用于焊接的反应物混合剂.doc

用于焊接的反应物混合剂 这项发明大体是关于焊接的技术 尤其是 它涉及到一个独特的发热焊接过程 一种用于 焊接过程的新的反应混合剂以及反应产生的焊件 发明的背景 通常在铁路工业中 用铝热反应制作焊件已经使用了很长一段时间 铝和被还原的充当填 充金属的金属氧化物之间的反应组成了铝热反应 例如 填充金属来源于还原后的氧化物 该反应编号为 2229045 是 Charles A Cadwell 申请的 以 戈尔德施密特 反应为基础的 运用 它的反应式如下 Al Fe2O3 heat Al2O3 Fe or Al CuO 热量 Al2O3 Cu 多年来 戈尔德施密特 反应已经非常成功的运用于如铁和铜等的熔接和焊接上 然而 它不是特别适用于焊接金属 例如铝和作为填充金属的铜或者是铁焊接时基本上是不行的 Rejdak 的专利 专利号为 3020610 揭示了熔接铝和其他金属的方法 并且提供了一系列 可用于生产焊件的反应 不足的是 在他发明的方法中 这样形成的焊接是在一些应用中 是不适用的 例如 由于在最终焊件中存在杂质或者是其他衍生元素 通过这中方法生产 的焊件在某些环境下 如持续的沉浸在雨水中 可能十分容易受到腐蚀 Schiltknecht 的专利 专利号为 2569956 揭示了一个通过融化金属块的套管 使用铝热反 应来焊接非铁金属片的过程 该过程是由位于苏黎世的瑞士铝业公司发明的熔接系统 它 通常被称作 阿鲁修斯反应 Brosnan 的专利 专利号为 5062903 揭示了通过还原剂来产生热量去融化填充金属 然后 这些填充金属流出来制作成焊件的过程 随着反应气体释放 他产品的组成部分留在融渣 里面 该反应大体可概括为 还原剂 填充金属 金属化合物 热量 融化的金属 熔渣 气体 Brosnan 的发明通过把铝既作为还原剂又作为填充金属来熔炼铝 并且把 CaSO4作为金属 化合物 基本反应如下 Al CaSO4 热量 Al2O3 CaS Al 通过这种反应产生的熔接金属基本上得到的是纯净的铝 然而 比起把铝片熔接得到的焊 件 这种焊件强度要低得多 在某些事例中 固态熔接金属也有很高的孔隙率 Kovarik 的专利 专利号为 5062903 提出了添加硅来改进 Brosnan 反应的方法 这种方法 极大的增加了熔接金属的强度 并且通过添加氯化钠也降低了孔隙率 Kovarik 反应和 Brosnan 反应熔接铝的一个主要的缺点是 在融化反应时 熔渣释放出强烈 的带有臭味的硫化氢 这极大的限制了该项发明的商业推广 发明总结 本发明提供了一种新的和改进的工序 并且在生产熔融焊接金属时放热反应混合物也用于 该工序中 熔融焊接金属被用于非铁金属片和至少一块其他金属片的焊接 该工序和热反 应化合物于先前的工艺相比有明显的优势 这些优势包括填充金属屈服强度提高 臭味减 少 抗腐蚀性提高 它是通过这样的反应产生的 该工序中含有由还原剂 不与任何混合 化合物反应的填充金属和至少 2 种能在还原时产生热量的金属化合物的反应混合物组成 随后金属化合物和还原剂反应形成化合物 伴随着足够的热量形成放热反应来融化填料金 属 该反应混合物发生反应时释放热量 融化填充金属 从反应物和产品混合物中形成液 态填充金属 这样就通过填充金属把物体焊接起来 这个工序十分适用于非铁金属片 如铝或者是铝合金 和至少一块其他金属片的焊接 其 他的金属可以是铝 铝合金 铜或者是在工序中已知的铁 当铝或者是铝合金片和其他的 金属焊接时 反应混合物包括 按重量计算小于或等于 50 地第 1 组金属硫酸盐 小于或 等于 50 第 2 组金属硫酸盐 大约 20 到 75 的铝 