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焊接材料 |
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基于挤压合成的药芯铝焊丝制造技术 |
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作者：乔培新 龙伟民 袁红高 杨继东 |
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摘要：本文简要回顾了国内外药芯焊丝的发展历程，简介了药芯铝焊丝的制造技术及其应用情况。借助钢基药芯焊丝的制造原理研究了铝基药芯焊丝的制造工艺。提出了药芯铝焊丝的几种制造方法，研究了药芯铝焊丝制造工艺的特点。研究结果表明：适宜于药芯铝焊丝的制造技术是连铸——挤压——辊拔——精拔——超精刮——层绕法，其中，基于层流流变条件下的等温挤压是制造药芯铝焊丝的关键技术。
关键词：药芯铝焊丝 等温挤压 层流流变 辊模拉拔
0 前言
铝及其合金在工业生产和社会生活中的应用日益广泛，由于比重小、导电导热性好、铸造性和机械加工性优良，铝在现代工业材料中的重要作用不可替代。与黑色金属相比，铝的焊接比较困难。铝的焊接工艺性差主要表现在氧化膜难去除。
二十世纪六十年代初期，乌克兰巴顿电焊研究所在焊接钛合金时发明了活性焊剂。在钛合金和不锈钢的氩弧焊中，活性焊剂的主要作用是压缩电弧，而不是对熔池产生化学作用，但是在铝的焊接中，可以利用焊剂活性的还原和蒸发作用破碎和还原铝的氧化膜。药芯铝焊丝就是基于这种原理提出的，在药芯铝焊丝中，焊丝本身含有某些活性元素，这些元素能起到焊剂作用。
还原剂与Al2O3反应后的产物是AlCl3和AlxFy ，AlCl3可以转变为气体蒸发掉，AlCl3蒸发过程中同时破碎Al2O3 薄膜；AlxFy是复合盐，流动性好，密度小于铝，浮于焊缝表面和边缘，色泽呈浅灰色。
使用药芯铝焊丝焊接铝合金可以节约能源、提高生产效率，尤其在提高焊缝质量方面成效显著。基于药芯铝焊丝的TIG正极性焊接工艺，与传统的交流TIG焊相比有很多优点，比如焊缝外观平整、光滑、熔深深、夹渣少、几乎无气孔等特点。
1 药芯铝焊丝的几种制造技术
药芯铝焊丝的制造可以借鉴钢药芯焊丝的制造方法，钢药芯焊丝的制造过程包含轧制、拔丝、后处理和层绕等几道工序。
用粉末冶金的原理进行机械合金化的制造工艺是将还原粉、铝粉、其他添加金属粉充分混合，在一定温度下对混合金属粉加压，使其形成有一定强度的粉锭，在可控气氛中保温、加压使粉锭形成“钎焊锭”，最终挤压成材并用滚模拉丝的方法减径。图1是Al-10Si型药芯铝焊丝的金相照片，细小的椭圆或圆形黑点是初晶硅，大面积的黑斑是活化剂，其余是铝硅固溶体。
无缝药芯焊丝的原材料为成盘的钢管。管状焊条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，然后填入钢管（φ16～25mm）中通过振动使药芯填实，再经轧制、粗拔、退火、细拔、镀铜、层绕等工序制出成品。研究过程中曾经试验过这种方法，将还原剂与合金粉装入铝管中，轧制—拉拔—扩散退火，最终形成管状焊条。其主要问题是生产效率低，药粉填充系数不稳定。
铸造挤压法是将还原粉加入铝合金铸锭中，充分压实后形成药芯锭。第一步把钎料制成多孔性的铸造毛坯，然后把蜂窝状坯料浸入活性焊剂溶液中，使溶液浸入坯料中的空隙，铸锭冷却后再进行挤压。这种方法的工艺关键在于活性焊剂的预处理和添加工艺。
层流挤压法是利用连续铸锭和等温挤压技术制造药芯焊丝。连铸技术可以获得组织均匀、成分稳定的 “莲藕”铸锭，等温挤压技术可以获得填充系数稳定的药芯焊丝毛坯。
2 药芯铝焊丝挤压的流变行为
2．1 药芯铝焊丝的横截面形状
在药芯铝焊药芯铝焊丝的研究过程中，为了提高药芯焊丝的使用性能，研制出各种类型横截面的焊丝，图2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。 
