CN103170759B - 一种铝焊粉及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝焊粉及其焊接方法，属于铝及铝合金焊接技术领域。本发明铝焊粉，各成分和重量比为氧化铜17~19%，五氧化二钒12~14%，二氧化锡13~15%，硫酸锂1~2%，硼粉3~4%，氟化钙2.5~3%，其余为铝粉。该焊粉使铝母材的放热焊接得到实现，使用该铝焊粉的焊接方法主要有以下优势：（1）焊接无须其他任何电源、气源、热源、能源，属于典型的绿色无电焊接材料；（2）焊接设备小巧轻便，容易携带，适用于野外，高空作业等，也特别适用于地震，雪灾等灾难之后的铝导线的应急抢修。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝焊粉及其焊接方法，属于铝及铝合金焊接技术领域。
背景技术
铝母线是整个电解铝厂房中最重要的组成部分之一，整流后的直流电通过铝母线引入到电解槽，电解槽有阴极母线、阳极母线、立柱母线和软带母线，槽与槽之间通过铝母线串联而成，厂房与厂房之间还有联络母线，但是导电铝母线在生产中常会意外损坏，需要对损坏的母线及时进行修复焊接，以免影响正常的生产，而磁场的存在对带电焊接的实施产生了很大的负面影响，导致整个焊接过程困难、焊缝成型质量差，甚至有可能使焊接过程无法实施。除此之外，铝导线的连接问题也存在一定缺陷，目前往往采用传统的连接方法：电焊、螺栓与螺母连接、线耳和压接。这些连接技术及产品存在着操作繁琐、连接不规范、质量较低、不可靠等缺点，输电过程中容易出现导线发热、线路压降过大，进而引起各种电气故障甚至断路。
为有效解决以上问题，国内外相关企业以及专业人士对铝及铝合金的焊接工艺进行了大量的试验和研究工作，并取得了一定的进展。目前修复铝母线的主要方法是降电流或停电后采用碳弧焊进行焊接。停电不但造成电解铝产量减少、能耗大幅增加，还会增加有害气体排放，造成环境污染。发明名称为一种铸铝钎熔焊的方法，申请号为94119278.4的专利公开了一种以氧-乙炔火焰焊接各类铸造铝合金的钎熔焊方法，此方法虽然可以实现铝合金的焊接，但其操作繁琐，反应过程难以把握，且需要额外加热，不满足节能焊接的要求，且不适用于野外作业以及应急时的焊接。
随着焊接工艺的不断发展，近年来，放热焊接成为了研究热点。放热焊接也称为火泥熔接。无需外部电源或热源，是利用热熔焊接的化学反应产生高温熔液,并释放出高热量完成焊接的一种方法。放热焊接化学反应速度非常快，仅几秒就可以完成焊接。其产生的热量极高，可以有效地传导至熔接部位，使其熔为一体，使铜/铜,铜/铝,铜/钢、铝/铝之间形成牢固的分子结合。
放热焊接实质上是自蔓延技术与焊接技术相结合的一种新型技术，属于自蔓延焊接技术的范畴，它具有焊接简单方便，工作效率高；焊接效果好，焊缝性能优良；适用范围广等优点。虽然放热焊接得到了广泛应用，但其在焊接铝及铝合金领域，却受到极大的限制。这是因为焊粉实现焊接的原理是采用还原性活泼金属如铝、镁等还原另一种金属氧化物（通常为铜或铁的氧化物）这样一个放热反应生成熔融的铜或铁作为焊缝金属来实现焊接。由于铝本身很活泼，难以被其它金属置换出来，并且铝母材具有散热快、易氧化等特性，所以采用自蔓延放热反应焊接铝及铝合金母材一直被认为难度很大。
基于此，本发明旨在研发新型铝焊粉，寻求新的反应体系，实现瞬间放热，依靠热量熔化过量铝粉，而反应产物作为焊渣排出，从而实现真正意义上的铝及铝合金的放热焊接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够实现铝和铝合金焊接的铝焊粉。
本发明的铝焊粉使用过量的铝粉，并且通过瞬间放出大量热，融化过量铝粉，作为焊缝金属，从而实现对铝和铝合金的放热焊接。
为达到以上目的，本发明的新型铝焊粉中的成分及质量百分比为：氧化铜17~19%，五氧化二钒12~14%，二氧化锡13~15%，硫酸锂1~2%，硼粉3~4%，氟化钙2.5~3%，其余为铝粉。
目数皆为200~300目焊接效果较好。
