CN1480288A - 用于将焊剂直接涂覆在钎焊表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种用于将钎焊焊剂材料涂覆到钎焊表面上的方法。所述方法包括下列步骤：利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到基底上以形成钎焊表面。在将钎焊填充材料涂覆到基底上后，可将采用一种干态粉末或者湿浆液的形式的钎焊焊剂材料直接沉积钎焊表面上。钎焊表面的性质能够在不使用附加的粘结剂或者树脂材料的情况下使涂覆的焊剂材料附着在表面上。

Description

用于将焊剂直接涂覆在钎焊表面的方法

技术领域

本发明涉及钎焊领域，特别涉及一种用于将钎焊焊剂直接涂覆在钎焊表面上的方法。

背景技术

钎焊是一种利用钎焊填充材料将部件接合在一起的方法，其中钎焊填充材料的熔点低于任一个部件的熔点。钎焊方法通常用于将由金属或者合金制成的部件接合在一起。通常，钎焊填充材料被放置在两个待接合的部件之间或者与它们邻接设置并且将该组件加热到钎焊填充材料能够熔化但所述部件不能熔化的温度。在冷却后，钎焊填充材料在所述部件的两个表面之间形成一种冶金接合。通常，待接合的表面包括可能阻碍在表面之间形成钎焊接头的表面金属氧化物层。因此，除了钎焊填充材料以外还包括钎焊焊剂材料。常规的钎焊焊剂包括氯化物和/或氟化物，并且焊剂材料的熔化温度通常低于钎焊填充材料的熔化温度。一旦熔化，钎焊焊剂材料用于溶解在两个表面上的金属氧化物硬壳，增强熔融钎焊填充材料的润湿性和流动性，从而能够利用待钎焊的部件的接头之间的毛细作用力使其被自由抽吸。本领域普通技术人员已经知道，钎焊填充材料的组分是由待接合的表面的组分决定的。类似地，有多种可使用的钎焊焊剂材料并且所用的特定一种钎焊焊剂材料取决于待钎焊的部件的性质。通常，当钎焊铝部件时，在工业上使用由Solvay Fluor制造的Nocolok焊剂。该焊剂包括氟铝酸钾混合物。

在目前的制造方法中，在设备钎焊之前将钎焊焊剂涂覆在钎焊表面上是一种困难的工艺。通常，钎焊填充材料被涂覆在其中一个待接合的表面上并且该设备被预组装。在预组装后，通常将整个设备浸入水-焊剂的浆液中或者将这样的水-焊剂的浆液喷射到整个组件上。或者，利用静态干粉工艺将焊剂材料涂覆到整个设备上。如上所述，实际上，仅在被接合的两个表面处的局部区域需要焊剂。接着，使整个带有焊剂的设备进入钎焊炉中，在那里钎焊焊剂材料变成液体并且易于从设备上滴下在钎焊炉内形成很硬的残余物质，这需要定期使该炉停工并且对其进行清洁。另外，加热的钎焊焊剂材料产生烟气，在将烟气排放到大气中之前必须对其进行处理。通常钎焊焊剂不能很好地附着在钎焊表面上，这样需要包括附加的粘结剂和树脂以使钎焊焊剂材料附着在钎焊表面上。最后，这些工艺是不经济的，这是由于必须使用过量的焊剂材料。

最好能够提供一种用于将钎焊焊剂材料直接涂覆到钎焊表面上的方法，该方法简单并且能够使涂覆有焊剂材料的钎焊表面在钎焊处理之前被大范围地处理。对于这样一种方法，仅钎焊表面而不是整个组件必须被涂覆焊剂，从而大大地减少了基本投资、助熔设备的覆盖区域、所需的焊剂材料量和助熔处理所需的劳动。

发明概述

在一个实施例中，本发明包括一种用于将钎焊焊剂材料涂覆到钎焊表面上的方法，所述方法包括下列步骤：利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到基底上以形成钎焊表面；接着将钎焊焊剂材料直接沉积在所形成的钎焊表面上。

