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(dǎo)和電導(dǎo)率高，被廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、汽車水箱和空調(diào)散熱器等多領(lǐng)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(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)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(dòng)化等，漸漸成為流行和趨勢(shì)。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(diǎn)的鋁焊膏，便應(yīng)運(yùn)而生。鋁焊膏分油性和水性，兩者各有優(yōu)點(diǎn)。目前，油性鋁焊膏研究的較多，水性研究的較少。本文針對(duì)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(guān)的要求，分述如下。

2.1 釬料

實(shí)驗(yàn)研究和事實(shí)證明:BAl88Si 共晶釬料，熔點(diǎn)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(xué)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(xì)且分布集中、球形度好、含氧量低。

2.2 釬劑

實(shí)驗(yàn)研究和事實(shí)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(xué)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［5-6］。

2.3 成膏體

釬料和釬劑的各種性質(zhì)一經(jīng)確定，成膏體便成為制備焊膏的關(guān)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(duì)簡單，高質(zhì)量的水性成膏體較為復(fù)雜，其應(yīng)滿足以下條件:可用水或水性有機(jī)溶劑混溶和調(diào)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(xué)性質(zhì)，抗沉降良好。這是本文研究的重點(diǎn)。

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(chǔ)存、加料順，又要保證所焊工件的焊接強(qiáng)度和質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 釬料

BAl88Si 共晶釬料的化學(xué)成分已確定，本文研究的重點(diǎn)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(jī)械破碎等［7］。本文采用惰性氣體保護(hù)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(diǎn)，具體的工藝流程為:原料檢測(cè)→配料→加料抽真空→充惰性氣體→熔煉和霧化→篩分、檢驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)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(shí)，所制得的釬料粉呈球形、含氧量低于0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、粒徑小于0.096mm 的顆粒占60%以上，符合焊膏用釬料的各項(xiàng)要求。

3.2 釬劑

氟鋁酸鉀共晶釬劑的化學(xué)成分已確定，本文研究的重點(diǎn)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(jī)械研磨法、燒結(jié)法、水調(diào)法和化學(xué)沉淀法。本文采用化學(xué)共沉淀法，此法具有:成分準(zhǔn)確和均勻、易穩(wěn)定控制和成本低等優(yōu)點(diǎn)。具體的工藝流程為:原料檢測(cè)→配料→化學(xué)共沉淀反應(yīng)→烘干→粉碎→篩分、檢驗(yàn)、混勻→包裝、成品。

影響釬劑粉末細(xì)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(shí)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(huì)給環(huán)保和包裝增加壓力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)烘干溫度控制在200℃時(shí)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(jī)物，兩者做成的鋁焊膏的特點(diǎn)和用戶要求均不同，是本文研究的重點(diǎn)，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(diào)配成鋁焊膏。這種焊膏的優(yōu)點(diǎn):簡單快速，成本低等;缺點(diǎn):儲(chǔ)存時(shí)間很短，使用過程易分層，釬料因和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而易變質(zhì)失效等。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水為成膏體的鋁焊膏隨時(shí)間變化情況

由表1 可知:鋁為活潑性很強(qiáng)的金屬，在水為成膏體的鋁焊膏中，一定時(shí)間后，會(huì)和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(dāng)釬料和水的反應(yīng)最終停止后，釬劑、釬料已嚴(yán)重分層，焊膏表面一層白色釬劑，整個(gè)焊膏變硬，焊膏失效。對(duì)于短時(shí)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(duì)于高端用戶，還要研究新的水性成膏體。

3.3.2 以水性有機(jī)物為成膏體

水性有機(jī)物，不含水，但可與水或水性有機(jī)溶劑相混溶和調(diào)配。其優(yōu)點(diǎn):一、需要時(shí)可用水臨時(shí)調(diào)配，使用起來簡單、方便;二、水性有機(jī)物相比水，化學(xué)活性急劇下降，很難和鋁釬料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而保證焊膏的釬焊性;三、水性有機(jī)物相比水，粘度大大提升，可有效防止釬劑和釬料的儲(chǔ)放分層，從而保證焊膏的穩(wěn)定性。不過需要強(qiáng)調(diào)的是，在選擇水性有機(jī)物時(shí)，同樣要考慮其在500℃的揮發(fā)性和積碳?xì)埩羟闆r。

通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)釬劑、釬料和成膏體的各種性質(zhì)確定后，接著就要確定三者相互間的配比，三者間的配比關(guān)系到焊膏的各種性質(zhì)，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(shí)驗(yàn)研究，釬劑和釬料的配比實(shí)驗(yàn)結(jié)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(hù)氣氛的釬焊條件下，釬劑和釬料的質(zhì)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(duì)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(qiáng)度的焊料變少，且釬劑相對(duì)較多，排渣時(shí)間不夠會(huì)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(shí)驗(yàn)研究，焊膏中成膏體配比的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)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(shí)，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(jié)論

通過對(duì)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(jié)論:

(1)釬料為BAl88Si 共晶釬料，采用惰性氣體保護(hù)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(xué)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(hù)氣氛的釬焊條件下，釬劑和釬料的質(zhì)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(jī)物。要求不高的用戶，可用水;要求高的用戶，必須用水性有機(jī)物。本文實(shí)驗(yàn)研究的水性成膏體由乙二醇和水性聚合物構(gòu)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。

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