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鋁焊料的制造工藝

查看：1117 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:51:45

1 鋁焊料的制造工藝
目前工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)；其二是熔鑄——連鑄——拉拔，主要用于氬弧焊絲生產(chǎn)。
圖1是鑄錠——擠壓——拉拔工藝的生產(chǎn)流程圖。圖2是熔鑄——連鑄——拉拔工藝的生產(chǎn)流程圖。兩種生產(chǎn)工藝各有千秋。
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(shù)是擠壓，擠壓溫度、擠壓速度、擠壓變形指數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)；鑄錠預(yù)熱、模具預(yù)熱、模具設(shè)計(jì)也是重要環(huán)節(jié)。在鑄錠的獲取方式上，金屬模鑄錠和半連續(xù)鑄錠是主流。
2.1擠壓技術(shù)的特點(diǎn)
擠壓技術(shù)的許多優(yōu)越性中，以下兩方面對(duì)鋁焊料的生產(chǎn)是最有利的。
在擠壓過(guò)程中，被擠金屬在變形區(qū)中能獲得比軋制、鍛造更為強(qiáng)烈和均勻的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，這就可以充分發(fā)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(wú)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(jīng)熱擠壓后可以進(jìn)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(tái)設(shè)備上生產(chǎn)形狀和品種不同的制品，更換擠壓工具的操作簡(jiǎn)便易行。這一特點(diǎn)對(duì)批量小、品種規(guī)格多的的釬焊材料尤其適宜。
擠壓技術(shù)還存在許多有待改進(jìn)的問(wèn)題。例如：幾何廢料損失較大、擠壓速度遠(yuǎn)低于水平連鑄速度、生產(chǎn)效率低、市場(chǎng)響應(yīng)慢、工模具消耗量大等。
2.2擠壓技術(shù)的現(xiàn)狀及前景
擠壓技術(shù)興起于上世紀(jì)初。20世紀(jì)20年代第一臺(tái)200噸擠壓機(jī)問(wèn)世，1941年德國(guó)的施洛曼（Sehloeman）公司制造了12000噸擠壓機(jī)。目前，應(yīng)用中的最大擠壓機(jī)是美國(guó)雷諾公司的27000噸擠壓機(jī)。
擠壓技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，擠壓工藝的完善和發(fā)展從未間斷過(guò)。冷擠壓、潤(rùn)滑擠壓、等溫?cái)D壓、水冷模擠壓、連續(xù)擠壓、快速擠壓、包套擠壓、靜液擠壓、脫皮積壓、復(fù)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(shù)層出不窮。
擠壓技術(shù)的發(fā)展日新月異，超塑性擠壓、液態(tài)擠壓、半固態(tài)擠壓等新工藝的研究已取得可喜進(jìn)展。
2.3工模具的設(shè)計(jì)與制造
隨著擠壓技術(shù)的發(fā)展，工模具的設(shè)計(jì)已發(fā)展成為一門新興的學(xué)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(chǎn)品形狀、尺寸和精度的基本工具，也是保證產(chǎn)品內(nèi)外質(zhì)量、影響擠壓速度、擠壓力的最重要因素之一。合理的模具結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產(chǎn)品內(nèi)部組織和力學(xué)性能。
模具設(shè)計(jì)和制造必須滿足擠壓工藝要求，同時(shí)，擠壓模具的使用壽命是最需關(guān)注的問(wèn)題。模具材料的選取、熱處理及表面處理工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)加工及電加工、使用維護(hù)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(chǎn)，由于焊接材料生產(chǎn)批量小，生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)大，給生產(chǎn)組織帶來(lái)諸多不便；而銅磷焊料、銀基焊料、部分鋁基焊料由焊料專業(yè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，生產(chǎn)中常用100--800噸油壓機(jī)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(chǎn)中，生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、回爐料比例高是影響經(jīng)濟(jì)效益的主要原因。
2.5焊料生產(chǎn)中擠壓的應(yīng)用
擠壓加工在釬焊材料的生產(chǎn)中占有特殊地位，這是因?yàn)閿D壓技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)內(nèi)外釬料制造者廣泛采用。采用擠壓加工技術(shù)生產(chǎn)釬料比其他壓力加工方法更適宜于多品種小批量的特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們總在不斷的研究和開發(fā)各種釬料成型技術(shù)，這些技術(shù)具備良好的應(yīng)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(dǎo)地位，一是長(zhǎng)期的思維習(xí)慣——釬料生產(chǎn)一直采用擠壓成型；二是擠壓加工在技術(shù)上的可靠性、穩(wěn)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(shè)備的性能和要求
