蔡志紅,劉宏江,陳 平,賀軍四

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650)

粉狀鋁基釬料的釬焊性能研究

蔡志紅,劉宏江,陳 平,賀軍四

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院),廣東 廣州 510650)

介紹了粉狀鋁基釬料的制備方法,探討了以粉狀鋁基釬料為焊料,釬焊鋁材的工藝性能.從表面張力的角度出發(fā),討論了粉末粒度對(duì)鋁材釬焊工藝和性能的影響.結(jié)果表明:采用粒度在150～180μm的粉狀鋁基釬料釬焊鋁材,其焊件的剪切強(qiáng)度較高;采用粒度大于300μm的粗釬料或粒度小于150μm的細(xì)釬料釬焊鋁材,其剪切強(qiáng)度較低.粉狀鋁基釬料的氧含量隨粒度的減小而增加;用細(xì)粉(粒度小于28μm)占3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粉狀鋁基釬料釬焊時(shí),釬料的鋪展面積與無細(xì)粉時(shí)的鋪展面積相當(dāng).

粉狀鋁基釬料;釬劑;鋁釬焊;表面張力

鋁的密度小、導(dǎo)電傳熱性好、較耐腐蝕及價(jià)格便宜,被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域.近年來,由于銅價(jià)的大幅上漲,提高了銅的使用成本.目前,國內(nèi)外開展的以鋁代銅的研發(fā)工作,取得了顯著的成績[1-4].空調(diào)、汽車用鋁制換熱器及散熱器、鋁制電纜等已廣泛使用.隨著鋁制品的大規(guī)模應(yīng)用,鋁釬焊材料的用量也大幅度增加,據(jù)粗略統(tǒng)計(jì),中國鋁釬焊箔材的產(chǎn)能已達(dá)十萬噸,鋁釬焊箔材成為用量最大的釬焊材料.箔狀釬料適用于平整規(guī)則的釬焊面,在保護(hù)氣氛中釬焊.由于箔狀釬料無法滿足復(fù)雜釬焊面的釬接,近年來出現(xiàn)了采用粉狀鋁基釬料配合無腐蝕釬劑的釬焊工藝,焊后不用清洗,適應(yīng)環(huán)保要求[5].在采用粉狀釬料的釬焊工藝中有關(guān)粒度分布對(duì)連接材料釬焊性能影響的研究尚不多見[6],本文旨在進(jìn)行這方面的研究探討.固成釬料粉末.經(jīng)篩分、檢驗(yàn)后即成為粉狀鋁基釬料.在制備過程中,通過控制熔液成分及溫度、霧化氣流壓力、熔體流量和噴嘴結(jié)構(gòu),可控制粉末釬料的性能[7].實(shí)驗(yàn)所采用的A l87Si12Fe0.3鋁基釬料的熔點(diǎn)為577℃,1035母材的熔點(diǎn)為660℃.鋁基釬料及釬焊母材的成分[8-9]列于表1.

1 試驗(yàn)方法

表1 釬料及母材成分Table 1 Composition of fillermetal and the basemetal

采用氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛氣流霧化工藝制備粉狀鋁基釬料.將配好的鋁基釬料合金在真空霧化熔化爐中熔化后,用氮?dú)庾黛F化介質(zhì)將熔融釬料合金噴霧凝

釬焊過程:按照國標(biāo) GB/T8619-1988制備80 mm×20 mm×3 mm的鋁板樣品.將樣品清洗后在兩片鋁板樣品的搭界處放置混合好的粉狀鋁基釬料釬劑,以Noclock釬劑[5,8]為助焊劑,在東莞力華機(jī)械有限公司生產(chǎn)的K-300型高頻釬焊機(jī)上進(jìn)行高頻釬焊,釬焊溫度為595～605℃.啟動(dòng)中頻加熱器加熱樣品,當(dāng)釬料釬劑熔化填縫后,對(duì)釬焊樣品施加一定的壓力,控制釬焊縫隙,釬焊完畢停電冷卻,觀察焊縫是否被熔化釬料充填.

