Spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin

1. Spajkanje

Spajkalne lastnosti aluminija in aluminijevih zlitin so slabe, predvsem zato, ker je oksidni film na površini težko odstraniti. Aluminij ima veliko afiniteto do kisika. Na površini zlahka tvori gost, stabilen in visoko tališčem visok oksidni film Al₂O₃. Hkrati aluminijeve zlitine, ki vsebujejo magnezij, tvorijo tudi zelo stabilen oksidni film MgO. To resno ovira omočenje in širjenje spajke ter ga je težko odstraniti. Med spajkanjem se postopek spajkanja lahko izvaja le z ustreznim talilom.

Drugič, spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin je težavno. Tališče aluminija in aluminijevih zlitin se ne razlikuje bistveno od tališča uporabljenega polnila za spajkanje. Izbirno temperaturno območje spajkanja je zelo ozko. Nekaj ​​nepravilnega nadzora temperature lahko povzroči pregrevanje ali celo taljenje osnovne kovine, kar oteži postopek spajkanja. Nekatere aluminijeve zlitine, ojačane s toplotno obdelavo, lahko povzročijo tudi pojave mehčanja, kot sta prekomerno staranje ali žarjenje zaradi segrevanja spajkanja, kar zmanjša lastnosti spajkanih spojev. Med spajkanjem s plamenom je težko oceniti temperaturo, ker se barva aluminijeve zlitine med segrevanjem ne spremeni, kar poveča tudi zahteve glede ravni delovanja operaterja.

Poleg tega na korozijsko odpornost spajkanih spojev iz aluminija in aluminijevih zlitin zlahka vplivajo polnilne kovine in talila. Elektrodni potencial aluminija in aluminijevih zlitin se precej razlikuje od potenciala spajke, kar zmanjša korozijsko odpornost spoja, zlasti pri mehkem spajkanju. Poleg tega ima večina talilov, ki se uporabljajo pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin, močno korozivnost. Tudi če jih po spajkanju očistimo, vpliv talilov na korozijsko odpornost spojev ne bo popolnoma odpravljen.

2. Spajkalni material

(1) Spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin je redko uporabljena metoda, saj se sestava in elektrodni potencial spajkalne kovine in osnovne kovine zelo razlikujeta, kar lahko povzroči elektrokemično korozijo spoja. Mehko spajkanje se v glavnem uporablja na osnovi cinka in kositrovo-svinčevega spajkanja, ki jih lahko glede na temperaturno območje razdelimo na nizkotemperaturno spajkanje (150 ~ 260 ℃), srednjetemperaturno spajkanje (260 ~ 370 ℃) in visokotemperaturno spajkanje (370 ~ 430 ℃). Ko se na aluminijasto površino za spajkanje predhodno nanese baker ali nikelj, se prepreči korozija na stiku spoja in se izboljša korozijska odpornost spoja.

Spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin se pogosto uporablja, na primer za filtre, uparjalnike, radiatorje in druge komponente. Za spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin se lahko uporabljajo samo polnilne kovine na osnovi aluminija, med katerimi so najpogosteje uporabljene polnilne kovine iz aluminija in silicija. Specifično področje uporabe in strižna trdnost spajkanih spojev sta prikazana v tabeli 8 oziroma tabeli 9. Vendar je tališče te spajke blizu tališča osnovne kovine, zato je treba temperaturo segrevanja med spajkanjem strogo in natančno nadzorovati, da se prepreči pregrevanje ali celo taljenje osnovne kovine.

Tabela 8 Področje uporabe spajkanja dodatkov za aluminij in aluminijeve zlitine

Tabela 9 strižna trdnost spojev iz aluminija in aluminijevih zlitin, spajkanih z aluminijevimi silicijevimi polnili

Aluminijev silicijev spajkalni material se običajno dobavlja v obliki prahu, paste, žice ali plošče. V nekaterih primerih se uporabljajo spajkalne kompozitne plošče z aluminijem kot jedrom in aluminijevim silicijevim spajkalnim materialom kot oblogo. Ta vrsta spajkalne kompozitne plošče je izdelana s hidravlično metodo in se pogosto uporablja kot del spajkanih komponent. Med spajkanjem se polnilna kovina na kompozitni plošči tali in teče pod vplivom kapilar in gravitacije, da zapolni spojno režo.

(2) Za spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin se pogosto uporablja fluks in zaščitni plin, za odstranjevanje filma pa se pogosto uporablja poseben fluks. Organski fluks na osnovi trietanolamina, kot je FS204, se uporablja pri nizkotemperaturnem mehkem spajkanju. Prednost tega fluksa je, da ima majhen korozijski učinek na osnovno kovino, vendar proizvaja veliko količino plina, kar vpliva na omočenje in tesnjenje spajke. Reaktivni fluks na osnovi cinkovega klorida, kot sta FS203 in FS220A, se uporablja pri srednjetemperaturnem in visokotemperaturnem mehkem spajkanju. Reaktivni fluks je zelo koroziven in njegove ostanke je treba po spajkanju odstraniti.

