CN103551757A - 钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝、制备及应用 - Google Patents

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Abstract

钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝、制备及应用，属于药芯焊丝技术领域。采用铝硅合金作为外皮，药芯为助焊剂。通过非真空熔铸、挤压、轧制及退火工序，制备外皮铝硅合金带材，将带材经由压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出直径范围在Φ3.8-4.4mm的无缝药芯焊丝毛坯；然后经拉拔及退火工艺，减径至Φ1.0mm及以上。本发明中的钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝的优点是钎料自带钎剂，不用再手动进行添加，可以实现钎焊的自动焊接。

Description

钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝、制备及应用
技术领域
本发明涉及钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝及制备技术，尤其涉及铝硅合金材料的熔铸、轧制、无缝药芯焊丝的制备方法及其应用，属于药芯焊丝技术领域。
背景技术
铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，在航空、航天工业中已获得愈来愈广泛的应用。例如很多传统的铜合金波导、高频器件已被铝合金所取代，利用钎焊方法制造复杂的铝结构是最理想的方法。随着运载工具的轻量化，铝合金的应用范围渐广，其连接特别是焊接问题得到广泛的重视。
常用的铝合金焊接方法之一是钎焊，与熔焊相比其特点明显:加热温度一般低于母材熔点，对母材物理化学性能无明显的不利影响；钎焊温度低，易对工件整体均匀加热等。但铝合金的钎焊难度较大，主要原因在于:
(1)铝的化学性质较为活泼，对氧的亲和力极强,表面极易形成一层致密的氧化膜,阻碍了母材和钎料之间的原子扩散，使得润湿性大大降低；
(2)铝合金硬钎焊用钎料的熔点与铝合金熔点相差不大，钎焊时铝合金母材晶粒很容易长大，或造成母材的过量熔解形成熔蚀缺陷；
(3)由于母材和焊缝电极电位的差异，易产生电化学腐蚀，给接头的抗腐蚀性能带来不利影响；
(4)钎剂一般是卤化盐，具有强腐蚀性，接头因此极易在焊接后腐蚀。
共晶铝硅合金钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，是铝合金钎焊中应用最广的一种铝钎料。Al-Si钎料因具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，故是应用最广的一种铝钎料。
药芯焊丝是近年来迅速发展的一种新型焊接材料，在工业发达国家已获得广泛的应用。据资料介绍：日本从1985年至今其焊条占整个焊材的比例从45%下降到20%；而药芯焊丝所占比例已达到近30%。在美国焊条比例下降到不足40%，药芯焊丝则接近40%；西欧各国焊条约占30%，药芯焊丝约占20%。由此可见，近几十年来工业发达国家传统焊条比例正在不断下降，而药芯焊丝在整个焊材中的比例却大幅度提高。
药芯焊丝也称为管状焊丝，可以通过调整药芯添加物的种类和比例，很方便地设计各种不同用途的焊接材料，因为它的合金成分可灵活方便的调整，所以药芯焊丝的许多品种是实心焊丝无法冶炼和轧制的。药芯焊丝具有效率高、焊接工艺性好、成本较低等特点，已被广泛应用于造船、桥梁、压力容器、汽车、铁路运输、管道、海洋工程、电站建设、采矿、石化、建筑机械、重型机械及高层建筑等行业。
药芯焊丝与手工焊条和氩弧焊丝相比有明显的优势，主要是把断续的焊接过程变为连续的生产方式，从而减少了焊接接头的数目，提高了焊缝质量，也提高了生产效率，节约了能源，继承了焊条的成分可调的优点,其熔敷效率甚至可以高达手工焊条的4倍,还具有焊缝成形光顺美观、焊接变形小等一系列优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝硅合金无缝药芯焊丝、制备及应用，其用于钎焊铝合金材料。
本发明的另一目的是提供一种铝硅合金片材的加工方法，其通过非真空熔铸、挤压、轧制及退火工序，解决了合金加工性能差的问题，采用这种方法可以制备厚度为0.5mm的铝硅合金带材。