一套性能完備、可靠的連鑄設(shè)備，是進(jìn)行鋁釬料熔態(tài)抽拉成絲的關(guān)鍵。熔鑄－－連鑄的設(shè)備必須滿足生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)調(diào)整要求，同時(shí)，還應(yīng)適宜鋁焊料的小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。具體的技術(shù)要求是：
保溫包液面高度的檢測(cè)和控制由自適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。
熔煉爐容積與生產(chǎn)批量相適應(yīng)。
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(cè)溫，用可控硅調(diào)壓方式實(shí)現(xiàn)熱平衡。
爐體適應(yīng)于多個(gè)結(jié)晶器同時(shí)工作；一次和二次冷卻的冷卻強(qiáng)度均可調(diào)。
抽拉裝置選用直流電機(jī)配擺線針輪減速機(jī)做動(dòng)力，電機(jī)的調(diào)速選用PWM控制電路，用鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)多頭抽拉。鋁錳焊絲的抽拉頭數(shù)可以達(dá)到32頭。抽拉絲壞的直徑越細(xì)越有利于拉拔，但是，過(guò)細(xì)的絲徑帶來(lái)抽拉速度的降低，一半選用4～6毫米為宜。
3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的成本和可靠性
鋁焊絲連鑄過(guò)程中，抽拉速度、熔體溫控和液面高度三部分要用到自適應(yīng)控制技術(shù)，采用PLC集成控制的技術(shù)可以可靠實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制。人工開環(huán)控制的設(shè)備也在生產(chǎn)中有所應(yīng)用，但其生產(chǎn)穩(wěn)定性較差。
3.3 熱平衡
熔體的溫度控制是由加熱元件的發(fā)熱量和系統(tǒng)散熱量的平衡予以實(shí)現(xiàn)的，在添加金屬液和抽拉即將結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)被階躍的熱量沖擊，處于瞬態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)。
生產(chǎn)中，一般采用等溫添加金屬液和改變抽拉速度的技術(shù)方案來(lái)穩(wěn)定焊絲的過(guò)冷度。
3.4 生產(chǎn)效率
由于連鑄絲坯的直徑較小，同時(shí)熔體抽拉速率也有限，實(shí)際應(yīng)用中，勢(shì)必限制生產(chǎn)效率，目前較先進(jìn)的技術(shù)是增加抽拉根數(shù)，采用多頭同時(shí)抽拉的技術(shù)路線。
熔體抽拉所獲得的釬料坯料不存在“形變織構(gòu)”，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)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(xì)化晶粒技術(shù)能否提高道次加工率。
3.5 焊料化學(xué)成分控制
焊接材料是精密合金，其化學(xué)成分允許波動(dòng)的波幅小；更不利于成分控制的因素是焊料中存在易揮發(fā)、氧化的易損耗元素（例如鋅）。上述兩個(gè)因素使焊料主成分控制顯得重要和困難。
生產(chǎn)中，不可避免用到回爐的廢料，這就使得微量元素和雜質(zhì)元素的控制受到挑戰(zhàn)。
生產(chǎn)實(shí)踐中，一半是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上控制主成分和雜質(zhì)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(xiàn)象是不可避免的，質(zhì)量控制的重點(diǎn)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(qū)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(shí)溶質(zhì)產(chǎn)生上浮或下沉而引起的。與之相關(guān)因素有釬料性質(zhì)，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(zhǎng)時(shí)間靜置，將引起嚴(yán)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(nèi)進(jìn)行選分結(jié)晶的結(jié)果，使先后形成的結(jié)晶成分濃度不一樣。部分釬料的枝晶偏析很嚴(yán)重。
晶界偏析使低熔點(diǎn)物質(zhì)聚集于晶界形成的，由于晶界偏析不能通過(guò)均勻化退火予以消除，其危害可延續(xù)至釬料釬焊后的釬焊接頭的熱裂、晶界腐蝕等。
區(qū)域偏析有正偏析和反偏析之分。值得指出的是區(qū)域偏析在鑄錠——擠壓的釬料生產(chǎn)工藝中同樣存在。
生產(chǎn)實(shí)踐中，一般采用下列措施預(yù)防或減少偏析：變質(zhì)處理，攪拌熔體，降低澆溫，增大冷卻強(qiáng)度，加強(qiáng)二次水冷，后續(xù)擴(kuò)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(jī)、活套拉絲機(jī)、滑輪拉絲機(jī)、直線拉絲機(jī)、直進(jìn)拉絲機(jī)均有應(yīng)用。目前直進(jìn)式拉絲機(jī)的生產(chǎn)效率最高，產(chǎn)品質(zhì)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(shù)。其中精刮技術(shù)最為先進(jìn)，主要表現(xiàn)在焊絲表面清潔，耐大氣腐蝕性優(yōu)于濃堿清洗。
4 結(jié)論
（1）目前鋁釬料的制造多用鑄錠——擠壓——拉拔工藝。半連續(xù)鑄錠、等溫?cái)D壓配合連續(xù)拉拔工藝質(zhì)量穩(wěn)定，但設(shè)備投資大。
（2）熔鑄——連鑄——拉拔工藝開始在鋁氬弧焊絲生產(chǎn)中得到應(yīng)用。水平連鑄配合拉拔刮皮工藝生產(chǎn)效率高，但是質(zhì)量控制難度大。
（3）直進(jìn)式拉拔和精刮工藝是提高鋁焊料生產(chǎn)效率、保障鋁焊料產(chǎn)品質(zhì)量的先進(jìn)工藝。

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