铝合金软硬钎焊研究

铝合金软、硬钎焊研究

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钎焊是利用熔点比母材熔点低的填充金属（称为钎料或焊料）在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，从而实现零件间连接的焊接方法。和传统的熔焊相比，钎焊时母材不熔化，仅钎料和钎剂熔化。美国焊接学会（AWS）对钎焊的定义是：“一组焊接方法，它通过把各种材料加热到适当的温度，通过使用具有液相温度高于450℃但低于母材固相线温度的钎料完成材料连接。钎料依靠毛细管吸附作用分布到接头紧密配合面上。”通常按照所采用钎料的熔点可将钎焊分为两类，钎料熔点低于450℃时称为软钎焊，高于450℃时称为硬钎焊。

铝到目前为止仍然是重量轻、加工性好和经过时效硬化能提高强度的优良金属材料，尤其是经过阳极氧化等表面处理后，不但提高了抗蚀性能而且表面也变得美观了。在添加铜、硅、镁、锌、锰以及镍、铁、钛、铬、锂等元素后，铝合金凭其密度低、强度高（接近或超过优质钢）、塑性好以及优良的导电性、导热性和抗蚀性，已经成为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

目前，我们接触到的用来焊接铝合金的方式有钎焊、搅拌摩擦焊、TIG焊和激光焊接技术。和其他金属（如铜、铁和镍等）材料相比，铝的钎焊较困难，工艺钎焊性较差，其主要原因[1]是：

(1) 铝的自由能值很小，对氧的亲和力极大，因此铝合金很容易生成氧化物，这一层表面致密的氧化膜严重阻碍钎料和母材之间的原子扩散，大大影响了钎焊时的润湿、反应及结合。

(2) 为清除铝合金表面的氧化膜而使用的钎剂，往往具有很强的腐蚀性，如果钎焊结束后清理不及时或不彻底，很容易就将焊接接头腐蚀破坏。

(3) 软钎焊铝合金时，软钎料与母材的电极电位相差较大，降低钎焊接头的抗腐蚀性能。

(4) 硬钎焊铝合金时，钎料的熔化和活性温度与铝合金的熔点很接近，钎焊时铝合金母材晶粒很容易长大，或造成母材过量溶解的溶蚀缺陷。

一、钎焊前后的准备和清理工作

通常，钎焊前要对铝及铝合金表面做好清洁工作，母材表面存在油污和较厚的氧化膜，会妨碍钎料的流动及其与母材金属的结合，导致钎焊缺陷，如接头强度差、容易渗漏以及完全焊接不牢等。若采用无熔剂真空钎焊，则焊前工件的清洗要求更为严格。目前常用的去膜方法分物理方法和化学方法[2]两种。

物理方法是利用机械刮擦作用破碎并去除母材表面氧化膜，使液态钎料与母材直接接触发生润湿。主要的作用方式有：

(1) 利用坚硬的物体，在液态钎料层下沿母材表面用力往复刮擦；

(2) 直接用钎料棒端头在加热到钎焊温度下的母材表面往复拖动。

但是机械打磨并不能彻底去掉母材表面的全部氧化膜，而且去膜后润湿角仍然较大，不能实现液态钎料毛细填缝过程。因此，往往还要采用化学清洗的方式，即用清洗液清洗，焊前清洗液分以碱或酸为主要成份的两大类洗液。因为铝是一种两性元素, 所以它和它的氧化物（即氧化铝）既能和碱液又能和酸液作用而达溶除氧化膜的目的。

碱液清洗液的主要成份一般是氢氧化钠，使用浓度在5%左右。清洗过程为：65℃的氢氧化钠溶液浸渍30秒→冷水冲净→浓硝酸浸渍1分钟→用水冲刷干净。若铝材表面油脂较多较厚，可使用浓度更高的氢氧化钠溶液、提高碱液温度、延长洗涤时间；或者可以在提高氢氧化钠浓度的同时添加水玻璃、磷酸钠和表面活性剂，乳化并去除油脂，但这种操作需要

在流动的洗液中进行才能收到有较好的效果。但是碱液对铝的腐蚀速度比酸液快很多，且迅速改变其原有浓度，导致碱性洗液对铝表面油脂的去除效果往往不是很理想，并且碱液对铝面的严重剥蚀使本来比较致密的铝面呈现粗糙，会降低钎焊后成品的耐压和耐疲劳强度。因此，生产实践中更倾向于采用酸性洗液，特别是对钎焊时采用活性较弱的焊剂或少用焊剂、不用焊剂（无熔剂钎焊）的铝材更适合采用酸洗。

