Lutowanie aluminium i stopów aluminium

1. Lutowalność

Lutowanie aluminium i stopów aluminium jest słabe, głównie ze względu na trudności z usunięciem warstwy tlenku na powierzchni. Aluminium ma duże powinowactwo do tlenu. Łatwo tworzy na powierzchni gęstą, stabilną i wysokotopliwą warstwę tlenku Al2O3. Jednocześnie stopy aluminium zawierające magnez również tworzą bardzo stabilną warstwę tlenku MgO. Poważnie utrudniają one zwilżanie i rozprowadzanie lutu. I są trudne do usunięcia. Lutowanie twarde można przeprowadzić tylko przy użyciu odpowiedniego topnika.

Po drugie, lutowanie twarde aluminium i stopów aluminium jest trudne. Temperatura topnienia aluminium i stopów aluminium nie różni się znacząco od temperatury topnienia spoiwa. Zakres temperatur lutowania jest bardzo wąski. Niewłaściwa kontrola temperatury może łatwo doprowadzić do przegrzania, a nawet stopienia metalu bazowego, co utrudnia proces lutowania. Niektóre stopy aluminium wzmacniane obróbką cieplną mogą również powodować zjawiska zmiękczania, takie jak starzenie lub wyżarzanie, spowodowane nagrzewaniem, co pogarsza właściwości lutowanych połączeń. Podczas lutowania płomieniowego trudno jest ocenić temperaturę, ponieważ kolor stopu aluminium nie zmienia się podczas nagrzewania, co dodatkowo zwiększa wymagania dotyczące poziomu obsługi operatora.

Co więcej, odporność na korozję połączeń lutowanych aluminium i stopów aluminium jest podatna na działanie spoiw i topników. Potencjał elektrody aluminium i stopu aluminium znacznie różni się od potencjału lutu, co obniża odporność na korozję połączenia, zwłaszcza w przypadku lutowania miękkiego. Ponadto większość topników stosowanych do lutowania aluminium i stopów aluminium charakteryzuje się silną korozyjnością. Nawet po ich oczyszczeniu po lutowaniu, wpływ topników na odporność na korozję połączeń nie zostanie całkowicie wyeliminowany.

2. Materiał lutowniczy

(1) Lutowanie twarde aluminium i stopów aluminium jest rzadko stosowaną metodą, ponieważ skład i potencjał elektrody spoiwa lutowniczego i metalu bazowego są bardzo różne, co łatwo prowadzi do korozji elektrochemicznej połączenia. Do lutowania miękkiego stosuje się głównie lut cynkowy i lut cynowo-ołowiowy, które w zależności od zakresu temperatur można podzielić na luty niskotemperaturowe (150–260°C), luty średniotemperaturowe (260–370°C) i luty wysokotemperaturowe (370–430°C). Zastosowanie lutu cynowo-ołowiowego i wstępne pokrycie aluminium warstwą miedzi lub niklu pozwala zapobiec korozji na styku elementów, zwiększając tym samym odporność połączenia na korozję.

Lutowanie twarde aluminium i stopów aluminium jest szeroko stosowane, np. w elementach prowadzących filtry, parownikach, chłodnicach i innych elementach. Do lutowania twardego aluminium i stopów aluminium można stosować wyłącznie spoiwa na bazie aluminium, spośród których najczęściej stosuje się spoiwa aluminiowo-silikonowe. Szczegółowy zakres zastosowania i wytrzymałość na ścinanie połączeń lutowanych przedstawiono odpowiednio w tabeli 8 i tabeli 9. Temperatura topnienia tego lutu jest jednak zbliżona do temperatury topnienia metalu bazowego, dlatego temperatura nagrzewania powinna być ściśle kontrolowana podczas lutowania, aby uniknąć przegrzania, a nawet stopienia metalu bazowego.

