Brasatura di alluminio e leghe di alluminio: Spiegazioni

1. Brasabilità

La brasabilità dell'alluminio e delle leghe di alluminio è scarsa, soprattutto perché la pellicola di ossido sulla superficie è difficile da rimuovere. L'alluminio ha una forte affinità per l'ossigeno e forma facilmente una pellicola di ossido Al2O2 densa, stabile e ad alto punto di fusione sulla superficie.

Anche le leghe di alluminio contenenti magnesio formano pellicole di ossido Mgo molto stabili. Esse ostacolano seriamente la bagnabilità e la diffusione della saldatura e sono difficili da rimuovere. Solo utilizzando un flussante adeguato è possibile brasatura processo da eseguire.

Inoltre, la difficoltà operativa della brasatura di alluminio e leghe di alluminio è elevata. Il punto di fusione dell'alluminio e delle leghe di alluminio non è molto diverso dal punto di fusione della saldatura dura utilizzata e l'intervallo di temperatura disponibile per la brasatura è molto ristretto.

Un controllo improprio della temperatura può facilmente causare il surriscaldamento o addirittura la fusione del materiale di base, rendendo difficile il processo di brasatura. Alcune leghe di alluminio trattate termicamente possono subire un invecchiamento eccessivo o ricottura rammollimento dovuto al riscaldamento della brasatura, con conseguente diminuzione delle prestazioni del giunto brasato.

Nella brasatura a fiamma, non è facile valutare la temperatura a causa del colore invariato della lega di alluminio durante il riscaldamento, il che aumenta anche il livello di competenza dell'operatore.

Inoltre, la resistenza alla corrosione dei giunti brasati in alluminio e leghe di alluminio è facilmente influenzata dalla saldatura e dal flussante utilizzati. Il potenziale elettrodico dell'alluminio e delle leghe di alluminio differisce notevolmente da quello della saldatura, riducendo la resistenza alla corrosione del giunto, soprattutto per i giunti brasati morbidi.

Inoltre, la maggior parte dei flussanti utilizzati nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio sono altamente corrosivi e, anche se vengono puliti dopo la brasatura, l'impatto del flussante sulla resistenza alla corrosione del giunto non può essere completamente eliminato.

2. Materiali per la brasatura

(1) Saldatura:

La saldatura dolce di alluminio e leghe di alluminio non è comunemente utilizzata perché la differenza di composizione e di potenziale elettrodico tra la saldatura e il materiale di base nella saldatura dolce può facilmente causare corrosione elettrochimica nel giunto.

Le saldature a base di zinco e piombo-stagno sono utilizzate principalmente per la saldatura morbida, che può essere suddivisa in saldature morbide a bassa temperatura (150-260°C), saldature morbide a media temperatura (260-370°C) e saldature morbide ad alta temperatura (370-430°C) in base all'intervallo di temperatura di utilizzo.

Quando per la brasatura si utilizza una saldatura a stagno-piombo e il rame o il nichel vengono preplaccati sul superficie in alluminio, è possibile prevenire la corrosione all'interfaccia, migliorando così la resistenza alla corrosione del giunto.

La saldatura dura di alluminio e leghe di alluminio è ampiamente utilizzata, ad esempio per le guide dei filtri, gli evaporatori, i dissipatori di calore e altri componenti.

Per la saldatura dura dell'alluminio e delle leghe di alluminio si possono utilizzare solo saldature a base di alluminio, tra le quali la più diffusa è la saldatura alluminio-silicio. Il campo di applicazione specifico e la resistenza al taglio delle giunzioni saldate sono riportati rispettivamente nelle Tabelle 8 e 9.

Tuttavia, il punto di fusione di queste saldature è vicino a quello del materiale di base, quindi la temperatura di riscaldamento deve essere rigorosamente e accuratamente controllata durante la brasatura per evitare il surriscaldamento o la fusione del materiale di base.

Tabella 8: Gamma applicabile di saldature dure per alluminio e leghe di alluminio

Tabella 9: Resistenza al taglio di giunzioni in alluminio e in lega di alluminio brasate con saldature in alluminio-silicio

I materiali per la brasatura alluminio-silicio sono tipicamente forniti sotto forma di polvere, pasta, filo o foglio. In alcuni casi, viene utilizzata una piastra di brasatura composita, costituita da un nucleo di alluminio e da un materiale di brasatura alluminio-silicio come strato di rivestimento. Questa piastra composita viene prodotta con metodi idraulici ed è comunemente utilizzata come componente di gruppi brasati.

Durante la brasatura, il materiale di brasatura sulla piastra composita si scioglie e scorre per riempire le fessure del giunto, aiutato dall'azione capillare e dalla gravità.

(2) Flusso e gas di schermatura sono comunemente utilizzati nella brasatura dolce di alluminio e leghe di alluminio.

La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio richiede spesso l'uso di flussanti specializzati per rimuovere le pellicole di ossido. I flussanti organici a base di trietanolammina, come l'FS204, sono utilizzati per la brasatura di leghe a bassa temperatura.

