Hàn nhôm và hợp kim nhôm

1. Khả năng hàn

Tính chất hàn của nhôm và hợp kim nhôm kém, chủ yếu là do lớp màng oxit trên bề mặt khó loại bỏ. Nhôm có ái lực rất lớn với oxy, dễ hình thành lớp màng oxit Al2O3 đặc, ổn định và có điểm nóng chảy cao trên bề mặt. Đồng thời, hợp kim nhôm chứa magie cũng sẽ hình thành lớp màng oxit MgO rất ổn định. Chúng sẽ cản trở nghiêm trọng quá trình làm ướt và lan truyền của mối hàn. Và khó loại bỏ. Trong quá trình hàn, quá trình hàn chỉ có thể được thực hiện với chất trợ dung thích hợp.

Thứ hai, việc hàn nhôm và hợp kim nhôm rất khó khăn. Điểm nóng chảy của nhôm và hợp kim nhôm không khác nhiều so với kim loại hàn được sử dụng. Phạm vi nhiệt độ hàn tùy chọn rất hẹp. Việc kiểm soát nhiệt độ không đúng cách đôi khi dễ gây ra hiện tượng quá nhiệt hoặc thậm chí làm tan chảy kim loại nền, khiến quá trình hàn trở nên khó khăn. Một số hợp kim nhôm được gia cường bằng xử lý nhiệt cũng sẽ gây ra hiện tượng mềm hóa như lão hóa quá mức hoặc ủ do gia nhiệt hàn, làm giảm các đặc tính của mối hàn. Trong quá trình hàn bằng ngọn lửa, rất khó để đánh giá nhiệt độ vì màu sắc của hợp kim nhôm không thay đổi trong quá trình gia nhiệt, điều này cũng làm tăng yêu cầu về trình độ vận hành của người vận hành.

Hơn nữa, khả năng chống ăn mòn của mối hàn nhôm và hợp kim nhôm dễ bị ảnh hưởng bởi kim loại độn và thuốc trợ dung. Điện thế điện cực của nhôm và hợp kim nhôm khá khác so với điện thế của mối hàn, làm giảm khả năng chống ăn mòn của mối hàn, đặc biệt là đối với mối hàn mềm. Hơn nữa, hầu hết các loại thuốc trợ dung được sử dụng trong quá trình hàn nhôm và hợp kim nhôm đều có tính ăn mòn mạnh. Ngay cả khi được làm sạch sau khi hàn, ảnh hưởng của thuốc trợ dung đến khả năng chống ăn mòn của mối hàn vẫn không thể bị loại bỏ hoàn toàn.

2. Vật liệu hàn

(1) Hàn thiếc và hợp kim nhôm là phương pháp ít được sử dụng, do thành phần và điện thế điện cực của kim loại phụ và kim loại nền rất khác nhau, dễ gây ra ăn mòn điện hóa mối hàn. Hàn mềm chủ yếu sử dụng hàn kẽm và hàn chì thiếc, tùy theo phạm vi nhiệt độ có thể chia thành hàn nhiệt độ thấp (150 ~ 260℃), hàn nhiệt độ trung bình (260 ~ 370℃) và hàn nhiệt độ cao (370 ~ 430℃). Khi sử dụng hàn chì thiếc và mạ đồng hoặc niken trước trên bề mặt nhôm để hàn, có thể ngăn ngừa ăn mòn tại giao diện mối hàn, từ đó cải thiện khả năng chống ăn mòn của mối hàn.

Hàn nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi, chẳng hạn như thanh dẫn hướng bộ lọc, bộ bay hơi, bộ tản nhiệt và các bộ phận khác. Chỉ có kim loại hàn gốc nhôm mới có thể được sử dụng để hàn nhôm và hợp kim nhôm, trong đó kim loại hàn silicon nhôm được sử dụng rộng rãi nhất. Phạm vi ứng dụng cụ thể và cường độ chịu cắt của mối hàn được thể hiện trong Bảng 8 và Bảng 9. Tuy nhiên, điểm nóng chảy của loại hàn này gần với điểm nóng chảy của kim loại nền, vì vậy nhiệt độ gia nhiệt cần được kiểm soát chặt chẽ và chính xác trong quá trình hàn để tránh quá nhiệt hoặc thậm chí làm tan chảy kim loại nền.