在深圳高品公司生產(chǎn)的電子式萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行釬焊樣品剪切強(qiáng)度拉伸試驗(yàn).粉末粒度使用國家標(biāo)準(zhǔn)篩篩分.用LECO公司生產(chǎn)的氣體分析儀分析釬料表面的氧含量.

鋪展性試驗(yàn):在3 cm×3 cm×1 cm的鋁片上,放置0.1 g按比例混合好的釬劑釬料,以一定升溫速率加熱到600℃,觀察及測量釬料的熔化情況及鋪展面積.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

當(dāng)釬料在鋁片上熔化時(shí),釬料液滴與鋁片基體形成一個(gè)浸潤夾角θ,浸潤角的余弦[11]:

式(1)中:σs-g為鋁板基體與釬焊氣體間的界面張力,N/m;σs-1為鋁板基體與釬料液體間的界面張力,N/m;σl-g為釬料液體與釬焊氣體間的界面張力,N/m.

釬焊是在兩片鋁片中進(jìn)行的,當(dāng)兩塊鋁片間的焊縫寬度為2R時(shí),在表面張力的作用下,焊縫中間的釬料熔液形成彎曲面,如圖1所示,并在焊縫中心形成一個(gè)平行于鋁片平面的附加壓力P[13]:

圖1 焊縫中的毛細(xì)作用Fig.1 Capillarity phenomenon in the brazing gap

式(2)中:σl-g為液體與氣體間的界面張力;r為熔液曲率半徑,m;且r=R/cosθ,因此P可表示為:

由式(3)可知,當(dāng)浸潤角θ=0時(shí),P值最大,這時(shí)釬料熔液在鋁片表面完全浸潤鋪展;0＜θ≤90°時(shí),P≥0,表明釬料熔液在鋁片表面部分浸潤鋪展;θ＞90°時(shí),P＜0,表明釬料熔液在鋁片表面不能浸潤鋪展.

2.1 釬料粉末粒度對(duì)釬焊剪切強(qiáng)度的影響

采用氣流霧化所制備的鋁基釬料粉末具有較寬的粒度分布,不同粒度分布的釬料,釬焊的剪切強(qiáng)度不同,結(jié)果列于表2.

表2 釬料粉末粒度與釬焊剪切強(qiáng)度的關(guān)系1)Table 2 Relation of the size of the pow der and the brazed shear strength of aluminum

由表2可以看出,粉末較粗(＞300μm)時(shí)的釬焊剪切強(qiáng)度較低;中間粒度(180～38μm)粉末的釬焊剪切強(qiáng)度較高;細(xì)粒度粉(＜28μm)的釬焊剪切強(qiáng)度最低,這一結(jié)果和文獻(xiàn)[5]的報(bào)道相吻合.

假設(shè)粉狀釬料為直徑d的球形顆粒,其體積為:

釬焊時(shí),假設(shè)釬料熔液與上下鋁板接觸時(shí)形成了圓柱形,由式(5)可算出其與上(下)鋁板接觸的面積為:

當(dāng)一定量的釬料粉末均勻分布時(shí),在釬焊溫度下,許多均勻分布的小面積釬料熔液連成完整的一片,直到充滿整個(gè)焊縫.若顆粒較粗,易造成釬料顆粒的分布不均勻,在釬焊溫度下,相鄰的釬料顆粒熔化后,熔化面邊際距離相對(duì)較遠(yuǎn),其表面效應(yīng)較差,R值較大[6],周邊相鄰的釬料顆粒熔化后與鋁板的接觸面積相對(duì)小,因而接觸面之間的間隙較多,所以焊件的剪切強(qiáng)度較低.

粉末釬料越細(xì)氧含量越高(表3),釬焊剪切強(qiáng)度下降(表2),這與國外學(xué)者的研究結(jié)果相符[12].表3為鋁硅釬料粉末粒度與氧含量的關(guān)系.

