LF6铝合金的钎焊工艺过程设计

《钎焊》课程论文铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝的密度为ρ=2.7g/cm3，大约只有铁的三分之一，使用铝合金代替铁可以大大减轻结构的重量，因此铝合金在航空、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。铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。对于不可热处理的变形铝合金，如果进行机械加工后，机械性能会变化很大，此时切割难度会加大，对于可热处理型铝合金，则根据要求进行相应的热处理。1、LF6化学成分及性能分析LF6是一种常见的铝镁合金材料，新牌号5A06为Al-Mg系防锈铝，该系铝合金属于不可热处理强化的铝合金，虽然镁在铝中的固溶度随着温度的降低而迅速减小，但是由于沉淀相形核困难，核心少，沉淀相尺寸大，因而合金的实效效果差。LF6密度ρ=2.64g/cm3，液相线温度为620°C、固相线温度为580°C、线膨胀系数约为25μm/m”·K、体膨胀系数（20°C）为68*10e-6m3/m3·K、比热容（20°C）为924J/kg·K、导热率（20°C、退火态）为118W/m·K。LF6具有较高的强度和腐蚀稳定性,在退火和挤压状态下塑性尚好，用氩弧焊的焊缝气密性和焊缝塑性尚可,气焊和点焊其焊接接头强度为基体强度的90～95％;可切削性能良好。LF6的典型用途为焊接结构、冷漠段零件、焊接容器受力零件、飞机蒙皮骨架部件。LF6的主要成分为Al，并含有约5.6%~6.8%Mg、0.4%Si、0.1%Cu、0.2%Zn、0.5%~0.8%Mn、0.02%~0.1%Ti及微量的Be元素和Fe元素。向合金中加入Mn可以使Mg相沉淀均匀，提高合金抗腐蚀性，并且有效提高合金的强度，但是Mn元素过多会导致塑性显著减低，不利于合金的加工及使用。合金中的Be可以改善合金铸造质量和表面质量，Ti可以细化合金晶粒。而Fe、Si、Cu、Zn为杂志元素，应严格控制，必要时使用多种手段加以去除。对于室温退火态的LF6的，其力学性能表现为：抗拉强度σb=340(MPa)：；条件屈服强度σ0.2=160(MPa)；伸长率10=20％；硬度70HB；冲击韧性ak=88.2*10e4N·m；疲劳强度δf=130MPa。2、钎焊特性分析LF6是一种高比强度材料，但是由于其密度和熔点低、易氧化、导热系数大，在传统的熔焊生产中容易产生气孔、裂纹、变形等致命缺陷。因此使用钎焊方法在较低温度下焊接铝合金，可以保证焊接接头性能质量。合理设计铝合金钎焊工艺师获得优质性能质量接头的重要保证，因此必须立足于母材的特性进行分析。特别是母材的物理化学性能和冶金性能，即材料是否易与其他金属发生冶金反应，因而能够使钎剂钎料发生润湿，达到钎焊所要求的目的。从冶金钎焊的角度来看，合适母材与钎料在一定条件下可以完成优质的钎焊，我们可以通过筛选合适的钎料钎剂用于钎焊，获得优质性能质量的焊接接头。LF6含5.5%以上的Mg元素，当使用有机软钎剂钎焊时，会由于很高的含Mg量使得母材表面镁的氧化物增多，难以使用有机钎剂加以去除，因此LF6对于有机软钎剂的润湿性很差。对于Zn基钎料和钎剂则不受LF6中镁含量的影响，Zn基钎料融化温度在450°C左右，是介于软硬钎料之间的一种钎料，但不适合于真空钎焊。对于铝镁合金来说，镁含量在1.5%以上的钎焊性较差，使用高温软钎料和反应钎剂比较容易钎焊，LF6便属于这一类型。