Bảng 8 phạm vi ứng dụng của kim loại hàn cho nhôm và hợp kim nhôm

Bảng 9 cường độ cắt của mối nối nhôm và hợp kim nhôm hàn với kim loại độn nhôm silic

Hàn nhôm silicon thường được cung cấp dưới dạng bột, dạng sệt, dạng dây hoặc dạng tấm. Trong một số trường hợp, hàn tấm composite với lõi nhôm và lớp hàn nhôm silicon làm lớp phủ được sử dụng. Loại hàn tấm composite này được chế tạo bằng phương pháp thủy lực và thường được sử dụng như một phần của các chi tiết hàn. Trong quá trình hàn, kim loại hàn trên tấm composite nóng chảy và chảy dưới tác động của mao dẫn và trọng lực để lấp đầy khe hở mối nối.

(2) Thuốc hàn và khí bảo vệ cho nhôm và hợp kim nhôm, thường sử dụng thuốc hàn đặc biệt để loại bỏ lớp màng. Thuốc hàn hữu cơ gốc triethanolamine, chẳng hạn như fs204, được sử dụng với mối hàn mềm nhiệt độ thấp. Ưu điểm của loại thuốc hàn này là ít gây ăn mòn kim loại nền, nhưng sẽ tạo ra lượng khí lớn, ảnh hưởng đến quá trình làm ướt và trét mối hàn. Thuốc hàn phản ứng gốc kẽm clorua, chẳng hạn như fs203 và fs220a, được sử dụng với mối hàn mềm nhiệt độ trung bình và cao. Thuốc hàn phản ứng có tính ăn mòn cao, cần loại bỏ cặn sau khi hàn.

Hiện nay, hàn nhôm và hợp kim nhôm vẫn chủ yếu dựa vào việc loại bỏ lớp màng trợ dung. Thuốc trợ dung hàn được sử dụng bao gồm thuốc trợ dung gốc clorua và thuốc trợ dung gốc florua. Thuốc trợ dung gốc clorua có khả năng loại bỏ lớp màng oxit mạnh và độ lưu động tốt, nhưng lại có tác dụng ăn mòn kim loại nền rất lớn. Lượng dư của nó phải được loại bỏ hoàn toàn sau khi hàn. Thuốc trợ dung gốc florua là một loại thuốc trợ dung mới, có tác dụng loại bỏ lớp màng oxit tốt và không gây ăn mòn kim loại nền. Tuy nhiên, nó có điểm nóng chảy cao và độ ổn định nhiệt kém, chỉ có thể sử dụng với mối hàn nhôm silicon.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm, thường sử dụng môi trường chân không, trung tính hoặc trơ. Khi hàn chân không, độ chân không thường đạt khoảng 10-3pa. Khi sử dụng khí nitơ hoặc argon để bảo vệ, độ tinh khiết của chúng phải rất cao và điểm sương phải thấp hơn -40℃.

3. Công nghệ hàn

Hàn nhôm và hợp kim nhôm có yêu cầu cao về việc làm sạch bề mặt phôi. Để đạt được chất lượng tốt, vết dầu và màng oxit trên bề mặt phải được loại bỏ trước khi hàn. Loại bỏ vết dầu trên bề mặt bằng dung dịch nước Na2CO3 ở nhiệt độ 60 ~ 70 ℃ trong 5 ~ 10 phút, sau đó rửa sạch bằng nước sạch; Có thể loại bỏ màng oxit bề mặt bằng cách khắc bằng dung dịch nước NaOH ở nhiệt độ 20 ~ 40 ℃ trong 2 ~ 4 phút, sau đó rửa sạch bằng nước nóng; Sau khi loại bỏ vết dầu và màng oxit trên bề mặt, phôi phải được xử lý bằng dung dịch nước HNO3 để tạo độ bóng trong 2 ~ 5 phút, sau đó rửa sạch bằng nước chảy và cuối cùng là sấy khô. Phôi được xử lý bằng các phương pháp này không được chạm vào hoặc nhiễm bẩn các chất bẩn khác và phải được hàn trong vòng 6 ~ 8 giờ. Tốt nhất là hàn ngay nếu có thể.

