Пайка алюминия и алюминиевых сплавов

1. Паяемость

Алюминий и алюминиевые сплавы плохо паяются, главным образом из-за того, что оксидная пленка на их поверхности трудно удаляется. Алюминий обладает большим сродством к кислороду. На его поверхности легко образуется плотная, устойчивая и тугоплавкая оксидная пленка Al₂O₂. В то же время алюминиевые сплавы, содержащие магний, также образуют очень устойчивую оксидную пленку MgO. Она значительно затрудняет смачивание и растекание припоя и трудно удаляется. Пайка может осуществляться только с использованием подходящего флюса.

Во-вторых, пайка алюминия и алюминиевых сплавов сложна. Температура плавления алюминия и алюминиевых сплавов не сильно отличается от температуры плавления используемого припоя. Диапазон допустимых температур для пайки очень узкий. Даже незначительный неправильный контроль температуры может привести к перегреву или даже плавлению основного металла, что затрудняет процесс пайки. Некоторые алюминиевые сплавы, упрочненные термической обработкой, также могут вызывать размягчение, такое как старение или отжиг, из-за нагрева при пайке, что ухудшает свойства паяных соединений. При пламенной пайке трудно определить температуру, поскольку цвет алюминиевого сплава не меняется при нагревании, что также повышает требования к уровню квалификации оператора.

Более того, коррозионная стойкость паяных соединений алюминия и алюминиевых сплавов подвержена значительному влиянию присадочных материалов и флюсов. Электродный потенциал алюминия и алюминиевых сплавов существенно отличается от потенциала припоя, что снижает коррозионную стойкость соединения, особенно при пайке мягким припоем. Кроме того, большинство флюсов, используемых при пайке алюминия и алюминиевых сплавов, обладают высокой коррозионной активностью. Даже после очистки после пайки влияние флюсов на коррозионную стойкость соединений не будет полностью устранено.

2. Припой

(1) Пайка алюминия и алюминиевых сплавов — редко используемый метод, поскольку состав и электродный потенциал припоя и основного металла сильно различаются, что легко приводит к электрохимической коррозии соединения. Для мягкой пайки в основном используют припои на основе цинка и оловянно-свинцовые припои, которые в зависимости от диапазона температур можно разделить на низкотемпературные припои (150 ~ 260 ℃), среднетемпературные припои (260 ~ 370 ℃) и высокотемпературные припои (370 ~ 430 ℃). Использование оловянно-свинцового припоя и предварительное покрытие алюминиевой поверхности медью или никелем для пайки позволяет предотвратить коррозию в месте соединения и повысить коррозионную стойкость соединения.

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов широко применяется, например, для изготовления фильтродержателей, испарителей, радиаторов и других деталей. Для пайки алюминия и алюминиевых сплавов могут использоваться только присадочные металлы на основе алюминия, среди которых наиболее распространены алюминиево-кремниевые припои. Конкретные области применения и предел прочности паяных соединений на сдвиг приведены в таблицах 8 и 9 соответственно. Однако температура плавления этого припоя близка к температуре плавления основного металла, поэтому во время пайки необходимо строго контролировать температуру нагрева, чтобы избежать перегрева или даже плавления основного металла.

Таблица 8. Область применения припоев для алюминия и алюминиевых сплавов

Таблица 9. Прочность на сдвиг соединений алюминия и алюминиевых сплавов, паяных алюминиево-кремниевыми припоями

Алюминий-кремниевый припой обычно поставляется в виде порошка, пасты, проволоки или листов. В некоторых случаях используются композитные припойные пластины с алюминиевой сердцевиной и алюминиево-кремниевым припоем в качестве оболочки. Такие композитные припойные пластины изготавливаются гидравлическим способом и часто используются в составе паяных деталей. В процессе пайки припой на композитной пластине расплавляется и под действием капиллярных сил и силы тяжести заполняет зазор.

