焊接用鋁材料及其製造方法
2023-09-18 07:46:55 2
專利名稱：焊接用鋁材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及例如通過焊接安裝方法製作的用作熱交換器的構成材料等的焊接用的鋁材料及製造方法。
另外，在本發明的說明書中，鋁這個術語也包含有其合金的含義。
由於鋁具有質量輕、加工性好、高熱傳導性等特性且焊接容易，因此，被廣泛地用在換熱器和各種焊接製品材料上。
製作如此的焊接製品的情況下，為接合的簡易性，一般地，使用了在鋁芯材的表面壓延而包覆有焊接材料的硬釺焊用薄板，但是，由於鋁材種類不同，也有不能包覆焊接材料的情況出現。例如，鋁材為擠壓出的材料的情況下，擠壓出的材料的表面包覆焊接料是困難的。
由此，如這種鋁擠壓出的材料等，對於在其表面上包覆焊接材料層困難的鋁材來說，作為覆蓋在其表面上的焊接材料層的焊接材料的製作方法，目前所公知的是通過溶射法形成焊接材料層的方法(例如特公昭63-1152號，特開平1-157794號，特開昭63-119974號，特開平1-107961號，特開平2-46969號)。
但是，在如此的具有焊接材料溶射層的焊接用的鋁材料中，也有不能得到良好的接合狀態情況。為探究其原因，發明者反覆地進行了研究，得到了下面的見解。
即，以前的焊接材料的溶射法，如在上述的特特公昭63-1152，特開平1-157794等記載的，因為使用了作為溶射材料的焊接合金線材，通過溶射焊接材料完全成溶融的液狀粒子，而附著在鋁材的表面。然而，在焊接材料完全成溶融時處於高溫狀態，因為生成了堅硬的氧化膜，由此可見該氧化膜成為阻礙焊接連接性的原因。而且，一旦焊接材料完全溶融結束，在附著後的凝固時間內，全部的溶射粒子進行了焊接並成為相同的內部組織狀態，在之後的焊接時，不能充分地發揮出原有的焊接功能。而且，在等離子弧溶射等的場合下，因為焊接材料成完全的熔融狀態下附著在擠壓出的材料表面上，焊接材料因蒸發可能出現組成發生變化，因此，被認為往往不可能進行好的焊接。
本發明的目的是提供一種焊接用的鋁材料，一方面它可以在與以前的同樣的在鋁材料表面上通過熔射形成焊接材料層，另一方面不會發生與以前出現的焊接不良現象而是可進行良好焊接的鋁材料。
本發明的另一個目的是提供製作上述焊接用鋁材料的製造方法。
為完成上述的目的，在鋁材的表面上通過熔射方法形成一層焊接材料層而得到焊接用鋁材料，其特徵是在上述的焊接材料層中，存在許多的粒子狀非熔融組織，以此來提供一種焊接用鋁材料，進一步地，在鋁材料層的表面上通過熔射法形成覆蓋鋁材的焊接材料層的製造焊接用鋁材料的方法中，其特徵是使用上述熔射材料的粉末，且在進行熔射時該粉末的表面部分熔融而內部成非熔融狀態，以此來提供製造焊接用鋁材料的方法。
本發明的另外的目的，特點和優越性，參照附圖通過下述的說明將會很清楚。
圖1是在本發明中與擠壓出的材料過程同時地進行熔射的概略構成圖。
圖2是圖1的主要部分的放大斷面圖。
圖3是第1實施例所用的熔射槍的放大斷面圖。
圖4是在第1實施例中製作的多流型式的鋁熱交換器的正面圖。
圖5是圖4的熱交換器的管和波紋肋片成分離狀的斜視圖。
圖6(a)表示實施例的試驗材料No2的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片，(b)是表該組織的模式圖。
圖7(a)表示實施例的試驗材料No8的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片，(b)是表示該組織的模式圖。
圖8(a)表示實施例的試驗材料No9的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片，(b)是表示該組織的模式圖。