Questi flussanti hanno il vantaggio di ridurre al minimo la corrosione sul materiale di base, ma generano una grande quantità di gas durante il flussaggio, che può influire sulla bagnatura e sul riempimento del materiale di brasatura.

I flussanti reattivi a base di cloruro di zinco, come l'FS203 e l'FS220A, sono utilizzati con leghe per brasatura a media e alta temperatura. I flussanti reattivi hanno forti proprietà corrosive e i loro residui devono essere puliti accuratamente dopo la brasatura.

La brasatura dura di alluminio e leghe di alluminio si basa ancora sulla rimozione del flusso. I flussanti utilizzati per la brasatura comprendono flussanti a base di cloruro e flussanti a base di fluoro. I flussanti a base di cloruro hanno una forte capacità disossidante e una buona fluidità, ma hanno un significativo effetto corrosivo sul materiale di base, quindi i loro residui devono essere completamente rimossi dopo la brasatura.

I flussanti a base di fluoruro sono un nuovo tipo di flussante con buoni effetti disossidanti e nessun effetto corrosivo sul materiale di base. Tuttavia, hanno un elevato punto di fusione e una scarsa stabilità termica e possono essere utilizzati solo in combinazione con materiali per brasatura a base di alluminio e silicio.

Quando il duro brasatura dell'alluminio e leghe di alluminio, vengono comunemente utilizzate atmosfere sotto vuoto, neutre o inerti. Per la brasatura sottovuoto, il livello di vuoto deve generalmente raggiungere l'ordine di 10-3 Pa. Quando si utilizza la schermatura con azoto o argon, è necessaria un'elevata purezza e un punto di rugiada inferiore a -40℃.

3. Tecniche di brasatura

La brasatura di alluminio e leghe di alluminio richiede un'elevata pulizia della superficie del pezzo. Per ottenere una buona qualità, l'olio superficiale e le pellicole di ossido devono essere rimossi prima della brasatura. L'olio superficiale può essere rimosso mediante lavaggio con carbonato di sodio (Na₂CO₃) ad una temperatura di 60-70℃ per 5-10 minuti, quindi risciacquare con acqua pulita.

Le pellicole di ossido superficiale possono essere rimosse mediante immersione in una soluzione acquosa di idrossido di sodio (NaOH) a una temperatura di 20-40℃ per 2-4 minuti, seguita da risciacquo con acqua calda.

Dopo aver rimosso l'olio superficiale e le pellicole di ossido, il pezzo deve essere trattato con acido nitrico (HNO₃) per 2-5 minuti, risciacquare con acqua corrente e asciugare all'aria. Dopo questi trattamenti, il pezzo non deve essere toccato con le mani o contaminato con altro sporco e la brasatura deve essere eseguita entro 6-8 ore, preferibilmente subito se possibile.

I metodi di brasatura dolce per l'alluminio e le leghe di alluminio includono principalmente la brasatura a fiamma, la brasatura con saldatore e la brasatura in forno. Questi metodi utilizzano generalmente il flussante e hanno requisiti rigorosi per quanto riguarda la temperatura di riscaldamento e il tempo di mantenimento.

Nella brasatura a fiamma e con il saldatore, si deve evitare il riscaldamento diretto del fondente per evitare il surriscaldamento e la rottura del fondente. Poiché l'alluminio può dissolversi in saldature ad alto contenuto di zinco, il riscaldamento deve essere interrotto una volta formato il giunto per evitare la dissoluzione del materiale di base.

In alcuni casi, la brasatura dolce dell'alluminio e delle leghe di alluminio viene eseguita senza flusso, utilizzando metodi a ultrasuoni o a frizione per la rimozione della pellicola di ossido. Quando si utilizza la rimozione per attrito per la brasatura, il pezzo da lavorare viene prima riscaldato alla temperatura di brasatura e poi l'estremità dell'asta di brasatura (o dell'utensile di attrito) viene utilizzata per raschiare l'area di brasatura del pezzo da lavorare. In questo modo si rompe la pellicola di ossido superficiale e si permette al materiale di brasatura di fondere e bagnare il materiale di base.

I metodi di brasatura dura per l'alluminio e le leghe di alluminio comprendono la brasatura a fiamma, la brasatura in forno, la brasatura per immersione, la brasatura sotto vuoto e la brasatura con schermatura a gas. La brasatura a fiamma è comunemente utilizzata per pezzi di piccole dimensioni e per la produzione di pezzi singoli.

Per evitare che le impurità del gas acetilene entrino in contatto con il flussante e ne causino la rottura, si consiglia di utilizzare una fiamma ad aria compressa e di rendere la fiamma leggermente riducente per evitare l'ossidazione del materiale di base.

In specifici processi di brasatura, il flusso e il materiale di brasatura possono essere pre-posizionati sul giunto e riscaldati insieme al pezzo, oppure il pezzo può essere riscaldato prima alla temperatura di brasatura e poi il materiale di brasatura con il flusso può essere applicato all'area di brasatura.

Una volta che il flusso e il materiale di brasatura sono fusi e il giunto di brasatura è riempito in modo uniforme, la fiamma di riscaldamento può essere gradualmente rimossa.

