Spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin

1. Spájkovateľnosť

Spájkovacie vlastnosti hliníka a hliníkových zliatin sú slabé, najmä preto, že oxidový film na povrchu sa ťažko odstraňuje. Hliník má veľkú afinitu ku kyslíku. Na povrchu sa ľahko vytvára hustý, stabilný oxidový film Al2O3 s vysokou teplotou topenia. Zároveň hliníkové zliatiny obsahujúce horčík tiež vytvárajú veľmi stabilný oxidový film MgO. Tieto výrazne bránia zmáčaniu a rozptyľovaniu spájky a sú ťažko odstrániteľné. Počas spájkovania je možné proces spájkovania vykonávať iba s vhodným tavidlom.

Po druhé, spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin je náročné. Bod topenia hliníka a hliníkových zliatin sa veľmi nelíši od bodu topenia použitého prídavného materiálu na spájkovanie. Voliteľný teplotný rozsah spájkovania je veľmi úzky. Trochu nesprávna regulácia teploty môže ľahko spôsobiť prehriatie alebo dokonca roztavenie základného materiálu, čo sťažuje proces spájkovania. Niektoré hliníkové zliatiny spevnené tepelným spracovaním tiež spôsobujú javy mäknutia, ako je nadmerné starnutie alebo žíhanie v dôsledku spájkovania, čo znižuje vlastnosti spájkovaných spojov. Počas spájkovania plameňom je ťažké posúdiť teplotu, pretože farba hliníkovej zliatiny sa počas ohrevu nemení, čo tiež zvyšuje požiadavky na úroveň obsluhy operátora.

Okrem toho je odolnosť spájkovaných spojov hliníka a hliníkových zliatin proti korózii ľahko ovplyvnená prídavnými kovmi a tavidlami. Elektródový potenciál hliníka a hliníkovej zliatiny sa značne líši od potenciálu spájky, čo znižuje odolnosť spoja proti korózii, najmä pri mäkkom spájkovaní. Okrem toho väčšina tavidl používaných pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin má silnú korozívnu aktivitu. Aj keď sa po spájkovaní vyčistia, vplyv tavidl na odolnosť spojov proti korózii sa úplne neodstráni.

2. Spájkovací materiál

(1) Spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin je zriedkavo používaná metóda, pretože zloženie a elektródový potenciál prídavného kovu a základného kovu sa veľmi líšia, čo ľahko spôsobuje elektrochemickú koróziu spoja. Mäkké spájkovanie používa hlavne spájku na báze zinku a spájku na báze cínu a olova, ktoré možno podľa teplotného rozsahu rozdeliť na nízkoteplotnú spájku (150 ~ 260 ℃), strednoteplotnú spájku (260 ~ 370 ℃) a vysokoteplotnú spájku (370 ~ 430 ℃). Keď sa použije spájka na báze cínu a olova a na povrch hliníka sa pred spájkovaním nanesie meď alebo nikel, dá sa zabrániť korózii na rozhraní spoja a zlepšiť odolnosť spoja proti korózii.

Spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin sa široko používa, napríklad na filtračné vedenia, výparníky, chladiče a iné komponenty. Na spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin sa môžu použiť iba prídavné kovy na báze hliníka, medzi ktorými sú najpoužívanejšie prídavné kovy na báze hliníka a kremíka. Konkrétny rozsah použitia a pevnosť v šmyku spájkovaných spojov sú uvedené v tabuľke 8 a tabuľke 9. Bod topenia tejto spájky je však blízky bodu topenia základného kovu, preto by sa teplota ohrevu mala počas spájkovania prísne a presne kontrolovať, aby sa predišlo prehriatiu alebo dokonca roztaveniu základného kovu.

Tabuľka 8 Rozsah použitia prídavných spájkovacích kovov pre hliník a hliníkové zliatiny

Tabuľka 9: Pevnosť v šmyku spojov hliníka a hliníkových zliatin spájkovaných s prídavnými kovmi hliník-kremík

Hliníkovo-kremíková spájka sa zvyčajne dodáva vo forme prášku, pasty, drôtu alebo plechu. V niektorých prípadoch sa používajú spájkované kompozitné dosky s hliníkovým jadrom a hliníkovo-kremíkovou spájkou ako plášťom. Tento druh spájkovanej kompozitnej dosky sa vyrába hydraulickou metódou a často sa používa ako súčasť spájkovaných komponentov. Počas spájkovania sa prídavný kov na kompozitnej doske roztaví a prúdi pôsobením kapilár a gravitácie, aby vyplnil medzeru v spoji.

(2) Tavidlo a ochranný plyn na spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin, na odstránenie filmu sa často používa špeciálne tavidlo. Organické tavidlo na báze trietanolamínu, ako napríklad FS204, sa používa pri nízkoteplotných mäkkých spájkach. Výhodou tohto tavidla je, že má malý korozívny účinok na základný kov, ale uvoľňuje veľké množstvo plynu, čo ovplyvňuje zmáčanie a tmelenie spájky. Reaktívne tavidlo na báze chloridu zinočnatého, ako napríklad FS203 a FS220A, sa používa pri strednoteplotných a vysokoteplotných mäkkých spájkach. Reaktívne tavidlo je vysoko korozívne a jeho zvyšky sa musia po spájkovaní odstrániť.

