Brasatura di alluminio e leghe di alluminio

1. Brasabilità

La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è di scarsa qualità, principalmente a causa della difficile rimozione del film di ossido superficiale. L'alluminio ha una forte affinità per l'ossigeno, il che facilita la formazione di un film di ossido Al2O3 denso, stabile e con un elevato punto di fusione sulla superficie. Allo stesso tempo, le leghe di alluminio contenenti magnesio formano anch'esse un film di ossido MgO molto stabile, che ostacola seriamente la bagnatura e la diffusione della lega saldante, risultando inoltre difficile 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 un'operazione complessa. Il punto di fusione dell'alluminio e delle leghe di alluminio non differisce molto da quello del metallo d'apporto utilizzato per la brasatura. L'intervallo di temperatura ottimale per la brasatura è molto ristretto. Anche un controllo errato della temperatura può facilmente causare surriscaldamento o addirittura la fusione del metallo base, rendendo difficile il processo di brasatura. Alcune leghe di alluminio rinforzate mediante trattamento termico possono inoltre subire fenomeni di rammollimento, come invecchiamento eccessivo o ricottura, a causa del riscaldamento durante la brasatura, riducendo le proprietà dei giunti brasati. Durante la brasatura a fiamma, è difficile valutare la temperatura poiché il colore della lega di alluminio non cambia durante il riscaldamento, il che aumenta ulteriormente le esigenze in termini di competenza dell'operatore.

Inoltre, la resistenza alla corrosione delle giunzioni brasate di alluminio e leghe di alluminio è facilmente influenzata dai materiali d'apporto e dai flussi. Il potenziale di elettrodo dell'alluminio e delle leghe di alluminio è piuttosto diverso da quello della saldatura, il che riduce la resistenza alla corrosione della giunzione, soprattutto nel caso di saldature dolci. In aggiunta, la maggior parte dei flussi utilizzati nella brasatura di alluminio e leghe di alluminio presenta una forte corrosività. Anche se vengono puliti dopo la brasatura, l'influenza dei flussi sulla resistenza alla corrosione delle giunzioni non viene completamente eliminata.

2. Materiale per brasatura

(1) La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è un metodo raramente utilizzato, poiché la composizione e il potenziale di elettrodo del metallo d'apporto per brasatura e del metallo base sono molto diversi, il che può facilmente causare corrosione elettrochimica del giunto. La saldatura dolce utilizza principalmente saldature a base di zinco e saldature stagno-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 ℃) in base all'intervallo di temperatura. Quando si utilizza una saldatura stagno-piombo e si pre-deposita rame o nichel sulla superficie dell'alluminio per la brasatura, si può prevenire la corrosione all'interfaccia del giunto, migliorando così la resistenza alla corrosione del giunto.

La brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è ampiamente utilizzata, ad esempio, per la realizzazione di guide per filtri, evaporatori, radiatori e altri componenti. Per la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio è possibile utilizzare solo materiali d'apporto a base di alluminio, tra cui i più diffusi sono le leghe di alluminio e silicio. L'ambito di applicazione specifico e la resistenza al taglio dei giunti brasati sono riportati rispettivamente nella Tabella 8 e nella Tabella 9. Tuttavia, poiché il punto di fusione di questa lega è vicino a quello del metallo base, è fondamentale controllare rigorosamente e con precisione la temperatura di riscaldamento durante la brasatura per evitare il surriscaldamento o addirittura la fusione del metallo base.

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

Tabella 9 Resistenza al taglio di giunti in alluminio e leghe di alluminio brasati con materiali d'apporto in alluminio e silicio

La lega per saldatura alluminio-silicio viene solitamente fornita sotto forma di polvere, pasta, filo o foglio. In alcuni casi, si utilizzano piastre composite per saldatura con un nucleo in alluminio e un rivestimento in lega alluminio-silicio. Questo tipo di piastra composita viene realizzata con metodo idraulico ed è spesso utilizzata come componente per la brasatura. Durante la brasatura, il metallo d'apporto presente sulla piastra composita si fonde e fluisce per capillarità e gravità, riempiendo lo spazio tra i componenti.