Các phương pháp hàn đồng thau nhôm và hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm hàn đồng thau ngọn lửa, hàn đồng thau bằng mỏ hàn và hàn đồng thau lò. Các phương pháp này thường sử dụng chất trợ dung trong quá trình hàn đồng thau và có các yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ nung nóng và thời gian giữ nhiệt. Trong quá trình hàn đồng thau ngọn lửa và hàn đồng thau bằng mỏ hàn, tránh làm nóng chất trợ dung trực tiếp bằng nguồn nhiệt để tránh chất trợ dung quá nhiệt và hỏng. Vì nhôm có thể bị hòa tan trong chất hàn mềm có hàm lượng kẽm cao, nên phải dừng gia nhiệt sau khi mối nối được hình thành để tránh ăn mòn kim loại nền. Trong một số trường hợp, quá trình hàn đồng thau nhôm và hợp kim nhôm đôi khi không sử dụng chất trợ dung mà sử dụng phương pháp siêu âm hoặc cạo để loại bỏ lớp màng. Khi sử dụng phương pháp cạo để loại bỏ lớp màng để hàn đồng thau, trước tiên hãy nung nóng phôi đến nhiệt độ hàn đồng thau, sau đó cạo phần hàn của phôi bằng đầu que hàn (hoặc dụng cụ cạo). Trong khi phá vỡ lớp màng oxit trên bề mặt, đầu que hàn sẽ nóng chảy và làm ướt kim loại nền.

Các phương pháp hàn nhôm và hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm hàn ngọn lửa, hàn lò, hàn nhúng, hàn chân không và hàn có bảo vệ khí. Hàn ngọn lửa chủ yếu được sử dụng cho các phôi nhỏ và sản xuất một mảnh. Để tránh sự cố hỏng thuốc hàn do tiếp xúc giữa tạp chất trong axetilen và thuốc hàn khi sử dụng ngọn lửa oxyaxetilen, nên sử dụng ngọn lửa khí nén xăng có độ khử nhẹ để ngăn ngừa quá trình oxy hóa kim loại cơ bản. Trong quá trình hàn cụ thể, thuốc hàn và kim loại điền có thể được đặt tại vị trí hàn trước và được nung nóng cùng lúc với phôi; Phôi cũng có thể được nung nóng đến nhiệt độ hàn trước, sau đó vật hàn nhúng thuốc hàn có thể được đưa đến vị trí hàn; Sau khi thuốc hàn và kim loại điền nóng chảy, sau khi kim loại điền được lấp đầy đều, ngọn lửa nung sẽ được rút ra từ từ.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm trong lò khí, kim loại điền đầy hàn phải được cài đặt trước, và thuốc trợ dung hàn phải được nấu chảy trong nước cất để tạo thành dung dịch đặc có nồng độ 50% ~ 75%, sau đó phủ hoặc phun lên bề mặt hàn. Cũng có thể phủ một lượng thuốc trợ dung hàn bột thích hợp lên kim loại điền đầy hàn và bề mặt hàn, sau đó đặt mối hàn đã lắp ráp vào lò để gia nhiệt hàn. Để tránh kim loại nền bị quá nhiệt hoặc thậm chí tan chảy, nhiệt độ gia nhiệt phải được kiểm soát chặt chẽ.

Hàn hồ hoặc hàn lá kim loại thường được sử dụng để hàn nhúng nhôm và hợp kim nhôm. Phôi đã lắp ráp phải được nung nóng trước khi hàn để đạt nhiệt độ gần với nhiệt độ hàn, sau đó nhúng vào dung dịch trợ dung để hàn. Trong quá trình hàn, nhiệt độ và thời gian hàn phải được kiểm soát chặt chẽ. Nếu nhiệt độ quá cao, kim loại nền dễ tan chảy và dễ bị mất chất hàn; nếu nhiệt độ quá thấp, chất hàn không đủ nóng chảy và tốc độ hàn sẽ giảm. Nhiệt độ hàn phải được xác định theo loại và kích thước của kim loại nền, thành phần và điểm nóng chảy của kim loại điền đầy, và thường nằm trong khoảng giữa nhiệt độ lỏng của kim loại điền đầy và nhiệt độ rắn của kim loại nền. Thời gian nhúng phôi vào dung dịch trợ dung phải đảm bảo chất hàn có thể nóng chảy hoàn toàn và chảy ra, và thời gian giữ không được quá dài. Nếu không, thành phần silic trong chất hàn có thể khuếch tán vào kim loại nền, làm cho kim loại nền gần mối hàn trở nên giòn.

