸条而难于加工成丝和箔。

以此合金为基础,进行了几十年的研究,一直未能突破,只有一些论文的研究出现,没有能进行产业化。

2 Al-Si-Ag-Zn系钎料

此钎料中的Al-Si-Ag相,在Al角的三元共晶点,组成w(Al)=40%,w(Cu)=19.3%,w(Agl)=40.7%,钎焊温度为500度。

此共晶点做钎料有很大优点,钎焊的流动性很好,其色泽与铝母材比较一致。但该材料脆性很大,很难加工成丝材和带材。

3 Al-Ge-Si系钎料

液相线温度范围425℃——500℃,本钎料的基本合金是Al-Ge系,共晶质量分数是w(Ge)=55%,温度是423度。

此共晶钎料流动性好,铺展性极佳,但该材料极脆,铸条几乎没有强度,落地便断。

综上,建立在Al-Si系基础上的铝钎焊材料,通过多种合金进行降低熔点,在理论上有一定的突破,但这些研究仅仅停留在实验室阶段,虽然温度能够降低,但是材料成型非常困难,近五十年来的不断攻坚,Al-Si系改性的钎料,还是未能全面突破,一直未有能够替代4047的合适铝钎料。

三  7011系中温铝钎料

7011系铝钎料在Al-Si系钎料的基础上,通过添加Cu、Ge和稀土等元素,并开创性地使用在线退火工艺,不仅降低了材料的熔点,同时把钎料的脆性从根本上进行了解决。

能够很方便地做成焊丝、焊环、钎料带、钎料箔。

目前在上汽配进行批量中试,效果很好。

1 7011系铝合金钎料DSC曲线图

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2 焊缝抗拉强度

具体拉伸试验的产品和数据见下图照片;(第一个产品为用7011系焊环焊接,第二个产品为用4047系焊环焊接产品)

使用的铝管母材是φ19.05的管子,第一根是用8100N拉断母材,第二根是用7100N拉断母材。

其中使用4047系焊接的产品,拉断部位在焊缝周围。

使用7011系焊环焊接的产品,拉断的部位是铝管母材本身,焊缝周围没有任何影响。

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3 焊接时间对比试验

焊接时间的记录和确认是由高频感应钎焊自动焊接计时器自动显示并记录结果

两者焊接时间和焊接强度对比数据如下:

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从表格中我们不难发现选择7011系焊环焊接的优越性,那就是:

焊接时间节约了(47-40)/40=15%

焊接强度增强(8100-7100)/7100=14%

根据上述试验结果,我们不难发觉无论是焊接质量(拉伸强度)还是焊接生产效率(焊接时间),7011系焊环自动焊优越于4047系焊环焊接。

另外,7011系焊环焊接后的产品的外观我们通过自动焊连续制造20根后进行外观验证,焊接外观也优越于4047焊环的产品外观。(资料来源:上汽配内部7011系测试实验报告)

4 焊接接头缺陷

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综述

7011系铝合金钎料不单解决了Al-Si合金钎料的熔点高问题,并且在材料成型领域率先突破自身的脆性问题,并成功让这一钎料进行批量化中试,这对于中温铝合金钎料的研发,具有划时代的意义。

参考文献:

[1]  张启运,庄鸿寿.钎焊手册.机械工业出版社.

[2]  庄鸿寿.焊接学报.铝合金真空钎焊,1980年11月

[3]  黄鹏.浙江大学.低熔点高强度铝合金钎焊材料的研究.

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