[发明专利]均衡高热型铝热焊剂

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种铝热焊剂的成分配方。利用化学反应平衡移动原理，通过移动铝热焊剂的热峰，使焊剂燃烧达到均衡发热、温高不爆的效果。

背景技术

铝热剂焊，亦称热熔焊，是利用还原剂铝和金属氧化物粉末还原反应形成的单质金属填充焊缝，并利用所产生的高温，熔化被焊接材料，达到焊接目的的一种焊接方法。铝热剂焊是一种冶金结合的永久性连接，相比与传统的螺栓连接，铝热焊方法具有操作简单、效率高、焊缝性能好、适用范围广等优点，应用很广泛。

为了得到合格的焊接接头，必须让焊剂具有较高的产热量，才能保证生成的液态铜具有很好的流动性和浸润性，避免焊缝填充过程中产生冷隔、气孔、夹渣等缺陷。但如果产热量过大，一方面会产生喷溅问题，影响接头质量；另一方面，过大的热量将会使之发生热爆，破坏仪器和器具，更将会危及人身安全。因此，焊剂的配置必须考虑到安全问题，合理控制发热量。

现有铝热焊剂都是由发热剂、合金剂和造渣剂三部分组成，焊剂的热量控制策略主要采用如下几种方法。首先，发热剂量决定着反应放热量，发热剂量小，燃烧温度就低，达不到材料熔接的要求，但发热剂量大，则由于燃烧温度太高，使得内部气体急剧膨胀，发生飞溅和爆炸。可见找出合适的发热剂量是非常重要的。其次，铝粉粒度也是热量控制十分重要的参数，它直接影响着燃烧状态。这是由于细粒度的铝粉因反应进行非常快，以致反应瞬间向周围环境的热损失(热传导造成的)没有发生；而粗颗粒的铝粉需要一定的熔化并扩散的时间，热产生和热损失同时进行，故温度曲线的峰值低。从不同粒度铝粉的燃烧温度-时间曲线可见，随着铝粉粒度的增加，燃烧温度的升幅变小，反应时间延长。铝粉的粒度影响了燃烧速度，从而影响了燃烧峰值温度。氧化铜组份的颗粒度对单位时间内的发热量也有很大的影响，颗粒越细，铝与氧化铜之间的接触表面积越大，单位时间内的发热量越大，反应越剧烈，粉末飞溅，甚至产生爆炸。在剧烈的热力作用下，填充不平稳，焊缝缺陷多，质量难以保证。因此，颗粒度控制也是热量控制的一种主要方法。另外，在不同的燃烧体系，燃烧温度随时间变化趋势不同。例如，常用的Al-CuO体系、CaSi₂-CuO体系具有不同燃烧速度和燃烧温度，将不同的燃烧体系共混，也可达到控制热量的目的。

目前国内市场上的铝热焊剂有很多种，一般国外焊剂价格是国内焊剂的数倍，焊接效果略占优。这些焊剂在热量控制方面都采用了发热剂含量、铝粉剂量及粒度、供氧剂数量及粒度、化学配比、添加剂种类和粒度等控制方法，但这些因素都比较敏感，热量控制较难掌握，随环境温度及冷却条件不同，焊接效果有很大差别。因此，钝化影响铝热剂放热的参数，改进焊剂配方，控制燃烧热量，提高焊接质量，赶超国外技术水平，是本发明的主要目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种放热量大且安全可控的铝热焊剂。

本发明方法的整体构思如下：

从热力学角度上讲，氧化还原反应是吸热或放热反应，遵循化学平衡移动原理，在一定条件下，反应过程可以逆转。图1所示，在低温时，镁比铝活泼，但在高温条件下，铝比镁活泼，因此，在高温时，还原剂铝可以从氧化镁中将镁置换出来。理论上用标准吉布斯自由能变化值ΔG的大小，来预期某种氧化物的还原反应能否进行。

4/3Al(l)+2MgO(s)＝2Mg(g)+2/3Al₂O₃(s)

ΔG_Mg＝344900-197.78T  (J)；

由ΔG_Mg＝O计算出氧化还原反应中Al还Mg起始温度为1743.86K(1371℃)。同时，氧化镁的热还原是一个吸热反应，氧化镁被还原反应的热效应是很大的，其数值为：

2Al(l)+3MgO(s)＝3Mg(g)+Al₂O₃(s)

30.97-601.24127.6-1669.8，(kJ/mol)

ΔH＝1669.8-127.6×3-601.24×3+30.97×2＝-454.78kJ

由以上计算可知，氧化镁用铝还原的反应需要从外界吸入热能才能完成。利用氧化镁在高温(1743.86K以上)时还原过程吸收外部的热量，可以吸收部分铝热剂燃烧所放出的热量，削弱铝热剂的热峰，防止温度陡升，这样可以防止温度过高而产生喷溅和爆炸。而且氧化镁还原过程只在高温阶段吸收热能，因此对铝热剂燃烧反应的速度影响不大。