5系鋁合金材料的高頻感應(yīng)釬焊技術(shù)研究

安徽中鼎金亞汽車管件制造有限公司 張培勇 唐之勝 陳小勇

5系鋁合金材料的高頻感應(yīng)釬焊技術(shù)研究

安徽中鼎金亞汽車管件制造有限公司 張培勇 唐之勝 陳小勇

針對(duì)5049鋁合金釬焊困難的現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)了使用高頻感應(yīng)釬焊5049鋁合金的工藝實(shí)現(xiàn)方法。本文通過介紹整個(gè)工藝試驗(yàn)的過程、參數(shù)及試驗(yàn)材料選取，證明該工藝方法的可行性。

5049鋁合金；高頻感應(yīng)釬焊

1 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，鋁合金由于其自身的密度小、導(dǎo)熱快等特點(diǎn)越來越多的應(yīng)用到汽車管路上。其中5系鋁合金由于其硬度及耐腐蝕性較好被廣泛應(yīng)用于變速箱冷卻系統(tǒng)。但由于5系鋁合金含鎂量較高、固相線溫度與釬料融化溫度接近等一系列特點(diǎn)，導(dǎo)致5系鋁合金的釬焊在行業(yè)中一直屬于難題。目前5系鋁合金普遍采用火焰釬焊的方式進(jìn)行釬焊。但火焰釬焊焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效果受環(huán)境影響過大；且由于使用明火進(jìn)行焊接，故有一定的危險(xiǎn)性.本文設(shè)計(jì)的使用高頻感應(yīng)釬焊的方法焊接5049鋁合金，通過控制加熱速率、分段加熱法等方式完成對(duì)5049鋁合金釬焊接頭的焊接。采用該種方法進(jìn)行焊接5049鋁合金接頭，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定；焊接時(shí)受環(huán)境影響??；操作時(shí)危險(xiǎn)性較小等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2 高頻加熱原理

當(dāng)線圈中的電流是交流電時(shí)，在線圈內(nèi)部和其周圍就產(chǎn)生了交變電場(chǎng)。在感應(yīng)加熱時(shí)，置于感音線圈中的零件就被這個(gè)交變磁場(chǎng)的磁力線所切割。根據(jù)電磁理論，變化的磁場(chǎng)就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在零件表面形成封閉的電流回路，通常把這種電流稱為渦流。感應(yīng)加熱主要是渦流在工件內(nèi)部產(chǎn)生熱量，使工件加熱。

圖1 感應(yīng)加熱原理

如圖1所示，當(dāng)感應(yīng)線圈上通交變電流I時(shí)，線圈內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的狡辯磁通φ，交變磁通φ又會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e。根據(jù)電磁方程式，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：

式中N是線圈匝數(shù)，dφ是磁通量變化量，dt是變化時(shí)間。

若φ是按正弦規(guī)律變化的則有：

可得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

因此其等效電動(dòng)勢(shì)為：

式中f——電磁頻率。

由此可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給需要加熱的金屬。然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋８袘?yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。

感應(yīng)電勢(shì)在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）I，使工件加熱，其焦耳熱為：

由以上可以看出，感應(yīng)電勢(shì)和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大：同樣提高工作頻率也會(huì)使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。

3 焊接設(shè)備及線圈

3.1 焊接設(shè)備

本焊接設(shè)備采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。型號(hào)為DL-15A型。主要電氣參數(shù)為輸入電壓:單相220V, 50或60HZ；最大振蕩功率：15KVA；最大額定輸入功率：15KW；振蕩頻率：30-100KHZ。為保證焊接質(zhì)量，提升效率需設(shè)計(jì)專用的感應(yīng)線圈。

3.2 感應(yīng)線圈

感應(yīng)線圈做成圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)內(nèi)徑為30mm，線圈匝數(shù)為3匝。線圈采用外徑為φ5mm，內(nèi)徑為φ3mm的空心紫銅管制成，其截面為圓形。此種結(jié)構(gòu)可保證鋁合金工件能較快升溫、基體溫度均勻。另在焊接時(shí)線圈銅管內(nèi)部通水，避免燒壞線圈。

4 焊接母材及焊機(jī)材料選取

4.1 母材選取

圖2 每材截面

母材選用5049鋁合金的管件及接頭進(jìn)行搭接。管件外徑為φ16mm，壁厚為1.25mm。接頭外徑為φ24mm，壁厚為4mm。管件與接頭的搭接長(zhǎng)度為6mm，焊縫間隙為0.1mm。5049鋁合金固相線溫度為615℃，具體成分如表1所示：

表1 5049鋁合金成份

4.2 釬料選取

本次試驗(yàn)選取4047鋁合金環(huán)作為釬料。釬料環(huán)內(nèi)徑為φ16mm，外徑為φ19.2mm。4047鋁合金釬料固相線溫度為577℃；液相線為582℃；釬焊溫度為582℃-604℃，具體成分如表2所示：

