Пайка алюминия и алюминиевых сплавов: Объяснение

1. Brazability

Паяемость алюминия и алюминиевых сплавов низкая, в основном потому, что оксидная пленка на поверхности трудно удаляется. Алюминий обладает сильным сродством к кислороду и легко образует на поверхности плотную, стабильную и с высокой температурой плавления оксидную пленку Al2O2.

Магнийсодержащие алюминиевые сплавы также образуют очень устойчивую оксидную пленку Mgo. Они серьезно препятствуют смачиваемости и растеканию припоя и трудно удаляются. Только при использовании подходящего флюса можно пайка процесс должен быть выполнен.

Кроме того, сложность работы при пайке алюминия и алюминиевых сплавов высока. Температура плавления алюминия и алюминиевые сплавы не сильно отличается от температуры плавления используемого твердого припоя, и температурный диапазон, доступный для пайки, очень узок.

Неправильный контроль температуры может легко привести к перегреву или даже плавлению основного материала, что затруднит процесс пайки. Некоторые термически обработанные алюминиевые сплавы могут подвергаться перезреванию или отжиг размягчение в результате нагрева при пайке, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик паяного соединения.

При пайке пламенем нелегко определить температуру из-за неизменного цвета алюминиевого сплава во время нагрева, что также повышает требования к уровню квалификации оператора.

Кроме того, на коррозионную стойкость паяных соединений из алюминия и алюминиевых сплавов легко влияют используемые припой и флюс. Электродный потенциал алюминия и алюминиевых сплавов значительно отличается от потенциала припоя, что снижает коррозионную стойкость соединения, особенно для мягких паяных соединений.

Кроме того, большинство флюсов, используемых при пайке алюминия и алюминиевых сплавов, обладают высокой коррозионной активностью, и даже если их очистить после пайки, влияние флюса на коррозионную стойкость соединения не может быть полностью устранено.

2. Материалы для пайки

(1) Паяльник:

Пайка мягким припоем алюминия и алюминиевых сплавов обычно не используется, поскольку разница в составе и электродном потенциале между припоем и основным материалом при пайке мягким припоем может легко вызвать электрохимическую коррозию в соединении.

Припои на основе цинка и оловянно-свинцовые припои в основном используются для мягкой пайки, которые можно разделить на низкотемпературные мягкие припои (150-260°C), среднетемпературные мягкие припои (260-370°C) и высокотемпературные мягкие припои (370-430°C) в зависимости от температурного диапазона использования.

Если для пайки используется оловянно-свинцовый припой, а на медь или никель предварительно нанесено покрытие алюминиевая поверхностьКоррозия на стыке может быть предотвращена, что повышает коррозионную стойкость соединения.

Твердая пайка алюминия и алюминиевых сплавов широко используется, например, для изготовления направляющих фильтров, испарителей, радиаторов и других компонентов.

Для твердой пайки алюминия и алюминиевых сплавов можно использовать только припои на основе алюминия, среди которых наиболее широко применяются алюминиево-кремниевые припои. Конкретный диапазон применения и прочность на срез паяных соединений приведены в табл. 8 и табл. 9, соответственно.

Однако температура плавления этих припоев близка к температуре плавления основного материала, поэтому при пайке необходимо строго и точно контролировать температуру нагрева, чтобы избежать перегрева или расплавления основного материала.

Таблица 8: Диапазон применимости твердых припоев для алюминия и алюминиевых сплавов

Таблица 9: Прочность на сдвиг соединений из алюминия и алюминиевых сплавов, паянных алюминиево-кремниевым припоем

Алюминиево-кремниевые материалы для пайки обычно поставляются в виде порошка, пасты, проволоки или фольги. В некоторых случаях используется композитная пластина для пайки, состоящая из алюминиевого сердечника и алюминиево-кремниевого материала для пайки в качестве плакирующего слоя. Такая композитная пластина изготавливается гидравлическим способом и обычно используется в качестве компонента паяных узлов.

Во время пайки припойный материал на композитной пластине плавится и вытекает, заполняя зазоры в швах, под действием капиллярного эффекта и силы тяжести.

(2) Поток и защитный газ широко используются для мягкой пайки алюминия и алюминиевых сплавов.

