Brasatura di alluminio e leghe di alluminio

1. Brasabilità

La proprietà brasante dell'alluminio e delle leghe di alluminio è scarsa, principalmente perché il film di ossido sulla superficie è difficile da rimuovere. L'alluminio ha una grande affinità per l'ossigeno. È facile formare un film di ossido di Al₂O₂ denso, stabile e con un elevato punto di fusione sulla superficie. Allo stesso tempo, anche le leghe di alluminio contenenti magnesio formeranno un film di ossido di MgO molto stabile. Ostacoleranno seriamente la bagnatura e la distribuzione della lega di saldatura. E sono difficili da rimuovere. Durante la brasatura, il processo può essere eseguito solo con un flusso adeguato.

In secondo luogo, la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è complessa. Il punto di fusione dell'alluminio e delle leghe di alluminio non è molto diverso da quello del metallo d'apporto utilizzato. L'intervallo di temperatura di brasatura è molto ristretto. Un controllo della temperatura non adeguato può facilmente causare il surriscaldamento o addirittura la fusione del metallo base, rendendo difficoltoso il processo di brasatura. Alcune leghe di alluminio rinforzate mediante trattamento termico possono inoltre causare fenomeni di rammollimento, come invecchiamento eccessivo o ricottura, dovuti al riscaldamento della brasatura, che riducono le proprietà dei giunti brasati. Durante la brasatura a fiamma, è difficile valutare la temperatura perché il colore della lega di alluminio non cambia durante il riscaldamento, il che aumenta anche i requisiti per il livello di operatività dell'operatore.

Inoltre, la resistenza alla corrosione dei giunti brasati in alluminio e leghe di alluminio è facilmente influenzata dai metalli d'apporto e dai flussi. Il potenziale dell'elettrodo dell'alluminio e delle leghe di alluminio è notevolmente diverso da quello della lega per saldatura, il che riduce la resistenza alla corrosione del giunto, soprattutto per i giunti di brasatura dolce. Inoltre, la maggior parte dei flussi utilizzati nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio presenta una forte corrosività. Anche se vengono puliti dopo la brasatura, l'influenza dei flussi sulla resistenza alla corrosione dei giunti non sarà completamente eliminata.

2. Materiale di brasatura

(1) La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è un metodo raramente utilizzato, poiché la composizione e il potenziale elettrodico del metallo d'apporto e del metallo base sono molto diversi, il che può facilmente causare corrosione elettrochimica del giunto. La brasatura dolce adotta principalmente saldature a base di zinco e saldature a base di stagno e piombo, che possono essere suddivise in saldature a bassa temperatura (150 ~ 260 ℃), saldature a media temperatura (260 ~ 370 ℃) e saldature ad alta temperatura (370 ~ 430 ℃) a seconda dell'intervallo di temperatura. Quando si utilizza la saldatura a base di stagno e piombo e si pre-rivestisce la superficie di alluminio per la brasatura con rame o nichel, è possibile prevenire la corrosione all'interfaccia del giunto, migliorando così la resistenza alla corrosione del giunto.

La brasatura di alluminio e leghe di alluminio è ampiamente utilizzata, ad esempio per guide di filtri, evaporatori, radiatori e altri componenti. Per la brasatura di alluminio e leghe di alluminio possono essere utilizzati solo metalli d'apporto a base di alluminio, tra cui i metalli d'apporto alluminio-silicio sono i più utilizzati. L'ambito di applicazione specifico e la resistenza al taglio dei giunti brasati sono riportati rispettivamente nella Tabella 8 e nella Tabella 9. Tuttavia, il punto di fusione di questa lega saldante è prossimo a quello del metallo base, pertanto la temperatura di riscaldamento deve essere controllata rigorosamente e accuratamente durante la brasatura per evitare il surriscaldamento o addirittura la fusione del metallo base.

Tabella 8 Campo di applicazione dei metalli d'apporto per brasatura di alluminio e leghe di alluminio

Tabella 9 resistenza al taglio di giunti in alluminio e lega di alluminio brasati con metalli di riempimento in alluminio e silicio

La lega di saldatura alluminio-silicio viene solitamente fornita sotto forma di polvere, pasta, filo o foglio. In alcuni casi, vengono utilizzate piastre composite di saldatura con alluminio come nucleo e lega di saldatura alluminio-silicio come rivestimento. Questo tipo di piastra composita di saldatura viene realizzata con metodo idraulico e viene spesso utilizzata come componente per la brasatura di componenti. Durante la brasatura, il metallo d'apporto sulla piastra composita fonde e scorre sotto l'azione della capillarità e della gravità per riempire lo spazio tra i giunti.

(2) Flusso e gas di protezione per la brasatura di alluminio e leghe di alluminio. Spesso si utilizza un flusso speciale per rimuovere la pellicola. Il flusso organico a base di trietanolammina, come fs204, viene utilizzato con la lega per brasatura dolce a bassa temperatura. Il vantaggio di questo flusso è che ha un effetto corrosivo minimo sul metallo base, ma produce una grande quantità di gas, che influisce sulla bagnatura e sulla sigillatura della lega. Il flusso reattivo a base di cloruro di zinco, come fs203 e fs220a, viene utilizzato con la lega per brasatura dolce a media e alta temperatura. Il flusso reattivo è altamente corrosivo e i suoi residui devono essere rimossi dopo la brasatura.