在另一个实施例中，本发明包括一种用于将钎焊焊剂材料涂覆到钎焊表面上的方法，所述方法包括下列步骤：提供一种采用颗粒混合物形式的钎焊填充材料，将所述颗粒混合物夹带在一种气流中，所述气体处于不足以使颗粒混合物热软化的温度，引导夹带在气流中的颗粒混合物通过与基底相对设置的超声波喷嘴并且使颗粒混合物加速到足以使颗粒混合物附着在基底上的速度，从而利用动力喷射涂覆形成钎焊表面，接着将钎焊焊剂材料直接沉积在所形成的钎焊表面上。

附图的简要说明

图1是用于本发明的动力喷射系统；

图2是用于本发明的动力喷嘴的横截面图；

图3是其上具有已经利用本发明所涉及的动力喷射涂覆方法涂覆的钎焊填充材料的基底的平面图的扫描电子显微照片；

图4A是其上涂覆有每平方米10克的本发明所涉及的干态钎焊焊剂材料的钎焊表面的平面图的扫描电子显微照片；

图4B是其上涂覆有每平方米40克的本发明所涉及的干态钎焊焊剂材料的钎焊表面的平面图的扫描电子显微照片；

图5是说明在对本发明所涉及的三个试样进行一系列下落试验之前和之后钎焊焊剂材料在钎焊表面上的保留情况的图表；

图6A是表示装填在钎焊表面上的钎焊焊剂与本发明所涉及的水-钎焊焊剂浆液中的钎焊焊剂浓度之间的依赖性的图表；

图6B是表示在根据本发明进行下落试验之前和之后水-钎焊焊剂浆液在三个试样上的保留情况的图表；

图7是在根据本发明在其上涂覆每平方米8克的水-钎焊焊剂浆液后的钎焊表面的平面图的扫描电子显微照片；以及

图8是本发明所涉及的用于涂覆钎焊焊剂材料的轮的示意图。

优选实施例的描述

本发明包括一种利用动力喷射涂覆直接将钎焊填充材料涂覆到基底上并且将钎焊焊剂直接涂覆到所形成的钎焊表面上以形成钎焊表面的方法。该方法利用如在美国专利US 6,139,913、美国专利US6,283,386和由Van Steenkiste等在Surface and CoatingsTechnology 154，pages 237-252，2002中发表的标题为“Aluminumcoatings via kinetic spray with relatively large powderparticles”的文章中所披露的动力喷射工艺，所有这些文献在这里都作为参考。

首先参见图1，本发明所使用的动力喷射系统用10表示。系统10包括罩壳12，支撑台14或者其他支撑装置位于罩壳12中。固定在台14上的安装面板16支撑用于固定待涂覆的基底的工作夹具18。在一个实施例中，工作夹具18能够在三个维度上移动并且能够支撑待涂覆的适合基底。在另一个实施例中，工作夹具18能够输送待涂覆的基底使之经过下面将描述的动力喷嘴34。罩壳12包括具有至少一个空气入口(未示出)的周壁和通过适合的排气导管22与集尘器(未示出)相连的空气出口20。在涂覆过程中，集尘器持续地从罩壳12抽吸空气并且收集任何夹带在排出空气中的灰尘或者颗粒以进行后续处理。

喷射系统10还包括能够将高达3.4MPa(500psi)的空气压力提供给高压空气压载罐26的空气压缩机24。空气压载罐26通过管线28与高压粉末供给器30和独立的空气加热器32相连。空气加热器32将高压加热空气(下面所述的主要气体)提供给动力喷嘴34。主要气体的温度范围在100至3000℃之间，这取决于被喷射的粉末。主要气体和粉末供给器30的压力范围在200至500psi之间。粉末供给器30将单一粉末的颗粒或者颗粒的混合物与未加热的高压空气混合并且将颗粒混合物提供给喷嘴34的辅助输入管线48。本发明所用的颗粒包括所选择的钎焊填充材料。通常，钎焊填充材料包括金属、合金及其混合物，下面给出示例。计算机控制器35用于控制被供给到空气加热器32的空气压力和从空气加热器32排出的加热的主要气体的温度。本领域普通技术人员应该理解的是，系统10可包括多个粉末供给器30，所有的粉末供给器30与一个或者多个辅助管线48相连。为了清楚起见，图1中仅示出了一个粉末供给器30。