表2 4047鋁合金環(huán)成份

4.3 釬劑選取

本次試驗(yàn)選用的氯化物和復(fù)合氟化物的混合釬劑，該釬劑破氧化膜能力強(qiáng)，潤(rùn)濕性好，具體成分如表3所示：

表3 混合釬劑成份

5 試驗(yàn)過程

5.1 焊前準(zhǔn)備

使用超聲波清洗機(jī)，添加鋁合金清洗劑對(duì)管件及接頭進(jìn)行清洗。確保工件表面無油污及其他雜質(zhì)。

5.2 焊接

5.2.1 釬料、釬劑的涂放

釬料上釬劑應(yīng)均勻涂抹，釬料應(yīng)緊靠釬縫位置。

5.2.2 工件與感應(yīng)線圈的相對(duì)位置

工件在感應(yīng)線圈中應(yīng)該居中擺放，否則易造成工件局部過熱，導(dǎo)致焊接失敗；另工件與感應(yīng)線圈的距離為3mm，較小的距離可使加熱較為迅速。

5.2.3 加熱速度及焊接時(shí)間的選擇

鋁合金焊接時(shí)加熱速度會(huì)直接影響焊接的結(jié)果。過快的加熱速度會(huì)導(dǎo)致母材過燒、融化。過慢的加熱速度會(huì)導(dǎo)致釬劑失效；釬料無法融化、填充。

本次試驗(yàn)選擇四種參數(shù)進(jìn)行焊接：（1）加熱速率為5℃/s；加熱時(shí)間為120s。（2）加熱速率為10℃/s； 加熱時(shí)間為60s。（3）加熱速率為20℃/s；加熱時(shí)間為30s。（4）加熱速率為10℃/s；加熱50s后停止加熱15s；再繼續(xù)以10℃/s的加熱速率加熱20s。

6 焊接結(jié)果

（1）以加熱速率為5℃/s；加熱時(shí)間為120s的參數(shù)進(jìn)行焊接。釬劑無法保證過長(zhǎng)的活性時(shí)間，釬劑失效。釬料融化不良，無法對(duì)釬縫進(jìn)行填充。焊接失敗。

（2）以加熱速率為10℃/s； 加熱時(shí)間為60s的參數(shù)進(jìn)行焊接。釬料融化良好，但由于高頻加熱的集膚效應(yīng)存在，導(dǎo)致接頭內(nèi)外部溫度分布不均。釬料在接頭表面鋪展，無法對(duì)釬縫進(jìn)行填充，焊接失敗。

（3）以加熱速率為20℃/s；加熱時(shí)間為30s的參數(shù)進(jìn)行焊接。加熱速度過快，母材與釬料同時(shí)融化，管件及接頭過燒嚴(yán)重，焊接失敗。

（4）以加熱速率為10℃/s；加熱50s后停止加熱15s；再繼續(xù)以10℃/s的加熱速率加熱20s的參數(shù)進(jìn)行焊接。釬料融化良好，由于加熱過程中停止加熱15s，使母材自行進(jìn)行導(dǎo)熱，消除集膚效應(yīng)造成的影響接頭溫度分布均勻。釬料對(duì)釬縫進(jìn)行填系，接頭外觀美觀，無過燒、熔融現(xiàn)象，焊接成功。

7 焊后檢驗(yàn)

針對(duì)6.4采用的方法焊接的產(chǎn)品展開焊后檢驗(yàn)，以確認(rèn)焊接接頭的性能是否能滿足要求。

7.1 氣密試驗(yàn)

針對(duì)6件焊后產(chǎn)品進(jìn)行氣密試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表4所示：

表4 試驗(yàn)參數(shù)與氣密檢測(cè)結(jié)果

7.2 拉脫試驗(yàn)

針對(duì)3件焊后產(chǎn)品進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，要求拉脫力大于7KN，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5 拉脫試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樣件拉脫曲線

7.3 焊縫位置剖開檢測(cè)

針對(duì)3件焊后產(chǎn)品進(jìn)行焊縫位置剖開檢驗(yàn)，以觀察釬料的填縫狀態(tài)。

圖4 焊縫檢測(cè)結(jié)果剖面

通過上述焊縫位置剖開檢測(cè)照片可顯示。3件樣品焊縫填充率均大于80%，判定為合格。

8 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證，證明5049鋁合金使用高頻感應(yīng)釬焊，在合適的加熱速率和合適的加熱時(shí)間下，對(duì)焊接接頭進(jìn)行分段加熱（使用10℃/s的加熱速率加熱50s后停止加熱15s，再繼續(xù)進(jìn)行加熱20s）可使釬焊接頭母材溫度分布均勻，最終形成可靠的釬焊接頭。

[1]張啟運(yùn),莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:32-54.

[2]徐勝,徐道榮.鋁及鋁合金釬焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].輕合金加工技術(shù),2004(32).

[3]趙越,等.釬焊技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,工業(yè)裝備與信息工程出版中心,2004,4(第1版).