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов часто требует использования специализированных флюсов для удаления оксидных пленок. Органические флюсы на основе триэтаноламина, такие как FS204, используются при низкотемпературной пайке сплавов.

Преимущество этих флюсов заключается в минимальной коррозии основного материала, но они выделяют большое количество газа во время флюсования, что может повлиять на смачивание и заполнение материала припоя.

Реактивные флюсы на основе хлорида цинка, такие как FS203 и FS220A, используются со средне- и высокотемпературными паяльными сплавами. Реактивные флюсы обладают сильными коррозионными свойствами, поэтому их остатки необходимо тщательно очищать после пайки.

Твердая пайка алюминия и алюминиевых сплавов по-прежнему основана на удалении флюса. Используемые флюсы для пайки включают флюсы на основе хлоридов и флюсы на основе фторидов. Флюсы на основе хлоридов обладают сильной раскисляющей способностью и хорошей текучестью, но оказывают значительное коррозионное воздействие на основной материал, поэтому их остатки должны быть полностью удалены после пайки.

Флюсы на основе фторидов - это новый тип флюсов, обладающих хорошим раскисляющим действием и не оказывающих коррозионного воздействия на основной материал. Однако они имеют высокую температуру плавления и плохую термическую стабильность и могут использоваться только в сочетании с алюминиево-кремниевыми паяльными материалами.

Когда трудно пайка алюминия и алюминиевых сплавов обычно используется вакуум, нейтральная или инертная атмосфера. При вакуумной пайке уровень вакуума обычно должен достигать порядка 10-3 Па. При использовании азота или аргона требуется высокая чистота и низкая точка росы ниже -40℃.

3. Техника пайки

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов требует высокой чистоты поверхности заготовки. Чтобы добиться хорошего качества, перед пайкой необходимо удалить поверхностное масло и оксидные пленки. Поверхностное масло можно удалить путем промывки карбонатом натрия (Na₂CO₃) водным раствором при температуре 60-70℃ в течение 5-10 минут, после чего промыть чистой водой.

Поверхностные оксидные пленки можно удалить погружением в водный раствор гидроксида натрия (NaOH) при температуре 20-40℃ на 2-4 минуты с последующим ополаскиванием горячей водой.

После удаления поверхностного масла и оксидных пленок заготовку следует обработать азотной кислотой (HNO₃) водным раствором в течение 2-5 минут, промыть в проточной воде и высушить на воздухе. После этих процедур к заготовке нельзя прикасаться руками и загрязнять ее, а пайку следует производить в течение 6-8 часов, лучше сразу, если это возможно.

Методы пайки алюминия и алюминиевых сплавов мягкими припоями в основном включают пайку пламенем, пайку паяльником и печную пайку. В этих методах обычно используется флюс и предъявляются жесткие требования к температуре нагрева и времени выдержки.

При пайке пламенем и паяльником следует избегать прямого нагрева флюса во избежание перегрева и разрушения флюса. Поскольку алюминий может растворяться в припое с высоким содержанием цинка, нагрев следует прекратить после формирования соединения, чтобы предотвратить растворение основного материала.

В некоторых случаях мягкая пайка алюминия и алюминиевых сплавов осуществляется без флюса, с использованием ультразвуковых или фрикционных методов удаления оксидной пленки. При использовании фрикционного удаления припоя заготовку сначала нагревают до температуры пайки, а затем концом паяльного стержня (или фрикционного инструмента) соскабливают область пайки на заготовке. Это разрушает поверхностную оксидную пленку и позволяет материалу припоя расплавиться и смочить основной материал.

К методам пайки алюминия и алюминиевых сплавов относятся пайка пламенем, пайка в печи, пайка погружением, пайка в вакууме и пайка в газовой защите. Пайка пламенем обычно используется для заготовок небольшого размера и единичного производства.

Чтобы избежать попадания примесей в ацетиленовый газ на флюс и его разрушения, рекомендуется использовать пламя бензина, сжатого воздуха и сделать пламя слегка уменьшающимся, чтобы предотвратить окисление основного материала.

В конкретных процессах пайки флюс и припойный материал могут быть предварительно помещены на соединение, нагреты вместе с заготовкой, или заготовка может быть сначала нагрета до температуры пайки, а затем припойный материал с флюсом может быть нанесен на область пайки.