(2) Flusso e gas di protezione per la brasatura di alluminio e leghe di alluminio: spesso si utilizza un flusso speciale per rimuovere il film. Il flusso organico a base di trietanolammina, come l'FS204, viene utilizzato con la saldatura 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 bagnabilità e sulla sigillatura della saldatura. Il flusso reattivo a base di cloruro di zinco, come l'FS203 e l'FS220A, viene utilizzato con la saldatura 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 flussante. I flussanti utilizzati includono flussanti a base di cloruro e flussanti a base di fluoruro. Il flussante 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 flussante a base di fluoruro è un nuovo tipo di flussante, che ha un buon effetto di rimozione del film e non corrode il metallo base. Tuttavia, ha un punto di fusione elevato e una scarsa stabilità termica e può essere utilizzato solo con saldature alluminio-silicio.

Nella brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio, si utilizza spesso il vuoto, un'atmosfera neutra o inerte. Quando si utilizza la 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 un'accurata pulizia della superficie del pezzo. Per ottenere un risultato di qualità, è necessario rimuovere le macchie d'olio e la pellicola di ossido dalla superficie prima della brasatura. Le macchie d'olio possono essere rimosse con una soluzione acquosa di Na2CO3 a una temperatura di 60-70 °C per 5-10 minuti, quindi risciacquate con acqua pulita. La pellicola di ossido superficiale può essere rimossa mediante mordenzatura con una soluzione acquosa di NaOH a una temperatura di 20-40 °C per 2-4 minuti, quindi lavata con acqua calda. Dopo aver rimosso le macchie d'olio e la pellicola di ossido, il pezzo deve essere trattato con una soluzione acquosa di HNO3 per lucidarlo per 2-5 minuti, quindi lavato con acqua corrente e infine asciugato. Il pezzo trattato con questi metodi non deve essere toccato o contaminato con altra sporcizia e deve essere brasato entro 6-8 ore. Se possibile, è preferibile brasare immediatamente.

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 un flussante e hanno requisiti rigorosi in termini di temperatura di riscaldamento e tempo di mantenimento. Durante la brasatura a fiamma e la brasatura con saldatore, è importante evitare di riscaldare il flussante direttamente con la fonte di calore per prevenire il surriscaldamento e il conseguente deterioramento. Poiché l'alluminio può dissolversi nelle leghe di stagno ad alto contenuto di zinco, il riscaldamento deve essere interrotto una volta formato il giunto per evitare la corrosione del metallo base. In alcuni casi, la brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio non utilizza il flussante, ma metodi a ultrasuoni o di raschiatura per rimuovere il film di ossido. Quando si utilizza la raschiatura per rimuovere il film di ossido, si riscalda prima il pezzo alla temperatura di brasatura e poi si raschia la parte da brasare con l'estremità della bacchetta di stagno (o di un utensile di raschiatura). Rompendo il film di ossido superficiale, l'estremità della bacchetta di stagno si fonde e bagna il metallo base.

I metodi di brasatura dell'alluminio e delle leghe di alluminio includono principalmente la brasatura a fiamma, la brasatura in forno, la brasatura per immersione, la brasatura sotto vuoto e la brasatura a gas protetto. La brasatura a fiamma è utilizzata principalmente per piccoli pezzi e per la produzione di singoli pezzi. Per evitare il deterioramento del flusso dovuto al contatto tra le impurità presenti nell'acetilene e il flusso stesso quando si utilizza una 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 di brasatura e il materiale d'apporto possono essere posizionati in anticipo sul punto di brasatura e riscaldati contemporaneamente al pezzo; in alternativa, il pezzo può essere riscaldato prima alla temperatura di brasatura e successivamente il pezzo immerso nel flusso può essere inviato al punto di brasatura; dopo che il flusso e il materiale d'apporto si sono fusi, la fiamma di riscaldamento deve essere rimossa lentamente dopo che il materiale d'apporto si è distribuito uniformemente.