本发明的又一目的是提供一种钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝的成型制备方法，其将一定宽度的铝硅合金带材经轧制机组轧成U形槽，加入按照配方配制的药芯粉料，在成形辊的轧制下合口成O形断面的药芯焊丝毛坯。
本发明的再一目的是提供一种钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝的拉拔及退火工艺，采用这种方法可以将直径为Φ4.2mm的药芯焊丝经拉拔、退火工序，减径至Φ1.0mm及以上。
本发明的一种铝硅合金无缝药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝采用铝硅合金作为外皮，药芯为助焊剂。
其中铝硅合金外皮的组成为含硅质量百分含量为4-15%，余量为铝及不可避免的杂质。药芯为氟铝酸钾，其熔点为510℃—530℃。
本发明的铝硅合金无缝药芯焊丝用于钎焊铝合金。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
（1）铝硅合金的熔铸工艺；
通过对熔炼温度及浇铸温度，脱气精炼的方法和时间的控制，熔铸出直径为Φ100mm的铝硅合金棒材。
（2）铝硅合金挤压、轧制及退火工序；
选取合适的挤压模具设计，通过对挤压温度和速度的控制，将直径为Φ100mm的棒材挤压成≠5mm的板材，再经过轧制及退火工序，加工成厚度为0.5mm及以上的带材。
（3）铝硅合金无缝药芯焊丝成型工艺；
依据制备药芯焊丝的设备条件，选取适当厚度的片材为原始材料，在制备药芯的同时将钎剂包覆在内，制备出药芯焊丝。
（4）无缝药芯焊丝的拉拔工艺；
对直径约为Φ4.2mm的药芯焊丝进行拉拔工序，对拉拔道次及中间退火温度进行摸索，加工药芯焊丝至Φ1.0mm及以上尺寸。
为制备上述铝硅合金无缝药芯焊丝，具体包括以下步骤：
（1）按含硅量为30%制备铝硅合金，称重99.999%高纯铝，99.999%单晶硅；使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭，合金的浇铸温度为720-750℃；
（2）制备含硅量为4-15%的铝硅合金，称重99.999%高纯铝，将准备好的铝装入石墨坩埚内，升温，待铝全部熔化后继续升温至750℃，加入步骤（1）制备的AlSi30中间合金后用石墨棒将其压入铝液中，加热熔化，随时用石墨棒搅拌熔液以加速中间合金的熔化，使硅在铝液中分布均匀，用精炼剂脱气精炼，待精炼剂反应停止后再次充分搅拌，静置片刻，用石墨片将熔体表面氧化渣扒干净，炉料温度达到700-750℃时浇入水冷铸铁棒模中得到铝硅合金棒材；
（3）铝硅合金挤压、轧制及退火工序；
将步骤（2）置于挤压模具中并装入退火炉重，设置加热温度为380℃—420℃（优选400℃），保温3小时，开始挤压，挤压温度为380℃—420℃（优选400℃），速度优选10mm/s，压后带材尺寸为厚度为5—8mm，其宽度一般为85mm；
将上述挤压出的铝硅合金带材在退火炉中均匀化退火，退火温度为400—440℃（优选420℃），保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为420℃，轧制2-3道次后将合金返回加热炉中加热，温度为420℃，保温至少30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至厚度3-4mm（优选3.5mm）后转入中间轧制；
中间轧制为退火温度为400—440℃（优选420℃），保温1小时，随炉冷后轧制至厚度0.6-1mm（优选0.8mm），转入成品轧制；
将厚度0.6-1mm（优选0.8mm）铝硅合金带材装入箱式退火炉中，400—440℃（优选420℃）保温3小时后随炉后，进行冷加工至厚度为0.4-0.5mm；
（4）铝硅合金无缝药芯焊丝成型工艺
选取步骤（3）的带材为原始材料，将带材经由不同大小的压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出直径范围在Φ3.8-4.4mm的无缝药芯焊丝毛坯；
（5）无缝药芯焊丝的拉拔工艺
将步骤（4）药芯焊丝毛坯装入退火炉中，400—440℃（优选420℃）保温3小时后随炉冷，进行拉拔工序，冷拉拔至Φ1.0mm或以上尺寸。
本发明的优点是：
1、本发明铝硅合金无缝药芯焊丝是利用加工出来的铝硅合金带材，在制备药芯焊丝的同时将钎剂包覆在内，并最终实现无缝药芯焊丝的成型，其最大的优点是钎料自带钎剂，在钎焊时不需要再添加钎剂；
2、由于钎料自带钎剂，在对某些具有复杂结构零件或大型焊接焊接时，无需手动添加钎剂，可以实现自动焊接。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
