新型水性铝焊膏的研究

刘宏江，贺军四，林业伟，李世婕，殷 健，黄 烨

(广州有色金属研究院，广东 广州 510650)

1 引言

铝及铝合金，由于密度小、热导和电导率高，被广泛应用于人造卫星、火箭、导弹、飞机、汽车水箱和空调散热器等多领域行业上［1］，由此涉及铝、铝合金和不锈钢相互之间的焊接也越来越多。传统的铝焊接材料，为粉状的钎剂和粉状、丝状、箔状和片状的钎料相搭配使用。但随着时代的发展和科技的进步，所焊产品的种类日益增多，焊接工件小型化、接头形式不规则和多样化、焊接工艺自动化等，渐渐成为流行和趋势。传统的焊接材料已不能满足现代焊接的要求［2］，基于此，集钎剂、钎料和成膏体于一身，具有方便性、灵活性和高效性特点的铝焊膏，便应运而生。铝焊膏分油性和水性，两者各有优点。目前，油性铝焊膏研究的较多，水性研究的较少。本文针对的是水性铝焊膏的研究。

2 水性铝焊膏的组成和要求

铝焊膏由三部分组成:钎料、钎剂和成膏体。油性和水性铝焊膏的区别只在成膏体，水性铝焊膏的成膏体为水性。水性铝焊膏的三组分必须符合相关的要求，分述如下。

2.1 钎料

实验研究和事实证明:BAl88Si 共晶钎料，熔点为577℃，可以满足铝-铝、铝-铝合金和铝-不锈钢的钎焊要求，因此将焊膏用钎料的化学成分定为BAl88Si 共晶钎料［3-4］。除此之外，此钎料还要满足以下要求:粒度细且分布集中、球形度好、含氧量低。

2.2 钎剂

实验研究和事实证明:用氟铝酸钾共晶钎剂，可以满足铝-铝、铝-铝合金和铝-不锈钢的钎焊要求，因此将焊膏用钎剂的化学成分定为氟铝酸钾共晶钎剂(共晶熔化温度558℃，w(KF)∶ w(AlF3)=45.8∶ 54.2，具有不吸潮、无腐蚀和去膜能力强等优点［5-6］。

2.3 成膏体

钎料和钎剂的各种性质一经确定，成膏体便成为制备焊膏的关键。成膏体是联系钎料和钎剂的桥梁和纽带。油性成膏体相对简单，高质量的水性成膏体较为复杂，其应满足以下条件:可用水或水性有机溶剂混溶和调配;无明显刺激性气味，符合环保要求;能在钎剂和钎料熔化前完全挥发，不积碳、无残留;能和钎剂、钎料长期稳定共存，不改变钎剂、钎料的化学性质，抗沉降良好。这是本文研究的重点。

2.4 水性铝焊膏

主要在于钎剂、钎料和水性成膏体的配比，既要保证焊膏不分层、长储存、加料顺，又要保证所焊工件的焊接强度和质量。

3 试验结果与讨论

3.1 钎料

BAl88Si 共晶钎料的化学成分已确定，本文研究的重点放在该钎料的制备方法上。该共晶钎料的制备方法很多，如湿喷、干喷和机械破碎等［7］。本文采用惰性气体保护熔炼和雾化制粉的干喷工艺，此工艺具有:钎料粉末球形度高、粉末含氧量低和生产工艺易稳定控制等优点，具体的工艺流程为:原料检测→配料→加料抽真空→充惰性气体→熔炼和雾化→筛分、检验、混匀→包装、成品。

影响钎料粉末特性和雾化效率的主要因素有:雾化气体压力、金属合金熔液的流量和熔液的开始雾化温度。经实验研究，当具体的制粉工艺参数为:雾化压力1.5MPa、熔液流量2.3Kg/min、熔液雾化温度900℃时，所制得的钎料粉呈球形、含氧量低于0.02%(质量分数)、粒径小于0.096mm 的颗粒占60%以上，符合焊膏用钎料的各项要求。

3.2 钎剂

氟铝酸钾共晶钎剂的化学成分已确定，本文研究的重点放在该钎剂的制备方法上。该共晶钎剂的制备方法很多，如熔炼法、机械研磨法、烧结法、水调法和化学沉淀法。本文采用化学共沉淀法，此法具有:成分准确和均匀、易稳定控制和成本低等优点。具体的工艺流程为:原料检测→配料→化学共沉淀反应→烘干→粉碎→筛分、检验、混匀→包装、成品。

影响钎剂粉末细度(粒径小于74μm)的主要因素在于烘干工序:若烘的不透，钎剂在粉碎工序中，就容易形成糊状、造成粘连，粒径自然难以保证，同时筛分工序的压力增大，成本随之增加;若烘的太透，不必要的能源消耗上升，钎剂轻飘，又会给环保和包装增加压力。经实验研究，当烘干温度控制在200℃时可满足焊膏用钎剂的要求。