大约 0 1 到 45 的硅 小于或等于 20 第 1 组金属氟化物和小于或等于 20 第 1 组金属氟硼酸盐焊剂 另外 本发明包含至少一片铝或者是铝合金和至少是一片其他金属焊接成的焊件 它由按 重量计算大于或等于 85 的铝 小于或等于 1 的第一组金属 小于或等于 1 的第二组金 属 小于或等于 1 的硫磺和小于或等于 15 的硅组成 本发明也考虑了进一步减少 Kovarik 和 Brosnan 专利中熔接金属和产生的熔渣释放出的臭 气 在这道工序中 焊成件和熔渣在冷却时同一种含有萜烯的物质一起喷射出来 这样能 有效的减少硫化氢气体 简要图纸说明 图形 1 是焊接器械横断面图 它适用于本发明 首选实例的详细描述 反应混合物包括 2 种以上的金属化合物 它与还原剂反应产生热量融化金属填料 然后金 属填料从反应物和产品混合物中流出提供给焊件 随着反应气体释放 他产品的组成部分 留在融渣里面 反应式总结如下 还原剂 填料金属 金属化合物 热量 熔融金属 熔渣 气体 依据这项发明已发现上述反应中 还原剂可能会从由铝 镁 锆 钛和能形成化合物的等 价金属系列中选取 它们在还原金属和金属化合物形成反应物时 会产生热量 例如 在 25 铝能还原金属氧化物或是硫酸盐 形成氧化铝并且形成 399 千卡 摩尔的热量 这种反 应能极大的产生热量 形成超过填料金属的熔点的温度以便熔融焊接金属流入空腔 既模 具 影响熔接和焊接 2 个以上的金属片或金属断面 金属化合物则都是易于被还原的 并且通过还原剂有利于一个以上的元素放热形成化合物 本发明中的金属化合物基本上是包含氧元素的例如金属氧化物或是金属硫酸盐 由于氧化 铝形成时产生极大的热量 和含氧化合物之间的反应是十分有用的 然而 其他的放热反 应也可利用起来 如镁和聚四氟乙烯反应形成氟化镁并且产生热量融化填充金属 在 25 形成氟化镁并且产生 264 千卡 摩尔的热量 经过还原剂的还原反应 本发明中使用的金属 化合物通常不形成作为填充金属或者是变成由此生成的焊接金属的金属相 实际上 经过 还原剂的还原反应 本发明中使用的金属化合物一般生成与熔渣或者是氧化剩余有关的矿 物质 这与 Cadwellde 发明 专利号 2229045 是相反的 在 Cadwellde 发明中 金属化 合物 如三氧化二铁 经过还原反应形成作为填充金属或者是变成由此生成的焊接金属的 金属相 如铁 之前的文章已经说明了先前的工序存在着缺陷 既在反应生成焊接金属和熔渣过程中 释 放出令人讨厌的臭气硫化氢 同样我们也发现次金属化合物和一种以上的熔融化合物的混 合物能减少这种气体 因此 本发明的金属化合物包含至少 2 种以上的金属化合物 至少一种以上的金属化合物 能成为第一组金属化合物 第一组金属也叫做碱性金属在元素周期表的第一组 较合适的 组合是金属化合物包括至少一种第一组金属硫化物例如 Li2SO4 Na2SI4 和 K2SO4 至少一种 以上的金属化合物能成为第二组金属化合物 第二组金属也叫做碱土金属在元素周期表的 第二组 较合适的组合是金属化合物包括至少一种第二组金属硫化物例如 CaSO4 BaSO4 和 MgSO4 本发明的填充金属可以是任意想用于熔接反应的金属 因为在电气传动应用中使用它们 作为填充金属来分别熔接铝或者是铜物件 铝和铜特别有效 在铝熔接中 一个或者更多 的铝部件被焊接起来 填充金属和还原剂都是铝 在铜熔接中 一个或者更多的铜部件被 焊接起来 混合物或者铜合金和铝被用于还原反应和生产填充金属 额外的填充金属可以 从铁 铁合金 非铁金属和合金 钎料和钎焊填充金属 或者是其他热反应产生的热量使 