Quando si brasa alluminio e leghe di alluminio in un forno ad aria, il materiale d'apporto per la brasatura deve essere pre-preparato e il flussante per brasatura deve essere fuso in acqua distillata per preparare una soluzione densa con una concentrazione del 50% ~ 75%, che viene poi applicata o spruzzata sulla superficie da brasare. Una quantità adeguata di flussante in polvere può anche essere applicata sul materiale d'apporto e sulla superficie da brasare, dopodiché il pezzo saldato assemblato viene posto nel forno per il riscaldamento e la brasatura. 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 utilizza generalmente una pasta o una lamina di saldatura. Il pezzo da lavorare deve essere preriscaldato prima della brasatura per raggiungere una temperatura prossima a quella di brasatura, e successivamente immerso nel flusso di 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 dissolve facilmente e la saldatura si disperde; se la temperatura è troppo bassa, la 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, e generalmente si situa 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 saldatura si fonda e fluisca completamente, e il tempo di immersione non deve essere eccessivo. In caso contrario, il silicio presente nella saldatura potrebbe diffondersi nel metallo base, rendendolo fragile in prossimità della giunzione.

Nella brasatura sottovuoto di alluminio e leghe di alluminio, si utilizzano spesso attivatori di processo per modificare il film di ossido superficiale dell'alluminio e garantire la bagnabilità e la diffusione della lega saldante. Il magnesio può essere utilizzato direttamente sul pezzo sotto forma di particelle, introdotto nella zona di brasatura sotto forma di vapore, oppure aggiunto alla lega di alluminio-silicio come elemento di lega. Per i pezzi con struttura complessa, al fine di garantire il pieno effetto del vapore di magnesio sul metallo base e migliorare la qualità della brasatura, si adottano spesso misure di schermatura locale, ovvero il pezzo viene prima posizionato in una scatola di acciaio inossidabile (comunemente nota come camera di processo) e poi inserito in un forno sottovuoto per la brasatura a caldo. Le giunzioni di alluminio e leghe di alluminio brasate sottovuoto presentano una superficie liscia e giunzioni brasate dense e non necessitano di pulizia dopo la brasatura; tuttavia, l'attrezzatura per la brasatura sottovuoto è costosa e il vapore di magnesio contamina seriamente il forno, quindi è necessario pulirlo e mantenerlo frequentemente.

Nella brasatura di alluminio e leghe di alluminio in atmosfera neutra o inerte, è possibile utilizzare un attivatore o un flussante al magnesio per rimuovere il film. Quando si utilizza un attivatore al magnesio per rimuovere il film, la quantità di magnesio necessaria è molto inferiore rispetto a quella della brasatura sottovuoto. Generalmente, w (mg) è di circa 0,2% ~ 0,5%. Un contenuto elevato di magnesio riduce la qualità del giunto. Il metodo di brasatura NOCOLOK, che utilizza un flussante al fluoruro e protezione di azoto, è un nuovo metodo sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Poiché il residuo del flussante al fluoruro non assorbe umidità e non è corrosivo per l'alluminio, il processo di rimozione del residuo di flussante dopo la brasatura può essere omesso. In atmosfera di azoto, è sufficiente applicare una piccola quantità di flussante al fluoruro, il metallo d'apporto bagna bene il metallo base ed è facile ottenere giunti brasati di alta qualità. Attualmente, questo metodo di brasatura NOCOLOK è utilizzato nella produzione in serie di radiatori in alluminio e altri componenti.

Per l'alluminio e le leghe di alluminio brasate con flussi diversi da quelli a base di fluoruro, i residui di flusso devono essere completamente rimossi dopo la brasatura. I residui di flussi di brasatura organici per l'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. I residui di flussi di brasatura a base di cloruro per l'alluminio possono essere rimossi seguendo i seguenti metodi: innanzitutto, immergere in acqua calda a 60-80 °C per 10 minuti, pulire accuratamente i residui sulla giunzione brasata con una spazzola e risciacquare con acqua fredda; quindi immergere in una soluzione acquosa di acido nitrico al 15% per 30 minuti e infine risciacquare con acqua fredda.