Tabela 8 Zakres stosowania spoiw lutowniczych do aluminium i stopów aluminium

Tabela 9 Wytrzymałość na ścinanie połączeń aluminium i stopów aluminium lutowanych spoiwem aluminiowym i krzemowym

Lut aluminiowo-krzemowy jest zazwyczaj dostarczany w postaci proszku, pasty, drutu lub arkusza. W niektórych przypadkach stosuje się płyty kompozytowe z aluminium jako rdzeniem i lutem aluminiowo-krzemowym jako powłoką. Tego rodzaju płyty kompozytowe są wytwarzane metodą hydrauliczną i często wykorzystywane jako element lutowania twardego. Podczas lutowania twardego spoiwo na płycie kompozytowej topi się i rozpływa pod wpływem sił kapilarnych i grawitacyjnych, wypełniając szczelinę w złączu.

(2) Topnik i gaz osłonowy do lutowania aluminium i stopów aluminium. Do usuwania warstwy ochronnej często stosuje się specjalny topnik. Topnik organiczny na bazie trietanoloaminy, taki jak FS204, jest stosowany do lutowania miękkiego niskotemperaturowego. Zaletą tego topnika jest niewielki wpływ korozyjny na metal bazowy, ale wydziela dużą ilość gazu, co wpływa na zwilżalność i uszczelnianie lutu. Topnik reaktywny na bazie chlorku cynku, taki jak FS203 i FS220a, jest stosowany do lutowania miękkiego średniotemperaturowego i wysokotemperaturowego. Topnik reaktywny jest silnie korozyjny, a jego pozostałości należy usunąć po lutowaniu.

Obecnie lutowanie twarde aluminium i stopów aluminium nadal opiera się na usuwaniu warstwy topnika. Do lutowania twardego stosuje się topniki chlorkowe i fluorkowe. Topnik chlorkowy charakteryzuje się silną zdolnością do usuwania warstwy tlenków i dobrą płynnością, ale ma silny wpływ korozyjny na metal bazowy. Jego pozostałości należy całkowicie usunąć po lutowaniu. Topnik fluorkowy to nowy rodzaj topnika, który dobrze usuwa warstwę topnika i nie powoduje korozji metalu bazowego. Ma jednak wysoką temperaturę topnienia i słabą stabilność termiczną i może być stosowany wyłącznie z lutem aluminiowo-silikonowym.

Podczas lutowania aluminium i stopów aluminium często stosuje się próżnię, atmosferę neutralną lub obojętną. Podczas lutowania próżniowego stopień próżni powinien zazwyczaj sięgać około 10-3 Pa. W przypadku stosowania azotu lub argonu do ochrony, ich czystość musi być bardzo wysoka, a temperatura punktu rosy musi być niższa niż -40°C.

3. Technologia lutowania

Lutowanie aluminium i stopów aluminium wiąże się z wysokimi wymaganiami dotyczącymi czyszczenia powierzchni przedmiotu obrabianego. Aby uzyskać dobrą jakość, przed lutowaniem należy usunąć plamy oleju i warstwę tlenku z powierzchni. Plamy oleju należy usunąć z powierzchni za pomocą wodnego roztworu Na2CO3 w temperaturze 60–70°C przez 5–10 minut, a następnie spłukać czystą wodą. Warstwę tlenku powierzchni można usunąć poprzez wytrawienie wodnym roztworem NaOH w temperaturze 20–40°C przez 2–4 minuty, a następnie spłukać gorącą wodą. Po usunięciu plam oleju i warstwy tlenku z powierzchni przedmiot obrabiany należy poddać działaniu wodnego roztworu HNO3 w celu nadania połysku przez 2–5 minut, a następnie umyć pod bieżącą wodą i ostatecznie osuszyć. Przedmiot obrabiany tymi metodami nie powinien być dotykany ani zanieczyszczany innymi zanieczyszczeniami i powinien być lutowany w ciągu 6–8 godzin. Najlepiej lutować natychmiast, jeśli to możliwe.

