Hàn nối nhôm và hợp kim nhôm

1. Khả năng hàn

Khả năng hàn của nhôm và hợp kim nhôm kém, chủ yếu là do lớp màng oxit trên bề mặt rất khó loại bỏ. Nhôm có ái lực rất lớn với oxy. Nó dễ dàng tạo thành một lớp màng oxit Al2O3 dày đặc, ổn định và có điểm nóng chảy cao trên bề mặt. Đồng thời, hợp kim nhôm chứa magie cũng sẽ tạo thành một lớp màng oxit MgO rất ổn định. Chúng sẽ cản trở nghiêm trọng quá trình làm ướt và lan rộng của chất hàn, và rất khó loại bỏ. Trong quá trình hàn, quá trình hàn chỉ có thể được thực hiện với chất trợ hàn 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 biệt nhiều so với kim loại hàn được sử dụng. Phạm vi nhiệt độ tùy chọn để hàn rất hẹp. Chỉ cần kiểm soát nhiệt độ không chính xác một chút cũng dễ gây quá nhiệt hoặc thậm chí làm chảy kim loại nền, khiến quá trình hàn trở nên khó khăn. Một số hợp kim nhôm được tăng cường độ bền bằng xử lý nhiệt cũng sẽ gây ra hiện tượng mềm hóa như lão hóa quá mức hoặc ủ do nhiệt độ hàn, làm giảm tính chất của mối hàn. Trong quá trình hàn bằng ngọn lửa, rất khó để xác định nhiệt độ vì màu sắc của hợp kim nhôm không thay đổi trong quá trình nung nóng, điều này cũng làm tăng yêu cầu về trình độ thao tác của người vận hành.

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

2. Vật liệu hàn

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

Hàn thiếc nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi, ví dụ như ống dẫn lọc, dàn bay hơi, bộ tản nhiệt và các bộ phận khác. Chỉ có thể sử dụng kim loại hàn gốc nhôm để hàn thiếc nhôm và hợp kim nhôm, trong đó kim loại hàn nhôm silic được sử dụng rộng rãi nhất. Phạm vi ứng dụng cụ thể và độ bền cắt của mối hàn được thể hiện trong Bảng 8 và Bảng 9 tương ứng. Tuy nhiên, điểm nóng chảy của chất hàn này gần với điểm nóng chảy của kim loại nền, do đó nhiệt độ nung nóng cần được kiểm soát nghiêm ngặt và chính xác trong quá trình hàn thiếc để tránh quá nhiệt hoặc thậm chí làm chảy kim loại nền.

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

Bảng 9: Độ bền cắt của các mối nối nhôm và hợp kim nhôm được hàn bằng kim loại phụ nhôm silic.

Hợp kim nhôm silic thường được cung cấp dưới dạng bột, dạng sệt, dạng dây hoặc dạng tấm. Trong một số trường hợp, người ta sử dụng các tấm composite hàn với lõi là nhôm và lớp phủ là hợp kim nhôm silic. Loại tấm composite hàn này được chế tạo bằng phương pháp thủy lực và thường được sử dụng như một phần của các bộ phận hàn. Trong quá trình hàn, kim loại hàn trên tấm composite sẽ tan chảy và chảy xuống dưới tác dụng của mao dẫn và trọng lực để lấp đầy khe hở mối nối.

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

Hiện nay, việc hàn nhôm và hợp kim nhôm vẫn chủ yếu dựa vào việc loại bỏ lớp màng trợ hàn. Các loại trợ hàn được sử dụng bao gồm trợ hàn gốc clorua và trợ hàn gốc florua. Trợ hàn gốc clorua có khả năng loại bỏ lớp màng oxit mạnh và độ chảy tốt, nhưng lại có tính ăn mòn mạnh đối với kim loại nền. Cặn của nó phải được loại bỏ hoàn toàn sau khi hàn. Trợ hàn gốc florua là một loại trợ hàn mới, có hiệu quả loại bỏ màng 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 chất hàn nhôm silic.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm, người ta thường sử dụng môi trường chân không, trung tính hoặc trơ. Khi sử dụng phương pháp hàn chân không, độ chân không nói chung phải đạt đến mức 10⁻³ Pa. Khi sử dụng khí nitơ hoặc argon để bảo vệ, độ tinh khiết của khí phải rất cao và điểm ngưng tụ phải thấp hơn -40 ℃.