而Zn基钎剂正是靠与母材反应而破坏和清除母材表面氧化物，达到使钎料润湿母材的效果。此外对于一些含Sn的钎剂钎料，在给LF6进行钎焊时会产生晶间渗入现象，特别是在有冷加工引起的参与应力存在时。对于Zn基钎料也存在这样的问题，但是并不明显。钎焊方法是除了冶金钎焊角度外另一个影响钎焊接头质量的重要因素。不同的材料对不同的工艺方法分别适用，在不同的钎焊工艺方法下，接头可以获得不同的钎焊效果。一般的钎焊工艺方法包括烙铁钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、扩散钎焊和浸沾钎焊等方法。影响材料工艺钎焊性的主要因素是材料表面氧化膜的特性、材料对钎焊加热的敏感性及材料与所用钎料、钎剂的相互作用特性等。LF6的钎焊工艺性较差，原因主要可以概括为以下四点：(1)、铝原子对氧的亲和力极大，表面很容易生成一层致密且化学稳定、熔点很高的氧化铝膜，用普通工艺手段很难将其彻底去除。室温时氧化膜的厚度仅为5nm左右，但是当进行钎焊加工时，在接近铝熔点的钎焊温度下，氧化膜的厚度可以高达100nm至200nm。氧化膜的存在，阻碍了钎料与母材的润湿和结合，给钎焊过程设置了很大障碍。因此怎样去除氧化膜成为钎焊LF6材料的主要问题之一。(2)、当使用硬钎料时，钎焊温度在450°C以上，而LF6的熔点是620°C，无法使用Ag、Cu、Ni基钎料，很多Al基钎料受到母材熔点限制无法使用，而且在钎焊时必须严格控制温度范围。(3)、虽然镁有限呈阳极相Mg5Al8或Mg5Al3在晶界沉淀从而使合金有产生抗晶间裂纹及应力腐蚀的倾向，但在用软钎料钎焊时，由于钎料和母材之间电极电位相差悬殊，给钎焊接头的抗腐蚀性能带来不利影响。(4)、在钎焊过程中所使用的钎剂必须有能够有效清除铝合金表面氧化膜的能力，因此在钎焊结束之后残留在钎焊接头上的钎剂会对接头产生腐蚀破坏的危险。在钎焊结束之后必须及时将钎剂清除干净。3、典型钎焊工艺设计钎焊工艺：钎焊方法通常是以实现钎焊加热所使用的热源来命名的。一般的钎焊工艺方法包括烙铁钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、扩散钎焊和浸沾钎焊等方法。通过使用不同的钎焊方法，可以使母材、钎料、钎剂之间在不同的环境下发生物理化学反应，从而获得不同特点的焊接接头。钎焊保温时间视工件大小及钎料与母材相互作用的剧烈程度而定。大件的保温时间应长些，以保证加热均匀。钎料与母材作用强烈的，保温时间要短。一般说来，一定的保温时间是促使钎料与母材相互扩散，形成牢固结合所必需的。但过长的保温时间将导致熔蚀等缺陷的发生。现就几种主要的钎焊工艺方法应用于LF6钎焊分析如下：烙铁钎焊：一种利用烙铁头作为热源对母材与钎料进行加热的钎焊方式。通过火焰或者电阻加热烙铁头，使热量传导到母材与钎料上，进而融化钎料进行焊接。一般的烙铁头与母材接触面积较小，热量传输较为集中，因此母材中温度分布梯度较大，容易产生热变形和热应力。同时烙铁钎焊的温度难以控制，对于需要准确控温的LF6钎焊过程，显然烙铁钎焊时不能适用的。火焰钎焊：火焰钎焊是利用火焰作为热源直接对钎焊接头进行加热的钎焊工艺，它适用性广，工艺过程简单，设备轻便，原料充足，也适合不同形状的钎焊接头。但手工火焰钎焊的缺点是温度难以控制，主要依靠主管判断，因此与烙铁钎焊一样，不适用于LF6的钎焊过程。电阻钎焊：由于焦耳定律的存在，在电流通过导电体的时候会有一定的电能损耗，电能转化为热能。电阻钎焊就是利用这样一个现象，在被焊接的两工件或其中一个工件上通以电流，使之在母材上产热并升温，随后融化钎料。