(2) Флюс и защитный газ для пайки алюминия и алюминиевых сплавов. Для удаления плёнки часто используется специальный флюс. Органический флюс на основе триэтаноламина, например, FS204, используется с низкотемпературными мягкими припоями. Преимущество этого флюса заключается в том, что он оказывает незначительное коррозионное воздействие на основной металл, но при этом выделяет большое количество газа, что ухудшает смачиваемость и герметичность припоя. Реактивный флюс на основе хлорида цинка, например, FS203 и FS220A, используется с средне- и высокотемпературными мягкими припоями. Реактивный флюс обладает высокой коррозионной активностью, и его остатки необходимо удалять после пайки.

В настоящее время пайка алюминия и алюминиевых сплавов по-прежнему осуществляется преимущественно методом удаления плёнки флюса. В качестве флюса для пайки используются хлоридные и фторидные флюсы. Хлоридный флюс обладает высокой способностью удалять оксидную плёнку и хорошей текучестью, но оказывает сильное коррозионное воздействие на основной металл. Его остатки необходимо полностью удалять после пайки. Фторидный флюс – это новый тип флюса, который хорошо удаляет плёнку и не вызывает коррозии основного металла. Однако он имеет высокую температуру плавления и низкую термостойкость и может использоваться только с алюминиево-кремниевым припоем.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов часто используется вакуум, нейтральная или инертная атмосфера. При вакуумной пайке степень вакуума обычно составляет порядка 10-3 Па. При использовании азота или аргона для защиты от коррозии их чистота должна быть очень высокой, а точка росы должна быть ниже -40 °C.

3. Технология пайки

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов предъявляет высокие требования к очистке поверхности заготовки. Для получения хорошего качества перед пайкой необходимо удалить масляные пятна и оксидную пленку с поверхности. Удалите масляные пятна с поверхности водным раствором Na2CO3 при температуре 60 ~ 70 ℃ в течение 5 ~ 10 минут, а затем промойте чистой водой; Поверхностную оксидную пленку можно удалить травлением водным раствором NaOH при температуре 20 ~ 40 ℃ в течение 2 ~ 4 минут, а затем промойте горячей водой; После удаления масляных пятен и оксидной пленки с поверхности заготовку следует обработать водным раствором HNO3 для блеска в течение 2 ~ 5 минут, затем промыть под проточной водой и, наконец, высушить. Обработанную этими методами заготовку нельзя прикасаться или загрязнять другой грязью, и ее следует паять в течение 6 ~ 8 часов. Лучше паять немедленно, если это возможно.

Методы пайки алюминия и алюминиевых сплавов в основном включают пламенную пайку, пайку паяльником и пайку в печи. Эти методы обычно используют флюс при пайке и предъявляют строгие требования к температуре нагрева и времени выдержки. Во время пламенной пайки и пайки паяльником избегайте нагрева флюса непосредственно источником тепла, чтобы предотвратить перегрев и повреждение флюса. Поскольку алюминий может растворяться в мягком припое с высоким содержанием цинка, нагрев следует прекратить после формирования соединения, чтобы избежать коррозии основного металла. В некоторых случаях при пайке алюминия и алюминиевых сплавов иногда не используют флюс, а используют ультразвуковые методы или методы соскабливания для удаления пленки. При использовании соскабливания для удаления пленки перед пайкой сначала нагрейте заготовку до температуры пайки, а затем соскоблите паяемую часть заготовки концом припоя (или соскабливания). При разрушении поверхностной оксидной пленки конец припоя будет плавиться и смачивать основной металл.

Методы пайки алюминия и алюминиевых сплавов в основном включают пламенную пайку, пайку в печи, пайку погружением, пайку в вакууме и пайку в среде защитного газа. Пламенная пайка в основном используется для небольших заготовок и единичного производства. Чтобы избежать повреждения флюса из-за контакта примесей в ацетилене с флюсом при использовании кислородно-ацетиленового пламени, целесообразно использовать пламя сжатого воздуха бензина с небольшой восстанавливаемостью, чтобы предотвратить окисление основного металла. Во время специальной пайки флюс для пайки и присадочный металл можно заранее поместить на место пайки и нагревать одновременно с заготовкой; Заготовку также можно сначала нагреть до температуры пайки, а затем припой, смоченный флюсом, можно отправить в положение пайки; После того, как флюс и присадочный металл расплавятся, нагревательное пламя следует медленно убрать после равномерного заполнения присадочным металлом.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в воздушной печи необходимо предварительно задать припой и расплавить флюс в дистиллированной воде до получения густого раствора с концентрацией 50–75%, после чего нанести или распылить его на паяемую поверхность. Также можно нанести необходимое количество порошкообразного флюса на припой и паяемую поверхность, после чего собранную сварную конструкцию поместить в печь для нагрева и пайки. Во избежание перегрева и даже плавления основного металла, необходимо строго контролировать температуру нагрева.