Attualmente, la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è ancora dominata dalla rimozione del film di flusso. I flussi di flusso per brasatura utilizzati includono flussi a base di cloruro e flussi a base di fluoro. Il flusso a base di cloruro ha una forte capacità di rimuovere il film di ossido e una buona fluidità, ma ha un forte effetto corrosivo sul metallo base. I suoi residui devono essere completamente rimossi dopo la brasatura. Il flusso a base di fluoro è un nuovo tipo di flusso, che ha un buon effetto di rimozione del film e non corrode il metallo base. Tuttavia, ha un alto punto di fusione e una scarsa stabilità termica e può essere utilizzato solo con saldature alluminio-silicio.

Nella brasatura di alluminio e leghe di alluminio, si utilizza spesso il vuoto, l'atmosfera neutra o inerte. Nella brasatura sotto vuoto, il grado di vuoto deve generalmente raggiungere l'ordine di 10-3 Pa. Quando si utilizza azoto o argon come gas di protezione, la sua purezza deve essere molto elevata e il punto di rugiada deve essere inferiore a -40 °C.

3. Tecnologia di brasatura

La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio richiede elevati requisiti di pulizia della superficie del pezzo. Per ottenere una buona qualità, è necessario rimuovere le macchie d'olio e la pellicola di ossido dalla superficie prima della brasatura. Rimuovere le macchie d'olio dalla superficie con una soluzione acquosa di Na2CO3 a una temperatura di 60 ~ 70 °C per 5 ~ 10 minuti, quindi risciacquare con acqua pulita; la pellicola di ossido superficiale può essere rimossa mediante attacco chimico con una soluzione acquosa di NaOH a una temperatura di 20 ~ 40 °C per 2 ~ 4 minuti, quindi lavare con acqua calda; dopo aver rimosso le macchie d'olio e la pellicola di ossido dalla superficie, il pezzo deve essere trattato con una soluzione acquosa di HNO3 per la lucidatura per 2 ~ 5 minuti, quindi lavato sotto acqua corrente e infine asciugato. Il pezzo trattato con questi metodi non deve essere toccato o contaminato da altro sporco e deve essere brasato entro 6 ~ 8 ore. È preferibile brasare immediatamente, se possibile.

I metodi di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio includono principalmente la brasatura a fiamma, la brasatura con saldatore e la brasatura in forno. Questi metodi generalmente utilizzano il flusso di saldatura e hanno requisiti rigorosi in termini di temperatura di riscaldamento e tempo di mantenimento. Durante la brasatura a fiamma e la brasatura con saldatore, evitare di riscaldare il flusso direttamente dalla fonte di calore per evitare il surriscaldamento e la rottura del flusso. Poiché l'alluminio può essere sciolto in una lega per saldatura dolce ad alto contenuto di zinco, il riscaldamento deve essere interrotto una volta formato il giunto per evitare la corrosione del metallo di base. In alcuni casi, la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio non utilizza il flusso di saldatura, ma metodi a ultrasuoni o raschiatura per rimuovere la pellicola. Quando si utilizza la raschiatura per rimuovere la pellicola per la brasatura, riscaldare prima il pezzo alla temperatura di brasatura, quindi raschiare la parte brasata del pezzo con l'estremità della bacchetta di saldatura (o dell'utensile raschiatore). Durante la rottura della pellicola di ossido superficiale, l'estremità della lega di saldatura fonde e bagna il metallo di base.

I metodi di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio includono principalmente la brasatura a fiamma, la brasatura in forno, la brasatura a immersione, la brasatura sotto vuoto e la brasatura sotto protezione di gas. La brasatura a fiamma è utilizzata principalmente per piccoli pezzi e per la produzione di pezzi singoli. Per evitare il deterioramento del flusso dovuto al contatto tra le impurità presenti nell'acetilene e il flusso stesso quando si utilizza la fiamma ossiacetilenica, è opportuno utilizzare una fiamma ad aria compressa a benzina con una leggera riducibilità per prevenire l'ossidazione del metallo base. Durante la brasatura specifica, il flusso per brasatura e il metallo d'apporto possono essere posizionati in anticipo nel punto di brasatura e riscaldati contemporaneamente al pezzo; il pezzo può anche essere riscaldato prima alla temperatura di brasatura, quindi la lega di saldatura immersa nel flusso può essere inviata al punto di brasatura; dopo la fusione del flusso e del metallo d'apporto, la fiamma di riscaldamento deve essere rimossa lentamente dopo che il metallo d'apporto è stato uniformemente riempito.

