热轧钎焊铝板带材复合工艺要点与原理.doc

热轧钎焊铝板带材复合工艺要点及原理徐 涛（东北轻合金有限责任公司 哈尔滨 150060）摘要：系统的介绍了热轧钎焊铝板带材的复合工艺流程及控制要点，对钎焊铝材热轧复合基本原理进行了探讨。关键词：钎焊铝材；热轧；复合轧制；复合机理中图分类号：TXXX 文献标识码：B 文章编号：1xxxxxxxThe main points and principle of the brazing with aluminum strip hot riling conposite proessXu Tao(Northeast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)Abstract: Systematic introduction to thecomposite processand the control pointsofthehot-rolledbrazing sheetstrip,hot-rolledcompositebasic principles ofbrazingaluminum.Key words: brazing aluminum；hot-rolledbrazing；composite brazing； basic principles ofbrazingaluminum.1 引言铝合金复合板带材由于具有强度高、重量轻、耐腐蚀、导热性、可靠性高、成本低、易回收和钎焊性能优良的诸多特性，近年来广泛应用航空、汽车、家用电器、空气化工和柴油机械制造等领域，尤其是汽车散热器件，如水箱、冷凝器、蒸发器和风机等均大量使用铝合金复合板带材，其市场发展空间极为广阔。热轧复合是铝合金复合板带材生产的关键工序，其工艺过程复杂，影响控制要素较多，直接影响复合板带材的成品品质。本文系统的介绍了热轧钎焊铝板带材的复合工艺流程及控制要点，并对钎焊铝材热轧复合机理进行了深入探讨。收稿日期：2012-02-08作者简介：徐涛（1973-），男，黑龙江鹤岗人，高级工程师2 热轧钎焊铝板带材的生产工艺过程及控制要点2.1 热轧钎焊铝材的生产工艺过程 热轧钎焊铝箔材的生产工序主要包括铸锭铣面、均匀化热处理、芯板热轧、包覆板热轧、包覆作业、加热、热复合粗轧、热复合精轧、冷轧、精整至成品。2.2 各工艺过程的控制要点2.2.1 铸锭表面预处理为确保热轧复合的质量，需先对基体合金和包覆层合金铸锭进行铣面，并确保不存在深沟痕、铝屑、夹渣、表面裂纹和疏松等缺陷。其表面存在的残留油污、灰尘和金属氧化膜等污物，在轧制复合前必须采用化学和物理方法清洗，以利于轧制复合。进行的表面预处理工艺一般为：碱洗室温水冲洗中和洗室温水冲洗热水冲洗吹干。2.2.2 铸锭均匀化处理均匀化热处理的目的是缓解铸造应力，改善铸造组织，减轻或消除成分偏析，并降低变形抗力。根据所选取不同的合金牌号，基体铸锭的均匀化制度一般为590610保温1012h；包覆层合金的均匀化制度一般为510530保温1214h1。2.2.3 坯料尺寸控制根据最终产品尺寸和复合轧制变形规律，将处理过的芯板、包覆板铸锭轧制到需要尺寸待用，注意此时板材的宽度应该稍大于成品尺寸，为确保材料包覆层的均匀性，产品单边切边量必须大于80mm以上，例如：产品宽度为1200mm,考虑到工艺大生产过程中切边对中精确度，一般正常情况，选择基体及全包板宽度为1 400mm。考虑热轧初期包覆层的变形大于基体，在选择包覆板长度时应稍小于基体长度2。2.2.4 热轧前的加热加热前板材表面仍应保持洁净，表面没有明显缺陷存在。包覆作业先用易挥发的清洁航空汽油人工擦净基体料和包覆板，擦净后的表面不再允许有油痕、乳液痕及其它污迹或异物，待汽油挥发干净后，再将包覆板对称放置于基体料的上下表面，要求两边及两端均放置对称，然后打紧钢带，防止包覆板错动(热轧前剪开钢带)。将包覆后的复合板坯装炉加热，根据选择的不同合金的特性和对轧制复合的影响，选择适合的加热温度，既降低变形抗力、增加待复合面金属原子的能量又不至于增加大量的氧化表面，降低能源的消耗。为了确保基体和包覆板轧制变形时各部位更趋均匀，要求铸锭出炉温差102。2.2.5 热轧复合在热轧复合的第一阶段，即自由变形阶段，应采用小压下慢速轧制的方式，并采取不同于普通单材的轧制方法，首先应在铸锭的中间施加一定的静压后再分别往两端轧制，其目的在于确保包覆层的厚比和均匀分布，并使包覆与基体间的气体全部碾出。