Metody lutowania twardego aluminium i stopów aluminium obejmują głównie lutowanie płomieniowe, lutowanie lutem żelaznym i lutowanie w piecu. Metody te zazwyczaj wykorzystują topnik do lutowania i mają rygorystyczne wymagania dotyczące temperatury nagrzewania i czasu wygrzewania. Podczas lutowania płomieniowego i lutowania lutem żelaznym należy unikać podgrzewania topnika bezpośrednio przy źródle ciepła, aby zapobiec jego przegrzaniu i uszkodzeniu. Ponieważ aluminium może rozpuścić się w miękkim lutowiu o wysokiej zawartości cynku, podgrzewanie należy przerwać po utworzeniu połączenia, aby uniknąć korozji metalu bazowego. W niektórych przypadkach lutowanie aluminium i stopów aluminium nie wymaga użycia topnika, lecz wykorzystuje ultradźwięki lub metody skrobania do usuwania warstwy topnika. Podczas skrobania w celu usunięcia warstwy topnika przed lutowaniem, najpierw należy podgrzać przedmiot obrabiany do temperatury lutowania, a następnie zeskrobać lutowaną część przedmiotu końcem pręta lutowniczego (lub skrobaka). Podczas rozbijania powierzchniowej warstwy tlenku, koniec lutu stopi się i zwilży metal bazowy.

Metody lutowania twardego aluminium i stopów aluminium obejmują głównie lutowanie płomieniowe, lutowanie w piecu, lutowanie zanurzeniowe, lutowanie próżniowe i lutowanie w osłonie gazów ochronnych. Lutowanie płomieniowe jest najczęściej stosowane w przypadku małych elementów obrabianych i produkcji pojedynczych sztuk. Aby uniknąć uszkodzenia topnika w wyniku kontaktu zanieczyszczeń w acetylenie z topnikiem podczas stosowania płomienia acetylenowo-tlenowego, wskazane jest użycie płomienia benzyny ze sprężonym powietrzem o niewielkiej redukowalności, aby zapobiec utlenianiu metalu bazowego. Podczas lutowania precyzyjnego topnik i spoiwo można umieścić w miejscu lutowania z wyprzedzeniem i jednocześnie podgrzać z przedmiotem obrabianym; przedmiot obrabiany można również najpierw podgrzać do temperatury lutowania, a następnie lut zanurzony w topniku można skierować do miejsca lutowania; Po stopieniu topnika i spoiwa płomień grzewczy należy powoli usunąć, aż spoiwo zostanie równomiernie wypełnione.

Podczas lutowania aluminium i stopów aluminium w piecu powietrznym, spoiwo lutownicze należy wstępnie przygotować, a topnik roztopić w wodzie destylowanej, aby uzyskać gęsty roztwór o stężeniu 50–75%, a następnie nanieść go na lutowaną powierzchnię lub pokryć ją warstwą topnika. Odpowiednią ilość proszkowego topnika lutowniczego można również nanieść na spoiwo i powierzchnię lutowania, a następnie zmontowany element spawany umieścić w piecu w celu lutowania na gorąco. Aby zapobiec przegrzaniu, a nawet stopieniu metalu bazowego, temperatura nagrzewania musi być ściśle kontrolowana.

Lutowanie zanurzeniowe aluminium i stopów aluminium zazwyczaj odbywa się za pomocą pasty lub folii lutowniczej. Zmontowany element obrabiany należy przed lutowaniem wstępnie podgrzać, aby jego temperatura była zbliżona do temperatury lutowania, a następnie zanurzyć w topniku. Podczas lutowania należy ściśle kontrolować temperaturę i czas lutowania. Zbyt wysoka temperatura powoduje łatwe rozpuszczenie się metalu bazowego i utratę lutu; zbyt niska temperatura powoduje niedostateczne stopienie lutu, co powoduje spadek szybkości lutowania. Temperaturę lutowania należy dobrać w zależności od rodzaju i rozmiaru metalu bazowego, składu i temperatury topnienia spoiwa i zazwyczaj mieści się ona pomiędzy temperaturą likwidusu spoiwa a temperaturą solidusu metalu bazowego. Czas zanurzania elementu obrabianego w kąpieli topnikowej musi zapewniać całkowite stopienie i płynięcie lutu, a czas podtrzymywania nie powinien być zbyt długi. W przeciwnym wypadku element krzemowy zawarty w lutowiu może przeniknąć do metalu bazowego, powodując, że metal bazowy w pobliżu spoiny stanie się kruchy.

