專利名稱：用于釬焊鈦部件和鋁部件的方法以及由此可獲得的部件的制作方法
用于釬焊鈦部件和鋁部件的方法以及由此可獲得的部件本發(fā)明涉及用于釬焊來自鈦或鈦合金的部件以及來自鋁或鋁合金的部件的方法。眾所周知的是可以使用一種助熔劑和一種焊料將多個鋁部件釬焊在一起。鈦由于 其低的重量和強度而被用于針對汽車(尤其是飛機中)的部件。鈦是對侵蝕性化學(xué)品有抵 抗性的，并且因此可以用于化學(xué)反應(yīng)裝置、或管道，或用于運輸侵蝕性化學(xué)介質(zhì)。用鋁代替 鈦的部件(在可能時)的原因在于鋁比鈦要廉價得多。例如，通過連接鈦和鋁的部件，可以 將它們以復(fù)合材料的形式來應(yīng)用，例如作為“夾層”的材料。將鋁部件與其他鋁部件釬焊在一起的助熔劑是已知的。這些助熔劑被用來提供一 個潔凈的表面，并且因此允許在這些鋁部件之間形成一個有力的連接。美國專利3，951，328 披露了由四氟鋁酸鉀和六氟鋁酸三鉀的混合物所構(gòu)成的一種助熔劑。US 4，579，605披露了 由四氟鋁酸鉀和五氟鋁酸二鉀的水合物所組成的一種用于鋁釬焊的助熔劑。WO 82/02014 披露了通過應(yīng)用一種鋁-硅合金作為焊料以及氟化鉀和氟化鋁的一種混合物作為一種助 熔劑可以將鋼與鋁連接在一起。鋁也可以被連接到鈦上。US 4486647披露了通過使用鋁絲作為填焊劑進(jìn)行焊接而 將鋁連接到鈦上的一種方法。因為鈦具有在1670°C左右的熔點，而鋁的熔點在660°C左右， 鈦一側(cè)的溫度被保持在2000°C以下而焊接處中間的溫度最大為1500°C。發(fā)明的問題在于提供一種技術(shù)上簡單并且可靠的方法將由鋁或鋁合金部件以及 由鈦或鈦合金制成的部件進(jìn)行連接。通過使用本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)這一目的。本發(fā)明提供了一種連接鋁或鋁合金以及鈦或鈦合金的方法，該方法是在基于堿金 屬氟鋁酸鹽的助熔劑的存在下并且在含有等于或大于按體積計75%的氦氣、氬氣和/或氙 氣的保護性氣體的存在下或在真空下進(jìn)行的。在一個實施方案中，連接(以下也表示為釬焊)鋁部件是在環(huán)境壓力下在保護性 氣體的存在下進(jìn)行的；若希望的話，該方法甚至可以在高于環(huán)境壓力的壓力下進(jìn)行。在保護 性氣體中氮氣的含量等于或低于按體積計25%。優(yōu)選地，該保護性氣體中氦氣、氬氣和/或 氙氣的含量等于或高于按體積計95%。優(yōu)選地，該保護性氣體中氮氣的含量等于或低于按 體積計5%。尤其優(yōu)選地，該保護性氣體中氦氣、氬氣和/或氙氣的含量等于或高于按體積 計99%。優(yōu)選地，在保護性氣氛中氮氣的含量等于或低于按體積計1%。最優(yōu)選地，連接過程是在基本上由氦氣組成的保護性氣體氛圍、基本上由氬氣組 成的氣氛、或者基本上由氬氣和氦氣組成的氣氛下進(jìn)行的。術(shù)語“基本上”是指在氦氣氣氛 中氦氣的含量、在基本上由氦氣和氬氣組成的氣氛中氦氣和氬氣的總含量、或者氬氣氛中 氬氣的含量等于或高于按體積計99.9%。高度純化的氦氣和/或氬氣是尤其適合的?！案?度純化的”是指含量等于或高于按體積計99. 99%。所做出的假設(shè)是含有氦氣、氬氣和/或氙氣、以及另外二氧化碳的保護性氣體混 合物(例如，含有二氧化碳和氬氣的混合物)同樣應(yīng)該起作用；在這種情況下，這些連接部 可能會變得有顏色，例如，它們可能變暗。