滚边厚度及滚边量的选取对边部包覆层的厚比影响很大，一方面Al-Si合金包覆板裂边较大，需要滚边；另一方面，滚边使边部金属的流动和扩展复杂化，因为不滚边时上下表面边部包覆层金属朝轧件侧面流动和扩展，而滚边后轧制使得轧件侧面金属一部分将朝表层中间方向翻转，这两种边部金属运行状态形成了边部包覆率较中间波动大，且波动程度及宽度直接受滚边厚度和滚边量影响。复合轧制属于二种不同变形抗力的金属组元三层迭合轧制，它不同于普通材料轧制，具有独特的轧制特性和变形规律。在热轧复合过程，随变形程度的增加，基体材料变形速度(基)和包覆材的变形速度(包)也将发生变化。图1-3所示为钎焊板压下率与合金基/包的变化情况3。 图1 钎焊板热轧过程基基/包随压下率的变化3 钎焊铝材热轧复合基本原理 3.1 热轧工序复合界面的结合过程合金复合轧制时由于各工艺参数的变化引起比较复杂的界面反应，使复合界面的微观形貌和组成发生改变，并对结合强度产生不同程度的影响。芯材与包覆材复合前，在一般大气中，经机械或化学清理后的表面将很快被氧化膜、吸附膜所覆盖，只有从接触表面上清除掉这些覆盖层才能形成实际的物理接触4,5。经研究发现，合金热轧复合初期，基材和包覆材表面的覆盖层和氧化膜在高轧制压力作用下破裂6,7。当轧制加工率达19.5%时，表面裂口达到一定宽度，界面两侧的新鲜金属在轧制压力作用下通过裂纹挤出并相互接触，开始形成结合界面。此时，由于轧制时间较短，芯材和覆材刚开始结合，虽然热轧温度高(490)，处于卡轧柯夫所提出的金属结合的扩散温度范围内8，但芯材的主要元素Mn和覆材的主要元素Si都未向对方扩散。根据柯肯达尔效应理论9，扩散深度值与扩散时间的平方根成正比。因此热轧初期的扩散现象极其微弱，合金的结合强度极低。如此低的结合力，不足以产生表面原子间的牢固连接。要达到金属界面的冶金结合，必须使处在金属界面接触处的原子或离子具有最低能量级，当原子或离子达到这个能量级时，原子键的方向性就会减弱，在两个表面的原子间就会形成金属链，相互接触的两金属表面就开始形成焊合10。 随着轧制过程的深入，变形程度的不断增加，两种合金相互挤入量增加，并形成更多的结合点。轧制时间的进一步延长，且热轧时温度高，界面两侧元素的扩散不断加剧，并具有一定扩散深度，使点结合转变为面结合。热粗轧结束，复合板界面的缝隙根本看不见，界面只能靠两边组织不同来分辨，由于轧制温度高，轧制时间长，界面Si、Mn元素的相互扩散程度增加，界面冶金结合情况就越好，从而使界面的结合强度进一步提高。热粗轧后，剪切试样界面断口上金属塑性变形带比较明显，没有发现两种不同合金机械结合痕迹。说明结合面上冶金结合占主要地位，芯材和包覆材形成了牢固的金属焊合。3.2 双金属热轧复合机理探析双金属复合机理极为复杂，尽管长期以来人们为此做了大量的研究探索工作，但迄今为止，许多机理仍未被人们所揭示和了解。虽然如此，现在有些理论还是从某些方面解释了双金属的复合机理。金属键理论。该理论是N.S.Buton在1954年提出的。其主要内容是，双金属间的结合是两组元金属中的原子在组元金属接近过程中产生的相互吸引作用的结果。这一理论是从化学角度来解释双金属复合机理的。薄膜理论。该理论认为，双金属材料的复合性能并不取决于材料本身的性能，而是由金属材料的表面状态决定的。只要除净双金属表面上的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形下，使新鲜金属以裂缝方式裸露出来，双金属接近到原子间力的作用范围内，就可以形成双金属的结合。此机理要求轧制加工率达到一临界值，使裸露金属达到足以使界面结合的最小面积，否则无法复合。能量理论。该理论是A.西苗诺夫在1958年提出的。该理论认为，引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所具有的能量。再结晶理论。该理论是L.N.帕克斯在1953年提出的。其根据是金属在变形量很大时，再结晶温度会显著下降的事实。该理论认为，双金属在高温加压条件下形成结合的主要过程是接触区的再结晶过程。即是说，金属的变形和变形引起冷作硬化，在高温的作用下，会使双金属接触面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两组元金属的共同晶粒，这就使相互接触的两组元金属结合成一体。再结晶理论实际上所论证的问题是接触表面已经产生结合以后的组织变化过程，而不是双金属本身的结合过程。