1. Паяння
Паяльна здатність алюмінію та алюмінієвих сплавів погана, головним чином тому, що оксидну плівку на поверхні важко видалити. Алюміній має велику спорідненість до кисню. На поверхні легко утворюється щільна, стабільна оксидна плівка Al2O3 з високою температурою плавлення. Водночас алюмінієві сплави, що містять магній, також утворюють дуже стабільну оксидну плівку MgO. Вони серйозно перешкоджають змочуванню та розтікання припою та їх важко видалити. Під час паяння процес паяння можна проводити лише за допомогою належного флюсу.
По-друге, паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів є складним процесом. Температура плавлення алюмінію та алюмінієвого сплаву не сильно відрізняється від температури плавлення присадного металу, що використовується для паяння. Додатковий діапазон температур для паяння дуже вузький. Неправильний контроль температури може легко призвести до перегріву або навіть плавлення основного металу, що ускладнює процес паяння. Деякі алюмінієві сплави, зміцнені термічною обробкою, також можуть спричинити явища розм'якшення, такі як надмірне старіння або відпал внаслідок нагрівання при паянні, що погіршить властивості паяних з'єднань. Під час полум'яного паяння важко оцінити температуру, оскільки колір алюмінієвого сплаву не змінюється під час нагрівання, що також підвищує вимоги до рівня роботи оператора.
Крім того, корозійна стійкість паяних з'єднань алюмінію та алюмінієвих сплавів легко залежить від присадних металів та флюсів. Електродний потенціал алюмінію та алюмінієвого сплаву значно відрізняється від потенціалу припою, що знижує корозійну стійкість з'єднання, особливо для м'якого паяння. Крім того, більшість флюсів, що використовуються для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів, мають сильну корозійну активність. Навіть якщо їх очистити після паяння, вплив флюсів на корозійну стійкість з'єднань не буде повністю усунено.
2. Матеріал для паяння
(1) Паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів є рідко використовуваним методом, оскільки склад та електродний потенціал присадного металу та основного металу дуже відрізняються, що легко спричиняє електрохімічну корозію з'єднання. Для м'якого паяння переважно використовуються припій на основі цинку та олов'яно-свинцевий припій, які залежно від температурного діапазону можна розділити на низькотемпературні припої (150 ~ 260 ℃), середньотемпературні припої (260 ~ 370 ℃) та високотемпературні припої (370 ~ 430 ℃). Коли використовується олов'яно-свинцевий припій та попередньо наноситься мідь або нікель на поверхню алюмінію для паяння, можна запобігти корозії на межі з'єднання, що покращує корозійну стійкість з'єднання.
Пайка алюмінію та алюмінієвих сплавів широко використовується, наприклад, для напрямних фільтрів, випарників, радіаторів та інших компонентів. Для пайки алюмінію та алюмінієвих сплавів можна використовувати лише присадні метали на основі алюмінію, серед яких найчастіше використовуються присадні метали на основі алюмінію та кремнію. Конкретна сфера застосування та міцність на зсув паяних з'єднань наведені відповідно в таблиці 8 та таблиці 9. Однак температура плавлення цього припою близька до температури плавлення основного металу, тому температуру нагрівання слід суворо та точно контролювати під час пайки, щоб уникнути перегріву або навіть плавлення основного металу.
Таблиця 8. Область застосування присадних металів для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів
Таблиця 9 міцність на зсув з'єднань алюмінію та алюмінієвих сплавів, паяних з алюмінієво-кремнієвими присадними металами
Алюмінієво-кремнієвий припій зазвичай постачається у вигляді порошку, пасти, дроту або листа. У деяких випадках використовуються композитні пластини з алюмінієм як серцевиною та алюмінієво-кремнієвим припоєм як оболонкою. Цей вид композитної пластини з припою виготовляється гідравлічним методом і часто використовується як частина компонентів для паяння. Під час паяння припойний метал на композитній пластині плавиться та тече під дією капілярів та сили тяжіння, заповнюючи зазор у з'єднанні.