3.3 水性成膏体

水性成膏体，可分为水和水性有机物，两者做成的铝焊膏的特点和用户要求均不同，是本文研究的重点，具体如下。

3.3.1 以水为成膏体

液态水，也可以与钎剂、钎料混匀调配成铝焊膏。这种焊膏的优点:简单快速，成本低等;缺点:储存时间很短，使用过程易分层，钎料因和水发生化学反应而易变质失效等。

实验中，分别取焊膏用100g 氟铝酸钾共晶钎剂粉末和150gBAl88Si 共晶钎料粉末，加入150g 纯水，搅拌均匀后即成铝焊膏，将其放置、观察现象，实验结果见表1。

表1 水为成膏体的铝焊膏随时间变化情况

由表1 可知:铝为活泼性很强的金属，在水为成膏体的铝焊膏中，一定时间后，会和水发生化学反应，置换出氢气，引发冒泡现象。随着冒泡变多、变大，钎剂、钎料开始分层，钎剂开始向表面析出。当钎料和水的反应最终停止后，钎剂、钎料已严重分层，焊膏表面一层白色钎剂，整个焊膏变硬，焊膏失效。对于短时间可使用完毕，且焊接要求不高的用户，此焊膏可以满足。但对于高端用户，还要研究新的水性成膏体。

3.3.2 以水性有机物为成膏体

水性有机物，不含水，但可与水或水性有机溶剂相混溶和调配。其优点:一、需要时可用水临时调配，使用起来简单、方便;二、水性有机物相比水，化学活性急剧下降，很难和铝钎料发生化学反应，从而保证焊膏的钎焊性;三、水性有机物相比水，粘度大大提升，可有效防止钎剂和钎料的储放分层，从而保证焊膏的稳定性。不过需要强调的是，在选择水性有机物时，同样要考虑其在500℃的挥发性和积碳残留情况。

通过实验研究，用水性溶剂乙二醇以及能和乙二醇均匀分散的水性聚合物搭配使用，可满足要求。乙二醇和水性聚合物的适用配比的实验结果见表2。

表2 乙二醇和水性聚合物的配比

由表2 可知，综合48h 分层情况、粘度和500℃的残留情况，选择乙二醇和水性聚合物的配比为95∶5。

3.4 钎剂、钎料和成膏体的配比

当钎剂、钎料和成膏体的各种性质确定后，接着就要确定三者相互间的配比，三者间的配比关系到焊膏的各种性质，如成膏性、分层性、加料性和焊接性等。

3.4.1 钎剂和钎料的配比

经实验研究，钎剂和钎料的配比实验结果见表3。

表3 焊膏中钎剂和钎料的配比

如表3 所示:在保护气氛的钎焊条件下，钎剂和钎料的质量比控制在1∶(1.0～3.0)较好。若钎料过多，钎剂去渣、排渣能力相对不够，部分钎料的氧化皮还有残留，影响焊接效果;若钎料过少，则体现焊接强度的焊料变少，且钎剂相对较多，排渣时间不够会造成钎剂残留，同样影响焊接效果。

3.4.2 成膏体的配比

经实验研究，焊膏中成膏体配比的实验结果见表4。

表4 焊膏中成膏体的配比

如表4 所示:成膏体占铝焊膏的质量比控制在25%～40%之间，加料和焊接效果较好。若成膏体过多，太稀，易分层。同时，焊膏中钎剂钎料的有效含量较少，影响焊接效果;若成膏体较少，焊膏显得干巴，成膏性能差、润滑性能不足，影响加料效果。

4 结论

通过对钎焊工件为铝-铝、铝-铝合金和铝-不锈钢的水性铝焊膏的研究，可得出以下结论:

(1)钎料为BAl88Si 共晶钎料，采用惰性气体保护熔炼和雾化制粉的干喷工艺，在雾化压力1.5 MPa、熔液流量2.3Kg/min、熔液雾化温度900℃的条件下，可制得满足焊膏用的钎料。

(2)钎剂为氟铝酸钾共晶钎剂，采用化学共沉淀法的生产工艺，在烘干温度控制在200℃的条件下，可制得满足焊膏用的钎剂。

(3)水性铝焊膏中，在保护气氛的钎焊条件下，钎剂和钎料的质量比控制在1∶(1.0～3.0)较好;成膏体，可用水也可用水性有机物。要求不高的用户，可用水;要求高的用户，必须用水性有机物。本文实验研究的水性成膏体由乙二醇和水性聚合物构成，两者适合的比例为95∶5，可满足要求，水性成膏体在焊膏中所占比例在25%～40%之间较好。

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