圖9是表示實施例的試驗材料No10的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖10是表示實施例的試驗材料No11的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖11是表示實施例的試驗材料No12的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖12是表示實施例的試驗材料No13的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖13是表示實施例的試驗材料No14的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖14是表示實施例的試驗材料No15的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖15是表示實施例的試驗材料No16的焊接用鋁材料的焊接材料層的金相組織的相片。
圖16是表示與實施例的試驗材料No10相同條件下，形成焊接材料層的焊接用鋁材料的焊接部分的金相組織的相片。
圖17是表示與實施例的試驗材料No11相同條件下，形成焊接材料層的焊接用鋁材料的焊接部分的金相組織的相片。
圖18是表示與實施例的試驗材料No12相同條件下，形成焊接材料層的焊接用鋁材料的焊接部分的金相組織的相片。
圖19是表示與實施例的試驗材料No13相同條件下，形成焊接材料層的焊接用鋁材料的焊接部分的金相組織的相片。
圖20是表示與實施例的試驗材料No14相同條件下，形成焊接材料層的焊接用鋁材料的焊接部分的金相組織的相片。
本發明中所用的鋁材的組成沒有特別的限定，根據用途的要求可使用各種材質的鋁材。另外，對鋁材的加工方法也無限定，可使用擠壓出的材料，壓延材，鑄成材以及其它種類的材料。而且，對鋁材的斷面形狀也無限定，根據用途來決定選用的何種形狀。
通過熔射在鋁材的表面上形成的焊接材料層中，存在許多粒子狀非熔融組織，由於該組織依舊保持熔射前的組織結構，利用該組織可進行有效的焊接工作。
如此地，為了存在許多粒子狀非熔融組織，在本發明中，應使用作為形成焊接材料層的熔射材料的粉末。該理由是因為能夠容易地防止熔射粒子的全部熔融，實現僅使表面部分成熔融狀態而內部(至少為芯部)為非熔融狀態。作為所用的粉末，具代表性的有Al-Si系合金構成的焊接材料粉末。另外，只要粉末在熔融射後可以形成良好的焊接材料，也可使用為粉末的鋁粉和矽粉的混合粉末。而且，在使用Al-Si系合金粉末的場合下，焊接材料層中總Si含量在5wt%以下或超過40wt%時，液相線溫度變高，焊接變得困難。為此，為進行良好的焊接，焊接材料層中的Si含量為5-40wt%，較好的是為8-13wt%。為此，考慮到熔射的Al，Si等的變化，為射出材料的Al-Si系合金粉末的Si的含有量應為5-40wt%較好的是8-25wt%。一方面，在使用Al粉和Si粉的混合粉末的情況下，由於在合金材料中的Al和Si不會完全成合金從而焊接材料層中的Si含有量在5-40wt%時能確保進行較好的焊接。為此，在混合粉末的階段，使Si的含量保持5-50wt%的比例為好。另外，作為混合粉末，Al-Si系粉末，Al粉末和Si粉末的混合粉末也可使用。
為了促進上述粉末在表面部分的接觸，象扁平狀顆粒到圓球狀或與之相類似的形狀的噴射粉末是較好的，為了使能光滑地通過熔射槍的細噴嘴調製成球狀也是較好的。在實用中，希望至少10%以上的粉末，更好的是50%以上的粉末為球狀。而且，若粉末的粒徑過小的話，就很容易完成地熔化，確保粉末粒徑平均為10μm以上為好。一方面，若平均粒徑超過200μm，在相鄰的顆粒之間易出現間隙，因為會有焊接材料層太粗的擔心，所以平均粒徑在200μm以下為好。從而設定粉末粒徑最好在10-200μm，特別在50-150μm內最佳。
熔射條件並不特別限定僅在粉末的表面部分熔化而內部成非熔融狀態的熔射條件，雖然粉末的內部(至少芯部)不熔而表面熔化是滿足本發明的必要條件，不過，下面表示了另外一種較好的熔化條件。