图2是喷嘴34及其与空气加热器32和辅助输入管线48连接的部分的横截面图。主空气通道36将空气加热器32与喷嘴34连接在一起。通道36连有预混腔室38，预混腔室38引导空气通过流体整流器40并且进入到混合腔室42。利用在通道36中的气体输入温度热电偶44和与混合腔室42相连的压力传感器46监测空气或者其他加热主要气体的温度和压力。

未加热的高压空气和颗粒粉末的混合物通过辅助输入管线48被输送到粉末注射管50，粉末注射管50包括具有预定内径的直管。所述预定的直径可在0.40至3.00毫米的范围内。该直径最好在0.40至0.90毫米的范围内。管50具有最好与预混腔室38的轴线相同的中心轴线52。管50穿过预混腔室38和流体整流器40进入混合腔室42。

混合腔室42与de Laval型喷嘴54连通。喷嘴54具有直径向着喉部58渐缩的入口锥段56。出口端60在喉部的下游。入口锥段56的最大直径可在10至6毫米的范围内，优选的是7.5毫米。入口锥段56缩小至喉部58。喉部58的直径可在3.5至1.5毫米的范围内，优选的在3至2毫米的范围内。喷嘴54中从喉部58的下游到出口端60的部分可具有各种形状，但在一个优选实施例中，它具有矩形横截面形状。在出口端60处，喷嘴54最好具有矩形形状，并且长边尺寸在8至14毫米的范围内，短边尺寸在2至6毫米的范围内。喉部58与出口端60之间的距离可在60至400毫米的范围内。

如在美国专利US 6,139,913、美国专利US 6,283,386中披露的，粉末注射管50在大于来自于通道36的加热主要气体压力的压力下将颗粒粉末混合物供给到系统10。喷嘴54产生范围在每秒300米至每秒1200米内的夹带颗粒的排出速度。夹带颗粒在其流经该喷嘴54的过程中获得动能和热能。本领域普通技术人员应该理解的是，气流中的颗粒温度将根据粒径和主要气体温度而改变。主要气体温度被定义为加热高压气体在喷嘴54入口处的温度。使颗粒的这些温度和暴露时间保持足够低以使颗粒即使在受到冲击后始终处在低于它们熔点的温度下，由于动能和热能的传递而不会使原始颗粒的固相产生变化，因此它们的原始物理性能不会发生变化。从喷嘴54排出的颗粒被引向基底表面以对其进行涂覆。

在撞击与喷嘴54相对的基底后，颗粒被压平形成一种瘤状结构，并且高宽比约为5比1。当基底是一种金属或者合金时，并且颗粒包括一种金属或者合金时，撞击基底表面的所有颗粒使表面层上的氧化物破碎并且金属或者合金颗粒接着在颗粒和基底之间形成金属-金属直接键合。在撞击后，动力喷射颗粒基本上将它们所有的动能和热能输送到基底表面并且如果已经超过它们的屈服应力则会粘结。如上所述，对于一种附着在基底上的特定的颗粒，在其从喷嘴54排出后撞击基底时，必须使其达到或者超过其被定义为将附着在基底上时的速度的临界速度。该临界速度取决于颗粒的材料组分。一般地，较硬的材料在其附着于给定的基底之前必须达到较高的临界速度。尽管目前不能精确地得知颗粒与基底接合的性质；但是，相信接合的一部分是由于在颗粒撞击基底后发生塑性变形而导致的。