综合考察铸锭、挤压和拉拔工艺的可行性和药芯铝焊丝使用的可靠性。从焊剂填充可行性方面出发，单孔和两孔最优；从使用可靠性方面考虑，孔越多可靠性越好。综合各方面的试验结果，最终确定为三孔的横截面形式。
2．2 影响药芯铝焊丝挤压成型的主要因素
层流挤压法是将内含活性焊剂的铝焊料铸锭以层流流动的形式挤压变形。不含其他组元的铝焊料以连铸形式铸成多孔铸锭，铸锭的外径和内孔尺寸恒定，将活性焊剂填充到内孔中并压实。
经过压实的含有活性焊剂的焊料锭有以下几个特点：在不同横截面上，焊剂与焊料比例恒定；活性焊剂内可以添加增强颗粒（如SiC）以形成复合材料；焊剂被焊料充分包敷。
药芯铝焊丝挤压时，焊料的应力和变形是十分复杂的，并随挤压过程和工艺条件而变化。挤压工艺的技术关键是焊剂与焊料的顺序流动，使得整个挤压过程中焊料与焊剂一起形成层流流变变形。
形成顺序流动的条件是两种材料流变特性的一致性或相近性，材料的流变特性主要与变形材料的温度和压应力相关。
调整挤压温度和挤压力可以使两种不同材料的流变特性相近，设计合理的挤压模形状可以使两种材料始终以层流形式稳定变形。
研究结果认为，影响挤压过程流变行为的主要因素有七个：除了挤压温度外，挤压方式，焊料的组织与结构（这里指的是几何结构而不是相结构），模具几何形状，挤压系数，挤压速度和润滑条件等六个因素是通过改变被挤材料的应力状态影响药芯铝焊丝的流变行为。
3 等温挤压条件下的层流流变
研究过程中采用的是等温挤压技术，在特定挤压温度和挤压速度条件下可以获得横截面稳定、填充系数均匀的药芯焊丝。
挤压温度对挤压过程流变行为的影响主要是通过改变焊料机械性能起作用，药芯铝焊料中除铝硅合金的机械性能受温度影响外，焊剂的粘性、塑性以及焊剂与铝硅合金的摩擦力受温度的影响更大。
表1是倾斜角度法测试焊剂与铝硅合金的当量摩擦系数的测试结果。 表1 焊剂与铝硅合金的当量摩擦系数
 表2是钢管拔起法测试焊剂的当量内摩擦系数的测试结果。表2 焊剂的当量内摩擦系数
 分析试验结果可知：挤压温度的设定应根据选用的焊剂确定，对于同一种焊剂，在较低温度挤压时，挤压力较大；在较高温度挤压时，焊料流变不均匀。实际生产中使用的挤压温度结合试验结果确定。
4 药芯焊丝的拉拔
与实芯焊丝相比，药芯铝焊丝的内部组织的主要特点如下：药芯呈散沙状、无粘度、无塑性，药芯的变形和流动主要靠周围材料变形时产生的挤压力和摩擦力；焊丝变形能力明显减小。
在药芯焊丝的拉拔过程中，焊丝的变形分成两部分，一部分是金属的塑性变形，另一部分是内部药粉的流动和体积压缩，这两种变形相互作用、相互影响。金属塑性变形能力决定了拉拔能否连续进行，药芯的流变行为和体积压缩程度关系到药芯焊丝填充系数是否稳定，进而影响药芯焊丝的使用和焊接过程的稳定。
由于药芯的存在，药芯焊丝的有效横截面积比实芯焊丝小的多，所以药芯焊丝拉拔过程中的断丝现象普遍存在。优化拉拔过程中焊丝变形方式是改善药芯铝焊丝拉拔加工性的有效途径，研究中采用的辊模拉拔技术改善了焊丝变形方式，明显提高了焊丝变形能力。
5 结论
（1）本文探讨了几种获得药芯铝焊料的技术途径，其中：粉末合成法是一种新的钎料制造技术，熔铸——挤压法制备药芯铝焊丝的生产工艺在国内尚属空白。
（2）初步研究了多种形式药芯铸锭的获得方法，连铸技术可以获得组织均匀、成分稳定的“莲藕”铸锭。
（3）等温挤压技术可以获得填充系数稳定的药芯焊丝毛坯。其中，药芯形状及成分、重量系数、挤压变形指数、挤压速度、挤压温度和挤压模形状是影响药芯铝焊丝挤压过程的主要因素。
参考文献：
1 邹喜．钎焊[M]．北京：机械工业出版社，1986
2 龙伟民．TIG正接焊接铝合金[A]． 中国机械工程学术会议论文集[M]． 北京：机械工业出版社，2001
3 龙伟民．药芯铝焊丝制造及应用的研究[D]．清华大学学位论文，2002． (end)
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(10/17/2006) |
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