鋁焊料制造技術的比較研究

　　鋁及其合金在工業生產和社會生活中的應用日益廣泛，由于比重小、導電（熱）性好、鑄造性和機械加工性優良，鋁在現代工業材料中的重要作用不可替代。在航空、航天、通信、汽車、電子、家電、生活用品等方面，為了減輕重量、提高功效、增強美觀，以鋁代銅、以鋁代鋼取得了可喜的成就。這些成就的取得很大程度上依賴于焊接技術的發展，尤其是釬焊和氬弧焊，探討鋁的氬弧焊、釬焊以及釬焊、氬弧焊用鋁焊絲的制造技術有著長遠的意義。

　　1 鋁焊料的制造工藝
　　目前工業生產中常用的鋁焊料制造工藝主要有兩種：其一是鑄錠——擠壓——拉拔工藝，主要用于釬焊材料和部分氬弧焊絲生產；其二是熔鑄——連鑄——拉拔，主要用于氬弧焊絲生產。2.鋁焊料的鑄錠——擠壓——拉拔工藝
在鋁焊料的鑄錠——擠壓——拉拔工藝中。核心技術是擠壓，擠壓溫度、擠壓速度、擠壓變形指數是關鍵參數；鑄錠預熱、模具預熱、模具設計也是重要環節。在鑄錠的獲取方式上，金屬模鑄錠和半連續鑄錠是主流。

　　2.1擠壓技術的特點
　　擠壓技術的許多優越性中，以下兩方面對鋁焊料的生產是最有利的。

　　在擠壓過程中，被擠金屬在變形區中能獲得比軋制、鍛造更為強烈和均勻的三向壓縮應力狀態，這就可以充分發揮被加工金屬本身的塑性。因此，用擠壓法可加工那些用軋制法和鍛造法加工有困難、甚至無法加工的低塑性、難變形金屬。例如鋁硅共晶和鋁硅銅釬料經熱擠壓后可以進行拉拔。

　　擠壓加工的靈活性很大，只需要更換模具等擠壓工具，即可在一臺設備上生產形狀和品種不同的制品，更換擠壓工具的操作簡便易行。這一特點對批量小、品種規格多的的釬焊材料尤其適宜。

　　擠壓技術還存在許多有待改進的問題。例如：幾何廢料損失較大、擠壓速度遠低于水平連鑄速度、生產效率低、市場響應慢、工模具消耗量大等。

　　2.2擠壓技術的現狀及前景
　　擠壓技術興起于上世紀初。20世紀20年代第一臺200噸擠壓機問世，1941年德國的施洛曼（Sehloeman）公司制造了12000噸擠壓機。目前，應用中的最大擠壓機是美國雷諾公司的27000噸擠壓機。

　　擠壓技術問世以來，擠壓工藝的完善和發展從未間斷過。冷擠壓、潤滑擠壓、等溫擠壓、水冷模擠壓、連續擠壓、快速擠壓、包套擠壓、靜液擠壓、脫皮積壓、復和擠壓、有效摩擦擠壓、舌型模擠壓、平面組合模擠壓、分流組合模擠壓、變斷面擠壓、扁擠壓、螺旋擠壓、寬展擠壓、輥擠、沖擠、淬火擠等擠壓技術層出不窮。

　　擠壓技術的發展日新月異，超塑性擠壓、液態擠壓、半固態擠壓等新工藝的研究已取得可喜進展。

　　2.3工模具的設計與制造
　　隨著擠壓技術的發展，工模具的設計已發展成為一門新興的學科。

　　擠壓工模具包括模架、模套、擠壓筒、擠壓軸、擠壓墊、擠壓模、模支撐等。模具是保證產品形狀、尺寸和精度的基本工具，也是保證產品內外質量、影響擠壓速度、擠壓力的最重要因素之一。合理的模具結構、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產品內部組織和力學性能。

　　模具設計和制造必須滿足擠壓工藝要求，同時，擠壓模具的使用壽命是最需關注的問題。模具材料的選取、熱處理及表面處理工藝、結構設計、機加工及電加工、使用維護等是影響模具壽命的主要因素。

　　2.4鋁焊料的擠壓
　　有色金屬焊接用焊絲的絲坯通常由鑄錠——擠壓獲得，其中，銅焊絲（帶）、部分鋁焊絲（帶）常由大型有色金屬加工廠生產，由于焊接材料生產批量小，生產質量波動大，給生產組織帶來諸多不便；而銅磷焊料、銀基焊料、部分鋁基焊料由焊料專業生產廠家生產，生產中常用100--800噸油壓機擠壓。

　　鋁鎂、鋁錳焊絲是最好擠壓的兩類焊絲，鋁硅氬弧焊絲的擠壓性尚可，鋁硅釬料的擠壓速度較低、效率也低，鋁硅銅和鋁硅銅鋅是最難擠壓的兩類釬料。

　　在鋁焊料的生產中，生產效率低、生產周期長、回爐料比例高是影響經濟效益的主要原因。

　　2.5焊料生產中擠壓的應用
　　擠壓加工在釬焊材料的生產中占有特殊地位，這是因為擠壓技術長期被國內外釬料制造者廣泛采用。采用擠壓加工技術生產釬料比其他壓力加工方法更適宜于多品種小批量的特點。隨著科學技術的不斷進步，人們總在不斷的研究和開發各種釬料成型技術，這些技術具備良好的應用前景，但是目前還不可能取代擠壓成型。有兩方面的原因使擠壓成型在釬料成型中占主導地位，一是長期的思維習慣——釬料生產一直采用擠壓成型；二是擠壓加工在技術上的可靠性、穩定性和成熟性。