动力喷射系统10特别适用于生产各种涂层。利用动力喷射系统10将钎焊填充材料涂覆到两个被相互接合在一起的基底中的一个上。提供采用颗粒混合物形式的钎焊填充材料，该粉末的平均标称粒径直径在25至200微米之间较好，最好直径在50至200微米之间。如上所述，选择作为钎焊填充材料的材料可包括金属或者合金，并且其组分取决于待接合的基底的组分。例如，当将铝基底相互钎焊在一起时，填充材料最好包括铝、锌和硅的三元混合物。最好，该三元混合物包括重量百分比为50至78％的铝、重量百分比为12至45％的锌和重量百分比为5至10％的硅，所有的重量百分比都基于钎焊填充材料的总重量。锌为钎焊填充材料提供耐腐蚀性。但是，可使用其他钎焊填充材料，诸如：硅；硅和铝；以及硅、铝、锌和铜。如上所述，在一个实施例中，系统10包括能够在三个维度移动的工作夹具18。这样，将利用钎焊填充材料涂覆的基底可被安装在工作夹具18中并且在喷嘴34前面被操控以精确地描绘需要产生的钎焊表面的面积。在另一个实施例中，可利用工作夹具18例如以每秒0.5至10″的速度输送一片基底经过喷嘴34，从而能够高速产生涂覆有钎焊填充材料的基底表面涂层。当利用动力喷射工艺将钎焊填充材料涂覆到基底上时，它能够产生具有如图3中所示的一系列“凸凹部分”的粗糙涂层。图3示出了喷射有包括铝、锌和硅的混合物的钎焊填充材料的动力喷射钎焊表面的扫描电子显微照片。从喷嘴34到基底的间距约为2厘米。最好在基底上设有每平方米50至100克的钎焊填充材料。

焊剂材料可是本领域普通技术人员已知的任何焊剂。这些包括公知的焊剂，诸如以Nocolok^名称出售的氟铝酸钾。所用的焊剂的组分取决于基底组分和钎焊填充材料组分的性质。在动力喷射工艺后，可利用多种方法将焊剂涂覆到所形成的钎焊表面上，这些方法包括：干燥静态粉末涂覆；干态粉末喷射涂覆，通过筛进行干态粉末沉积，使装有焊剂材料的轮转过钎焊表面，粉末的干态涂抹或者干态刷涂；水-焊剂的浆液的喷射或者将钎焊表面浸渍在水-焊剂的浆液中。通常，通过筛将采用干态粉末形式的焊剂沉积在钎焊表面上，接着通过刷涂所述表面去除多余的焊剂。由于动力喷射钎焊表面所形成的凸凹部分而如图4A和图4B中所示的使钎焊表面能够保留大量的焊剂材料。对于一种特定的涂覆所需的焊剂材料量在每平方米2至50克的范围内，每平方米2至35克较好，最好每平方米6至15克。在图4A中示出了其上沉积有每平方米10克的焊剂材料的钎焊表面的平面图的扫描电子显微照片。从图4A中可以看出，钎焊填充材料的颗粒以80表示并且与位于高点之间的干态焊剂材料86一起形成一系列高点。在图4B中，示出了包含颗粒的钎焊表面90，其上装填有每平方米40克的由96表示的焊剂。