在另一個實施方案中，釬焊是在真空下進(jìn)行的。真空釬焊的優(yōu)點在于釬焊溫度可 以更低。術(shù)語“真空”是指壓力低于1巴(絕對值)。優(yōu)選地，它是指壓力等于或低于0.5巴(絕對值)。并不優(yōu)選使用真空，它過于低以致引起不希望的量的釬焊助熔劑蒸發(fā)。因 此，優(yōu)選該壓力為等于或大于0.3巴(絕對值)。同樣在真空釬焊中，真空中的殘留氣體氛 圍優(yōu)選是含有等于或高于按體積計75%的氦氣、氬氣和/或氙氣的保護性氣體。真空中在 殘留的保護性氣氛中氮氣的含量是等于或低于按體積計25%。優(yōu)選地，殘留的保護性氣氛 中氦氣、氬氣和/或氙氣的含量是等于或高于按體積計95%。優(yōu)選地，殘留的保護性氣氛中 氮氣的含量是等于或高于按體積計5%。尤其優(yōu)選地，殘留的保護性氣氛中氦氣、氬氣和/ 或氙氣的含量是等于或高于按體積計99%。優(yōu)選地，殘留的保護性氣氛中氮氣的含量是等 于或高于按體積計1%。保護性氣體氛圍進(jìn)一步優(yōu)選的實施方案參見以上內(nèi)容。最優(yōu)選的保護性氣體是由純度為按體積計99%、優(yōu)選按體積計99. 9%、并且尤其 是按體積計99. 99%的氬氣構(gòu)成的氣氛。術(shù)語“鋁合金”包括含有鐵、錳、鎂和/或其他摻雜金屬的鋁。原則上，任何摻雜元 素都可以包括在內(nèi)。如果該鋁包含鎂，則氟鋁酸銫可以被用作為釬焊劑或者助釬焊劑。在 本發(fā)明的上下文中術(shù)語“包括”包含“其構(gòu)成為”。術(shù)語“鈦”包括純的鈦連同所謂的“工業(yè)純”的鈦。這種鈦被劃分為幾個“CP等 級”。術(shù)語“CP”表示“工業(yè)純”的鈦，它無需表示未摻雜的鈦。例如，CP 5表示TiA16V4合 金。雜質(zhì)和所溶解的氣體在非摻雜的鈦中是被接受的。例如，釔的含量必須低于按重量計 0.005%。例如，CP鈦等級2具有非常低的碳、氮、氧、鐵、氫、和釔的含量。CP鈦等級4具有 比等級2更低的氫含量，但是鐵和氧的含量更高，并且強度更高。術(shù)語“鈦合金”包括鈦與0 -穩(wěn)定的金屬或元素(例如，鉬、鐵、釩、鐵、鉻和鈮)以 及與a穩(wěn)定的金屬或元素(例如，鋁、錫、鋯、氧和氮)的合金。鈦的a合金、近a合金、 3合金、以及近0合金都可以進(jìn)行釬焊。合金的例子是TiA16Sn2&4Mo2，可任選地具有另 外的硅；TiA16V4 ；以及 5Cr3A13Sn3。本發(fā)明中的術(shù)語“堿金屬”優(yōu)選表示鉀和銫，尤其是鉀或者鉀和銫的一個組合。術(shù) 語“氟鋁酸鹽”表示三氟鋁酸鹽、五氟鋁酸鹽，這兩者與它們的水合物的組合。一種非常優(yōu) 選的助熔劑是由四氟鋁酸鉀、五氟鋁酸二鉀，它們的對應(yīng)的水合物或它們的混合物構(gòu)成的。 尤其優(yōu)選的是四氟鋁酸鉀和五氟鋁酸二鉀的混合物。在這一混合物中，對應(yīng)的氟鋁酸鹽可 以部分地或完全地以水合物的形式存在。本發(fā)明的方法中非常適合的四氟鋁酸鉀和五氟鋁 酸二鉀的混合物是在商品名Nocolok 下可商購的。助熔劑可以在本領(lǐng)域內(nèi)已知的組合物中應(yīng)用。例如，它可能包括美國專利 6,019,856中描述的六氟硅酸鉀，其量值為高達(dá)按重量計50%或甚至更多。如美國專利 6，264，096所描述的，它可能包含不可逆脫水的五氟鋁酸二鉀，該不可逆脫水的五氟鋁酸二 鉀是通過在優(yōu)選高于265°C的溫度下的脫水熱處理可制備。