温度超过填充金属熔点并且提供额外的高温给钎料以便于生产熔融焊接金属来焊接金属片 的金属 另外 反应混合物可能包括一种以上的钎焊剂来降低混合物和产物的熔点 通常使用钎焊 剂 能降低熔点并增加反应产物的流动性 例如熔渣 以便熔融焊接金属迅速地从熔渣中分离 进而流进模板中 正确的选择钎焊剂或者是钎焊剂混合物能增加从焊缝金属渣离析的焊缝 金属的生成率并减少硫化氢 因此 第一组金属化合物的钎焊剂特别适合这个目的 本发 明至少一种钎焊剂能用于第一组金属化合物 例如第一组金属氟化物和氟硼酸盐 较合适 的是 从 NaF KF 和 KBF4中选用钎焊剂 当二个以上的第一组金属氟化物和氟硼酸盐被使用时 只含一种金属化合物的发热反应混合物适用于减少硫化氢气体生成 本项发明的其他超过 Brosnan 和 Kovarik 反应的优点是增加焊缝金属的生成率 通过正确 选择金属化合物 例如硫化物 和钎焊剂 如氟化物 焊缝金属的产量最多能增加 40 这意味着更少的熔接混合物能做同样的熔接 并且更小的熔炉也能适用 这些改进 能极大的减少成本 本发明还有助于减少熔接过程中的由各成分 例如铝和锡 的有限溶解度造成的熔析 例如 之前工序中熔接铝导线的热反应 由于反应物产生热量留在熔渣中使得只有熔融焊接金属 能流进模具中 本发明也有助于减少现存的元素产生电镀腐蚀从而提供改良的在室内外用 于电力传输和接地的连线 本发明还减少了额外的步骤或者是设备的要求 如 Alusuisse 过程 或铸造焊接工作中使用的熔炉 本发明还包括一个非铁金属片和至少一种其他的金属片焊接起来的焊件 该焊件是通过热 反应混合物的附属反应形成的 它是由按重量计算大于等于 85 的填充金属和第一组金属 和 或者 第二组金属 硫和硅组成 当焊件焊接铝片和至少一种金属片时 焊件由按重量计算大于等于 85 的铝 少于等于 1 的 第一组金属和 或者 少于等于 1 的第二组金属 少于等于 1 的硫和少于等于 15 的硅 组成 本发明特别适合于和由两个石墨块或其他各种耐火材料构成的焊接器械一起使用 如美国 专利 专利号为 3020610 所示 图形 1 是可能使用了本发明的焊接器械 1 它由一对被挖空来提供给上部熔炉部分 3 和模具 部分 4 的部件 2 组成 使用任意一种方法 部件 2 可动地被连接或者是固定在一起 金属 片或者尤其是 用缆梢 5 和 6 相对但是纤细地分开的末端牢牢地垂直地固定在用金属圆盘 8 关住的下部浇口 7 上 它们固定在模具部分 4 上 然后反应混合物 9 放进熔炉部分 3 中 再把原始材料 10 放在反应混合物上面 原始材料 10 将通过火石点火器引燃 反过来 原 始材料 10 引燃反应混合物 9 形成熔融焊接金属 然后熔融焊接金属通过圆盘 8 流进模具部 分 4 中进而焊接缆梢 5 和 6 除了火石点火器之外 非传统的点火方式也是可行的 如 Amos etal 发明的 专利号为 4885452 电子打火系统 本发明的其他部分包括对冷却至周围温度的熔渣和焊件表面使用化学药品 通过反应产物 极大的减少了硫化氢气体的释放 萜烯系列是活跃的化学药品 首选的萜是橙色萜烯例如 香芹烯 橙色萜烯是橘业的双重产物 并且都来自于橘子 柚子和其他橘类水果的皮 橙 色萜烯被使用是通过溶解在适合的溶剂如水或者是酒精中 然后把这种液体喷射在熔渣和 焊件的表面 硫化氢的产生是通过存在于熔渣和焊件金属的表面的金属硫化物 如 CaS 和 Al2S3 和存在于空气中的液态水或者水分的反应得来 通过阻止硫化氢的形成或者是与之 发生反应 橙色萜烯明显减少硫化氢的生成 例 1 I 根据之前的说明 铝热反应发生在如下所述的石墨坩埚和模具 在石墨坩埚和模具中 使 