Vi siete mai chiesti perché la brasatura dell'alluminio è fondamentale nella produzione moderna? Questo articolo si addentra nell'intricato processo di brasatura dell'alluminio, esplorandone i metodi, i vantaggi e le sfide. Dalle basi dei metalli d'apporto e dei flussi alle tecniche avanzate come la brasatura sottovuoto e a bagno di sale, scoprite come questa tecnologia migliora la qualità e l'efficienza dei prodotti. Approfondite gli ultimi progressi e le loro vaste applicazioni, dotandovi delle conoscenze essenziali per comprendere e sfruttare la brasatura dell'alluminio in vari settori industriali.
Abstract: I recenti progressi tecnici nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio sono stati esaminati in termini di metodi di brasatura, metalli d'apporto e flussi, e sono state introdotte le rispettive direzioni di sviluppo.
Si osserva che la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è un campo di ricerca in rapido sviluppo e ha un'ampia gamma di applicazioni. La tecnologia di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio sta attirando una crescente attenzione e si ritiene che abbia un potenziale significativo.
Le leghe di alluminio sono una scelta popolare in diversi settori industriali grazie alla loro bassa densità, all'elevata forza e all'eccellente resistenza alla corrosione. Sono ampiamente utilizzate nelle automobili, nei veicoli ferroviari ad alta velocità, nel settore aerospaziale e nelle applicazioni militari.
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Le proprietà fisiche e chimiche uniche delle leghe di alluminio possono comportare diverse difficoltà durante la lavorazione. processo di saldaturacome ossidazione, cricche a caldo e pori nella saldatura. Il metodo tradizionale per la saldatura delle leghe di alluminio è la saldatura per fusione, che richiede attrezzature complesse e saldatori altamente qualificati con requisiti tecnici rigorosi.
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Alluminio brasatura è un metodo fondamentale per collegare le leghe di alluminio ed è noto per la minima deformazione delle parti brasate. Negli ultimi anni si è diffuso in Cina grazie alla sua elevata precisione dimensionale.
La tecnologia di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è stata oggetto di ricerche approfondite negli ultimi anni, che hanno portato a rapidi progressi nei metodi di brasatura, nei metalli d'apporto e nei flussanti.
La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è un settore in rapido sviluppo grazie alle sue eccellenti proprietà, come l'elevata resistenza, la buona resistenza alla corrosione, l'alta conduttività e la conduttività termica. Di conseguenza, è sempre più utilizzata in vari settori, tra cui quello aerospaziale, aeronautico, elettronico, metallurgico, della produzione di macchinari e dell'industria leggera.
In alcuni casi, l'uso dell'alluminio ha sostituito il rame e l'acciaio, a causa del sostanziale aumento del costo dei materiali in rame e del desiderio di ridurre il peso, migliorare l'efficienza e l'estetica. Un esempio è la sostituzione del serbatoio dell'acqua in rame nelle automobili con un serbatoio in alluminio.
In Cina ci sono solo pochi produttori di flusso di alluminio su larga scala e la maggior parte del flusso di alluminio utilizzato viene importato dall'estero.
L'alluminio e le leghe di alluminio hanno un basso punto di fusione, una forte reattività chimica e un elevato punto di fusione, che rendono difficile l'uso dei tradizionali disossidanti per brasatura. Pertanto, per garantire una brasatura corretta, è necessario utilizzare disossidanti speciali per alluminio e leghe di alluminio.
Inoltre, la resistenza alla corrosione dei giunti brasati in alluminio e leghe di alluminio può essere facilmente compromessa dall'uso di saldature e flussanti. Questo perché esiste una differenza significativa di potenziale elettrodico tra la saldatura e il metallo di base, che riduce la resistenza alla corrosione del giunto, soprattutto nel caso di giunti a saldatura morbida.
La maggior parte dei flussanti utilizzati per rimuovere la pellicola di ossido sulla superficie dell'alluminio e delle sue leghe contiene materiali altamente corrosivi. Anche se questi materiali vengono puliti dopo la brasatura, è difficile eliminare completamente il loro impatto sulla resistenza alla corrosione del giunto.
L'alluminio e le leghe di alluminio possono essere brasati mediante brasatura a fiamma, brasatura in forno o brasatura a bagno di sale.