這種助熔劑有很長的保質(zhì)期并 且在水中提供穩(wěn)定的懸浮液。它可能包含多種金屬添加劑，這些添加劑是焊料的前體，例如，在US 5，100，048 中所描述的硅、鍺或銅。助熔劑中硅與助熔劑之比在從0.1-3 1的范圍內(nèi)。盡管如此，優(yōu) 選應(yīng)用一種填焊金屬或填焊金屬合金，當(dāng)一種焊料前體包含在內(nèi)時亦是如此。例如，包含 鋁和硅的焊料是非常合適的，例如名為4343(AlSi7)、4045(AlSil0)、或4047(AlSil2)的合 金，或鋅-鋁合金。應(yīng)用熔點范圍是577°C至618°C的鋁-硅合金是尤其優(yōu)選的。該助熔劑可能包含一些添加劑，這些添加劑改進(jìn)了這些釬焊的連接部或金屬部件表面的特性。例如，它可能包含US 6，432，221中描述的氟鋅酸鉀。氟鋅酸鉀本身起助熔劑 的作用并且通過形成一個鋅保護層來改進(jìn)釬焊的表面。它可能包含如在US 6，880，746中 描述的氟錫酸鉀或氟錫酸銫助熔劑。氟錫酸鉀或氟錫酸銫也起助熔劑的作用并且在釬焊的 連接部形成一個錫保護層。如US 4，670，067中所描述，該助熔劑可能包括氟鋁酸銫。氟鋁酸銫(例如能以四 氟鋁酸銫、五氟鋁酸二銫、六氟鋁酸三銫、或它們的任何組合的形式存在)的量是非常可變 的。例如，它可以構(gòu)成該助熔劑的100%。優(yōu)選地，氟鋁酸銫的含量是更低的，例如等于或低 于設(shè)定為按重量計100%的總助熔劑的按重量計10%。應(yīng)用包含氟鋁酸鉀和氟鋁酸銫的助 熔劑的優(yōu)點在于含有多于(例如)按重量計0.2%的鎂的鋁合金可以被釬焊。該助熔劑還能包含另外的添加劑，這些添加劑改進(jìn)了釬焊過程或者所連接的金屬 部件表面的特性。例如，如US 2004/0163734中所描述，它可以包括氟化鋯和/或氟化鈦。 這些化合物的添加可以改進(jìn)耐腐蝕性，任何途層的粘附、并且減少氣味的形成。該助熔劑還可能包含非腐蝕性的添加劑，例如，在W0 2005/092563中所描述的那 些?？梢酝ㄟ^共沉淀或者機械混合而結(jié)合到該助熔劑中的這些添加劑改進(jìn)了表面質(zhì)量或助 熔劑的流動性。這些添加劑包括元素周期表中2到5主族的金屬的金屬陽離子，尤其是鍶、 銦、錫、銻、鉍、鋯、鈮、鈰、釔或鑭，例如1(2&&或1(211&。如果它們是通過機械混合引入該助 熔劑中的，則這些金屬陽離子優(yōu)選以相應(yīng)的氟化物的形式應(yīng)用。對于共沉淀法，優(yōu)選的是使 氧化鋁三水合物與氫氟酸在金屬化合物添加劑(例如氧化物、商化物、硝酸鹽、碳酸鹽、硫 酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽或六氟硅酸鹽)的存在下進(jìn)行反應(yīng)。在與HF反應(yīng)之后，進(jìn)行了與一種 堿金屬氫氧化物(尤其是氫氧化鉀)的水溶液的一個沉淀步驟。同樣在此，銫的存在可以 改進(jìn)在釬焊過程中對鎂的容許量。助熔劑能以一種常規(guī)的方式施用至有待釬焊的部件。例如，它可以作為粉末以一 種干的形式施用。可以靜電地來支持干法施用。可替代地，該助熔劑能以一種助熔劑組合 物的形式施用，該助熔劑組合物包括一種溶劑，可任選地還有一種粘合劑或一種增稠劑。 