在图5中，对钎焊表面上的干态焊剂粉末的保留情况进行测试。利用干态粉末刷涂使三个试样A、B和C分别装填有干态焊剂。所述试样是10厘米长并且已经动力喷射涂覆有包含铝、锌和硅的钎焊填充材料的铝管。每一个管从5厘米的高度落到平表面上并且记录在落下试验之前和之后表面上的焊剂装填量。条100、106和112表示在第一落下试验之前每一个试样上的焊剂装填量。条102、108和114表示在一次落下之后焊剂的保留情况。如图中所示，通常在第一落下试验后小于10％的焊剂掉落。条104、110和116表示接下来的落下试验的结果。如图中所示，在第二次落下试验后的额外的焊剂损失可以忽略。该结果表明根据本发明涂覆的钎焊焊剂材料能够在完全没有现有技术的涂覆焊剂材料的方法必需的粘结剂、粘合剂或者树脂的情况下很好地附着在动力喷射钎焊表面上。在落下试验后保留的量是重要的。显然，本领域普通技术人员已经知道，所需的焊剂量取决于钎焊填充材料、待接合的表面和焊剂。在第一下落步骤后保留至少5％是优选的，在第一落下试验后保留至少20％的沉积焊剂材料较好，最好在第一落下试验后保留至少50％。

在图6A中示出了焊剂-水浆液中的焊剂浓度对装填在试样上的焊剂量的影响。利用一种涂覆方法对所有的试样进行涂覆并且利用空气喷射去除多余的水。如图6B中所示，湿的焊剂材料容易附着在钎焊表面上。三个试样A、B和C被涂覆焊剂-水浆液并且利用条120、124和130表示初始焊剂装填量。接着使试样从平表面上方的5厘米高的位置处垂直下落并且利用条122、128和132表示下落后保留的焊剂。从图6B中可以看出，在利用湿的焊剂-水浆液的喷射涂覆进行装填后的焊剂材料损失可以忽略。该结果表明根据本发明涂覆的钎焊焊剂材料能够在完全没有现有技术的涂覆焊剂材料的方法必需的粘结剂、粘合剂或者树脂的情况下很好地附着在动力喷射钎焊表面上。在落下试验后所保留的量是重要的。显然，本领域普通技术人员已经知道，所需的焊剂量取决于钎焊填充材料、待接合的表面和焊剂。在第一下落步骤后保留至少5％是优选的，在第一落下试验后保留至少20％的沉积的焊剂材料较好，最好在第一落下试验后保留至少50％。

图7是表示形成钎焊表面的钎焊填充材料140和利用湿-焊剂浆液喷射进行涂覆后保留在表面上的焊剂材料142的扫描电子显微照片。以每平方米8克的密度装填焊剂。

在图8中，利用200表示一种用于涂覆钎焊焊剂材料212的系统。系统200包括可在托架214内转动的轮208。焊剂材料供给器210将焊剂212沉积在轮208的表面上。托架214使轮208保持抵靠已经利用上述动力喷射工艺在基底202的表面上形成的钎焊表面204。在图8中，基底202沿着箭头所示方向移动。供给器210持续将焊剂212涂覆到轮208的表面上，形成带有焊剂的钎焊表面216。轮208可为能够接收焊剂212并且能够将焊剂212沉积在移动的钎焊表面204上的任何类型的轮。在一个优选实施例中，轮208是容易接收粉末焊剂212的宝石型的织物辊。系统200操作简单并且是一种实现本发明的方法。

已经参照相关法定标准对上述本发明进行描述，但实质上说明书是示例说明性的而不是限定性的。本领域普通技术人员显然能够对所披露的实施例进行各种改进和变型并且使其仍在本发明的保护范围内。因此，仅通过研究所附权利要求书才能确定本发明的法定保护范围。

Claims (31)

1.一种用于将钎焊焊剂材料涂覆到钎焊表面上的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)利用动力喷射涂覆将钎焊填充材料直接涂覆到基底上以形成钎焊表面；

