药芯铝焊丝的制造技术

　　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，尤其是硬铝、超硬铝和铸铝。铝的焊接工艺性差主要表现在氧化膜难去除。


　　乌克兰巴顿焊接研究所60年代初期在焊接钛合金时发明了活性焊剂，当时是在金属表面涂一层薄薄的混合物，涂层的主要作用是压缩电弧，而不是对熔池产生化学作用。美国爱迪生焊接研究所(EWI)于90年代开始了活性焊剂的研制，并在海军连接中心(NJC)的资助下，由EWI和其他的一些成员进行了工艺评定，目前在美国活性焊剂已获得商业上的应用。英国TWI焊接研究所已把应用活性焊剂作为研究核心展开最基本的研究。


　　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，但是利用焊剂活性破碎或还原铝的氧化膜也是可行的。药芯铝焊丝就是钎料，本身含有某些活性元素，这些元素能起到钎剂作用。


　　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药芯铝焊丝的制造技术

　　药芯铝焊丝的制造技术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、后处理和层绕等几个工序。无缝药芯焊丝的原材料为成盘的钢管，钢管可以是无缝钢管，也可以是焊接钢管。


　　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(16-25mm)中通过振动使药芯填实，再经轧、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。


　　机械合金化法是根据粉末冶金的原理将粉状原料进行混和、压制、挤压。其工艺过程是将还原粉、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。


　　层流挤压法是利用连续铸造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药芯焊丝的锭坯连铸和等温挤压

　　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。


　　层流挤压工艺的技术关键是焊剂与焊料的顺序流动，形成顺序流动的条件是两种材料流变特性的一致性，材料的流变特性与温度和压应力相关，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。


　　3药芯焊丝的拉拔与层绕

　　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。


　　拉拔到成品尺寸的药芯焊丝用层绕技术绕制成盘。


　　4结论

　　(1)研究过的药芯铝焊丝的制造方法有四种，其中层流挤压法最具工业应用前景。


　　(2)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。


　　(3)辊模拉拔保证了药芯的均匀变形，超精刮技术保证了焊丝的清洁性，层绕技术保证了焊接过程中焊丝指向的稳定性。

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