步骤（1）：采用下述的制备方法制备铝硅中间合金，其组分及质量百分比为：Si：30%，Al：余量（简称AlSi30）。
制备工艺如下：
a)备原材料：外购99.999%高纯铝原材料，99.999%单晶硅头Si-1原材料；按照上述组分及质量百分比配比计算、称重。
b)使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批小量地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭。合金的浇铸温度为720-750℃；
步骤（2）：
利用步骤（1）所制备的AlSi30中间合金制备10Kg成分含量为Si12%的铝硅合金棒材，方法如下：
a)备原材料：外购99.999%高纯铝原材料，AlSi30中间合金；按照含硅为12%进行配比计算、称重。
b)将准备好的铝装入石墨坩埚内，快速升温，待铝全部熔化后继续升温至750℃，加入AlSi30中间合金后用石墨棒将其压入铝液中，加热熔化，随时用石墨棒搅拌熔液以加速中间合金的熔化，使硅在铝液中分布均匀，用精炼剂脱气精炼，待精炼剂反应停止后再次充分搅拌，静置片刻，用石墨片将熔体表面氧化渣扒干净，炉料温度达到700-750℃时浇入水冷铸铁棒模中。
步骤（3）：
将步骤（2）制备的铝硅12合金棒材挤压成厚度为5mm，宽85mm的带材，方法如下：
a)挤压设备：
挤压机：1200吨卧式挤压机；
退火炉：电阻箱式退火炉；
b)挤压模具：
规格：≠5×85mm，模具钢；
润滑剂：60%24#气缸油+40%石墨粉
c)挤压前将铝硅12合金棒材及挤压模具装入电阻箱式退火炉，设定加热温度为380℃，保温3小时。挤压温度为380℃，速度10mm/s。
步骤（4）：
将步骤（3）挤压出的铝硅12合金带材经轧制工序至厚度为3.5mm，方法如下：
a)轧制设备：
轧机：Φ310轧机；
箱式电阻炉及其他热轧工具
b)轧制前，保证轧机轴瓦和辊面保持良好的润滑。将实施例3挤压出的铝硅12合金带材在箱式退火炉中均匀化退火，420℃保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为420℃，轧制2-3道次后加工合金返回加热炉中加热，温度为420℃，保温30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至3.5mm后转入中间轧制。
步骤（5）：
将步骤（4）开坯轧制出的铝硅12合金带材经成品轧制工序至厚度为0.8mm，方法如下：
a)轧制设备：
轧机：Φ90×200×200mm四辊中轧机；
箱式电阻炉及其他热轧工具；
b)将实施例4中厚度为3.5mm的铝硅12合金带材装入箱式退火炉中加热，退火温度为420℃，保温1小时，随炉冷，轧制至0.8mm。
步骤（6）：
a)轧制设备：
轧机：Φ154×300mm精轧机；
箱式电阻炉及其他热轧工具；
b)将实施例5厚度为0.8mm的铝硅12合金带材装入箱式退火炉中，420℃保温3小时后随炉后，进行冷加工。轧制过程中通过压下量的调整，保证加工出的带材平直，通过成品轧机轧制至厚度为0.5mm。
步骤（7）：
将步骤（6）制备的铝硅12合金片材进行分条切边，为药芯焊丝的制备做准备。
a)使用设备：
药芯焊丝制备机
b)依据药芯焊丝的直径不同选取合适宽度的铝硅12合金片材，通过不同大小的压辊进行药芯焊丝的成型工序，并将钎剂包覆在其内，制备出直径约为Φ4.2mm的药芯焊丝。药芯焊丝包覆完好，无开裂。
步骤（8）：
将步骤（7）制备的铝硅12合金无缝药芯焊丝经拉拔工序加工至Φ1.0mm，方法如下：
a)拉拔设备及模具：
大立罐拔丝机：MODEL-560-1型拉丝机；
小立罐拔丝机：C732型立式滚筒拉丝机
压尖机及拔丝退火炉；
拔丝模：硬质合金模；
b)将步骤（7）制备的铝硅12合金药芯焊丝装入退火炉中，420℃，保温3小时后随炉冷，冷加工至所需的成品尺寸。
实施例2
步骤（1）
选取长度为40mm，宽度为40mm，厚2mm的高铝板为基材，对实施例1制备的铝硅药芯焊丝做铺展性试验。使用普通电阻炉加热，设定温度为530℃，反应时间为40s，材料从入炉到出炉不超过2min，每个铺展试验选取铝硅药芯焊丝0.1g。对铺展面积用面积仪测量结果为平均4cm2。
步骤（2）
选取长度为150mm，宽度为30mm，厚2mm的高铝板为立板，长度为150mm，宽度为40mm，厚2mm的高铝板为底板，对铝硅药芯焊丝做填缝性试验，立板的一端与底板间隙为1mm，且互相垂直，每个实验取铝硅药芯焊丝0.75g。经测量，填缝长度平均为13.13cm。