(b)将钎焊焊剂材料直接沉积在所形成的钎焊表面上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括，提供一种采用颗粒混合物形式的钎焊填充材料，将所述颗粒混合物夹带在一气流中，所述气体处于不足以使颗粒混合物热软化的温度，引导夹带在气流中的颗粒混合物通过与基底相对设置的超声波喷嘴并且使颗粒混合物加速到足以使颗粒混合物附着在基底上的速度，从而利用动力喷射涂覆形成钎焊表面。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括提供一种颗粒混合物，所述颗粒混合物的平均标称粒径至少为65微米。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括提供一种颗粒混合物，所述颗粒混合物的平均标称粒径在65微米至250微米之间。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括提供温度在300和3000华氏温度之间的气体。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将颗粒混合物加速到每秒300至1200米的速度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供一种包含合金或者金属的钎焊填充材料。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供具有耐腐蚀材料的钎焊填充材料。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供采用一种铝、锌和硅的三元混合物形式的钎焊填充材料。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括提供采用一种铝、锌和硅的三元混合物形式的钎焊填充材料，其中该三元混合物包括重量百分比为50％至78％的铝、重量百分比为12％至45％的锌和重量百分比为5％至10％的硅，所有的重量百分比都基于钎焊填充材料的总重量。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以下列至少一种方式沉积钎焊焊剂：干燥静态粉末，采用一种筛过的干态粉末，利用干态粉末刷涂，采用一种干态粉末，利用使装有焊剂材料的轮转过钎焊表面进行抹涂，采用湿浆液进行浸渍涂覆，采用湿浆液进行喷涂，或者它们的混合。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括直接将每平方米2至40克的钎焊焊剂材料沉积在钎焊表面上。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到包含金属或者合金的基底上以形成钎焊表面。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到包含铝的基底上以形成钎焊表面。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将每平方米50至150克的钎焊填充材料直接涂覆到基底上以形成钎焊表面。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在使具有钎焊表面和涂覆的焊剂材料的基底从5厘米的高度处下落在平表面上后保留重量百分比至少为5％的涂覆的焊剂材料。

17.一种用于将钎焊焊剂材料涂覆到钎焊表面上的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)提供一种采用颗粒混合物形式的钎焊填充材料，将所述颗粒混合物夹带在一气流中，所述气体处于不足以使颗粒混合物热软化的温度，引导夹带在气流中的颗粒混合物通过与基底相对设置的超声波喷嘴并且使颗粒混合物加速到足以使颗粒混合物附着在基底上的速度，从而利用动力喷射涂覆形成钎焊表面，以及

(b)将钎焊焊剂材料直接沉积在所形成的钎焊表面上。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供一种颗粒混合物，所述颗粒混合物的平均标称粒径至少为65微米。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供一种颗粒混合物，所述颗粒混合物的平均标称粒径在65微米至250微米之间。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供温度在300和3000华氏温度之间的气体。

21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将颗粒混合物加速到每秒300至1200米的速度。

22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供一种包含合金或者金属的钎焊填充材料。

23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供含有耐腐蚀材料的钎焊填充材料。

24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括提供采用一种铝、锌和硅的三元混合物形式的钎焊填充材料。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括提供采用一种铝、锌和硅的三元混合物形式的钎焊填充材料，其中该三元混合物包括重量百分比为50％至78％的铝、重量百分比为12％至45％的锌和重量百分比为5％至10％的硅，所有的重量百分比都基于钎焊填充材料的总重量。

26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，以下列至少一种方式沉积钎焊焊剂：干燥静态粉末，采用一种筛过的干态粉末，利用干态粉末刷涂，采用一种干态粉末，利用使装有焊剂材料的轮转过钎焊表面进行抹涂，利用湿浆液进行浸渍涂覆，利用湿浆液进行喷涂，或者它们的混合。

27.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括直接将每平方米2至40克的钎焊焊剂材料沉积在钎焊表面上。

28.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到包含金属或者合金的基底上以形成钎焊表面。

29.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将钎焊填充材料直接涂覆到包含铝的基底上以形成钎焊表面。

30.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括利用动力喷射涂覆方法将每平方米50至150克的钎焊填充材料直接涂覆到基底上以形成钎焊表面。

31.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在使具有钎焊表面和涂覆的焊剂材料的基底从5厘米的高度处下落在平表面上后保留重量百分比至少为5％的涂覆的焊剂材料。

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