Nella brasatura in forno ad aria di alluminio e leghe di alluminio, il materiale di brasatura deve essere precaricato e il flussante deve essere sciolto in acqua distillata per formare una soluzione concentrata con una concentrazione di 50%-75%.

Questa soluzione può essere applicata o spruzzata sulla superficie di brasatura, oppure si può applicare una quantità adeguata di disossidante in polvere sul materiale e sulla superficie di brasatura. Il pezzo assemblato viene quindi inserito nel forno per il riscaldamento e la brasatura. Per evitare il surriscaldamento o addirittura la fusione del materiale di base, la temperatura di riscaldamento deve essere rigorosamente controllata.

La brasatura per immersione di alluminio e leghe di alluminio utilizza tipicamente materiali di brasatura in pasta o in fogli. Il pezzo assemblato viene preriscaldato a una temperatura prossima a quella di brasatura prima di essere immerso nel flusso per la brasatura.

Durante la brasatura, la temperatura e il tempo di brasatura devono essere rigorosamente controllati. Se la temperatura è troppo alta, il materiale di base è soggetto a dissolversi e il materiale di brasatura a perdere.

Se la temperatura è troppo bassa, il materiale da brasare potrebbe non fondere adeguatamente, con conseguente riduzione della velocità di brasatura.

La temperatura di brasatura deve essere determinata in base al tipo e alle dimensioni del materiale di base, alla composizione e al punto di fusione del materiale di brasatura e ad altri fattori specifici, generalmente compresi tra la temperatura di liquidità del materiale di brasatura e la temperatura di solidità del materiale di base.

Il tempo di immersione del pezzo nel bagno di flusso deve garantire che il materiale brasante sia completamente fuso e fluisca. Il tempo non deve essere troppo lungo, in quanto l'elemento siliconico del materiale brasante potrebbe diffondersi nel metallo di base, causando infragilimento in prossimità del giunto.

La brasatura sottovuoto dell'alluminio e delle leghe di alluminio utilizza spesso attivatori metallici per trasformare la pellicola di ossido superficiale dell'alluminio, garantendo la bagnatura e la diffusione del materiale di brasatura.

Il magnesio può essere collocato direttamente sul pezzo in forma granulare, introdotto come vapore nella zona di brasatura o aggiunto come elemento di lega al materiale di brasatura alluminio-silicio.

Per le strutture complesse, per garantire il pieno effetto del vapore di magnesio sul materiale di base e migliorare la qualità della brasatura, vengono spesso adottate misure di schermatura locale.

Si tratta di collocare il pezzo in una scatola di acciaio inossidabile (comunemente nota come scatola di processo) e di riscaldarlo in un forno a vuoto per la brasatura.

La brasatura sottovuoto di giunti in alluminio e leghe di alluminio produce superfici lisce, cordoni di brasatura densi e non richiede la pulizia successiva alla brasatura.

Tuttavia, le apparecchiature per la brasatura sottovuoto sono costose e il vapore di magnesio può contaminare gravemente il forno, richiedendo una pulizia e una manutenzione frequenti.

Per la brasatura di alluminio e leghe di alluminio in atmosfera neutra o inerte, è possibile utilizzare attivatori di magnesio o flussanti per la rimozione della pellicola di ossido. Quando si utilizzano attivatori di magnesio, la quantità di magnesio richiesta è molto più bassa rispetto alla brasatura sotto vuoto, in genere circa 0,2%-0,5% (in peso).

Un contenuto di magnesio più elevato può effettivamente diminuire la qualità del giunto. Negli ultimi anni si è rapidamente sviluppato il metodo di brasatura Nocolok, che utilizza un flusso a base di fluoro e una protezione con azoto gassoso. I residui dei flussi a base di fluoro non assorbono umidità e non sono corrosivi per l'alluminio.

Pertanto, la fase di rimozione dei residui di flussante dopo la brasatura può essere omessa. Con la protezione del gas di azoto, è possibile applicare una piccola quantità di flussante a base di fluoro e il materiale di brasatura può bagnare bene il materiale di base, ottenendo giunti brasati di alta qualità. Questo metodo di brasatura Nocolok è stato ampiamente utilizzato nella produzione in serie di componenti come i radiatori in alluminio.

Per l'alluminio e le leghe di alluminio brasate con flussanti diversi da quelli a base di fluoro, i residui del flussante devono essere accuratamente rimossi dopo la brasatura. I residui dei flussanti organici per l'alluminio possono essere lavati con solventi organici come metanolo o tricloroetilene, seguiti da neutralizzazione con soluzione acquosa di idrossido di sodio e infine risciacquati con acqua calda e fredda.

I residui di flussante a base di cloruro derivanti dalla brasatura forte dell'alluminio possono essere rimossi immergendoli in acqua calda a 60-80℃ per 10 minuti, strofinando accuratamente i residui sulla giunzione brasata con una spazzola e risciacquando con acqua fredda. Successivamente, immergere il prodotto in una soluzione acquosa di acido nitrico 15% per 30 minuti e risciacquare con acqua fredda.