在该配方中，三种氧化物均与铝粉能够发生氧化还原反应，实现瞬间放热，放热焊接热量大，还原产物均具有合金化作用，提高焊接接头硬度；此外还原产物铜能够保证焊接接头良好的导电性；钒可以增加金属液的流动性；锡可以降低合金熔点，增强合金液的流动性，而且锡与铝具有良好的润湿性，保证焊缝与铝母材之间实现良好的冶金结合；硫酸锂具有良好的吸湿性，能减少或消除因焊粉中少量水分而引起的气孔等缺陷，并且硫酸锂与铝粉反应热量较大，使得焊缝熔深较大，冶金结合更加牢固；硼能够降低焊缝金属的脆性，提高焊接接头韧性；氟化钙起到造渣作用，能够使反应之后的三氧化二铝熔渣和合金液有效分离，净化焊缝金属；配方中铝粉是过量的，部分铝与氧化物反应，多余的铝一方面稀释高热剂，熔化时吸收部分热量，降低放热反应放出的热量，防止发生喷溅；另一方面铝也作为焊缝金属填充焊缝，使得焊缝金属的成分与母材尽可能相似。
使用本发明的铝焊粉焊接铝或铝合金的方法，具体包括以下步骤：
1）配制铝焊粉，搅拌均匀；
2）对待焊铝材进行焊前处理，去掉表面油污和氧化膜；
3）将底部开有小孔的装料模具与待焊铝材进行组装，要求装料模具底部小孔与铝材待焊区域对齐；
4）将铝材预热到200-300℃，并烘干装料模具；
5）在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实；
6）在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到铝材待焊区域，冷却之后即可形成良好的冶金结合。
所述的待焊铝材可以置于石墨基座之上。石墨基座储热较多，可减缓铝材的热量耗损，利于焊接。
所述挡片是锡箔。
所述引火剂的成分是火药。
所述待焊铝材的焊前处理，具体清理方法为，先用丙酮、汽油等有机溶剂擦除待焊铝材表面油污，再用铜丝刷或不锈钢丝刷子刷铝材待焊表面，或用刮刀、锉刀清理待焊表面，直到铝材露出金属光泽为止。
亦可采用如下方法：先用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂除去铝材表面的油污，用40℃～70℃的5％～10wt％NaOH溶液浸洗10min左右，然后用流动清水冲洗，接着用30wt％HNO3溶液酸洗3min，流动清水冲洗后用无水乙醇清洗，风干或低温干燥。
采用氧-乙炔枪、电炉、履带式加热器等方式对铝材预热。
本发明铝焊粉焊接铝及铝合金时，涉及四种放热反应，分别为铝和氧化铜反应置换出铜，铝和五氧化二钒反应置换出钒，铝和二氧化锡反应置换出锡，硫酸锂和铝反应放热。
本发明的铝焊粉中的铝粉为还原剂，氧化铜，五氧化二钒，二氧化锡，硫酸锂均为氧化剂。
本发明具有如下的有益效果：
1、本发明铝焊粉是绿色无电清洁的焊接材料，依靠焊粉自身反应产生极高热量,有效的传导至熔接部位,使其熔为一体,形成分子间结合。焊粉基于界面浸润原理、自蔓延原理和复合冶金原理实现焊接，无须其他任何电源、气源、热源、能源，属于典型的绿色无电焊接材料。
2、操作方法设备简单。焊接铝母材时不需要任何电源和其它设备；无需高压，也无需保护性气氛，仅仅依靠混合粉末燃烧反应放出的热量就能进行焊接，工作效率高。小巧轻便，操作简单。
3、适用范围广。由于设备小巧轻便，容易携带。故适用于野外，高空作业等，也特别适用于地震，雪灾等灾难之后的铝导线的应急抢修。
附图说明
图1为反应装置示意图。包括装料模具(3)，挡片(4)，待焊铝材(5)和石墨基座(6)。装料模具内为焊粉(2)和引火剂(1)。
具体实施方式
通过以下实施例的说明将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例一：
首先按照43:19:14:15:2:4:3的质量比依次称取化学纯的Al(200目)、CuO(200目)、V2O5(200目)、SnO2(200目)、Li2SO4(300目)、B(300目)、CaF2(200目)粉末，并且将其混合均匀，即制得铝焊粉。然后用丙酮擦除待焊铝母材表面油污，再用锉刀清理待焊表面，直到母材露出金属光泽为止。将装料模具与铝母材进行组装，之后将铝母材预热到300℃，并烘干装料模具。在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实。在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到铝母材待焊区域，待冷却之后即可形成良好的冶金结合。
实施例二：