酸洗法需要另外有一套预先去除油污的工序。例如，在有机溶剂甲乙酮或三氯乙烯或四氯化碳中彻底去除油污→干燥后浸入65℃硫酸浴5分钟→自来水喷淋1分钟→浸入缓和搅拌的室温硝酸洗液中1分钟→浸入室温喷淋的自来水1分钟→无离子水洗净后干燥。这种先硫酸后硝酸的清洗法, 可把铝面的硫酸铝膜层转化为容易被水洗去的硝酸铝，清洗效果较为理想。

不论采用碱洗或酸洗，对于铝件来说都是一个化学腐蚀过程，而洗液浓度不可避免地在不断改变，除了随时调节浓度以外，对铝材在碱液或酸液中浸渍的时间也要视具体情况而定。生产实践的经验证明：当铝表面开始普遍地产生大量气泡时, 说明铝面的氧化膜已被完全溶蚀，新生的铝面与碱液或酸液反应产生了氢气。这时应迅速将铝件取出加以彻底清洗, 以免铝材被洗液腐蚀过甚。

钎焊后，如果选择的是钎剂钎焊，由于铝合金常用的钎剂都具有强烈的腐蚀性，应当及时、彻底地清洗残留在工件上的钎剂。否则，即使残留的钎剂很少，也可能会严重腐蚀工件而降低焊接质量，甚至造成工件报废。

二、铝合金的软钎焊

通常，铝合金的软钎焊既可以使用软钎料（锡基的低温钎料）或硬钎料（锌基的高温钎料），并采用适应焊接温度范围的合适钎剂。一般来说，软钎焊是一种低温结合工艺，因此和硬钎焊或其他焊接方法相比，软钎焊铝合金产生的热变形更小。软钎焊温度常选择225℃到490℃，比铝的熔点（661℃）要低得多。如果是局部加热的软钎焊，则会改变铝合金在剪切、拉伸及热处理时产生的应力从而导致变形。因此根据软钎焊工艺，选择适当的预热、不连续焊接以及接头形状至关重要。

1.铝合金软钎焊的工艺特点

目前，铝合金软钎焊的方法很多：不用钎剂的有铝合金与钎料机械摩擦、超声波钎焊和热喷涂；使用钎剂的有感应、火焰、红外线、热板、钎焊炉、烙铁、激光、电弧灯等加热铝合金构件。但由于铝合金本身具有很高的热传导性和反射性，加热过程中热量并不仅仅用于钎剂和钎料的熔化，因此虽然软钎焊的温度不高，仍需要大量足够的热量。

之前已经提到过，铝合金表面的氧化膜是制约其钎焊工艺性的一大难题，因为氧化铝膜层形成快速而且致密性很好，软钎焊铝时必须去除氧化膜。当不使用钎剂时，软钎焊铝合金无论是用机械摩擦、超声波钎焊还是热喷涂方法，都需要用熔锌清除氧化铝层并使其下面的铝湿润（见图1）。

当使用钎剂进行软钎焊时，则所用钎剂必须能使钎料将铝合金浸润。从钎焊课程演示实验可知，软钎焊铜时，用适度的有机和无机钎剂去除表层的氧化铜是比较容易的。但是氧化铝就不是这么容易能去掉的，需要使用化学性很强的钎剂并且达到一定的温度才能取得良好的去膜效果[3]，如有机胺基钎剂（285℃）、无机氯化物或氟化物钎剂（400℃）或者复合氟铝酸盐（550℃以上）。但这些含氯或氟的钎剂的共同问题就是具有强腐蚀性，钎焊后必须及时把残渣清理干净。

适合用来软钎焊铝合金的钎料通常包含锌以及少量铅、镉、锡、铜或铝等元素。但现在全世界禁止钎料里含有铅，使用无铅钎料已经成为共识，而镉钎料由于会危害工人健康也已经被禁止。因此，现在主要使用的是锡-锌软钎料+有机或无机钎剂（熔点低于330 ℃）、锌基硬钎料+高熔点钎剂。