Пайка алюминия и алюминиевых сплавов

1. Пайемость

Паяльные свойства алюминия и алюминиевых сплавов плохие, главным образом из-за трудноудаляемой оксидной пленки на поверхности. Алюминий обладает большим сродством к кислороду. На его поверхности легко образуется плотная, стабильная и высокотемпературная оксидная пленка Al2O3. В то же время, алюминиевые сплавы, содержащие магний, также образуют очень стабильную оксидную пленку MgO. Она серьезно затрудняет смачивание и растекание припоя, а также ее трудно удалить. При пайке процесс пайки возможен только с использованием соответствующего флюса.

Во-вторых, пайка алюминия и алюминиевых сплавов представляет собой сложную задачу. Температура плавления алюминия и алюминиевых сплавов не сильно отличается от температуры плавления используемого припоя. Диапазон рабочих температур для пайки очень узок. Небольшая ошибка в контроле температуры может легко привести к перегреву или даже плавлению основного металла, что затрудняет процесс пайки. Некоторые алюминиевые сплавы, упрочненные термической обработкой, также могут вызывать размягчение, например, перегрев или отжиг, из-за нагрева при пайке, что снижает свойства паяных соединений. При пайке пламенем сложно контролировать температуру, поскольку цвет алюминиевого сплава не меняется при нагреве, что также повышает требования к уровню квалификации оператора.

Кроме того, коррозионная стойкость паяных соединений алюминия и алюминиевых сплавов легко снижается под воздействием припоев и флюсов. Электродный потенциал алюминия и алюминиевых сплавов значительно отличается от потенциала припоя, что снижает коррозионную стойкость соединения, особенно при использовании мягких припоев. Вдобавок, 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 вызывает электрохимическую коррозию соединения. При мягкой пайке в основном используются цинковые и олово-свинцовые припои, которые можно разделить на низкотемпературные (150–260 ℃), среднетемпературные (260–370 ℃) и высокотемпературные (370–430 ℃) в зависимости от температурного диапазона. При использовании олово-свинцового припоя и предварительном нанесении меди или никеля на поверхность алюминия для пайки предотвращается коррозия на границе раздела, что повышает коррозионную стойкость соединения.

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов широко применяется, например, в направляющих фильтров, испарителях, радиаторах и других компонентах. Для пайки алюминия и алюминиевых сплавов можно использовать только припои на основе алюминия, среди которых наиболее распространены припои на основе алюминия и кремния. Конкретная область применения и прочность на сдвиг паяных соединений показаны в таблицах 8 и 9 соответственно. Однако температура плавления этого припоя близка к температуре плавления основного металла, поэтому температуру нагрева во время пайки необходимо строго и точно контролировать, чтобы избежать перегрева или даже плавления основного металла.

Таблица 8. Область применения припоев для пайки алюминия и алюминиевых сплавов.

Таблица 9. Прочность на сдвиг соединений алюминия и алюминиевых сплавов, спаянных припоями на основе алюминия и кремния.

Алюмосиликатный припой обычно поставляется в виде порошка, пасты, проволоки или листа. В некоторых случаях используются композитные припои, в которых алюминий выступает в качестве сердцевины, а алюминиево-кремниевый припой — в качестве оболочки. Такие композитные припои изготавливаются гидравлическим методом и часто используются в качестве компонентов для пайки. Во время пайки припой на композитной пластине плавится и под действием капиллярных сил и силы тяжести заполняет зазор в соединении.

(2) Флюс и защитный газ для пайки алюминия и алюминиевых сплавов; для удаления пленки 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 влияет на смачивание и герметизацию припоя. Реактивный флюс на основе хлорида цинка, например, fs203 и fs220a, используется со средне- и высокотемпературными мягкими припоями. Реактивный флюс обладает высокой коррозионной активностью, и его остатки необходимо удалять после пайки.

В настоящее время при пайке алюминия и алюминиевых сплавов по-прежнему преобладает метод удаления оксидной пленки с помощью флюса. Используемые флюсы включают хлоридные и фторидные флюсы. Хлоридные флюсы обладают высокой способностью удалять оксидную пленку и хорошей текучестью, но оказывают сильное коррозионное воздействие на основной металл. Их остатки необходимо полностью удалить после пайки. Фторидные флюсы — это новый тип флюса, обладающий хорошим эффектом удаления пленки и не вызывающий коррозии основного металла. Однако они имеют высокую температуру плавления и низкую термическую стабильность, и могут 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 должна достигать порядка 10⁻³ Па. При использовании азота или аргона для защиты необходимо обеспечить очень высокую чистоту газа и температуру росы ниже -40 ℃.

3. Технология пайки

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов предъявляет высокие требования к очистке поверхности заготовки. Для получения хорошего качества необходимо удалить масляные пятна и оксидную пленку с поверхности перед пайкой. Масляные пятна с поверхности удаляют водным раствором Na2CO3 при температуре 60–70 ℃ в течение 5–10 минут, затем промывают чистой водой; оксидную пленку с поверхности можно удалить травлением водным раствором NaOH при температуре 20–40 ℃ в течение 2–4 минут, затем промывают горячей водой; после удаления масляных пятен и оксидной пленки с поверхности заготовку следует обработать водным раствором HNO3 для придания блеска в течение 2–5 минут, затем промыть проточной водой и, наконец, высушить. Заготовку, обработанную этими методами, нельзя трогать или загрязнять другими загрязнениями, и пайку следует проводить в течение 6–8 часов. Желательно, чтобы пайка проводилась немедленно, если это возможно.