Паста или фольга припоя обычно используются для пайки погружением алюминия и алюминиевых сплавов. Собранную заготовку необходимо предварительно нагреть перед пайкой, чтобы ее температура была близка к температуре пайки, а затем погрузить в флюс для пайки. Во время пайки температура пайки и время пайки должны строго контролироваться. Если температура слишком высокая, основной металл легко растворяется, и припой легко теряется; если температура слишком низкая, припой не расплавляется в достаточной степени, и скорость пайки снижается. Температура пайки должна определяться в соответствии с типом и размером основного металла, составом и температурой плавления присадочного металла и, как правило, находится между температурой ликвидуса присадочного металла и температурой солидуса основного металла. Время погружения заготовки в ванну с флюсом должно обеспечивать полное расплавление и течение припоя, а время поддержки не должно быть слишком длительным. В противном случае кремний в припое может диффундировать в основной металл, делая основной металл вблизи шва хрупким.

При вакуумной пайке алюминия и алюминиевых сплавов часто используются активаторы, модифицирующие поверхностную оксидную пленку алюминия и обеспечивающие смачивание и распределение припоя. Магний может наноситься непосредственно на заготовку в виде частиц или вводиться в зону пайки в виде пара, или же магний может добавляться в алюминиево-кремниевый припой в качестве легирующего элемента. Для заготовок со сложной структурой, чтобы обеспечить полное воздействие паров магния на основной металл и улучшить качество пайки, часто применяются меры локальной защиты, то есть заготовка сначала помещается в коробку из нержавеющей стали (обычно называемую технологической коробкой), а затем помещается в вакуумную печь для нагрева пайки. Вакуумная пайка Соединения из алюминия и алюминиевых сплавов имеют гладкую поверхность и плотные паяные швы, и не требуют очистки после пайки; Однако оборудование для вакуумной пайки стоит дорого, а пары магния серьезно загрязняют печь, поэтому его необходимо часто чистить и обслуживать.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в нейтральной или инертной атмосфере для удаления пленки можно использовать активатор магния или флюс. При использовании активатора магния для удаления пленки требуется гораздо меньше магния, чем при вакуумной пайке. Обычно w (мг) составляет около 0,2% ~ 0,5%. При высоком содержании магния качество соединения ухудшается. Метод пайки NOCOLOK с использованием фторидного флюса и азотной защиты является новым методом, быстро развивающимся в последние годы. Поскольку остатки фторидного флюса не впитывают влагу и не вызывают коррозию алюминия, процесс удаления остатков флюса после пайки можно пропустить. Под защитой азота требуется нанесение лишь небольшого количества фторидного флюса, присадочный металл может хорошо смачивать основной металл, и легко получать высококачественные паяные соединения. В настоящее время этот метод пайки NOCOLOK используется в массовом производстве алюминиевых радиаторов и других компонентов.

Для алюминия и алюминиевых сплавов, паяемых с использованием флюса, отличного от фторидного, остатки флюса должны быть полностью удалены после пайки. Остатки органического флюса для пайки алюминия можно промыть органическими растворами, такими как метанол и трихлорэтилен, нейтрализовать водным раствором гидроксида натрия и, наконец, очистить горячей и холодной водой. Хлорид – это остатки флюса для пайки алюминия, которые можно удалить следующими способами: сначала замочить в горячей воде температурой 60–80 °C на 10 минут, тщательно очистить остатки на паяном соединении щеткой и промыть холодной водой; затем замочить в 15%-ном водном растворе азотной кислоты на 30 минут и, наконец, промыть холодной водой.