La brasatura a fiamma è un metodo popolare grazie alla semplicità delle attrezzature, alla versatilità della fonte di gas e all'ampia gamma di applicazioni. Viene utilizzato principalmente per la brasatura di piccoli componenti e per la produzione di pezzi singoli. Sono disponibili molti tipi di fiamme, tra cui un nuovo tipo di gas chiamato gas Sharp, frutto della cooperazione tra Cina e altri Paesi. Questo gas ha una fiamma morbida ed è una buona fonte di riscaldamento per la brasatura dell'alluminio, poiché si colloca tra i punti di forza del gas liquefatto e dell'ossiacetilene. Tuttavia, rispetto ad altri metodi di connessione, la temperatura di riscaldamento per la brasatura a fiamma dell'alluminio e delle leghe di alluminio è difficile da controllare e richiede un livello di esperienza superiore da parte dell'operatore.
La brasatura a bagno di sale offre un riscaldamento rapido e uniforme, una deformazione minima dei componenti e un'efficace rimozione della pellicola, ottenendo componenti brasati di alta qualità con un'elevata efficienza produttiva. Questo metodo è particolarmente adatto alla produzione di massa e alla saldatura di strutture dense. Per la brasatura a bagno di sale dell'alluminio si utilizzano comunemente paste, saldature in fogli o rivestimenti di saldatura. Il rivestimento di saldatura è tipicamente composto da composizioni di Al Si eutettico o Al Si ipoeutettico.
Attualmente, la produzione di brasatura utilizza principalmente il rivestimento di metallo d'apporto, che può migliorare l'efficienza produttiva e garantire la qualità dei componenti brasati.
La brasatura presenta alcune limitazioni:
In primo luogo, il design intricato di alcuni componenti può rendere difficile l'accesso al bagno di sale, limitando le opzioni di progettazione e complicando l'installazione. processo di brasatura. Questo può anche rendere difficile garantire la qualità della brasatura.
In secondo luogo, la brasatura a bagno di sale, pur soddisfacendo i severi requisiti di resistenza alla corrosione, può generare una grande quantità di residui di flussante sul componente, richiedendo una pulizia approfondita. Inoltre, le attrezzature per la brasatura a bagno di sale sono costose e il processo è complesso, il che comporta un lungo ciclo di produzione.
La brasatura in forno in aria offre un investimento economico per l'attrezzatura e un processo di brasatura semplice e facile da gestire. Tuttavia, il processo di riscaldamento è lento e la superficie del componente può ossidarsi quando è esposta all'aria, soprattutto ad alte temperature. Ciò rende difficile la rimozione della pellicola di flussante e il flussante può anche cedere a causa dell'umidità presente nell'aria durante il riscaldamento.
Per superare queste sfide, sono state sviluppate la brasatura in forno in aria secca e la brasatura sotto vuoto in atmosfera protettiva, che hanno trovato largo impiego nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio. Questi metodi offrono processi migliori e hanno registrato una rapida crescita negli ultimi anni.
L'alluminio è noto per essere attivo e per formare facilmente una densa pellicola di ossido sulla sua superficie.
Durante il processo di brasatura, può essere difficile rimuovere gli ossidi solo attraverso il vuoto. Di conseguenza, è necessario utilizzare attivatori metallici come Mg e Bi.
È opinione diffusa che il meccanismo di rimozione dell'attivatore funzioni come segue:
In primo luogo, l'attivatore reagisce con i residui di O e HO nel vuoto, neutralizzando i loro effetti nocivi sulla brasatura dell'alluminio.
In secondo luogo, il vapore di Mg penetra nello strato di materiale sottostante il film e forma una lega di Al Si Mg a basso punto di fusione con Si diffuso.
Durante la brasatura, la fusione della lega rompe il legame tra la pellicola di ossido e il materiale di base, consentendo alla saldatura fusa di bagnare il materiale di base, distribuirsi su di esso sotto la pellicola e sollevare la pellicola di ossido superficiale, rimuovendola efficacemente.
Per la brasatura sottovuoto delle leghe di alluminio, il forno a vuoto deve essere scelto in base a fattori quali la produttività, il costo, le dimensioni della saldatura e la struttura.