(2) Флюс та захисний газ для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів, спеціальний флюс часто використовується для видалення плівки. Органічний флюс на основі триетаноламіну, такий як FS204, використовується з низькотемпературним м'яким припоєм. Перевагою цього флюсу є те, що він має незначний корозійний вплив на основний метал, але виділяє велику кількість газу, що впливає на змочування та герметизацію припою. Реактивний флюс на основі хлориду цинку, такий як FS203 та FS220A, використовується з середньотемпературним та високотемпературним м'яким припоєм. Реактивний флюс є дуже корозійним, і його залишки необхідно видаляти після паяння.
Наразі пайка алюмінію та алюмінієвих сплавів все ще переважно здійснюється шляхом видалення плівки флюсу. Використовувані флюси для пайки включають флюси на основі хлориду та фториду. Флюси на основі хлориду мають сильну здатність видаляти оксидну плівку та добру текучість, але вони мають сильну корозійну дію на основний метал. Їх залишки необхідно повністю видалити після пайки. Флюси на основі фториду – це новий тип флюсів, які мають хороший ефект видалення плівки та не викликають корозії основного металу. Однак вони мають високу температуру плавлення та низьку термостабільність, тому їх можна використовувати лише з алюмінієво-кремнієвим припоєм.
Під час паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів часто використовується вакуум, нейтральна або інертна атмосфера. При вакуумному паянні ступінь вакууму зазвичай повинен досягати порядку 10⁻³Па. Якщо для захисту використовується азот або аргон, його чистота повинна бути дуже високою, а точка роси повинна бути нижчою за -40 ℃.
3. Технологія паяння
Паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів має високі вимоги до очищення поверхні заготовки. Для досягнення гарної якості, перед паянням необхідно видалити масляну пляму та оксидну плівку з поверхні. Видаліть масляну пляму з поверхні водним розчином Na2CO3 за температури 60 ~ 70 ℃ протягом 5 ~ 10 хвилин, а потім промийте чистою водою; поверхневу оксидну плівку можна видалити травленням водним розчином NaOH за температури 20 ~ 40 ℃ протягом 2 ~ 4 хвилин, а потім промийте гарячою водою; Після видалення масляної плями та оксидної плівки з поверхні, заготовку слід обробити водним розчином HNO3 для блиску протягом 2 ~ 5 хвилин, потім промити під проточною водою та висушити. Заготовку, оброблену цими методами, не слід торкатися або забруднювати іншими брудами, і її слід паяти протягом 6 ~ 8 годин. По можливості краще паяти негайно.
Методи паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів включають переважно полум'яне паяння, паяння паяльником та паяння в печі. Ці методи зазвичай використовують флюс для паяння та мають суворі вимоги до температури нагрівання та часу витримки. Під час полум'яного паяння та паяння паяльником уникайте нагрівання флюсу безпосередньо джерелом тепла, щоб запобігти перегріву та руйнуванню флюсу. Оскільки алюміній може розчинятися в м'якому припої з високим вмістом цинку, нагрівання слід припинити після утворення з'єднання, щоб уникнути корозії основного металу. У деяких випадках паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів іноді не використовує флюс, а використовує ультразвукові або шкрябальні методи для видалення плівки. Під час використання шкрябання для видалення плівки для паяння спочатку нагрійте заготовку до температури паяння, а потім зішкребіть паяну частину заготовки кінцем припою (або шкрябальним інструментом). Під час руйнування поверхневої оксидної плівки кінець припою розплавиться та зволожить основний метал.
Методи паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів включають паяння полум'ям, паяння в печі, паяння зануренням, паяння у вакуумі та паяння в середовищі захисту газу. Паяння полум'ям здебільшого використовується для невеликих заготовок та виробництва одиниць. Щоб уникнути руйнування флюсу через контакт між домішками ацетилену та флюсом при використанні оксиацетиленового полум'я, доцільно використовувати полум'я стисненого бензину з незначною відновлюваністю, щоб запобігти окисленню основного металу. Під час спеціального паяння флюс для паяння та присадний метал можна заздалегідь помістити в місце паяння та нагріти одночасно з заготовкою; заготовку також можна спочатку нагріти до температури паяння, а потім припій, занурений у флюс, можна направити в положення паяння; після розплавлення флюсу та присадного металу нагрівальне полум'я слід повільно видалити після рівномірного заповнення присадного металу.