步骤（3）
选取长度为100mm，宽度为20mm，厚3mm的6063铝合金板材为母材，采用火焰钎焊的方法，分别对母材两两进行对接及搭接制样，研究铝硅药芯焊丝的焊接性能。在拉伸机试验下，铝硅12药芯焊丝的抗拉强度平均达114Mpa，剪切强度平均达21.83Mpa。

Claims (7)

1.钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝，其特征在于，药芯焊丝采用铝硅合金作为外皮，药芯为助焊剂；铝硅合金外皮的组成为含硅质量百分含量为4-15%，余量为铝及不可避免的杂质。
2.按照权利要求1的钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝，其特征在于，药芯为氟铝酸钾，其熔点为510℃—530℃。
3.制备权利要求1所述的钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按含硅量为30%制备铝硅合金，称重99.999%高纯铝，99.999%单晶硅；使用中频感应炉加热，在石墨黏土坩埚内加入铝锭后升温，将铝锭熔化后将单晶硅破碎后，分批地加入，用钟罩将硅压入铝液，加入铝液中的硅溶解非常激烈，待硅全部熔清后，铸锭，合金的浇铸温度为720-750℃；
（2）制备含硅量为4-15%的铝硅合金，称重99.999%高纯铝，将准备好的铝装入石墨坩埚内，升温，待铝全部熔化后继续升温至750℃，加入步骤（1）制备的AlSi30中间合金后用石墨棒将其压入铝液中，加热熔化，随时用石墨棒搅拌熔液以加速中间合金的熔化，使硅在铝液中分布均匀，用精炼剂脱气精炼，待精炼剂反应停止后再次充分搅拌，静置片刻，用石墨片将熔体表面氧化渣扒干净，炉料温度达到700-750℃时浇入水冷铸铁棒模中得到铝硅合金棒材；
（3）铝硅合金挤压、轧制及退火工序；
将步骤（2）置于挤压模具中并装入退火炉中，设置加热温度为380℃—420℃（优选400℃），保温3小时，开始挤压，挤压温度为380℃—420℃（优选400℃），速度优选10mm/s，压后带材尺寸为厚度为5—8mm；
将上述挤压出的铝硅合金带材在退火炉中均匀化退火，退火温度为400—440℃（优选420℃），保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为420℃，轧制2-3道次后将合金返回加热炉中加热，温度为420℃，保温至少30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至厚度3-4mm（优选3.5mm）后转入中间轧制；
中间轧制为退火温度为400—440℃，保温1小时，随炉冷后轧制至厚度0.6-1mm，转入成品轧制；
将厚度0.6-1mm铝硅合金带材装入箱式退火炉中，400—440℃保温3小时后随炉后，进行冷加工至厚度为0.4-0.5mm；
（4）铝硅合金无缝药芯焊丝成型工艺
选取步骤（3）的带材为原始材料，将带材经由不同大小的压辊轧制合口成o形断面的空心焊条的同时将药芯粉料包覆在焊条中，制备出直径范围在Φ3.8-4.4mm的无缝药芯焊丝毛坯；
（5）无缝药芯焊丝的拉拔工艺
将步骤（4）药芯焊丝毛坯装入退火炉中，400—440℃保温3小时后随炉冷，进行拉拔工序，冷拉拔至Φ1.0mm或以上尺寸。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，步骤（3）中将步骤（2）置于挤压模具中并装入退火炉中，设置加热温度为400℃，保温3小时，开始挤压，挤压温度为400℃；
将上述挤压出的铝硅合金带材在退火炉中均匀化退火，退火温度为420℃，保温3小时后进行热轧开坯轧制，在开坯轧制中材料的温度为420℃，轧制2-3道次后将合金返回加热炉中加热，温度为420℃，保温至少30min后，继续开坯轧制，这样反复轧制至厚度3.5mm后转入中间轧制；
中间轧制为退火温度为420℃，保温1小时，随炉冷后轧制至厚度0.8mm，转入成品轧制；
将厚度0.8mm铝硅合金带材装入箱式退火炉中，420℃保温3小时后随炉后，进行冷加工至厚度为0.5mm。
5.按照权利要求3的方法，其特征在于，步骤（4）药芯焊丝毛坯直径约为Φ4.2mm。
6.按照权利要求3的方法，其特征在于，步骤（5）中是将步骤（4）药芯焊丝毛坯装入退火炉中，420℃保温3小时后随炉冷，进行拉拔工序，冷拉拔至Φ1.0mm。
7.权利要求1或2所述的钎焊用铝硅合金无缝药芯焊丝用于钎焊铝合金。
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