例如，該助熔劑組合物是一種水性懸浮液或作為在一種有機溶劑中的懸浮液，例如在單_、 二-或三元的脂肪醇中(例如甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、或甘油)，或在醚中(例如，二丁 醚、亞烷基二醚或三醚類，如乙二醇二烷基醚，尤其是乙二醇二甲基醚)。水性懸浮液是優(yōu)選 的。若一種增稠劑包括在內(nèi)，則該增稠劑可以是具有一個另外的羥基的偏醚(partial ether)。2_ 丁氧基-乙醇是非常適合的增稠劑。該助熔劑組合物還可能包含一種粘合劑。任何已知的粘合劑都可以使用。例如， EP A 1287941中披露的聚合物粘合劑是非常合適的，例如聚氨酯類、樹脂類、鄰苯二甲酸酯 類、丙烯酸酯類、乙烯基樹脂類、環(huán)氧樹脂類、硝化纖維、以及聚烯烴類，參見W016]。該助熔 劑組合物還可能包含一種觸變劑，例如EP A 1287941，
至W039]中描述的明膠、果 膠、丙烯酸酯類或聚氨酯類。該助熔劑組合物甚至可以在有或沒有填焊金屬和填焊合金時作為一種糊劑施用。該助熔劑或助熔劑組合物可以按常規(guī)的方式施用至鋁和/或鈦的部件。如已經(jīng)提 及的，該助熔劑能以干燥的形式施用，優(yōu)選是以靜電方式?？梢詫⒅蹌腋∫簢婌F至這些 部件上，或通過涂覆來進(jìn)行。
助熔劑優(yōu)選是以等于或大于0. 01g/m2的量應(yīng)用的。更優(yōu)選地，它是以等于或大于 0. lg/m2的量應(yīng)用的。尤其優(yōu)選地，它是以等于或大于2g/m2的量應(yīng)用的。優(yōu)選地，它是以等于或低于50g/m2的量應(yīng)用的。如果施用了一種助熔劑組合物 (例如，與水或一種有機溶劑的一種組合物，或一種糊劑)，則該組合物所施用的量是使得 上述助熔劑載量得以實現(xiàn)。如以上提及的，釬焊優(yōu)選在一種焊料金屬或者金屬合金的存在下進(jìn)行。焊料金屬 可以包含在助熔劑或助熔劑組合物中，例如，以粉末的形式?？商娲?，該焊料金屬或焊料 金屬合金可以被鍍在有待連接的一個或兩個釬焊部件上。這些部件也可以通過激光釬焊而連接。這種方法描述于US2003/0178399。優(yōu)選 的是不進(jìn)行激光釬焊，而是將這些有待釬焊的部件根據(jù)CAB法(受控氣氛釬焊)進(jìn)行加熱。 這種方法是在密閉裝置中進(jìn)行的，該密閉裝置可以阻止所不希望的氣氛(如空氣)在釬焊 過程中以及在釬焊之前和之后的一個所希望的時間內(nèi)與這些部件相接觸。釬焊是在高于該助熔劑以及該填焊金屬的熔點并且足夠高至形成一種固體連接 的溫度下進(jìn)行的。優(yōu)選地，該釬焊溫度是等于或高于550°C、非常優(yōu)選等于或高于570°C。優(yōu) 選地，該釬焊溫度是低于或等于680°C，更優(yōu)選等于或低于650°C，并且尤其優(yōu)選該釬焊溫 度是等于或低于630°C。在真空釬焊的情況下，這些溫度與在氣體存在下的釬焊相比可能甚 至更低。一個優(yōu)選的用于釬焊的溫度范圍其特征是等于或高于550°C的一個溫度以及等于 或低于680°C的一個溫度。尤其優(yōu)選的用于釬焊的溫度范圍其特征是等于或高于550°C的一個溫度以及等于 或低于630°C的一個溫度。總體而言，該方法可以被用來將任何鈦或鈦合金部件連接到任何鋁或鋁合金部件 上，而無論此類連接部件的目的為何。用鋁來取代鈦的部件的一個優(yōu)點是鋁比鈦要廉價得 多。這種方法尤其適合制造被設(shè)計為運輸侵蝕性介質(zhì)的裝置，因為鈦是非常有抵抗性的。