　　3 鋁焊料的熔鑄——連鑄——拉拔工藝
　　3．1水平連鑄設備的性能和要求
　　一套性能完備、可靠的連鑄設備，是進行鋁釬料熔態抽拉成絲的關鍵。熔鑄－－連鑄的設備必須滿足生產過程中工藝參數調整要求，同時，還應適宜鋁焊料的小批量生產的特點。具體的技術要求是：

　　保溫包液面高度的檢測和控制由自適應系統實現調節。

　　熔煉爐容積與生產批量相適應。

　　為了精確控制熔體溫度，保溫爐選用紅外陶瓷加熱元件加熱，用熱電偶測溫，用可控硅調壓方式實現熱平衡。

　　爐體適應于多個結晶器同時工作；一次和二次冷卻的冷卻強度均可調。

　　抽拉裝置選用直流電機配擺線針輪減速機做動力，電機的調速選用PWM控制電路，用鏈傳動實現多頭抽拉。鋁錳焊絲的抽拉頭數可以達到32頭。抽拉絲壞的直徑越細越有利于拉拔，但是，過細的絲徑帶來抽拉速度的降低，一半選用4～6毫米為宜。

　　3.2自動控制系統的成本和可靠性
　　鋁焊絲連鑄過程中，抽拉速度、熔體溫控和液面高度三部分要用到自適應控制技術，采用PLC集成控制的技術可以可靠實現制動控制。人工開環控制的設備也在生產中有所應用，但其生產穩定性較差。

　　3.3 熱平衡
　　熔體的溫度控制是由加熱元件的發熱量和系統散熱量的平衡予以實現的，在添加金屬液和抽拉即將結束時，系統被階躍的熱量沖擊，處于瞬態不穩定狀態。

　　生產中，一般采用等溫添加金屬液和改變抽拉速度的技術方案來穩定焊絲的過冷度。

　　3.4 生產效率
　　由于連鑄絲坯的直徑較小，同時熔體抽拉速率也有限，實際應用中，勢必限制生產效率，目前較先進的技術是增加抽拉根數，采用多頭同時抽拉的技術路線。

　　熔體抽拉所獲得的釬料坯料不存在“形變織構”，對后續生產的冷塑加工效率有一定影響。在不影響焊料性能的前提下，加入鈦、硼、細化晶粒技術能否提高道次加工率。

　　3.5 焊料化學成分控制
　　焊接材料是精密合金，其化學成分允許波動的波幅小；更不利于成分控制的因素是焊料中存在易揮發、氧化的易損耗元素（例如鋅）。上述兩個因素使焊料主成分控制顯得重要和困難。

　　生產中，不可避免用到回爐的廢料，這就使得微量元素和雜質元素的控制受到挑戰。

　　生產實踐中，一半是建立在數理統計理論基礎上控制主成分和雜質元素，采用成品前抽樣分析的方法判定合格與否。

　　3．6 釬料微觀組織的控制
　　熔鑄——連鑄——拉拔工藝中的成分偏析現象是不可避免的，質量控制的重點在于如何減少和消除它。

　　水平連鑄中較常見的偏析形式有：比重偏析、枝晶偏析、晶界偏析和區域偏析。

　　比重偏析是由于金屬液中各組成物間的比重差較大，在保溫包以及冷卻較慢時溶質產生上浮或下沉而引起的。與之相關因素有釬料性質，冷卻速度，初晶的比重、形狀和大小，鑄造工藝等。如果合金液在抽拉前長時間靜置，將引起嚴重的比重偏析。

　　枝晶偏析在固液相線差較大的固溶體合金中尤為突出。其成因在于合金在凝固溫度范圍內進行選分結晶的結果，使先后形成的結晶成分濃度不一樣。部分釬料的枝晶偏析很嚴重。

　　晶界偏析使低熔點物質聚集于晶界形成的，由于晶界偏析不能通過均勻化退火予以消除，其危害可延續至釬料釬焊后的釬焊接頭的熱裂、晶界腐蝕等。

　　區域偏析有正偏析和反偏析之分。值得指出的是區域偏析在鑄錠——擠壓的釬料生產工藝中同樣存在。

　　生產實踐中，一般采用下列措施預防或減少偏析：變質處理，攪拌熔體，降低澆溫，增大冷卻強度，加強二次水冷，后續擴散退火等。

　　3.7 鋁焊料的拉拔和刮皮
　　在鋁焊料的塑性加工工藝中，單次拉絲機、活套拉絲機、滑輪拉絲機、直線拉絲機、直進拉絲機均有應用。目前直進式拉絲機的生產效率最高，產品質量也最好。

　　鋁焊料的表面處理工藝有超聲波清洗；熱濃堿溶液清洗加濃硝酸光化、再用水清洗；刮皮模精刮絲皮等技術。其中精刮技術最為先進，主要表現在焊絲表面清潔，耐大氣腐蝕性優于濃堿清洗。

　　4 結論
　　（1）目前鋁釬料的制造多用鑄錠——擠壓——拉拔工藝。半連續鑄錠、等溫擠壓配合連續拉拔工藝質量穩定，但設備投資大。

　　（2）熔鑄——連鑄——拉拔工藝開始在鋁氬弧焊絲生產中得到應用。水平連鑄配合拉拔刮皮工藝生產效率高，但是質量控制難度大。

　　（3）直進式拉拔和精刮工藝是提高鋁焊料生產效率、保障鋁焊料產品質量的先進工藝。

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