用如下的铝热剂混合物 在电缆交叉点焊接 2 0 铜缆 同心置放 7 股 0 419 的直径 并且提供铸模 成分重量百分比 CaSO422 0 Li2SO410 0 Al62 0 CaF26 0 CaSO4 的粒径分布 类型 B 44m 99 20m 98 10m 95 5m 79 2m 60 1m 40 平均尺寸 m 1 4 硫酸锂 LiSO4 20 网孔 英尺 17 80 20 40 网孔 英尺 52 70 40 70 网孔 英尺 19 70 70 100 网孔 英尺 4 60 100 网孔 英尺 5 20 铝粉末 Al 氟化钙 CaF2 20 网孔 英尺 100 50 网孔 英尺最大 2 20 40 网孔 英尺最大 5 50 140 网孔 英尺最大 10 40 50 网孔 英尺 1 10 100 140 网孔 英尺 5 20 50 80 网孔 英尺 15 30 140 200 网孔 英尺 10 25 80 140 网孔 英尺 35 50 200 325 网孔 英尺 20 40 140 325 网孔 英尺 25 45 325 网孔 英尺剩余 325 网孔 英尺最大 5 由该反应制成的 3 个焊件至少有 5 个能被肉眼看到的小空隙 缆梢 包括中心股 被融化 进填充金属 两中熔接的熔融填充的金属的产量都是 39 5 种铝热反应剂 在相同的石墨坩埚和模具中使用第一部分的方法制作 用来自于 Kovarik 的 发明 专利号为 5171378 例 7 第一部分中的配方制作 如下 成分重量百分比 CaSO4 A 类 17 3 CaSO4 B 类 17 3 Al51 7 Si4 3 CaF25 2 NaCl4 2 成分粒径如下 硫酸钙 CaSO4 A 类B 类 44m 100 99 20m 100 98 10m 95 95 5m 63 79 2m 23 60 1m 9 40 平均尺寸 m 3 75 4 41 4 铝粉末 Al 硅 Si 1 铁 Fe 20 网孔 英尺 100 30 网孔 英尺最大 1 20 40 网孔 英尺最大 5 30 40 网孔 英尺最大 1 40 50 网孔 英尺 1 10 40 50 网孔 英尺 1 10 50 80 网孔 英尺 15 30 50 100 网孔 英尺 45 75 80 140 网孔 英尺 35 50 100 200 网孔 英尺 20 45 140 325 网孔 英尺 25 45 200 网孔 英尺最大 5 325 网孔 英尺最大 5 氟化钙 CaF2 氯化钠 NaCl 50 网孔 英尺最大 2 35 网孔 英尺剩余 50 100 网孔 英尺最大 10 35 50 网孔 英尺 67 100 140 网孔 英尺 5 20 50 80 网孔 英尺 16 140 200 网孔 英尺 10 25 80 100 网孔 英尺 1 200 325 网孔 英尺 20 40 100 140 网孔 英尺 2 325 网孔 英尺最大 5 140 网孔 英尺极微的量 就像第一部分做的一样 这些反应被用于试着融化 2 0 铝缆的末端 最先的 3 个反应不能 生成足够的满足熔接铝缆末端的熔接金属 第四和第五个反应能形成足够的填充金属 30 31 满足熔接铝缆末端 例 2 根据之前的说明 铝热反应发生在如下所述的石墨坩埚和模具 在石墨坩埚和模具中 使 用如下的铝热剂混合物 在电缆交叉点焊接缆梢并且提供铸模 成分重量百分比 MgSO436 0 Al592 0 KF5 0 在混合物中使用的铝粉末的粒径和之前在例 1 中使用的一样 其他的成分的粒径如下 硫酸镁 MgSO4 氟化钾 KF 50 网孔 英尺 23 7 50 100 网孔 英尺 76 