它 還可用來制造包含鋁或鋁合金鰭片的熱交換器以及由鈦制成的管道。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，可以在鋁和鈦之間以一種簡單并且可靠的方式產(chǎn) 生一個連接。本發(fā)明的另一方面涉及由鋁(包括鋁合金)的部件以及鈦(包括鈦合金)的部 件制成的組裝的部件，其中通過在一種堿金屬氟鋁酸鹽的存在下進(jìn)行釬焊而使鋁和鈦的部 件彼此相連接。此類部件是根據(jù)上述方法可獲得的。術(shù)語“組裝的部件”包括對于機器、車 輛或建筑的構(gòu)造有用的夾層結(jié)構(gòu)。例如，由鋁和鈦制造的部件可以應(yīng)用于造船工業(yè)、近海工 業(yè)，空間運輸系統(tǒng)以及用于醫(yī)療工業(yè)的裝置和機器。由鋁和鈦制成的部件可以用于例如熱 交換器的制造，如空調(diào)(例如在固定式冰箱中，像冷藏室)，并且尤其是用于移動式空調(diào)。鋁 和鈦的釬焊的部件還可以用于以下目的(其中發(fā)生了與侵蝕性化學(xué)品的接觸)，例如在用 于化學(xué)物質(zhì)的儲槽中，或者用于化學(xué)工業(yè)的管或裝置，例如用于化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器。以下實 例對本發(fā)明進(jìn)行了說明而無意對其進(jìn)行限制。實例通用的應(yīng)用了鈦薄板ASTMB 265，一種CP等級2的材料，處于厚度為1. 2mm的薄 板的形式。
焊料AlSil2，厚度 1. 6mm，長度 10mmZnA115，厚度 1. 6mm，長度 7mm。鋁角按重量計99. 5%的A1，共0.5 40mm，V形片每邊具有的長度為20mm。所進(jìn)行的試驗在玻璃釬焊爐中進(jìn)行圓角試驗。通用程序?qū)⒏芍蹌┦┯弥菱佋嚇?尺寸20 20 1.2mm)上，加入兩滴異丙醇， 并且使該助熔劑均勻地分布。然后，將該試樣在60°C到90°C下干燥。然后將90°C鋁角置于 試樣上，將一片焊料金屬置于該角的一個末端，將該組件放入釬焊爐，并且開始釬焊。在釬 焊過程中向爐中引入氬氣(純度4. 6)，溫度以每分鐘30°C的速率上升直至達(dá)到605°C，將該 組件在此溫度下保持2分鐘，并且然后將該組件冷卻。然后將該組件進(jìn)行評級1)最佳的釬焊2)顯著的倒角3)在該角中倒角以上斷裂4)試樣的表面4a未處理的-銀色金屬的4b 啞光灰4c 暗灰4d 黑5)試樣和鋁角之間的接觸點斷裂6)無釬焊所應(yīng)用的助熔劑和焊料金屬測試對1 氟鋁酸鉀(Nocolok )和AlSil2測試對2 具有按重量計約1. 5%的Cs和AlSil2焊料的氟鋁酸鉀和氟鋁酸銫的混 合物。測試對3 氟鋁酸銫和ZnAl 15焊料測試對4 糊劑PEN 1047 (包含氟鋁酸鉀助熔劑、粘合劑和有機溶劑的一種助熔劑 組合物)和AlSil2焊料測試對5 氟鋁酸鉀和硅(Nocolok Sil )的混合物，一種焊料前體測試對6 氟鋁酸鉀和硅(Nocolok Sil )的混合物(一種焊料前體)以及AlSil2
焊料 *計算了干裝載量。這些實例證明，使用適合將鋁釬焊到鋁上的助熔劑可以將鋁焊接到鈦上。這表明， 除一種焊料前體之外或者代替該焊料前體，一種焊料的存在是非常有利的。
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權(quán)利要求