表3 鋁基釬料粒度與氧含量的關(guān)系Table 3 Relation of particle size of Al-Si fillermetal and oxygen content

由表3可見,釬料粉末越細(xì),其表面氧含量越高,釬料氧含量高會(huì)導(dǎo)致釬料的熔化溫度升高[13]及熔化后粘度提高.當(dāng)氧含量過高,釬劑又不足時(shí),釬料熔化形成細(xì)小液滴的間隙,在毛細(xì)作用下容易拉住先熔化的釬劑,使釬劑的鋪展和排出困難,從而使熔化釬料的浸潤角θ增大,當(dāng)θ＞90°時(shí),則式(3)中的P＜0,即釬料熔液受到壓力,釬料熔液的鋪展速度減慢[14],甚至無法向焊縫鋪展,造成釬焊剪切強(qiáng)度的降低.所以釬料粉末越細(xì),釬焊時(shí),消耗的釬劑越多,并且即使有一定壓力壓縮焊縫,釬料也不易在焊縫鋪展,反而容易流出焊縫,釬焊質(zhì)量難以控制.

在釬焊溫度下,中間粒度粉末釬料的表面效應(yīng)及接觸面積之間連接的致密度均較好,釬料熔液不易流出焊縫,釬焊強(qiáng)度相對(duì)較高,這在我們的釬焊試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證.

2.2 細(xì)粉含量對(duì)鋪展性的影響

過細(xì)的粉末氧含量高,釬焊效果差,如表2和表3中的5號(hào)釬料粉末,國外有學(xué)者[12]建議棄去.但在鋁基釬料的制備過程中,篩去28μm以下的微細(xì)粉較困難.我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:含有一定量細(xì)粉的釬料,在一定條件下還是可用的,含有不同比例細(xì)粉釬料的鋪展面積列于表4.

表4 含有不同比例細(xì)粉釬料的鋪展面積Table 4 Sp reading area of filler metal with different amount of fine pow der

由表4可見,細(xì)粉含量低于3%時(shí),鋪展面積變化不大;反之,細(xì)粉含量對(duì)鋪展面積的影響較大,甚至使釬料不鋪展或不熔化.通過控制優(yōu)化的霧化制粉工藝,制取含3%以下細(xì)粉的釬料,可避免細(xì)粉篩分工序繁雜,減小勞動(dòng)強(qiáng)度,降低生產(chǎn)成本.

3 結(jié) 論

(1)采用粒度在150～180μm的粉狀鋁基釬料釬焊鋁材,其焊件的剪切強(qiáng)度較高;采用粒度大于300μm的粗釬料或粒度小于150μm的細(xì)釬料釬焊鋁材,其剪切強(qiáng)度較低.因此,采用粒度適中的粉狀釬料可在高頻釬焊工藝中獲得較好剪切強(qiáng)度的焊件.

(2)粉狀鋁基釬料的含氧量隨粒度的減小而增加;當(dāng)粉狀釬料的含氧量大于0.13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),鋁的釬焊很難進(jìn)行.

(3)粉狀鋁基釬料中小于28μm的粉末含量不超過3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),焊料的鋪展面積無明顯變化.

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Research on brazeability of alum inum-silicon filler metal powder

CA IZhi-hong,L IU Hong-jiang,CHEN Ping,HE Jun-si
(Guangzhou Research Institute of N on-ferrous M etals,Guangzhou 510650,China)

This paper briefly introduces the p reparation p rocess of aluminum-silicon filler metal pow der,and exp loits the aluminum brazeability using the above-mentioned pow der as the solder.It discusses the influence of pow der sizes on the p rocess and perfo rmance of aluminum brazing from the aspect of surface tension.The result show s:brazed aluminum p latesw ith pow der sizes betw een 150-180 micron can get higher sheer strength,w hile brazing w ith course pow der(＞300 micron)or fine pow der(＜28 micron),the shear strength is low er.The oxygen content of the aluminum-silicon fillermetal pow der increasesw ith the decrease of the pow der size.B razing w ith the alum inum-silicon fillermetal pow der w hich contains less than 3%fine pow der(＜28 micron)can get sp reading area as nearly large as that brazing w ithout the fine powder.

alum inum-silicon filler metal pow der;flux;alum inum brazing;surface tension

TF123.2

A

1673-9981(2011)01-0053-04

2010-11-17

蔡志紅(1969—),女,湖南岳陽人,高級(jí)工程師,碩士.