【铝铜钎焊炉知识】铝与铜连接技术

在自然界中，铜的导电性和导热性仅次于银而居第二位，铜与人的亲和性仅次于钛。铝铜钎焊炉正因如此，铜在电的传输、热量交换和生活用品领域获得了广泛的应用。但是，铜是人类利用的金属，铜的过早、过度开发应用造成了铜的资源性短缺。

铜的资源性短缺和近几年铜价的居高不下，促使科技工作者寻求铜的替代品。在已经发现的金属中，铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金，而居于第四位。另一方面，铜在地壳中的含量（质量分数）为0.01%，铝的含量高达8%。因此，以铝代铜的研究和应用具有广泛的前景和深远的意义。

在以铝代铜的应用中，铝铜的连接是必由之路。近几年，铝铜钎焊炉在电力电器器件和热交换器器件的生产中衍生了铝铜异种金属的焊接技术，摩擦焊、爆炸焊等压力焊是可行的技术方案，但是设备投资较大、工艺繁杂，其成本和生产效率都不如使用铝铜钎焊炉钎焊。

目前，铝铜钎焊炉钎焊中的疑难问题是铝铜电极电位差值大和钎料温度过高易引起铝的溶蚀。锌基钎料能较好地解决这些问题，但钎焊过程中用到的反应钎剂添加困难，尤其是钎剂对水的禁忌使锌铝钎料不便应用。曾经，锌镉钎料较好地解决了铝铜的钎焊，但镉的公害不符合环保要求；锌锡铜钎料解决了环保问题，但工艺性差，并且钎缝不耐高温。

本文研究的铝铜钎焊炉药芯锌铝焊丝较好地解决了上述问题。

1．药芯锌铝焊丝及其制造工艺选择

药芯锌铝焊丝的制造工艺可以借鉴药芯铝焊丝的制造方法，药芯铝焊丝的制造工艺常见的有铝带轧制、盘元填粉和管状焊丝等。其中，只有管状焊丝法获得的是无缝药芯焊丝，其原材料为成盘的铝管、金属粉和焊剂。

管状焊丝法制造药芯焊丝是先把药芯粉末混匀，烧结成烧结焊剂形态，然后填入管中（直径为16～25m m ），通过振动使药芯填实，再经轧、粗拔、退火、细拔、层绕等工序制出成品。研究过程中曾经试验过这种方法，将钎剂粉装入锌铝合金管中，经过轧制、拉拔和扩散退火，zui终形成管状焊条。其主要问题是生产效率低，药粉填充系数不稳定。

其他药芯焊丝制造方法获得的焊丝都是有缝的，不适于制造药芯锌铝焊丝。

本文研究的层流挤压法是利用等温挤压技术制造药芯锌铝焊丝，等温挤压技术可以获得填充系数稳定的药芯焊丝毛坯。

2．无缝药芯锌铝焊丝成分设计

无缝药芯锌铝焊丝的基体材料选用锌铝或锌铝银合金。为改善钎料的综合性能，还添加了镍、锰、硅、铜、镁和稀土。

无缝药芯锌铝焊丝的药芯填充物必须满足两个条件：焊丝在存放过程中药芯与焊丝基体不发生反应，焊后残留物易于清除。

3．药芯锌铝焊丝横截面设计

在药芯焊丝的发展历程中，为了提高药芯焊丝的使用性能，发明了各种各样横截面的焊丝。试验中试制了6芯到单芯的药芯焊丝，以寻求理想的截面形状。

下图是研究中挤压的药芯铝焊料的横断面，从左到右药芯数分别为6、4、3、2、1、0。

研究过程中，从制造技术难度和使用性能两方面进行试验对比。在制造方面研究了熔铸方式、铸锭形状、挤压工艺等技术环节的可行性和可靠性。在使用方面考察了药芯锌铝焊丝的钎焊工艺性和接头力学性能。

从焊剂填充可行性方面看单孔和两孔zui优，从使用可靠性方面看孔越多可靠性越好。综合各方面的试验结果，三孔的横截面形式综合性能zui优。

4．无缝药芯焊丝的技术特点

无缝药芯焊丝是铝铜钎焊连接的技术成果，是铝铜钎焊用料的升级换代产品。其主要成分由锌铝铜和无腐蚀性氟铝铯盐组成，其钎焊工艺性、接头力学性能和接头导电性均优于锌镉、锌锡铜钎料。