一種用于釬焊鈦和鋁的方法，所述方法是在基于堿金屬氟鋁酸鹽的助熔劑的存在下并且在含有等于或大于按體積計75％的氦氣、氬氣和/或氙氣的保護性氣體的存在下或在真空下進(jìn)行的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿金屬氟鋁酸鹽是氟鋁酸鉀、氟鋁酸銫或二者 的混合物。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述助熔劑包含氟鋁酸鉀和氟鋁酸銫，其中相對于 設(shè)定為按重量計100%的總的氟鋁酸鹽助熔劑的含量，包含等于或大于按重量計0. 并 且等于或小于按重量計10%的氟鋁酸銫。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述堿金屬氟鋁酸鹽是作為干助熔劑、具有有機溶 劑的助熔劑組合物的形式、水性助熔劑組合物的形式、或者糊劑的形式施用的。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述水性助熔劑組合物、所述具有有機溶劑的助熔 劑組合物、或者所述糊劑包含添加劑，尤其是粘合劑、增稠劑、觸變劑、和/或焊料金屬和/ 或焊料金屬合金。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中釬焊是在含有等于或大于按體積計75%的氦氣、氬 氣和/或氙氣的保護性氣體的存在下進(jìn)行的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中釬焊是在含有等于或大于按體積計75%的氬氣的保 護性氣體的存在下進(jìn)行的。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中釬焊是在等于或高于550°C的溫度下并且在等于或 低于680°C的溫度下進(jìn)行的。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中釬焊是在等于或高于570°C的溫度下并且在等于或 低于630°C的溫度下進(jìn)行的。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述助熔劑包含四氟鋁酸鉀和五氟鋁酸二鉀和/或 它們的水合物的混合物。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中鋁-硅合金被用作焊料金屬。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中生產(chǎn)汽車部件、飛機部件、熱交換器或者用于化學(xué) 反應(yīng)的裝置。
13.一種包括鋁部件和鈦部件的釬焊組件，可由如權(quán)利要求1到14中任一項所述的方法獲得。
全文摘要
鋁和鈦的部件可以通過在包括氬氣的一種保護性氣氛中在一種堿金屬氟鋁酸鹽的存在下通過釬焊而彼此連接到一起。根據(jù)該方法，通過釬焊而連接的鋁和鈦的組件可以用于或用作例如化學(xué)裝置，用作汽車、船舶、空間運輸系統(tǒng)、或者飛機的部件，或者用于制造熱交換器。
文檔編號B23K35/362GK101918171SQ200880124543
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者托馬斯·博恩, 漢斯-瓦爾特·斯維德斯基, 艾爾弗雷德·奧特曼 申請人:蘇威氟有限公司