Основные методы пайки алюминия и алюминиевых сплавов включают пламенную пайку, пайку паяльником и печную пайку. Эти методы обычно используют флюс и предъявляют строгие требования к температуре нагрева и времени выдержки. При пламенной и паяльной пайке следует избегать прямого нагрева флюса источником тепла, чтобы предотвратить его перегрев и выход из строя. Поскольку алюминий может растворяться в мягком припое с высоким содержанием цинка, нагрев следует прекратить после образования соединения, чтобы избежать коррозии основного металла. В некоторых случаях пайка алюминия и алюминиевых сплавов иногда не использует флюс, а применяет ультразвуковые методы или скребковые методы для удаления пленки. При использовании скребковых методов для удаления пленки перед пайкой сначала нагрейте заготовку до температуры пайки, а затем соскребите припаянную часть заготовки концом припоя (или скребковым инструментом). При разрушении поверхностной оксидной пленки конец припоя расплавит и смочит основной металл.

Основные методы пайки алюминия и алюминиевых сплавов включают пламенную пайку, печную пайку, пайку погружением, вакуумную пайку и пайку в защитной газовой среде. Пламенная пайка чаще всего используется для небольших заготовок и при производстве единичных изделий. Чтобы избежать выхода флюса из строя из-за контакта примесей в ацетилене с флюсом при использовании кислородно-ацетиленового пламени, целесообразно использовать пламя сжатого воздуха на бензине с низкой восстановительной способностью, чтобы предотвратить окисление основного металла. При определенных методах пайки флюс и припой можно предварительно разместить в месте пайки и нагревать их одновременно с заготовкой; заготовку также можно сначала нагреть до температуры пайки, а затем поместить припой, пропитанный флюсом, в место пайки; после расплавления флюса и припоя пламя следует медленно выключать после равномерного заполнения припоем.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в воздушной печи необходимо предварительно подготовить припой, а затем расплавить флюс в дистиллированной воде для получения густого раствора с концентрацией 50–75%, который затем наносится на поверхность для пайки методом нанесения покрытия или распыления. Также можно нанести соответствующее количество порошкообразного флюса на припой и поверхность для пайки, после чего собранное сварное соединение помещается в печь для нагрева и пайки. Для предотвращения перегрева или даже плавления основного металла необходимо строго контролировать температуру нагрева.

Для пайки алюминия и алюминиевых сплавов обычно используется пастообразный или фольговый припой. Перед пайкой собранную заготовку необходимо предварительно нагреть до температуры, близкой к температуре пайки, а затем погрузить в припой для пайки. Во время пайки необходимо строго контролировать температуру и время пайки. Если температура слишком высока, основной металл легко растворяется, и припой легко теряется; если температура слишком низка, припой недостаточно расплавляется, и скорость пайки снижается. Температура пайки определяется в зависимости от типа и размера основного металла, состава и температуры плавления припоя и обычно находится в диапазоне между температурой ликвидуса припоя и температурой солидуса основного металла. Время погружения заготовки в ванну с припоем должно обеспечивать полное расплавление и растекание припоя, а время выдержки не должно быть слишком большим. В противном случае кремний, содержащийся в припое, может диффундировать в основной металл, делая основной металл вблизи шва хрупким.

При вакуумной пайке алюминия и алюминиевых сплавов часто используются активаторы, воздействующие на металл, для модификации поверхностной оксидной пленки алюминия и обеспечения смачивания и равномерного распределения припоя. Магний может наноситься непосредственно на заготовку в виде частиц, вводиться в зону пайки в виде пара или 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 процесса, а именно: заготовка сначала помещается в коробку из нержавеющей стали (обычно называемую технологической коробкой), а затем в вакуумную печь для нагрева припоя. Вакуумные паяные соединения алюминия и алюминиевых сплавов имеют гладкую поверхность и плотные паяные швы, и не требуют очистки после пайки; однако вакуумное паяльное оборудование дорогое, а пары магния серьезно загрязняют печь, поэтому ее необходимо часто чистить и обслуживать.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в нейтральной или инертной атмосфере для удаления пленки можно использовать магниевый активатор или флюс. При использовании магниевого активатора для удаления пленки требуется гораздо меньше магния, чем при вакуумной пайке. Обычно содержание магния составляет около 0,2% ~ 0,5%. При высоком содержании магния качество соединения снижается. Метод пайки NOCOLOK с использованием фторидного флюса и азотной защиты — это новый метод, быстро развивающийся в последние годы. Поскольку остатки фторидного флюса не впитывают влагу и не вызывают коррозии алюминия, процесс удаления остатков флюса после пайки можно исключить. Под защитой азота требуется нанесение лишь небольшого количества фторидного флюса, припой хорошо смачивает основной металл, и легко получить высококачественные паяные соединения. В настоящее время этот метод пайки NOCOLOK используется в массовом производстве алюминиевых радиаторов и других компонентов.

Для алюминия и алюминиевых сплавов, спаянных флюсом, отличным от фторидного, остатки флюса необходимо полностью удалить после пайки. Остатки органического припоя для алюминия можно промыть органическими растворами, такими как метанол и трихлорэтилен, нейтрализовать водным раствором гидроксида натрия и, наконец, очистить горячей и холодной водой. Хлоридный флюс является остатком припоя для алюминия, который можно удалить следующими способами: сначала замочить в горячей воде при температуре 60–80 ℃ на 10 минут, тщательно очистить остатки на спаянном соединении щеткой и промыть холодной водой; затем замочить в 15% водном растворе азотной кислоты на 30 минут и, наконец, промыть холодной водой.