用这一理论没法解释冷轧条件下，双金属的复合过程。扩散理论。该理论是卡扎可夫在70年代提出的。该理论认为，双金属在被加热到0.60.8倍的熔化温度条件下，其相互接触区中存在着一层很薄的互扩散区。正是这一薄层扩散区实现了双金属的牢固结合。扩散作用就是使两金属原子相互作用的机会增加，进而加强双金属间的结合。位错理论。该理论认为，当两种相互接触的金属产生协调一致的塑性变形。位错迁移到金属的接触表面，并使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一个子间距的小台阶。这一方面可以看成是塑性变形阻力的减小；另一方面可以认为是增加了双金属接触表面的不平度，使接触表面产生比内部金属大得多的塑性变形。这等于说，双金属的结合过程就是其接触区金属的塑性流动的结果。这一理论无法解释在没产生塑性变形的条件下，所进行的双金属复合过程。如采用铸法进行的双金属复合过程1113。双金属复合过程的三阶段理论。该理论认为，任何在高温加压条件下进行双金属复合过程都包含如下三个阶段：第一阶段是双金属间物理接触的形成阶段，也就是双金属中的原子依靠塑性变形，在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离或足以产生弱化学作用的距离。第二阶段是化学相互作用阶段。双金属接触表面激活并形成化学键，实现双属间的结合。第三阶段是扩散阶段。双金属在完成物理接触实现初步结合后，各组元金属的原子通过结合面相互扩散，以增进结合强度。此阶段要根据扩散区及新相的性质控制扩散过程。N.Bay机理14：上述理论各具优缺点，也由于实验手段的限制，它们并不能准确、完整地揭示固相结合过程的本质。进入80年代，丹麦学者N.Bay运用电镜技术对固相结合表面进行剥离观察，发现面上存在大量氧化膜碎片。此后在众多实验研究的基础上，针对表面氧化膜被去除后，金属一旦与空气接触，仍会不同程度地被氧化这一客观事实，提出了自己的机理。他认为固相结合主要由以下4部分组成：1)在一定压力下，覆膜破裂；2)表面扩展导致纯净基材显露；3)法向压力将基材挤压入覆膜裂缝中；4)两种金属的活性面在间隙中汇合并形成真实结合。固相结合的本质在于压力使接触面接近至原子间距离，由原子吸附而产生大量结合点。实验也证明了结合强度基本由结合过程决定。扩散等理论只涉及结合后的变化，未触及本质，且扩散对结合强度无大影响。从一系列的研究中15,16不难看出，结合强度的获得与结合表面状况、结合表面扩展率及焊后热处理等方面有着密切联系。4 结束语铝合金复合板带材在新的加工方法、复合机理和使用性能等方面还需要进行系统的研究，其热轧复合原理仍需进一步完善。我们有理由相信，随着计算机模拟仿真技术等新技术的大量应用，在铝合金复合板带材的材料设计、加工工艺参数优化、复合界面微观组织结构和材料的各项异性等方面的研究必将取得更大的进展，实现铝合金复合板带材的品质提升和应用领域的拓展。也必将进一步促进我国汽车运输、空气化工和航空航天等领域的快速发展，发挥更大的经济和社会效益。参考文献：1刘海江, 刘翠萍. 铝合金复合板热轧生产及复合和钎焊机理浅析J. 轻合金加工技术, 2004, 32(3): 2324, 28.2尹晓辉, 陈新民. 铝合金钎焊板(箔)热轧复合工艺研究J. 铝加工, 2005, 3:2226, 29.3黄光杰, 汪凌云. 铝合金复合板轧制复合规律的研究J. 金属成形工艺, 1998, 16(1): 4143.4Mohaned H A. New Low-melting-point Aluminum Brazej. Weld. res. Supplement, 1975, (9): 302.5Cave J A, Williams J D. The mechanism of cold pressure welding by rollingJ. Journal of the Institute of Metals , 1973 , 101 : 203 207.6Dundkerton S B. Welding and Metal Fabrication by Migtation of Liquid in AluminumJ. Welding and Metal Fabrication,1991,(4):132136.7Bay N K. Cold weldingJ. M