该钎料适宜火焰钎焊、感应钎焊、电阻钎焊和炉中钎焊等多种钎焊工艺，尤其适宜非乙炔火焰钎焊。使用过程无需另加钎剂，自带焊剂环保、无腐蚀，焊后残留钎剂无需去除。

药芯焊丝在使用时无需手工添加钎剂，简化工艺、提高工效；焊丝是无缝的，钎剂永不遗漏，工人和设备不受粉尘污染；无缝焊丝便于长期保存而不变质，可以制环而不漏粉。药芯填充系数稳定、钎剂钎料比例准确，即确保焊接质量又杜绝浪费。

铝铜钎焊炉广泛用于电力电器、信息电子、不锈钢制品、制冷行业、电热电器和五金制品等行业。不需专用焊接设备和特殊生产场地，即可实现环保、便捷、安全的铝铜连接。其中铜包含常见的铜合金，铝主要指1系列、3系列和6系列和部分4系列。

5．药芯锌铝焊丝钎焊的接头性能

无缝药芯锌铝焊丝主要用于铝铜接头的钎焊，与同种类的实芯钎料相比，焊丝熔敷效率高、焊剂配比稳定，与同规范的实芯焊丝相比，焊丝的塑性略差、润湿性相当，具有操作方便、钎焊效率高、焊接稳定及焊缝可靠性高的特点。

无缝药芯锌铝焊丝的熔化温度范围为648～661K。钎焊铝铝接头时连接抗拉强度可以达到62MPa，钎焊铝铜接头时连接抗拉强度可以达到78MPa。

6．应用特点

（1）接头设计 接头间隙（单边）应控制在0.08～0.2mm。由于锌铝极易互溶，药芯焊丝对铝的填缝能力较强，但在铝表面的流铺长度有限，焊缝接头长度一般不要大于30mm。

（2）焊前处理 钎焊前接头处应清洗干净，可以采用碱液、金属清洗剂。特别提醒：将接头抛光的做法是不可取的，尤其是对铜的抛光，这样做是不利于焊接的。

（3）焊枪及焊嘴 优先选用两面加热的双头焊枪和多孔焊嘴。有多喷孔的焊嘴会喷出较宽的火焰带，从而能对部件进行更柔和均匀的加热，不容易烧穿工件。

（4）燃气选择常用的气体为氧气/丙烷、氧气/甲烷、氧气/天然气以及氧气/乙炔。不推荐使用氧乙炔火焰，但是氧乙炔火焰不是不能使用。

（5）特殊现象 与常规钎焊过程中钎剂先于钎料熔化不同，药芯焊丝是钎料先熔化钎剂后熔化，这是由于钎剂熔化温度略高于钎料，这就要求在钎焊起始阶段先把工件预热到450℃以上。

（6）加热施焊 火焰必须不断地在焊缝前后来回地移动，应避免长时间对准某一点以使整个焊缝部位同步达到钎焊温度。由于铜的热焓大、导热性好，加热时应将热源偏向铜侧，或者优先提高铜侧的温度。当铝表面出现黄色火焰时则表明出现过热/过烧现象，药芯焊丝的添加时机应在温度接近焊丝熔点且黄色火焰出现之前。添加方式应避免焊丝与焊缝垂直接触，而应保持一定的倾角，以增加接触面积，并且应尽量避免火焰直接对准焊丝加热，可以用火焰余热和母材热传递来熔化焊丝。

（7）焊后处理 冷却后不需进一步处理，钎剂残余物虽可见但无腐蚀性，不吸潮且附着牢固。如确有需要则建议采用物理方法清除，如浸泡后采用金属丝刷去除。

7．结论

（1）锌铝钎料适于铝铜连接的钎焊，加入银、锰、硅等元素可以提高接头强度，增加接头的耐腐蚀性。

（2）无缝药芯锌铝焊丝的综合性能优于有缝药芯焊丝，主要表现在存放和钎焊工艺稳定性方面。

（3）在药芯锌铝焊丝的生产中，采用基于层流流变条件下的等温挤压技术是制造药芯锌铝焊丝的有效途径

（4）采用无药芯锌铝焊丝钎焊铝铜器件，可以大大提高生产效率，稳定焊接质量。