После того как флюс и припой расплавятся, а паяное соединение будет равномерно заполнено, нагревательное пламя можно постепенно убирать.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в воздушной печи припойный материал должен быть предварительно загружен, а флюс расплавлен в дистиллированной воде до образования концентрированного раствора с концентрацией 50%-75%.

Затем этот раствор можно нанести или распылить на поверхность пайки, либо нанести на материал и поверхность пайки соответствующее количество порошкового флюса. Затем собранная заготовка помещается в печь для нагрева и пайки. Чтобы предотвратить перегрев или даже расплавление основного материала, необходимо строго контролировать температуру нагрева.

Для пайки алюминия и алюминиевых сплавов методом погружения обычно используются пастообразные или фольгированные припои. Собранная заготовка предварительно нагревается до температуры, близкой к температуре пайки, перед погружением во флюс для пайки.

При пайке необходимо строго контролировать температуру и время пайки. Если температура слишком высока, основной материал может раствориться, а материал пайки - потеряться.

Если температура слишком низкая, паяльный материал может не расплавиться должным образом, что приведет к снижению скорости пайки.

Температура пайки должна определяться в зависимости от типа и размера основного материала, состава и температуры плавления материала пайки и других специфических факторов. Обычно она находится в диапазоне между температурой ликвидуса материала пайки и температурой солидуса основного материала.

Время погружения заготовки в ванну с флюсом должно обеспечивать полное расплавление и растекание материала для пайки. Это время не должно быть слишком большим, так как кремниевый элемент в паяльном материале может диффундировать в основной металл, вызывая охрупчивание вблизи соединения.

При вакуумной пайке алюминия и алюминиевых сплавов часто используются металлические активаторы для преобразования поверхностной оксидной пленки алюминия, обеспечивая смачивание и распределение паяльного материала.

Магний может быть непосредственно нанесен на заготовку в гранулированном виде, введен в виде пара в зону пайки или добавлен в качестве легирующего элемента в алюминиево-кремниевый припойный материал.

Для сложных конструкций, чтобы обеспечить полное воздействие паров магния на основной материал и улучшить качество пайки, часто применяются меры по локальному экранированию.

Для этого необходимо поместить заготовку в коробку из нержавеющей стали (обычно называемую технологической коробкой), а затем нагреть ее в вакуумной печи для пайки.

Вакуумная пайка соединений из алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивает гладкие поверхности, плотные паяные швы и отсутствие необходимости в очистке после пайки.

Однако оборудование для вакуумной пайки стоит дорого, а пары магния могут сильно загрязнять печь, требуя частой очистки и обслуживания.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов в нейтральной или инертной атмосфере для удаления оксидной пленки можно использовать магниевые активаторы или флюс. При использовании магниевых активаторов необходимое количество магния значительно меньше по сравнению с вакуумной пайкой, обычно около 0,2%-0,5% (по весу).

Повышенное содержание магния может снизить качество соединения. В последние годы активно развивается метод пайки Nocolok, в котором используется флюс на основе фтора и газовая защита азотом. Остатки флюсов на основе фтора не впитывают влагу и не вызывают коррозии алюминия.

Поэтому этап удаления остатков флюса после пайки может быть пропущен. При защите газом азота можно наносить небольшое количество флюса на основе фтора, а паяльный материал хорошо смачивает основной материал, в результате чего получаются высококачественные паяные соединения. Этот метод пайки Nocolok широко используется в серийном производстве таких компонентов, как алюминиевые радиаторы.

Для алюминия и алюминиевых сплавов, паянных с использованием флюсов, отличных от флюсов на основе фтора, остатки флюса должны быть тщательно удалены после пайки. Остатки органических флюсов для алюминия можно смыть органическими растворителями, такими как метанол или трихлорэтилен, затем нейтрализовать водным раствором гидроксида натрия и, наконец, промыть горячей и холодной водой.

Остатки флюса на основе хлоридов, образовавшиеся после пайки алюминия твердым припоем, можно удалить, замочив в горячей воде при температуре 60-80℃ на 10 минут, тщательно счистив остатки на паяном шве щеткой и промыв холодной водой. Затем замочите в водном растворе азотной кислоты 15% на 30 минут и промойте холодной водой.