V súčasnosti sa pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin stále dominuje odstraňovaním filmu taviva. Používané tavidlá na spájkovanie zahŕňajú tavidlá na báze chloridov a fluoridov. Tavidlá na báze chloridov majú silnú schopnosť odstraňovať oxidový film a dobrú tekutosť, ale majú silný korozívny účinok na základný kov. Jeho zvyšky sa musia po spájkovaní úplne odstrániť. Tavidlá na báze fluoridov sú novým typom tavidla, ktoré majú dobrý účinok odstraňovania filmu a nespôsobujú koróziu základného kovu. Má však vysoký bod topenia a nízku tepelnú stabilitu a možno ich použiť iba s hliníkovo-kremíkovými spájkami.

Pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin sa často používa vákuum, neutrálna alebo inertná atmosféra. Pri spájkovaní vo vákuu by mal stupeň vákua dosiahnuť približne 10⁻³ Pa. Ak sa na ochranu používa dusík alebo argón, jeho čistota musí byť veľmi vysoká a rosný bod musí byť nižší ako -40 ℃.

3. Technológia spájkovania

Spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin má vysoké požiadavky na čistenie povrchu obrobku. Aby sa dosiahla dobrá kvalita, je potrebné pred spájkovaním odstrániť olejové škvrny a oxidový film z povrchu. Olejové škvrny z povrchu odstráňte vodným roztokom Na2CO3 pri teplote 60 ~ 70 ℃ počas 5 ~ 10 minút a potom opláchnite čistou vodou. Povrchový oxidový film je možné odstrániť leptaním vodným roztokom NaOH pri teplote 20 ~ 40 ℃ počas 2 ~ 4 minút a potom opláchnite horúcou vodou. Po odstránení olejových škvŕn a oxidového filmu z povrchu sa obrobok ošetrí vodným roztokom HNO3 pre lesk počas 2 ~ 5 minút, potom sa umyje pod tečúcou vodou a nakoniec sa vysuší. Obrobok ošetrený týmito metódami sa nesmie dotýkať ani kontaminovať inými nečistotami a spájkuje sa do 6 ~ 8 hodín. Ak je to možné, je najlepšie spájkovať ihneď.

Metódy spájkovania hliníka a hliníkových zliatin zahŕňajú najmä spájkovanie plameňom, spájkovanie spájkovačkou a spájkovanie v peci. Tieto metódy vo všeobecnosti používajú pri spájkovaní tavidlo a majú prísne požiadavky na teplotu ohrevu a čas zotrvania. Počas spájkovania plameňom a spájkovania spájkovačkou sa vyhýbajte priamemu ohrievaniu tavidla zdrojom tepla, aby ste predišli prehriatiu a poškodeniu tavidla. Keďže hliník sa môže rozpustiť v mäkkej spájke s vysokým obsahom zinku, ohrev by sa mal po vytvorení spoja zastaviť, aby sa predišlo korózii základného kovu. V niektorých prípadoch sa pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin niekedy nepoužíva tavidlo, ale ultrazvukové metódy alebo metódy škrabania na odstránenie filmu. Pri použití škrabania na odstránenie filmu na spájkovanie sa najprv obrobok zahreje na teplotu spájkovania a potom sa spájkovacia časť obrobku zoškrabne koncom spájkovacej tyče (alebo škrabacieho nástroja). Pri porušovaní povrchového oxidového filmu sa koniec spájky roztaví a zmáča základný kov.

Metódy spájkovania hliníka a hliníkových zliatin zahŕňajú najmä spájkovanie plameňom, spájkovanie v peci, spájkovanie ponorom, spájkovanie vo vákuu a spájkovanie v ochrannej atmosfére plynu. Spájkovanie plameňom sa používa najmä pre malé obrobky a kusovú výrobu. Aby sa predišlo poškodeniu tavidla v dôsledku kontaktu medzi nečistotami v acetyléne a tavidlom pri použití oxyacetylénového plameňa, je vhodné použiť plameň so stlačeným vzduchom s miernou redukovateľnosťou, aby sa zabránilo oxidácii základného kovu. Počas špecifického spájkovania sa tavidlo a prídavný kov môžu vopred umiestniť na miesto spájkovania a zahriať súčasne s obrobkom. Obrobok sa môže najskôr zahriať na teplotu spájkovania a potom sa spájka ponorená do tavidla môže poslať do polohy spájkovania. Po roztavení tavidla a prídavného kovu sa musí po rovnomernom naplnení prídavného kovu vyhrievací plameň pomaly odstrániť.

Pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin vo vzduchovej peci sa musí vopred pripraviť prídavný kov na spájkovanie a tavidlo na spájkovanie sa roztaví v destilovanej vode, čím sa pripraví hustý roztok s koncentráciou 50 % až 75 %, a potom sa nanesie vrstvou alebo striekaním na spájkovaný povrch. Na prídavný kov na spájkovanie a spájkovaný povrch sa môže naniesť aj vhodné množstvo práškového tavidla na spájkovanie a potom sa zostavený zvar umiestni do pece na spájkovanie za tepla. Aby sa zabránilo prehriatiu alebo dokonca roztaveniu základného kovu, musí sa teplota ohrevu prísne kontrolovať.

Pastová alebo fóliová spájka sa všeobecne používa na spájkovanie hliníka a hliníkových zliatin ponorom. Zostavený obrobok sa pred spájkovaním predhreje, aby sa jeho teplota blížila teplote spájkovania, a potom sa ponorí do spájkovacieho tavidla na spájkovanie. Počas spájkovania sa musí teplota spájkovania a čas spájkovania prísne kontrolovať. Ak je teplota príliš vysoká, základný kov sa ľahko rozpustí a spájka sa ľahko stratí; ak je teplota príliš nízka, spájka sa dostatočne neroztaví a rýchlosť spájkovania sa zníži. Teplota spájkovania sa musí určiť podľa typu a veľkosti základného kovu, zloženia a bodu topenia prídavného kovu a vo všeobecnosti sa pohybuje medzi teplotou likvidu prídavného kovu a teplotou solidu základného kovu. Doba ponorenia obrobku do tavidla musí zabezpečiť, aby sa spájka mohla úplne roztaviť a roztekať, a doba podopretia by nemala byť príliš dlhá. V opačnom prípade môže kremíkový prvok v spájke difundovať do základného kovu, čo spôsobí, že základný kov v blízkosti švu bude krehký.

Pri vákuovom spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin sa často používajú aktivátory kovových operácií na úpravu povrchového oxidového filmu hliníka a zabezpečenie zmáčania a roztierania spájky. Horčík sa môže priamo nanášať na obrobok vo forme častíc alebo sa môže do spájkovacej zóny zavádzať vo forme pary, prípadne sa horčík môže pridať do hliníkovo-kremíkovej spájky ako legujúci prvok. Pri obrobkoch so zložitou štruktúrou sa na zabezpečenie plného účinku horčíkových pár na základný kov a zlepšenie kvality spájkovania často prijímajú lokálne ochranné opatrenia, to znamená, že obrobok sa najprv umiestni do nerezovej skrinky (bežne známej ako procesná skrinka) a potom sa umiestni do vákuovej pece na zahrievanie spájkovania. Vákuovo spájkované spoje hliníka a hliníkových zliatin majú hladký povrch a husté spájkované spoje a po spájkovaní ich nie je potrebné čistiť. Zariadenie na vákuové spájkovanie je však drahé a horčíkové pary vážne znečisťujú pec, preto je potrebné ju často čistiť a udržiavať.

Pri spájkovaní hliníka a hliníkových zliatin v neutrálnej alebo inertnej atmosfére sa na odstránenie filmu môže použiť horčíkový aktivátor alebo tavidlo. Pri použití horčíkového aktivátora na odstránenie filmu je potrebné množstvo horčíka oveľa nižšie ako pri vákuovom spájkovaní. Vo všeobecnosti je w (mg) približne 0,2 % ~ 0,5 %. Pri vysokom obsahu horčíka sa zníži kvalita spoja. Metóda spájkovania NOCOLOK s použitím fluoridového tavidla a ochrany dusíkom je nová metóda, ktorá sa v posledných rokoch rýchlo vyvinula. Keďže zvyšky fluoridového tavidla neabsorbujú vlhkosť a nie sú korozívne pre hliník, proces odstraňovania zvyškov tavidla po spájkovaní sa dá vynechať. Pod ochranou dusíka je potrebné naniesť iba malé množstvo fluoridového tavidla, prídavný kov dokáže dobre zmáčať základný kov a je ľahké získať vysoko kvalitné spájkované spoje. V súčasnosti sa táto metóda spájkovania NOCOLOK používa pri hromadnej výrobe hliníkových chladičov a iných komponentov.

V prípade hliníka a hliníkových zliatin spájkovaných iným tavidlom ako fluoridovým tavidlom sa musia zvyšky tavidla po spájkovaní úplne odstrániť. Zvyšky organického tavidla na spájkovanie hliníka sa môžu umyť organickými roztokmi, ako je metanol a trichlóretylén, neutralizovať vodným roztokom hydroxidu sodného a nakoniec vyčistiť horúcou a studenou vodou. Chlorid je zvyšok tavidla na spájkovanie hliníka, ktorý sa môže odstrániť nasledujúcimi spôsobmi: Najprv namočte do horúcej vody s teplotou 60 ~ 80 ℃ na 10 minút, zvyšky na spájkovanom spoji starostlivo očistite kefkou a vyčistite studenou vodou; potom namočte do 15 % vodného roztoku kyseliny dusičnej na 30 minút a nakoniec opláchnite studenou vodou.