3. Công nghệ hàn thiếc

Hàn nhôm và hợp kim nhôm đòi hỏi khắt khe về việc làm sạch bề mặt phôi. Để đạt chất lượng tốt, vết dầu mỡ và lớp màng oxit trên bề mặt phải được loại bỏ trước khi hàn. Loại bỏ vết dầu mỡ trên bề mặt bằng dung dịch Na2CO3 ở nhiệt độ 60 ~ 70 ℃ trong 5 ~ 10 phút, sau đó rửa sạch bằng nước; Lớp màng oxit trên bề mặt có thể được loại bỏ bằng cách ăn mòn với dung dịch NaOH ở nhiệt độ 20 ~ 40 ℃ trong 2 ~ 4 phút, sau đó rửa sạch bằng nước nóng; Sau khi loại bỏ vết dầu mỡ và lớp màng oxit trên bề mặt, phôi cần được xử lý bằng dung dịch HNO3 để tạo độ bóng trong 2 ~ 5 phút, sau đó rửa sạch bằng nước chảy và cuối cùng là làm khô. Phôi đã được xử lý bằng các phương pháp này không được chạm vào hoặc bị nhiễm bẩn khác, và phải được hàn trong vòng 6 ~ 8 giờ. Tốt hơn hết là nên hàn ngay lập tức nếu có thể.

Các phương pháp hàn nhôm và hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm hàn bằng ngọn lửa, hàn bằng mỏ hàn và hàn bằng lò nung. Các phương pháp này thường sử dụng chất trợ hàn và có yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt. Trong quá trình hàn bằng ngọn lửa và hàn bằng mỏ hàn, cần tránh nung nóng trực tiếp chất trợ hàn bằng nguồn nhiệt để tránh chất trợ hàn bị quá nhiệt và hư hỏng. Vì nhôm có thể bị hòa tan trong chất hàn mềm có hàm lượng kẽm cao, nên cần ngừng nung nóng ngay khi mối hàn được hình thành để tránh ăn mòn kim loại nền. Trong một số trường hợp, việc hàn nhôm và hợp kim nhôm đôi khi không sử dụng chất trợ hàn 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 khi hàn, trước tiên cần nung nóng phôi đến nhiệt độ hàn, sau đó cạo phần cần 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 tan chảy và làm ướt kim loại nền.

Các phương pháp hàn nhôm và hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm hàn bằng ngọn lửa, hàn bằng lò nung, hàn nhúng, hàn chân không và hàn bảo vệ bằng khí. Hàn bằng ngọn lửa chủ yếu được sử dụng cho các chi tiết nhỏ và sản xuất từng chi tiết riêng lẻ. Để tránh hiện tượng hỏng chất trợ hàn do sự tiếp xúc giữa các tạp chất trong axetylen và chất trợ hàn khi sử dụng ngọn lửa oxy-axetylen, nên sử dụng ngọn lửa khí nén xăng có độ khử nhẹ để ngăn ngừa quá trình oxy hóa kim loại nền. Trong quá trình hàn cụ thể, chất trợ hàn và kim loại phụ có thể được đặt trước tại vị trí hàn và được nung nóng đồng thời với chi tiết; hoặc cũng có thể nung nóng chi tiết đến nhiệt độ hàn trước, sau đó nhúng que hàn có chất trợ hàn vào vị trí hàn; Sau khi chất trợ hàn và kim loại phụ tan chảy, cần từ từ rút ngọn lửa sau khi kim loại phụ được lấp đầy đều.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm trong lò nung không khí, cần phải chuẩn bị sẵn kim loại hàn, và chất trợ hàn phải được hòa tan trong nước cất để tạo thành dung dịch đặc có nồng độ 50% ~ 75%, sau đó phủ hoặc phun lên bề mặt cần hàn. Một lượng chất trợ hàn dạng bột thích hợp cũng có thể được phủ lên kim loại hàn và bề mặt cần hàn, sau đó đặt mối hàn đã lắp ráp vào lò để nung nóng. Để tránh kim loại nền bị quá nhiệt hoặc thậm chí bị chảy, nhiệt độ nung phải được kiểm soát chặt chẽ.