即，把熔射溫度控制在1000-3000℃，不到1000℃，粉末表面的熔化就不充分，與鋁材的附合性就會有變壞的危險。相反，超過了3000℃，就會擔心內部會完全熔化。較好的是把溫度設定在2300-2900℃，作為實現這樣的熔化溫度的熔射法，可以舉出的例子是火焰熔射法。
熔射距離應在50-500mm。若不到50mm，不但粉末過度熔化，使焊接層氧化，而且就會擔心鋁材因加熱出現形狀和組織發生變化的情況。另外一方面，若超過500mm，粉末會再凝固而導致附著量下降，為此會擔心焊接性能下降。特別好的熔射距離是150-300mm。而且，最好粉末的供給量應設定為30-180g/min。不到30g/min，焊接材料的絕對量不足會使焊接性能下降，若超過180g/min，焊接材料層變厚，由於冷卻時的收縮差，使其附合性下降的同時，導致很不經濟。特別好的是設定在90-150g/min。
還有，為了在熔射過程中，防止鋁材表面氧化和粉末粒子的氧化，促進焊接層的形成，同時進行良好的焊接，形成一種N2氣氛等的非氧化性氣氛為好。而且，對於粉末來說，使用氧的濃度為0.05wt%以下的氧化度的少量粒子，從得到一層防止熔射後的氧化而言是好的。
如上述的熔射在鋁材的製作過程完全結束後，雖然也可在另外一條線上生產進行，不過，特別當鋁材是擠壓出的材料的情況下，也可在正擠壓出的材料上連續地進行熔射，這樣就同時地實施擠壓過程和熔射過程，從提高作業效率和生產性來看是好的。此時，如圖1所示，在擠壓機附近的位置，對在剛被擠壓的尚為高溫的擠壓出的材料(2)上進行熔射，當然是可以的，不過，希望在冷卻槽(3)的出口側配置熔射槍(4)，在用水冷等冷卻後接近常溫的擠壓出的材料上進行熔射。共理由是附著在擠壓出的材料表面上熔射粒子能由擠壓出的材料冷卻進而防止了粒子進一步的熔化的氧化，而若在冷卻前熔射，在水冷時在多孔的熔射層(焊接層)表面吸進水，直接對焊接造成嚴重的影響。另外，焊接材料層(如圖2所示)可以是一層，為了確保良好的焊接性能。另外，擠壓出的材料(2)的單面上形成焊接材料層(5)也行，如圖1所示，在擠壓出的材料的上下均配置了熔射槍(4a)(4a)，通過熔射，可在上下兩面上形成焊接材料層。
由此，由於僅在鋁材表面上形成了焊接材料層，不能期待鋁材的耐蝕性有提高效果。為此，在特別要求高耐蝕性的情況下，在焊接材料層形成之前，對擠壓出的材料上熔射Zn，與上述的焊接層不同的是，如圖1所示，在擠壓機附近配置了熔射槍(6)，希望擠壓出的材料(2)的表面剛擠壓後的高溫下在活性狀態時進行。這樣在擠壓出的材料表面成活性時，附著的Zn粒子就可容易且順利地擴散和滲透。
另外，既使不形成Zn熔射層的情況下，在使用作為熔射粉末的Al-Si合金粉末的場合，由於Zn的擴散而可得到防蝕效果。
還有，在本發明中，對於全部的熔射粉末來說，並不是說所有這些表面部分都必須熔化，也可以包含其一部分直到內部成完全熔融狀態，相反包含表面部分和內部未熔化的完全固體狀也可以。
本發明依上述的順序，在使用作為熔射材料的粉末的同時，進行只粉末的表面部分熔化的熔射，由此形成焊接材料層，所以，因熔射時粉末不是在高溫下的完全熔融狀態，就能夠防止粒子的氧化，同時還能防止發生焊接不良。而且，粉末粒子的內部不熔，由於依舊維持熔射前的組織狀態，防止了全部粉末粒子在進行焊接時已成為相同的凝固組織，進一步地，利用非熔融的內部組織可實現良好的焊接接合。另外，也能降低因蒸發而造成的組織變化，就可以不必擔心由此引起的焊接不好的情況出現。因而，由於實現了良好的焊接效果，能夠提供高品質的製品。
由此，粉末粒子因其表面的熔融部分與鋁材很好地接合著，就不會有因焊接材料層的接合性差而出現剝落現象。
實施例如圖1所示，由擠壓機(1)擠壓的由JIS1070Al合金構成的一塊寬16mmx高3mm的多孔扁平擠壓的材料在冷卻槽(3)中冷卻，之後連續地卷取成圈狀。而且，在冷卻用水槽(3)的出口側，在擠壓出的材料的上下朝帶卷的方向傾斜地配置了熔射槍(4a)(4a)。作為熔射槍(4a)，具有如圖3所示的噴嘴，用以產生火焰。用該熔射噴槍，通過燃料輸送管(41)供給的燃燒氣體以及氧氣的混合燃料氣體從噴嘴的前端噴出而被點著，形成圓柱狀的火焰，加熱通過粉末供給管(42)與載氣一起送入到火焰中的原料粉末。而且，被加熱的粉末由於壓縮空氣輸送管(44)輸送的壓縮空氣的噴出而成霧狀並向前方飛出，覆蓋在擠壓出的材料(2)的表面上形成一覆蓋層。圖3中(45)表示空氣氣流。另外，在本實施例中的熔射噴槍所用的燃料氣體是O2700升/分，丙炔68升/分的混合氣體，壓縮空氣量為800升/分。另外，火焰溫度(熔射溫度)約為2700℃。