Trong quá trình hàn chân không nhôm và hợp kim nhôm, chất hoạt hóa hoạt động kim loại thường được sử dụng để biến đổi lớp màng oxit bề mặt của nhôm và đảm bảo quá trình làm ướt và lan truyền chất hàn. Magie có thể được sử dụng trực tiếp trên phôi dưới dạng hạt hoặc được đưa vào vùng hàn dưới dạng hơi nước, hoặc có thể thêm magiê vào chất hàn silicon nhôm như một thành phần hợp kim. Đối với phôi có cấu trúc phức tạp, để đảm bảo hiệu ứng đầy đủ của hơi magiê trên kim loại cơ bản và cải thiện chất lượng hàn, các biện pháp che chắn cục bộ thường được áp dụng, tức là phôi trước tiên được đặt trong hộp thép không gỉ (thường được gọi là hộp xử lý), sau đó được đặt trong lò chân không để gia nhiệt hàn. Hàn chân không Các mối nối nhôm và hợp kim nhôm có bề mặt nhẵn và các mối nối hàn dày đặc, không cần phải làm sạch sau khi hàn; Tuy nhiên, thiết bị hàn chân không rất đắt tiền và hơi magiê gây ô nhiễm nghiêm trọng cho lò, vì vậy cần phải làm sạch và bảo trì thường xuyên.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm trong môi trường trung tính hoặc trơ, có thể sử dụng chất hoạt hóa magie hoặc thuốc trợ dung để loại bỏ lớp màng. Khi sử dụng chất hoạt hóa magie để loại bỏ lớp màng, lượng magie cần thiết thấp hơn nhiều so với hàn chân không. Nhìn chung, w (mg) vào khoảng 0,2% ~ 0,5%. Khi hàm lượng magie cao, chất lượng mối hàn sẽ giảm. Phương pháp hàn NOCOLOK sử dụng thuốc trợ dung florua và bảo vệ bằng nitơ là một phương pháp mới được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Vì cặn thuốc trợ dung florua không hấp thụ độ ẩm và không ăn mòn nhôm, nên có thể bỏ qua quá trình loại bỏ cặn thuốc trợ dung sau khi hàn. Dưới sự bảo vệ của nitơ, chỉ cần phủ một lượng nhỏ thuốc trợ dung florua, kim loại điền đầy có thể làm ướt kim loại nền tốt và dễ dàng thu được mối hàn chất lượng cao. Hiện nay, phương pháp hàn NOCOLOK này đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt bộ tản nhiệt nhôm và các linh kiện khác.

Đối với nhôm và hợp kim nhôm hàn bằng thuốc trợ dung khác ngoài thuốc trợ dung florua, cần loại bỏ hoàn toàn cặn thuốc trợ dung sau khi hàn. Cặn thuốc trợ dung hữu cơ hàn nhôm có thể được rửa bằng các dung dịch hữu cơ như metanol và trichloroethylene, trung hòa bằng dung dịch nước natri hydroxit, cuối cùng rửa sạch bằng nước nóng và nước lạnh. Clorua là cặn thuốc trợ dung hàn nhôm, có thể được loại bỏ theo các phương pháp sau: Đầu tiên, ngâm trong nước nóng ở nhiệt độ 60 ~ 80℃ trong 10 phút, cẩn thận làm sạch cặn trên mối hàn bằng bàn chải, sau đó rửa sạch bằng nước lạnh; Sau đó, ngâm trong dung dịch nước axit nitric 15% trong 30 phút, cuối cùng rửa sạch bằng nước lạnh.