电阻钎焊对钎剂和钎料有所要求，不能适用固态钎剂，同时钎料需要一定的导电性。对于LF6的钎焊过程而言，铝合金的电阻率很低，当电流通过LF6材料时所放出的热量很少，更多的电能损耗在了线路和电极上，加热速度慢。因此无法使用电阻钎焊对LF6铝合金材料进行钎焊。感应钎焊：在线圈中通过高频交变电流，就会在线圈中间产生感应磁场。将待焊部分置于高频交变磁场之中，工件会因磁电效应而在内部产生涡流，电流能快速加热工件使工件升温、钎料融化。感应钎焊的方法因为对温度的控制比较困难，因此不适合用于LF6铝合金钎焊。浸沾钎焊：浸沾钎焊主要包括盐浴钎焊和融化钎料中的浸沾钎焊。盐浴钎焊是指将工件浸入盐浴之中，使之对工件产生保护，热源加热盐浴，盐浴将温度传给工件，融化钎料进行焊接。盐浴钎焊时需要使用大量的盐，尤其是在给铝合金钎焊的过程中要使用大量含有氯化锂的钎剂，成本很高，因此一般不用做LF6铝合金的钎焊。融化钎料中的浸沾钎焊是将已经钎剂处理过后的工件浸入融化的钎料之中，一般用于铜及铜合金，LF6铝合金不宜使用融化钎料中的浸沾钎焊。炉中钎焊：炉中钎焊时利用电阻炉来加热工件，主要可以区分为空气炉中钎焊、中性气氛炉中钎焊、活性气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊，它们的区别在于炉内所使用的气氛互不相同。炉中钎焊时，温度可以通过传感器严格控制，可以应用于许多难焊的金属和合金，因此相比于其它钎焊工艺方法来讲，LF6铝合金适合使用炉中钎焊的方法进行钎焊。钎焊材料选择：钎焊材料包括钎料和钎剂等，钎料主要有Sn基钎料、Zn基钎料、Ni基钎料、Pb基钎料、Cd基钎料、Al基钎料和Ag基钎料等。Cu基、Ag基和Ni基的钎料熔点在600°C以上，比LF6铝合金的熔点高，无法应用于LF6的钎焊，AgCuZnCd钎料熔点低，但是Cd元素是有害元素且易挥发。Pb基钎料和Sn基钎料适合于钎焊铜及铜合金，对于铝合金LF6的润湿性不够强。因此可以使用Al基钎料和Zn基钎料作为钎焊材料钎焊LF6铝合金。当使用软钎焊方式时，可以选用Zn基钎料，Zn与Al的亲和力大，润湿性好。Zn的熔点介于硬、软钎料之间，克服了两者的不足。Zn钎料温度在400~450℃，与铝合金的熔点相差较大，温度控制不太严格，便于操作；Zn钎料焊铝合金，接头的电极电位相差小，且平缓过渡，耐蚀性好；Zn的价格低，来源比较容易，钎焊时，钎料可根据需要加工成片状、丝状等进行使用。当使用硬钎焊方式时，使用Al基钎料进行焊接，但是LF6中有很高含量的Mg元素，使得母材表面有大量氧化镁存在，难以破坏，焊接性差，需要使用反应钎剂去除氧化膜，因此更适合使用Zn基高温软钎料进行钎焊。反应钎剂主要牌号有FS311-BAL、QZ203、ϕ220A、ϕ134，其中FS311-BAL符合ZnAl钎料的钎焊要求，融化温度低于钎料融化温度（380°C）因此LF6铝合金宜使用ZnAl钎料（Zn95%、Al5%），钎剂为反应钎剂FS311-BAL（ZnCl290%、NaF2%、NH4Cl8%），以空气炉中钎焊的方式进行焊接。4、小结和展望：铝合金LF6是一种常见的铝合金材料，对于它的钎焊，我们需要从它的各个方面进行分析，同时综合一定的知识基础，才能给出合适的钎焊工艺方法。对于其它材料也是一样，设计钎焊工艺是需要对材料有一定的了解，并且有一定的知识储备，二者缺一不可。对于任何一种新材料而言，它的发展与应用是相辅相成的，只有材料的特性被开发之后，它才能被广泛用于各个领域，同时材料的广泛应用，又使得材料有更多的机会被深入研究。