Quando si brasano alluminio e leghe di alluminio in un forno ad aria, il metallo d'apporto per brasatura deve essere preimpostato e il flusso per brasatura deve essere fuso in acqua distillata per preparare una soluzione densa con una concentrazione del 50% ~ 75%, quindi applicato o spruzzato sulla superficie da brasare. È anche possibile applicare una quantità adeguata di flusso per brasatura in polvere sul metallo d'apporto e sulla superficie da brasare, quindi il pezzo saldato assemblato deve essere inserito nel forno per la brasatura a caldo. Per evitare il surriscaldamento o addirittura la fusione del metallo base, la temperatura di riscaldamento deve essere rigorosamente controllata.

Per la brasatura a immersione di alluminio e leghe di alluminio si utilizzano generalmente saldature in pasta o in lamina. Il pezzo assemblato deve essere preriscaldato prima della brasatura per avvicinare la sua temperatura a quella di brasatura, quindi immerso nel flusso di brasatura per la brasatura. Durante la brasatura, la temperatura e il tempo di brasatura devono essere rigorosamente controllati. Se la temperatura è troppo elevata, il metallo base si scioglie facilmente e la lega di saldatura si perde facilmente; se la temperatura è troppo bassa, la lega di saldatura non si fonde a sufficienza e la velocità di brasatura diminuisce. La temperatura di brasatura deve essere determinata in base al tipo e alle dimensioni del metallo base, alla composizione e al punto di fusione del metallo d'apporto, ed è generalmente compresa tra la temperatura di liquidus del metallo d'apporto e la temperatura di solidus del metallo base. Il tempo di immersione del pezzo nel bagno di flusso deve garantire che la lega di saldatura possa fondersi e scorrere completamente, e il tempo di supporto non deve essere troppo lungo. In caso contrario, l'elemento di silicio nella lega di saldatura potrebbe diffondersi nel metallo base, rendendolo fragile in prossimità della giunzione.

Nella brasatura sotto vuoto di alluminio e leghe di alluminio, gli attivatori metallici vengono spesso utilizzati per modificare il film di ossido superficiale dell'alluminio e garantire la bagnatura e la distribuzione della lega di saldatura. Il magnesio può essere utilizzato direttamente sul pezzo sotto forma di particelle, oppure introdotto nella zona di brasatura sotto forma di vapore, oppure può essere aggiunto alla lega di alluminio e silicio come elemento di lega. Per i pezzi con struttura complessa, al fine di garantire il pieno effetto del vapore di magnesio sul metallo di base e migliorare la qualità della brasatura, vengono spesso adottate misure di schermatura locale, ovvero il pezzo viene prima posizionato in una scatola di acciaio inossidabile (comunemente nota come scatola di processo) e poi inserito in un forno a vuoto per la brasatura a caldo. I giunti in alluminio e leghe di alluminio brasati sotto vuoto presentano una superficie liscia e giunti brasati densi e non necessitano di pulizia dopo la brasatura; tuttavia, l'attrezzatura per la brasatura sotto vuoto è costosa e il vapore di magnesio inquina gravemente il forno, che deve quindi essere pulito e sottoposto a manutenzione frequentemente.

Durante la brasatura di alluminio e leghe di alluminio in atmosfera neutra o inerte, è possibile utilizzare un attivatore o un flusso di magnesio per rimuovere la pellicola. Quando si utilizza un attivatore di magnesio per rimuovere la pellicola, la quantità di magnesio richiesta è molto inferiore rispetto a quella della brasatura sotto vuoto. Generalmente, il peso specifico (mg) è compreso tra lo 0,2% e lo 0,5%. Un contenuto di magnesio elevato riduce la qualità del giunto. Il metodo di brasatura NOCOLOK con flusso di fluoro e protezione con azoto è un nuovo metodo sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Poiché il residuo di flusso di fluoro non assorbe umidità e non è corrosivo per l'alluminio, è possibile omettere la rimozione dei residui di flusso dopo la brasatura. Sotto la protezione dell'azoto, è necessario ricoprire solo una piccola quantità di flusso di fluoro, il metallo d'apporto può bagnare bene il metallo base ed è facile ottenere giunti brasati di alta qualità. Attualmente, questo metodo di brasatura NOCOLOK è stato utilizzato nella produzione in serie di radiatori in alluminio e altri componenti.

Per l'alluminio e le leghe di alluminio brasate con un flusso diverso dal flusso al fluoro, i residui di flusso devono essere completamente rimossi dopo la brasatura. I residui di flusso organico per brasatura dell'alluminio possono essere lavati con soluzioni organiche come metanolo e tricloroetilene, neutralizzati con una soluzione acquosa di idrossido di sodio e infine puliti con acqua calda e fredda. Il cloruro è il residuo di flusso per brasatura dell'alluminio, che può essere rimosso secondo i seguenti metodi: innanzitutto, immergere in acqua calda a 60 ~ 80 °C per 10 minuti, pulire accuratamente i residui sul giunto brasato con una spazzola e pulire con acqua fredda; quindi immergere in una soluzione acquosa di acido nitrico al 15% per 30 minuti e infine risciacquare con acqua fredda.