È importante pulire accuratamente il saldato prima della brasatura. L'ossido superficiale può essere rimosso con acido o alcali, mentre le macchie di olio possono essere eliminate con l'alcol.
Per la preparazione del metallo d'apporto, si usa spesso la carta vetrata per rimuovere la pellicola di ossido superficiale, seguita da una pulizia con alcool per eliminare le macchie di olio.
Per i pezzi più grandi, si consiglia di effettuare un preriscaldamento prima della saldatura per garantire un riscaldamento uniforme di tutte le parti prima di raggiungere la temperatura di brasatura.
La brasatura sottovuoto delle leghe di alluminio dipende fortemente dall'attivatore del Mg per rimuovere la pellicola di ossido. Per garantire che il metallo di base sia completamente esposto al vapore di Mg nelle saldature con strutture complesse, alcune unità domestiche hanno adottato misure supplementari come la schermatura locale, con conseguente miglioramento della qualità della brasatura.
Un metodo comune è quello di posizionare il pezzo da lavorare all'interno di una copertura in acciaio inox con trucioli di Mg, e poi nel forno di brasatura sotto vuoto per la brasatura. Questo metodo può migliorare notevolmente la qualità della brasatura.
Il grado di vuoto è il parametro di processo più cruciale e impegnativo da controllare nella brasatura sottovuoto. Per ottenere giunti di alta qualità, il grado di vuoto dipende in larga misura dalle dimensioni del pezzo.
Sulla base dell'esperienza pluriennale di alcuni esperti, si consiglia che se l'apparecchiatura di brasatura non è stata utilizzata per un lungo periodo, il forno a vuoto dovrebbe essere messo in funzione per diverse ore prima dell'uso. In caso di utilizzo regolare, soprattutto per la produzione in lotti, si raccomanda di mantenere il più breve intervallo di tempo possibile tra un utilizzo e l'altro, per garantire che il grado di vuoto del forno a vuoto soddisfi i requisiti in modo semplice e rapido.
Sebbene la brasatura sottovuoto sia un metodo di brasatura efficace, presenta anche alcuni limiti, come la presenza di attrezzature complesse e costose e la difficoltà di manutenzione del sistema sottovuoto.
L'uso della brasatura sotto vuoto dell'alluminio è limitato a causa delle costose attrezzature e della complessa tecnologia necessaria. Per risolvere questo problema, è possibile sostituire il vuoto con un'atmosfera neutra. In questo modo si riducono i requisiti per il tasso di perdita del sistema e la complessità dell'apparecchiatura. Inoltre, si riducono i problemi di manutenzione delle apparecchiature causati dalla deposizione di elementi volatili, con conseguente riduzione dei costi di produzione.
Il riscaldamento in questo metodo è ottenuto principalmente attraverso la corrente ed è rapido e uniforme. Questo non solo garantisce la qualità del prodotto, ma migliora anche la produttività.
Negli ultimi anni, la brasatura dell'alluminio con gas neutro ha guadagnato attenzione e ha visto un rapido sviluppo. È considerato un metodo promettente di brasatura dell'alluminio.
Il meccanismo di rimozione del film per la brasatura a gas di leghe di alluminio è simile a quello della brasatura sotto vuoto dell'alluminio e si realizza principalmente utilizzando l'attivatore Mg. La qualità della brasatura può essere migliorata aggiungendo Bi al metallo d'apporto.
L'argon e l'azoto puro, con una purezza superiore a 99,99%, sono comunemente utilizzati come atmosfera per la brasatura a gas di leghe di alluminio.
Per le giunzioni Al/Al e Al/Cu, è stato riportato che un metodo di incollaggio efficace consiste nell'utilizzare il principio della brasatura per diffusione. Una polvere mista composta da Si e da un flusso di brasatura al fluoruro di potassio e alluminio viene spruzzata sulla superficie del giunto. superficie in alluminio in un'atmosfera di azoto prossima alla pressione atmosferica per la brasatura. Il Si può essere sostituito con altri metalli eutettici a basso punto di fusione, come Cu, Ge o Zn, che si formano con l'Al.