3 44m 100 100 网孔 英尺极少 该反应被用于焊接 2 0 铝缆的末端 缆梢和填充金属熔接在一起 并且没有肉眼可见的空 隙 例 3 根据之前的说明 铝热反应发生在如下所述的石墨坩埚和模具 在石墨坩埚和模具中 使 用如下的铝热剂混合物在 250kcmil 铝缆部分改变焊件 成分重量百分比 CaSO4 A 类 15 0 CaSO4 B 类 15 0 Al54 0 NaF4 0 除了氟化钠 反应物的粒径和例 1 第二部分的粒径是相同的 如下所示 氟化钠 NaF 100 网孔 英尺 0 1 100 150 网孔 英尺 3 2 150 200 网孔 英尺 33 8 200 325 网孔 英尺 44 1 325 网孔 英尺 18 8 利用合金元素如加入反应混合物中的硅 可以成功地被使用本发明的工序 在许多应用中 硅和混合物的结合是可取的 我们已经发现硅能提供在一定范围内变化的能使熔融金属凝 固的温度 进而允许熔融焊接金属填充固化接口 这样能在固化期间阻止热裂纹并且让气 体释放 因而减少在焊件上的缝隙 硅也有加固焊件的作用 硅元素或者是铝硅合金能生 成硅 加入硅的好处在 Kovarik 的发明 专利号为 5171378 中有详细描述 硫粉末的粒径最好是少于 3 更小尺寸的粉末易于形成凝聚的反应混合物 形成球状m 物改变混合物的流动性 粉末状混合物的流动性对熔接工序的稳定性有十分重要的作用 该反应和熔接工序的稳定性在 Kovarik 的发明 专利号为 5171378 中有更详细描述 例 4 在直接接口处 十个焊件的 2 个 铝母线是按如下配方制作的 4 4 1 配方 成分重量百分比 CaSO4 A 类 12 0 CaSO4 B 类 12 0 Na2SO45 0 Al55 8 Si5 0 NaF5 2 LiF4 8 SiO20 2 硫酸钙 A 类和 B 类 铝 硅和氟化钠的粒径如上例 1 和 3 所述 其他的成分粒径如下 硫酸钠 Na2SO4 氟化锂 LiF 50 网孔 英尺 3 1 325 网孔 英尺最少 95 50 80 网孔 英尺 39 7 氧化硅 SiO2 80 100 网孔 英尺 39 7 100 150 网孔 英尺 T 150 200 网孔 英尺 1 2 200 325 网孔 英尺 8 2 平均块状尺寸 5 7m 325 网孔 英尺 8 1 20 个焊件被制作是使用 Kovarik 的发明 专利号为 5171378 在直接接口处焊接 2 个 铝母线 用如下配方 4 4 1 配方 成分重量百分比 CaSO4 A 类 17 3 CaSO4 B 类 17 3 Al51 7 Si4 3 CaF25 2 NaCl4 2 除了氯化钠 成分的粒径和上述例 3 的尺寸相同 氯化钠粒径如下 氯化钠 NaCl 35 网孔 英尺剩余的 35 50 网孔 英尺 67 50 80 网孔 英尺 16 80 100 网孔 英尺 1 100 140 网孔 英尺 2 140 网孔 英尺极少 依据配方 得到的十个接口的平均拉伸载荷值是 17080 磅 并且样品标准误差是 1830 磅 依据配方 得到的十个接口的平均拉伸载荷值是 15040 磅 并且样品标准误差是 880 磅 Kovarik 配方 配方 的一个主要缺点是熔融金属和熔渣的气味 强烈的硫化氢气味 或 者 臭鸡蛋 的味道 在焊件和熔渣冷却至周围的温度后释放出来 在熔渣和熔融金属表 面的金属硫化物与空气中的水分反应得到硫化氢 这种气体能在焊件制成后存在几个星期 这是制约了客户接受它的一个严重缺陷 配方 制作的焊件和熔渣则大大减少了硫化氢气 体的产生 与 Kovarik 配方 配方 相比 配方 的另一个优点是它增加了填充金属的产量 