首先按照43:19:14:15:2:4:3的质量比依次称取化学纯的Al(200目)、CuO(200目)、V2O5(200目)、SnO2(200目)、Li2SO4(300目)、B(300目)、CaF2(200目)粉末，并且将其混合均匀，即制得铝焊粉。用丙酮除去铝母线表面的油污，用40℃的10％NaOH溶液浸洗铝母材待焊表面10min左右，接着用30％HNO3溶液酸洗3min，然后用流动清水冲洗，流动清水冲洗后用无水乙醇清洗，风干。将装料模具与铝母材进行组装，之后将铝母材预热到300℃，并烘干装料模具。在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实。在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到铝母材待焊区域，待冷却之后即可形成良好的冶金结合。
实施例三：
首先按照103:34:24:26:2:6:5的质量比依次称取化学纯的Al(200目)、CuO(200目)、V2O5(200目)、SnO2(200目)、Li2SO4(300目)、B(300目)、CaF2(200目)粉末，并且将其混合均匀，即制得铝焊粉。然后用丙酮擦除待焊铝母材表面油污，再用锉刀清理待焊表面，直到母材露出金属光泽为止。将装料模具与铝母材进行组装，之后将铝母材预热到300℃，并烘干装料模具。在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实。在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到铝母材待焊区域，待冷却之后即可形成良好的冶金结合。
实施例四：
首先按照103:34:24:26:2:6:5的质量比依次称取化学纯的Al(200目)、CuO(200目)、V2O5(200目)、SnO2(200目)、Li2SO4(300目)、B(300目)、CaF2(200目)粉末，并且将其混合均匀，即制得铝焊粉。用丙酮除去铝母线表面的油污，用40℃的10％NaOH溶液浸洗铝母材待焊表面10min左右，接着用30％HNO3溶液酸洗3min，然后用流动清水冲洗，流动清水冲洗后用无水乙醇清洗，风干。将装料模具与铝母材进行组装，之后将铝母材预热到300℃，并烘干装料模具。在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实。在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到铝母材待焊区域，待冷却之后即可形成良好的冶金结合。
Claims (7)
1.一种铝焊粉，其特征在于，其中的成分及质量百分比为：氧化铜17~19%，五氧化二钒12~14%，二氧化锡13~15%，硫酸锂1~2%，硼粉3~4%，氟化钙2.5~3%，其余为铝粉。
2.根据权利要求1所述的铝焊粉，其特征在于，所有的成分目数皆为200~300目。
3.使用权利要求1所述的铝焊粉焊接铝或铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制权利要求1所述铝焊粉，搅拌均匀；
2)对待焊铝材进行焊前处理，去掉表面油污和氧化膜；
3)将底部开有小孔的装料模具与待焊铝材进行组装，要求装料模具底部小孔与铝材待焊区域对齐；
4)将铝材预热到200-300℃，并烘干装料模具；
5)在装料模具底部放上挡片，盖住小孔，将焊粉装入模具，略压平压实；
6)在焊粉上撒上引火剂，点火，待装料模具中的挡片熔化后，高温液态金属由装料模具底部小孔流入到待焊铝材待焊区域，冷却之后即可形成良好的冶金结合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的待焊铝材置于石墨基座之上。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述挡片是锡箔。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述引火剂的成分是火药。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用氧-乙炔枪、电炉或履带式加热器对待焊铝材预热。
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