Durante la brasatura, il collegamento tra le saldature avviene tramite la solidificazione della saldatura fusa. Di conseguenza, la qualità della saldatura dipende in larga misura dal metallo d'apporto utilizzato.
Il metallo d'apporto principale dell'alluminio è la lega Al Si, ma a volte vengono aggiunti Cu, Zn, Ge e altri elementi per migliorare le prestazioni del processo.
Grazie ad anni di esperienza e sperimentazione, sono state realizzate molteplici serie di prodotti in alluminio metalli d'apporto per brasatura sono stati sviluppati, molti dei quali hanno prodotto risultati soddisfacenti con i giusti processi.
Di seguito presenteremo alcuni dei metalli d'apporto per la brasatura delle leghe di alluminio più comunemente utilizzati.
Le saldature della serie Al Si si basano sulla composizione eutettica Al Si e comprendono anche leghe ipoeutettiche, ipereutettiche e Al Si con non più di 5% elementi aggiunti. Queste saldature sono altamente saldabili, robuste, hanno un colore e una lucentezza simili al metallo di base, offrono resistenza alla placcatura e alla corrosione e sono considerate una buona scelta per la saldatura.
Inoltre, questa serie di saldature può essere modificata, migliorando in modo significativo la tenacità e le prestazioni di piegatura nei giunti a saldare.
Recentemente è stato sviluppato un nuovo tipo di metallo d'apporto per brasatura in lega Al Si, utilizzando la tecnologia della solidificazione rapida. Questo metallo d'apporto per brasatura ha un punto di fase liquida più basso, circa 3-5°C, rispetto ai normali metalli d'apporto cristallini per brasatura con la stessa composizione. Il suo coefficiente di bagnabilità è aumentato di 18% e la sua resistenza è aumentata di 28,4%. Anche le sue fluttuazioni sono minime, garantendo un certo grado di flessibilità di lavorazione.
Saldatura del rame viene eseguita in base al principio della brasatura reattiva a contatto. Attualmente, la brasatura reattiva a contatto dell'alluminio è considerata la soluzione ideale per i problemi di brasatura dell'alluminio.
Questo metodo offre diversi vantaggi, tra cui:
① Non richiede l'uso di flussante, il che lo rende ecologico ed evita la contaminazione dei prodotti di brasatura. Non è necessario pulire i prodotti brasati e non c'è corrosione chimica nel cordone di brasatura.
② La selezione dello strato di lega reattiva eutettica appropriato può ridurre la temperatura di brasatura, riducendo il consumo di energia, rendendo il processo di brasatura più facile da controllare e con bassi requisiti di attrezzatura.
La reazione di contatto del Cu sul substrato di alluminio ha una notevole diffusione superficiale preferenziale, che rompe il film di ossido e promuove la formazione di uno strato di riempimento uniforme in fase liquida tra le interfacce del giunto nel processo di brasatura reattiva a contatto. D'altra parte, il confine dei grani con la reazione di contatto nella direzione della profondità della matrice di alluminio penetra preferenzialmente, assicurando la forza di legame del giunto brasato.
I dati mostrano che i parametri di processo appropriati per la brasatura reattiva a contatto dell'alluminio con Cu come materiale intercalare sono una temperatura di brasatura di 570-580°C e un tempo di mantenimento di 15-20 minuti. Tuttavia, la resistenza alla corrosione elettrochimica dei giunti saldati con Cu è scarsa e lo strato eutettico di reazione è fragile.
Per migliorare le prestazioni del Cu come metallo d'apporto, si possono aggiungere altri elementi, come Ag, Ni, Si, Zn, Ti, ecc. Il metallo d'apporto per la brasatura reattiva con leghe di alluminio comprende questi elementi.
Per ovviare ai limiti dell'utilizzo di Zn e Cu come metalli d'apporto separatamente, è possibile utilizzare uno strato composito di entrambi. La brasatura per reazione eutettica a contatto viene eseguita utilizzando lo strato composito di Cu e Zn.
Una reazione peritettica si verifica all'interfaccia Cu/Zn, mentre una reazione eutettica si verifica all'interfaccia Cu/Al, formando una fase liquida eutettica che rompe il film di ossido sulla superficie dell'alluminio.
