钎焊铝制热交换器用无腐蚀铝钎剂的研究

刘宏江，曾 燕，蔡志红，蔡沛沛，贺军四，胡泽宇，李世婕，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、热导率高，并且价格便宜，在热交换器材质的选择制造方面，基本上取代了铜和铜合金［1］。以汽车行业为例，目前，汽车的水箱、冷凝器和蒸发器等热交换器的铝化率已达到95%以上。铝制热交换器还广泛应用于电力行业和制冷行业。铝制热交换器在各部件装配完后，还需钎焊，以增加部件间的密封和连接牢固度。传统的AlF3-KF共晶化合物铝钎剂，其优点是熔化温度低、流动性好，缺点是去膜能力弱、助焊性差。当其用于一般工件、一般工艺的铝(铝合金)焊接时，优点发挥、绰绰有余;但将其直接应用于铝制热交换器的钎焊，则表现出去膜能力弱、助焊性差的缺点;同时还因钎焊工艺的原因，钎剂会被调成浓度为5%左右的悬浮水溶液，其又表现出与水分层快、抗沉降性差等缺点。提高AlF3-KF共晶化合物钎剂的助焊性能，改善AlF3-KF共晶钎剂使之“扬长避短”，是汽车工业中铝制热交换器用铝钎剂成分研究的重点。本文针对的就是此无腐蚀铝钎剂的研究。

2 试验部分

实验研究的原料有:AlF3，KF，无机助剂为Zn化合物，有机助剂为高分子醇类。具体实验步骤为:(1)用熔炼法制备AlF3-KF共聚化合物［2］;(2)将AlF3-KF共聚化合物和无机助剂按比例混匀;(3)将混匀物在600℃熔化，再次匀化;(4)将熔融物冷却、打磨成150目细粉;(5)将打磨细粉和150目的有机助剂再次混匀，即得到成品。其中无机助剂的含量确定试验方法为:先合成出不同含锌量的改性钎剂，以未添加助剂Zn化合物的AlF3-KF共用水调制(浓度5%左右)成悬浮液，半小时后观察悬浮液的分层情况及焊后残留情况。

晶化合物钎剂为参比，通过在纯铝板上同等加热条件，做置换反应和摊流实验，由此定量出Zn的合适添加量;有机助剂的含量确定试验方法为:先合成出不同有机含量的改性钎剂。

3 试验结果与讨论

传统、常用的AlF3-KF共晶化合物铝钎剂(共晶熔化温度 558℃，w(KF)∶w(AlF3)=45.8∶54.2)，性质为无腐蚀、熔化温度低、流动性好［3-4］。将其直接应用于铝制热交换器的钎焊，则表现出去膜能力弱、助焊性差的缺点;同时还因钎焊工艺的原因，钎剂会被调成浓度为5%左右的悬浮水溶液，其又表现出与水分层快、抗沉降性差等缺点。

由此，需要对AlF3-KF共晶化合物铝钎剂进行改进，使其能高效应用于铝制热交换器的钎焊。研究发现，以AlF3-KF共晶化合物钎剂为基础，在不改变其无腐蚀本性的条件下，通过添加适量无机助剂，可提高去膜能力，加强助焊性;通过添加适量有机助剂，可提高钎剂在水中的抗沉降性能。具体试验结果如下:

3.1 添加无机助剂的实验结果

无机助剂的作用:在钎焊的过程中，母材中的铝，因铝的化学活性，会和无机助剂发生置换反应。这大大增强了母材和钎剂之间的传质作用，对松动、破碎、去除母材表面的铝氧化膜有着显著促进作用，由此提高去膜能力，加强助焊性［5-6］。

经试验筛选，确定无机助剂为Zn化合物。在钎焊过程中，Zn化合物会和铝发生置换反应，反应式为:

Zn化合物的定量试验:先合成出不同含锌量的改性钎剂，以未添加助剂Zn化合物的AlF3-KF共晶化合物钎剂为参比，通过在纯铝板上同等加热条件，做置换反应和摊流实验，由此定量出Zn的合适添加量，具体试验结果见下表:

表1 不同Zn含量的改性钎剂和参比钎剂的对比摊流情况

由表1可知:Zn含量过低，化学作用不明显，助焊效果不突出;Zn含量过高，钎剂熔点急剧升高，焊后残渣过多，助焊效果不好。Zn含量在0.7～1.4%合适。

3.2 添加有机助剂的实验结果

有机助剂的作用:按照铝制热交换器的钎焊工艺，钎剂先制成悬浮水溶液，这时钎剂中的有机助剂会溶解水中，由此增加了水的粘度和钎剂颗粒的浮力，也因此增加了钎剂在水中的抗沉降性能，稳定了钎焊质量。

从斯托克斯颗粒沉降公式来看:U=d2(ρs-ρ)g/18μ，沉降速度U与颗粒尺寸d、颗粒与液体的密度差(ρs-ρ)成正比，与粘度μ成反比。其它参数一定时，增加液体水的粘度μ，可使钎剂颗粒的沉降速度下降。

经试验筛选，确定有机助剂为高分子醇类，具体含量的确定见下表:

由表2可知:当有机助剂的含量过低时，焊后虽不积碳，但抗沉降性不好;当含量过高时，抗沉降性好，但焊后又会积碳。有机助剂的含量在4.0～8.0%合适。

4 结论

通过对钎焊铝制热交换器用无腐蚀铝钎剂的试验研究，可得出以下结论。

(1)以AlF3-KF共晶化合物钎剂为基础，在不改变其无腐蚀性质的条件下，通过添加无机助剂和有机助剂，改进了钎剂的性能，使其能高效应用于铝制热交换器的钎焊。

(2)添加的无机助剂为Zn化合物，合适的Zn含量在0.7%～1.4%之间，可明显提高去膜能力，加强助焊性。

(3)添加的有机助剂为高分子醇类，合适的含量在4.0～8.0%之间，可明显增强钎剂在水中的抗沉降性能。

［1］刘宏江，贺军四，林业伟，等.新型水性铝焊膏的研究［J］.铜业工程，2013，(3):1-3.

［2］梁兴华，揭晓华.化合法制备氟铝酸钾钎剂的研究［J］.焊接设备与材料，2005，35(2):51-53.

［3］张韵慧，尹淑梅，张则甡，等.氟铝酸钾共晶钎剂的研究［J］.化学工业与工程，2004，21(3):231-234.

［4］张启运，庄鸿寿.钎焊手册第二版［M］.北京:机械工业出版社，2008.1-3.

［5］陈志祥，曾燕，蔡志红，等.新型高温铝钎剂FA-3的研制［J］.广东有色金属学报，2002，12(1)34-38.

［6］张启运，刘淑祺，高念宗.氟铝酸钾高温铝钎剂的湿法合成及其在钎焊时的作用机理［J］.焊接学报，1982，3(4):153-155.