在上述的構成中，表1中的No1-17表示了應該熔射的粉末的種類，Si量及熔射條件的各種變化，進行粉末粒子的內部不熔而表面部分熔化的熔射，在擠壓的材料的上下兩面上覆蓋上的一層焊接材料層。而且，對於No3，4，7，9來說，在熔射焊接材料層之前，如圖1所示，由靠著擠壓機(1)的出口側配置的Zn熔射機(6)(6)形成一層Zn熔射層，其次形成焊接材料層。
因此對所得到的焊接用鋁材料要測定焊接材料層的平均厚度，焊接材料層中的Si量。其結果在表1中表示。
其次，用上述的方法製成的各種焊接用鋁材料來做熱交換管。圖4及圖5分別表示了所謂的多流形狀的鋁製熱交換器結構。而且，圖4及圖5所示的熱交換器由成水平狀平行地配置的上述的焊接用鋁材料構成的多根管子(11)，配置在相鄰的管子(11)之間的波紋形肋片(12)，連接在各管兩端的左右的一對中空筒狀集管(13)(14)組成，而且，在左集管(13)的上下圓周面上連接有致冷劑入口管和致冷劑出口管，同時，在左右集管處，設置有將致冷劑迴路分隔成蛇形迴路的分隔板(17)。另外，作為波紋形肋片(12)可用由JIS1050Al合金構成的厚為0.15mm的材料。
其次，在上述交換器的結構件上，塗上助熔懸浮劑並乾燥後，在N2氧氣中於580℃加熱5分鐘，然後，焊接管(11)和波紋形肋片(12)，以及管(11)和集管(13)(14)，其它各構成部件。由此，管(11)和波紋形肋片(12)之間的接合由管表面的上述的焊接，熔射層進行，管(11)和集管(13)(14)之間的接合出覆蓋在集管的內外面上的焊接材料進行。
而且，對於各熱交換器的管(11)，由於要求與波紋形肋片(12)的接合率，來對焊接性進行評價。接合率，是通過留下波紋形肋片(12)的根部，切除肋片後，肋片留下部分的數目相對於全部根部的接合比例。對留下的一部分是通過對根部4等分而計算出的。
一方面，作為比較例(表1的No18-20)，用等離子熔射法(熔射溫度約為10000℃)，在表1的各件下粉末直至內部為完全熔融狀態時，在管的表面上熔射來製造的焊接用管。還有，作為另外的比較例(表1的No21)，用電弧熔接法(熔射溫度約為10000℃)同樣地在管的表面熔射由Al-12wt%Si合金構成的2.4mm的焊接合金線材，製造焊接用管。然後，用所得的焊接用管組成圖4及圖5所示的熱交換器，有前述的條件下進行焊接，求得肋片的接合率。
在表1中表示了以下的結果。
另外，對於No2、8-14、19及20的各試驗品，在顯微鏡下觀察到熔射形成的焊接材料層的斷面放大的金相組織。此時的顯微鏡下的放大的相片由圖6(a)-圖15表示。另外，圖(b)仿真地表示了圖6(a)。表1中No10-14表示的粉末條件，熔射條件下，圖16-20表示了由覆蓋了焊接材料層的JIS1070Al合金板和JIS1050Al合金板接成的T形接縫和焊接時接合部的金相組織的相片。
如焊接材料層的金相組織的相片，本發明的樣品在焊接材料層(5)中的粒子(50)(圖6-8的(b)圖中表示)的粒子保持著球形狀，然而，可經以道通過熔射，粒子表面熔化，其內部仍為非熔融狀態地附著。而且，從表1中的結果及焊接接合部分的放大相片可以知道如此的本發明的樣品形成了很好的角焊縫，焊接性很好。與之相對比的比較例，熔射粒子成完全熔融狀態地附著，其焊接性較差。
權利要求
1.一種在鋁材料的表面上通過熔射形成一層焊接材料層焊接用鋁材料，其特徵在於，在該焊接材料層中，存在許多粒子非熔融組織。
2.根據權利要求1所述的焊接用鋁材料，其特徵在於焊接材料層含有Al-Si系合金，焊接材料層中的總的Si的量是5-40wt%。
3.根據權利要求2所述的焊接用鋁材料，其特徵在於焊接材料層中總計的Si量為8-13wt%。