Quando si utilizzano Cu e Zn come metallo d'apporto reattivo per la brasatura dell'alluminio, il contenuto appropriato di entrambi i metalli nello strato composito è fondamentale. È stato suggerito che i migliori risultati di brasatura si ottengono quando lo spessore dello strato di Zn è di 0,2 mm e quello dello strato di Cu è inferiore a 0,1 mm.
A questo punto, lo strato di reazione non solo rompe la pellicola di ossido, ma fornisce anche una forte resistenza alla corrosione elettrochimica e un'elevata resistenza al taglio.
L'intervallo di temperatura del punto di fase liquido della saldatura è compreso tra 500 e 577°C. L'aggiunta di Cu alla saldatura Al Si ne migliora notevolmente la fluidità.
Tuttavia, a causa dell'elevato contenuto di composto intermetallico CuAl2, questa saldatura eutettica ternaria è molto fragile ed è adatta solo per la colata in strisce, rendendo difficile la lavorazione in forma di fili o lamine.
L'aggiunta di Zn al metallo d'apporto Al Si ne aumenta la bagnabilità e la fluidità. All'aumentare della concentrazione di Zn, la solubilità del Si diminuisce rapidamente. Non essendoci composti nel metallo d'apporto, la sua lavorabilità a caldo è migliore rispetto al sistema Al Si Cu.
L'intervallo di temperatura della fase liquida della saldatura è di 400-500°C, che è vicino all'intervallo delle saldature in lega di alluminio. La composizione eutettica ternaria Al Cu Ag conferisce al metallo d'apporto un colore molto simile a quello del metallo base Al.
Questo metallo d'apporto ha una buona fluidità, ma è relativamente fragile. Un altro sistema ternario è il metallo d'apporto Al Cu Zn, che ha un colore vicino al metallo base e può produrre pezzi lavorati meglio.
L'aggiunta di 0,05% - 0,08% (in massa) di Mg, 0,05% di Ni o 0,05% di Cr al metallo d'apporto può migliorarne la resistenza alla corrosione.
Esistono molti altri metalli d'apporto ideali per l'alluminio, ma in generale la maggior parte dei metalli d'apporto esistenti per la brasatura dell'alluminio ha un punto di fusione vicino a quello delle leghe di alluminio.
Di conseguenza, per la maggior parte dei saldatori è una sfida trovare un metallo d'apporto con un punto di fusione più basso e migliori prestazioni tecnologiche.
L'alluminio è relativamente attivo e la sua superficie forma facilmente uno strato di ossido denso e chimicamente stabile, che rappresenta un ostacolo importante nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio. Per ottenere giunti di alta qualità, l'ossido sulla superficie deve essere rimosso.
Durante la brasatura dell'alluminio e delle sue leghe, l'uso di un flusso di brasatura può rimuovere la pellicola di ossido sulla superficie dell'alluminio e ridurre la tensione interfacciale tra il metallo d'apporto e il metallo di base.
Il flussante per brasatura dell'alluminio si divide in flussante per saldatura dolce e flussante per brasatura; quest'ultimo viene utilizzato per temperature di brasatura superiore a 450°C e il primo per temperature inferiori a 450°C.
Di seguito viene presentato il flusso di brasatura per alluminio Nocolok, in rapida evoluzione. Il tradizionale flusso per brasatura dell'alluminio è principalmente un flusso per brasatura a base di sali di cloro, solitamente basato sul sistema LiCl-KCl o LiCl-KCl-NaCl. Questo flussante ha i vantaggi di un'elevata attività, della stabilità durante il riscaldamento e di non perdere facilmente la sua efficacia. Può essere utilizzato con diverse fonti di riscaldamento, il che lo rende comodo e poco costoso.
Tuttavia, lo svantaggio di questo flusso è che la presenza di ioni Cl causa una forte corrosione elettrochimica del metallo di base, ha un forte assorbimento di umidità ed è difficile da conservare.
Pertanto, è fondamentale pulire i residui quando si utilizza questo tipo di flussante per la brasatura.
Alla fine degli anni '70 è stato rapidamente avviato lo sviluppo di un flusso di brasatura non corrosivo e insolubile. Questo fondente viene sintetizzato utilizzando l'eutettico A-KF e la sua solubilità in acqua è minima.