Thường sử dụng chất hàn dạng bột nhão hoặc dạng lá để hàn nhúng nhôm và hợp kim nhôm. Vật cần hàn phải được nung nóng trước khi hàn để nhiệt độ gần với nhiệt độ hàn, sau đó nhúng vào dung dịch trợ hàn 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 bị hòa tan và chất hàn dễ bị mất; nếu nhiệt độ quá thấp, chất hàn không đủ nóng chảy và tốc độ hàn 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 phụ, và thường nằm giữa nhiệt độ hóa lỏng của kim loại phụ và nhiệt độ hóa rắn của kim loại nền. Thời gian nhúng vật cần hàn trong dung dịch trợ hàn phải đảm bảo chất hàn có thể nóng chảy và chảy hoàn toàn, và thời gian giữ không được quá lâu. Nếu không, nguyên tố 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 xúc tác kim loại thường được sử dụng để biến đổi lớp màng oxit bề mặt của nhôm và đảm bảo độ thấm ướt và lan tỏa của chất hàn. Magiê có thể được sử dụng trực tiếp trên phôi dưới dạng hạt, hoặc được đưa vào vùng hàn dưới dạng hơi, hoặc magiê có thể được thêm vào chất hàn nhôm silic như một nguyên tố hợp kim. Đối với phôi có cấu trúc phức tạp, để đảm bảo tác dụng đầy đủ của hơi magiê lên kim loại nền và cải thiện chất lượng hàn, các biện pháp bảo vệ cục bộ thường được áp dụng, tức là phôi được đặt trước trong một hộp thép không gỉ (thường được gọi là hộp xử lý), sau đó được đặt trong lò chân không để nung nóng và hàn. Các mối hàn chân không giữa nhôm và hợp kim nhôm có bề mặt nhẵn và mối hàn chắc chắn, và 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 dưỡng thường xuyên.

Khi hàn nhôm và hợp kim nhôm trong môi trường trung tính hoặc trơ, có thể sử dụng chất hoạt hóa hoặc chất trợ dung magie 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. Thông thường, hàm lượng magie (mg) khoảng 0,2% ~ 0,5%. Khi hàm lượng magie cao, chất lượng mối hàn sẽ bị giảm. Phương pháp hàn NOCOLOK sử dụng chất trợ dung fluoride và bảo vệ bằng nitơ là một phương pháp mới được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Vì cặn của chất trợ dung fluoride không hấp thụ độ ẩm và không ăn mòn nhôm, nên quá trình loại bỏ cặn chất trợ dung sau khi hàn có thể được bỏ qua. Dưới sự bảo vệ của nitơ, chỉ cần phủ một lượng nhỏ chất trợ dung fluoride, kim loại phụ có thể làm ướt tốt kim loại nền, và dễ dàng thu được các 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 được hàn bằng chất trợ hàn không phải là chất trợ hàn fluoride, cặn chất trợ hàn phải được loại bỏ hoàn toàn sau khi hàn. Cặn chất trợ hàn hữu cơ cho nhôm có thể được rửa bằng các dung dịch hữu cơ như methanol và trichloroethylene, trung hòa bằng dung dịch natri hydroxit, và cuối cùng làm sạch bằng nước nóng và lạnh. Clorua là cặn chất trợ hàn cho nhôm, có thể được loại bỏ theo các phương pháp sau: Đầu tiên, ngâm trong nước nóng ở 60 ~ 80 ℃ trong 10 phút, cẩn thận làm sạch cặn trên mối hàn bằng bàn chải, và rửa sạch bằng nước lạnh; Sau đó ngâm trong dung dịch axit nitric 15% trong 30 phút, và cuối cùng rửa sạch bằng nước lạnh.