4.根據權利要求1所述的焊接用鋁材料，其特徵在於焊接材料層含有Al和Si的混合物，焊接材料層中的總的Si量是5-40wt%。
5.根據權利要求1所述的焊接用鋁材料，其特徵在於鋁與焊接材料層之間形成有一層Zn層。
6.一種在鋁材料層的表面上通過熔射法形成覆蓋鋁材的焊接材料層的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於使用作為上述熔射材料的粉末，同時，使該粉末的表面部分熔融而內部成非熔融狀態地進行熔射。
7.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於用作為熔射材料的粉末含有Al-Si系合金粉末，焊接材料層中的總的Si量是5-40wt%。
8.根據權利要求7所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於焊接材料層中的總的Si量是8-13wt%。
9.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於用作為熔射材料的粉末含有Al粉末和Si粉末的混合物，焊接材料層中的總的Si量是5-40wt%。
10.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於粉末的平均粒徑是10-200μm。
11.根據權利要求10所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於粉末的平均粒徑是50-150μm。
12.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射溫度是1000-3000℃。
13.根據權利要求12所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射溫度是2300-2900℃。
14.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射法是火焰熔射法。
15.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射距離是50-500mm。
16.根據權利要求15所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射距離是150-300mm。
17.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射的粉末供給量是30-180g/min。
18.根據權利要求17所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於熔射的粉末供給量是90-150g/min。
19.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於鋁材是擠壓材，使由擠壓機擠出的鋁擠壓材通過冷卻槽而得到冷卻，在冷卻槽的出口側對著擠壓出的材料進行熔射。
20.根據權利要求6所述的製造焊接用鋁材料的方法，其特徵在於在覆蓋焊接材料層以前，先在鋁材的表面熔射Zn，形成一層Zn。
全文摘要
一種焊接用鋁材料是在鋁材的表面通過熔射法形成一層焊接材料層。焊接材料層中，存在許多粒子狀非熔融組織。焊接材料層含有Al-Si系合金和/或Al和Si的混合物。一種焊接用鋁材料的製造方法在鋁材的表面通過熔射法覆蓋一層焊接材料層。在使用作為熔射材料的粉末的同時，使粉末的表面部分熔化而內部成非熔融狀態下進行熔射。粉末含有Al-Si系合金和/或Al和Si的混合物。
文檔編號B23K35/02GK1090240SQ9312071
公開日1994年8月3日 申請日期1993年10月29日 優先權日1992年10月30日
發明者寺田隆, 小島正博, 森田泰三, 荒川勝行, 巖井一郎, 古田正一 申請人:昭和鋁株式會社