Evita lo svantaggio del flussante al cloruro, che assorbe facilmente l'umidità, e ha una corrosività molto ridotta, che gli vale il soprannome di flussante Nocolok.
Il flussante Nocolok è una polvere bianca fine, composta principalmente da una miscela di fluoalluminato di potassio che può contenere acqua cristallina.
Il flussante fuso scioglie gli ossidi sulla superficie dell'alluminio e ne impedisce la riossidazione. Sotto l'influenza del flusso, il metallo d'apporto penetra liberamente nella superficie del giunto per capillarità.
Dopo il raffreddamento, il flussante forma un film di pasta con forte adesione sulla superficie del componente. Lo strato residuo del flussante non è igroscopico, non è corrosivo e non è solubile in solventi acquosi.
Sebbene la solubilità del flusso di fluoalluminato di potassio in acqua sia minima, la sua stabilità termica non è forte e si verificano reazioni chimiche quando viene riscaldato in aria.
Negli ultimi anni, molti studi si sono concentrati sul miglioramento del metodo Nocolok in due modi principali: aggiungendo sali supplementari al flusso di fluoalluminato di potassio per migliorarne l'attività e altre proprietà e sviluppando nuovi metodi di utilizzo del flusso di fluoalluminato di potassio.
Il Si può potenziare l'attività del flusso di fluoalluminato di potassio.
L'ideale è aggiungerlo sotto forma di K2SiF6ma è necessario calcolare la quantità di KF in eccesso.
Quando W (Si)>2%, può autoperforare.
Aggiunta di K2GeF6, SnF2, ZnF2ecc. possono migliorare l'attività del flusso, in particolare il K2GeF6.
Nel miglioramento di Nocolok, qualcuno ha mescolato la polvere di metallo d'apporto con questo tipo di fondente.
Altri considerano il KAlF4 come metodo di brasatura in fase gassosa:
Uno è quello di mescolare direttamente KAlF4 nell'atmosfera non ossigenata a bassa pressione per la brasatura delle leghe di alluminio;
L'altro consiste nel depositare sotto vuoto uno strato di KA1F4 all'esterno delle parti in alluminio, quindi assemblare e brasare nuovamente come richiesto.
La saldatura composita si forma depositando uno strato di KAlF4 sulla superficie della polvere di saldatura eutettica Al Si può essere miscelata in pasta saldante con un solvente organico.
La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è stata ampiamente studiata e rapidamente sviluppata negli ultimi anni.
Studiosi stranieri hanno dimostrato l'eccezionale forza di adesione della lega eutettica Sn-Zn (8,9%) nella brasatura di leghe di alluminio a temperature inferiori a 350°C, studiando la reazione di interfaccia tra la lega eutettica Sn-Zn in fase liquida e l'Al.
Anche la brasatura per diffusione dell'alluminio ha ricevuto una notevole attenzione negli ultimi anni.
Un approccio prevede la spruzzatura di una polvere mista composta da Si e fluoruro di potassio e alluminio sulla superficie dell'Al, e la brasatura in un ambiente N2 atmosfera vicina alla pressione atmosferica.
Tra i materiali utilizzati, il Si può essere sostituito con Cu, Ge, Zn e altri metalli che formano eutettiche a basso punto di fusione con l'alluminio.
Questo metodo può essere utilizzato per brasare giunti Al/Al, Al/Cu, Cu/Cu e Cu/ottone.
La brasatura per diffusione è utilizzata anche per saldare Al-Si getti in legarisolvendo il problema della corrosione e della scarsa bagnatura dei getti in lega di Al nella saldatura fusa.
La tecnologia di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è ancora molto avanzata e alcuni progressi sono già stati applicati alla produzione pratica.
L'applicazione della tecnologia di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio si concentra principalmente sui radiatori in alluminio, sui materiali dissimili in alluminio e acciaio inossidabile, sui telai delle porte in lega di alluminio dei forni a microonde e su altri prodotti.
Un'altra area di ricerca e applicazione è la brasatura di fondi di pentole in composito di alluminio e acciaio inossidabile.
Sebbene la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio sia un'eccellente tecnologia di giunzione, ci sono ancora molte sfide da affrontare.
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