Під час паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів у повітряній печі присадний метал для паяння має бути попередньо підготовлений, а флюс для паяння розплавлений у дистильованій воді для отримання густого розчину з концентрацією 50% ~ 75%, а потім покритий або розпилений на поверхню паяння. Відповідну кількість порошкового флюсу для паяння також можна покрити присадний метал для паяння та поверхню паяння, а потім зібрану зварну деталь помістити в піч для нагрівання пайки. Щоб запобігти перегріву або навіть плавленню основного металу, температуру нагрівання необхідно суворо контролювати.
Для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів зануренням зазвичай використовується паяльна пайка у вигляді пайки або фольги. Зібрану заготовку перед паянням необхідно попередньо нагріти до температури, близької до температури паяння, а потім занурити у флюс для паяння. Під час паяння температуру та час паяння слід суворо контролювати. Якщо температура занадто висока, основний метал легко розчиняється, і припій легко губиться; якщо температура занадто низька, припій розплавляється недостатньо, і швидкість паяння зменшується. Температура паяння повинна визначатися залежно від типу та розміру основного металу, складу та температури плавлення присадного металу та зазвичай знаходиться між температурою ліквідусу присадного металу та температурою солідусу основного металу. Час занурення заготовки у ванну з флюсом повинен забезпечити повне розплавлення та текучість припою, а час витримування не повинен бути занадто тривалим. В іншому випадку кремнієвий елемент у припої може дифундувати в основний метал, роблячи основний метал поблизу шва крихким.
При вакуумному паянні алюмінію та алюмінієвих сплавів часто використовуються активатори металевих операцій для модифікації поверхневої оксидної плівки алюмінію та забезпечення змочування та розподілу припою. Магній можна наносити безпосередньо на заготовку у вигляді частинок або вводити в зону пайки у вигляді пари, або ж магній можна додавати до алюмінієво-кремнієвого припою як елемент сплаву. Для заготовок зі складною структурою, щоб забезпечити повний вплив парів магнію на основний метал та покращити якість пайки, часто вживаються заходи локального екранування, тобто заготовку спочатку поміщають у коробку з нержавіючої сталі (широко відому як технологічна коробка), а потім поміщають у вакуумну піч для нагрівання пайки. З'єднання алюмінію та алюмінієвих сплавів, отримані вакуумною пайкою, мають гладку поверхню та щільні паяні з'єднання, і їх не потрібно очищати після пайки; однак обладнання для вакуумної пайки є дорогим, а пари магнію серйозно забруднюють піч, тому її потрібно часто чистити та обслуговувати.
Під час паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів у нейтральній або інертній атмосфері для видалення плівки можна використовувати магнієвий активатор або флюс. Коли для видалення плівки використовується магнієвий активатор, необхідна кількість магнію значно менша, ніж під час вакуумної пайки. Зазвичай w (мг) становить приблизно 0,2% ~ 0,5%. При високому вмісті магнію якість з'єднання знижується. Метод паяння NOCOLOK з використанням фтористого флюсу та захисту азотом – це новий метод, який швидко розвивався в останні роки. Оскільки залишки фтористого флюсу не поглинають вологу та не викликають корозії алюмінію, процес видалення залишків флюсу після паяння можна пропустити. Під захистом азоту потрібно покрити лише невелику кількість фтористого флюсу, присадний метал може добре змочувати основний метал, і легко отримати високоякісні паяні з'єднання. Наразі цей метод паяння NOCOLOK використовується в масовому виробництві алюмінієвих радіаторів та інших компонентів.
Для алюмінію та алюмінієвих сплавів, паяних флюсом, відмінним від фторного, залишки флюсу необхідно повністю видалити після паяння. Залишки органічного флюсу для паяння алюмінію можна промити органічними розчинами, такими як метанол та трихлоретилен, нейтралізувати водним розчином гідроксиду натрію та очистити гарячою та холодною водою. Хлорид – це залишки флюсу для паяння алюмінію, які можна видалити наступним чином: спочатку замочіть паяне з'єднання в гарячій воді при температурі 60 ~ 80 ℃ протягом 10 хвилин, ретельно очистіть залишки щіткою та промийте холодною водою; потім замочіть у 15% водному розчині азотної кислоти протягом 30 хвилин та промийте холодною водою.
Час публікації: 13 червня 2022 р.