W lutowaniu próżniowym aluminium i stopów aluminium, aktywatory metalu są często stosowane w celu modyfikacji powierzchniowej warstwy tlenków aluminium i zapewnienia zwilżenia i rozprowadzenia lutu. Magnez może być bezpośrednio nanoszony na obrabiany przedmiot w postaci cząstek lub wprowadzany do strefy lutowania w postaci pary, ewentualnie magnez może być dodawany do lutu aluminiowo-krzemowego jako pierwiastek stopowy. W przypadku przedmiotu obrabianego o złożonej strukturze, aby zapewnić pełny wpływ oparów magnezu na metal bazowy i poprawić jakość lutowania, często stosuje się lokalne metody osłony, tj. umieszczanie przedmiotu obrabianego najpierw w pojemniku ze stali nierdzewnej (powszechnie znanym jako pojemnik procesowy), a następnie w piecu próżniowym w celu nagrzania do lutowania. Lutowane próżniowo złącza aluminium i stopów aluminium mają gładką powierzchnię i gęste lutowanie, i nie wymagają czyszczenia po lutowaniu. Jednak sprzęt do lutowania próżniowego jest drogi, a opary magnezu poważnie zanieczyszczają piec, dlatego należy go często czyścić i konserwować.

Podczas lutowania aluminium i stopów aluminium w atmosferze obojętnej lub obojętnej, do usunięcia warstwy lutowniczej można użyć aktywatora magnezowego lub topnika. W przypadku użycia aktywatora magnezowego do usunięcia warstwy lutowniczej wymagana ilość magnezu jest znacznie niższa niż w przypadku lutowania próżniowego. Zazwyczaj zawartość magnezu (w mg) wynosi około 0,2% ~ 0,5%. Wysoka zawartość magnezu pogarsza jakość połączenia. Metoda lutowania NOCOLOK z wykorzystaniem topnika fluorkowego i osłony azotowej to nowa metoda, która rozwija się dynamicznie w ostatnich latach. Ponieważ pozostałości topnika fluorkowego nie absorbują wilgoci i nie powodują korozji aluminium, proces usuwania pozostałości topnika po lutowaniu może zostać pominięty. Pod osłoną azotu wystarczy nałożyć jedynie niewielką ilość topnika fluorkowego, spoiwo dobrze zwilża metal bazowy i łatwo uzyskać wysokiej jakości połączenia lutowane. Obecnie metoda lutowania NOCOLOK jest stosowana w masowej produkcji aluminiowych chłodnic i innych elementów.

W przypadku aluminium i stopów aluminium lutowanych topnikiem innym niż fluorkowy, pozostałości topnika muszą zostać całkowicie usunięte po lutowaniu. Pozostałości organicznego topnika do lutowania aluminium można przemyć roztworami organicznymi, takimi jak metanol i trichloroetylen, zneutralizować wodnym roztworem wodorotlenku sodu, a następnie oczyścić gorącą i zimną wodą. Chlorki to pozostałości topnika do lutowania aluminium, które można usunąć następującymi metodami: najpierw moczyć w gorącej wodzie o temperaturze 60–80°C przez 10 minut, ostrożnie oczyścić szczotką pozostałości na lutowanym złączu i przemyć zimną wodą; następnie moczyć w 15% wodnym roztworze kwasu azotowego przez 30 minut, a na koniec spłukać zimną wodą.