用配 方 制成的 2 个焊件有大约按原始混合粉末重量 31 的填充金属 相对的配方 得到的填 充金属则有 41 添加次生金属硫化物和氟化物焊剂促进熔融的铝和熔渣的分离 进而使 得更多的铝与填充金属并合 更高的产量也意味着制作指定的焊件仅需要很少的材料 从 节约成本来看 这是十分有利的 例 5 2 个直接口焊件是由 250kcmil 的铝缆制成 一个是按配方 例 4 制作 另一个按配方 在焊接完成十分钟后 把焊件和熔渣放进 2 夸脱的容器 再把相同的浸湿的吸水纸加入 并且每个容器 并且密封起来 密封 1 小时后 从容器顶部的小孔中抽取容器中的气体 配方 中硫化氢在空气中的含量是 18ppm 而配方 则超过 2000ppm 这比 Kovarik 配方 形成的硫化氢明显减少了 100 倍以上 例 6 按照例 4 使用配方 制作 2 个焊件 在上述例 1 的石墨坩埚和模具中 商用 2 0 铝缆在直 接口处被焊接 然后测试了焊接电缆的电阻和极限拉伸强度 结果如下 电阻 规格 12 拉伸强度 2 inIb 未截断退火缆线 13411 145 焊接电缆 1 12912 284 焊接电缆 2 13112 519 截断的焊件表明缆梢与填充金属融合在一起 在焊件的横截面上有 3 个以下可见的空隙 从这个配方的反应中得到的熔融金属矿块进行化学分析 并且发现了如下的金属成分 硅 Si 9 67 硫 S 0 035 钙 Ca 0 038 钠 Na 0 036 锂 Li 0 049 铝 Al 剩余的 例 7 使用如下配方制作 2 个焊件 成分重量百分比 CaSO4 A 类 12 7 CaSO4 B 类 12 7 Na2SO45 5 Al54 6 Si5 0 NaF7 0 KBF42 0 SiO20 5 除了氟硼酸钾 其他成分的粒径组成与例 3 和 4 第一部分 一样 氟硼酸钾的粒径分布 如下 氟硼酸钾 KBF4 50 网孔 英尺极少 50 100 网孔 英尺 73 3 100 200 网孔 英尺 1 0 200 325 网孔 英尺 9 6 325 网孔 英尺 16 1 每个焊件由 2 块 250kcmil 的铝缆在石墨坩埚中熔接在一起 2 种焊接其中的一根缆梢完全 与填充金属融合在一起 2 种焊接的熔融金属的产量都是 38 另一种焊接受上述例 5 中硫化氢生成工序的同种影响 焊件和熔渣被放入 2 夸脱的罐中 然后放入浸湿的吸水纸后密封起来 一小时后密封罐内硫化氢的浓度是 900ppm 而例 5 配 方 则超过 2000ppm 例 8 使用例 4 中 Kovarik 型配方制作 2 种反应 每种反应使用 100 克的熔融金属混合物 从一 种焊接中得到的熔渣喷射带有橙色萜烯的喷雾剂 而另一种不做处理 2 种熔渣和吸水纸 分别放置在 20 立方英寸的容器中 然后密封起来 1 小时后放置不做处理的熔渣的容器中 硫化氢的浓度大于 200ppm 而做过处理的容器中浓度只有 12ppm 例 9 使用例 4 中 Kovarik 型配方制作 2 种反应 每种反应使用 100 克的熔融金属混合物 从一 种焊接中得到的熔渣喷射带有橙色萜烯的喷雾剂 而另一种不做处理 2 种熔渣和吸水纸 分别放置在 20 立方英寸的容器中 然后密封起来 1 小时后放置不做处理的熔渣的容器中 硫化氢的浓度大于 650ppm 而做过处理的容器中浓度只有 300ppm 本发明为制作焊件提供一种能减少硫化氢气体并且增加填充金属的产量的工序和热反应混 合物 再者 焊件既改善耐腐蚀性能又保留了类似焊接片的电阻 另外 进一步减少焊件 和熔渣中硫化氢气体的方法也被完善 既通过在冷却的焊件和熔渣上喷射含有橙色