Trenutno pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin še vedno prevladuje odstranjevanje oksidnega filma. Uporabljajo se fluidi na osnovi klorida in fluorida. Fluks na osnovi klorida ima močno sposobnost odstranjevanja oksidnega filma in dobro tekočnost, vendar ima velik korozivni učinek na osnovno kovino. Njegove ostanke je treba po spajkanju popolnoma odstraniti. Fluks na osnovi fluorida je nova vrsta fluksa, ki ima dober učinek odstranjevanja filma in ne povzroča korozije osnovne kovine. Vendar ima visoko tališče in slabo toplotno stabilnost ter se lahko uporablja le z aluminijevo-silicijevim spajkalnikom.

Pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin se pogosto uporablja vakuum, nevtralna ali inertna atmosfera. Pri spajkanju v vakuumu mora stopnja vakuuma običajno doseči velikost 10⁻³ Pa. Če se za zaščito uporablja dušik ali argon, mora biti njegova čistost zelo visoka, rosišče pa mora biti nižje od -40 ℃.

3. Tehnologija spajkanja

Spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin ima visoke zahteve glede čiščenja površine obdelovanca. Za doseganje dobre kakovosti je treba pred spajkanjem odstraniti oljne madeže in oksidni film na površini. Oljne madeže na površini odstranite z vodno raztopino Na2CO3 pri temperaturi 60–70 ℃ 5–10 minut in nato sperite s čisto vodo. Površinski oksidni film lahko odstranite z jedkanjem z vodno raztopino NaOH pri temperaturi 20–40 ℃ 2–4 minute in nato sperite z vročo vodo. Po odstranitvi oljnih madežev in oksidnega filma na površini je treba obdelovanec obdelati z vodno raztopino HNO3 za sijaj 2–5 minut, nato očistiti pod tekočo vodo in na koncu posušiti. Obdelovanca, obdelanega s temi metodami, se ne sme dotikati ali ga onesnažiti z drugo umazanijo in ga je treba spajkati v 6–8 urah. Če je mogoče, je bolje, da spajkate takoj.

Metode spajkanja aluminija in aluminijevih zlitin vključujejo predvsem spajkanje s plamenom, spajkanje s spajkalnikom in spajkanje v peči. Te metode običajno uporabljajo talilo pri spajkanju in imajo stroge zahteve glede temperature segrevanja in časa zadrževanja. Med spajkanjem s plamenom in spajkanjem s spajkalnikom se izogibajte neposrednemu segrevanju talila z virom toplote, da preprečite pregrevanje in poškodbo talila. Ker se aluminij lahko raztopi v mehkem spajkanju z visoko vsebnostjo cinka, je treba segrevanje ustaviti, ko je spoj oblikovan, da se prepreči korozija osnovne kovine. V nekaterih primerih se pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin včasih ne uporablja talilo, temveč se za odstranitev filma uporablja ultrazvočna metoda ali metoda strganja. Pri odstranjevanju filma za spajkanje s strganjem najprej segrejte obdelovanec na temperaturo spajkanja, nato pa s koncem spajkalne palice (ali orodja za strganje) postrgajte del obdelovanca, kjer se spajka. Med lomljenjem površinskega oksidnega filma se konec spajke stopi in zmoči osnovno kovino.

Metode spajkanja aluminija in aluminijevih zlitin vključujejo predvsem spajkanje s plamenom, spajkanje v peči, spajkanje s potapljanjem, vakuumsko spajkanje in spajkanje v zaščitni plinski atmosferi. Spajkanje s plamenom se večinoma uporablja za majhne obdelovance in proizvodnjo posameznih kosov. Da bi se izognili odpovedi talila zaradi stika med nečistočami v acetilenu in talilom pri uporabi oksiacetilenskega plamena, je primerno uporabiti plamen na stisnjen zrak iz bencina z rahlo reducibilnostjo, da se prepreči oksidacija osnovne kovine. Med posebnim spajkanjem se lahko talilo za spajkanje in dodajna kovina vnaprej namestita na mesto spajkanja in segrejeta hkrati z obdelovancem; obdelovanec se lahko najprej segreje na temperaturo spajkanja, nato pa se spajka, potopljena v talilo, pošlje v položaj za spajkanje; ko se talilo in dodajna kovina stopita, je treba ogrevalni plamen počasi odstraniti, potem ko je dodajna kovina enakomerno napolnjena.

Pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin v zračni peči je treba predhodno pripraviti spajkalno kovino, spajkalni fluks pa stopiti v destilirani vodi, da se pripravi gosta raztopina s koncentracijo 50 % ~ 75 %, nato pa ga premazati ali popršiti po spajkani površini. Ustrezna količina spajkalnega fluksa se lahko nanese tudi na spajkalno kovino in spajkano površino, nato pa se sestavljeni varjeni del postavi v peč za segrevanje in spajkanje. Da se prepreči pregrevanje ali celo taljenje osnovne kovine, je treba temperaturo segrevanja strogo nadzorovati.

Za spajkanje aluminija in aluminijevih zlitin s potapljanjem se običajno uporablja spajka v obliki paste ali folije. Sestavljeni obdelovanec je treba pred spajkanjem predhodno segreti, da se njegova temperatura približa temperaturi spajkanja, nato pa ga potopiti v spajkalni fluks za spajkanje. Med spajkanjem je treba temperaturo spajkanja in čas spajkanja strogo nadzorovati. Če je temperatura previsoka, se osnovna kovina zlahka raztopi in spajka se zlahka izgubi; če je temperatura prenizka, se spajka ne stopi dovolj in hitrost spajkanja se zmanjša. Temperatura spajkanja se določi glede na vrsto in velikost osnovne kovine, sestavo in tališče polnilne kovine in je običajno med temperaturo likvidusa polnilne kovine in temperaturo solidusa osnovne kovine. Čas potapljanja obdelovanca v fluksno kopel mora zagotoviti, da se spajka lahko popolnoma stopi in steče, čas podpore pa ne sme biti predolg. V nasprotnem primeru lahko silicijev element v spajki difundira v osnovno kovino, zaradi česar je osnovna kovina v bližini šiva krhka.

Pri vakuumskem spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin se aktivatorji kovinskih spojin pogosto uporabljajo za modifikacijo površinskega oksidnega filma aluminija in zagotavljanje omočenja in porazdelitve spajke. Magnezij se lahko nanese neposredno na obdelovanec v obliki delcev ali pa se vnese v območje spajkanja v obliki pare, magnezij pa se lahko doda aluminijevo-silicijevemu spajkalniku kot element zlitine. Pri obdelovancu s kompleksno strukturo se za zagotovitev polnega učinka magnezijevih hlapov na osnovno kovino in izboljšanje kakovosti spajkanja pogosto sprejmejo lokalni zaščitni postopki, in sicer tako, da se obdelovanec najprej namesti v škatlo iz nerjavečega jekla (splošno znano kot procesna škatla) in nato v vakuumsko peč za segrevanje spajkanja. Vakuumsko spajkani spoji aluminija in aluminijevih zlitin imajo gladko površino in gosto spajkane spoje ter jih po spajkanju ni treba čistiti; vendar je oprema za vakuumsko spajkanje draga, magnezijevi hlapi pa močno onesnažujejo peč, zato jo je treba pogosto čistiti in vzdrževati.

Pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin v nevtralni ali inertni atmosferi se za odstranitev filma lahko uporabi magnezijev aktivator ali talilo. Pri odstranjevanju filma z magnezijevim aktivatorjem je potrebna količina magnezija precej manjša kot pri vakuumskem spajkanju. Na splošno je w (mg) približno 0,2 % ~ 0,5 %. Pri visoki vsebnosti magnezija se kakovost spoja zmanjša. Metoda spajkanja NOCOLOK z uporabo fluoridnega talila in zaščite z dušikom je nova metoda, ki se je v zadnjih letih hitro razvila. Ker ostanki fluoridnega talila ne absorbirajo vlage in niso korozivni za aluminij, se postopek odstranjevanja ostankov talila po spajkanju lahko izpusti. Pod zaščito dušika je treba nanesti le majhno količino fluoridnega talila, polnilna kovina lahko dobro omoči osnovno kovino in enostavno je dobiti visokokakovostne spajkane spoje. Trenutno se ta metoda spajkanja NOCOLOK uporablja v množični proizvodnji aluminijastih radiatorjev in drugih komponent.

Pri spajkanju aluminija in aluminijevih zlitin s fluksom, ki ni fluorid, je treba ostanke fluksa po spajkanju popolnoma odstraniti. Ostanke organskega fluksa za spajkanje aluminija lahko speremo z organskimi raztopinami, kot sta metanol in trikloretilen, nevtraliziramo z vodno raztopino natrijevega hidroksida in na koncu očistimo z vročo in hladno vodo. Klorid je ostanek fluksa za spajkanje aluminija, ki ga lahko odstranimo na naslednje načine: najprej namočimo 10 minut v vročo vodo pri 60 ~ 80 ℃, nato ostanke na spajkanem spoju previdno očistimo s krtačo in očistimo s hladno vodo; nato namočimo 30 minut v 15 % vodni raztopini dušikove kisline in na koncu speremo s hladno vodo.