钎焊复合箔“铸轧-冷轧复合”短流程生产工艺开发

田国建 刘前换 史明飞 卢建兵

摘要：采用铸轧坯料组织细化处理技术及“三步轧制法”在线表面处理-轧制复合-扩散退火处理，实现多层材料界面的冶金结合并获得均匀包覆率。通过加工率的合理设计和退火工艺优化，使复合铝箔具有良好的抗下垂性和较好的耐腐蚀性能。解决了行业内无法用铸轧法代替热轧法生产复合铝箔的难题，突破长期以来热轧法生产复合铝箔生产周期长、成材率低的瓶颈。复合铝箔的生产成本大大降低，节能降耗明显，冷轧复合产品市场应用前景广阔。

关键词：铸轧;包覆率;冷轧复合;钎焊

中图分类号： TG 146.2文献标志码： A

Development of "cast rolling-cold cladding" short process production technique for brazing composite foil

TIAN Guojian， LIU Qianhuan， SHI Mingfei， LU Jianbing

（Jiangsu Dingsheng New Materials Joint-stock Co.， Ltd.， Zhenjiang 212141， China）

Abstract： The metallurgical bondingof multi-layer materialinterfaceand uniformclad ratio were obtained by using the casting rolling billet microstructure refinement treatment technology and "three- step rolling method" on-linesurface treatment-rolling compound-diffusionannealing treatment. The composite aluminum foil show good sag resistance and corrosion resistance through the reasonable design of processing rate and optimization of annealing process. It solves the problem that the cast rollingmethodcannotreplacethehotrollingmethodtoproducecompositealuminumfoilinthe industry，and breaksthroughthe bottleneckof long productioncycleandlowyieldof composite aluminum foil produced by hot rolling for a long time. The production cost of composite aluminum foil is greatly reduced， energy saving and consumption reduction are obvious， and the market application prospect of cold-rolled composite products is broad.

Keywords： cast rolling; coating rate ; cold-rolling cladding; brazing

隨着汽车保有量不断上升及应用领域的不断拓展，全球钎焊式热交换器用铝合金及铝合金复合材料的需求量在逐年上升。目前，国内外这种复合材料均多采用热轧复合法制备，由于热轧复合需要由半连续铸轧生产的厚板锭经锯切铣面及多道次热轧成复合坯料进而轧制成品，整个过程周期长、效率低、能耗高、成品率损耗大，同时热轧复合面临整体设备投资大、成本高等弊端，使得产品加工成本较高[1]。生产出的复合铝箔包覆层头尾及宽度方向均匀性差，影响了下游客户钎焊质量及稳定性，产生焊后收缩或倒伏、翅片融蚀、虚焊漏焊等质量缺陷。近年来，已有研究对“铸轧+冷轧复合法”短流程绿色生产工艺进行探究并联合企业将其成功应用于高精度窄幅（800 mm 以内）异种金属复合轧制[2]，但将此工艺方法应用于宽幅（800～1600 mm）钎焊复合铝箔生产的工艺技术尚未公开。开发出在解决热轧复合法以上不足的同时，又能够确保钎焊复合铝箔成品关键特性指标不低于热轧法复合产品的工艺意义重大，本文以钎焊式热交换器用复合翅片制备为例进行分析探讨。

1 工艺流程

冷轧复合钎焊复合翅片芯材为 DS301铝合金，其具体成分标准及本次试样铸轧坯料成分实测值如表1所示，皮材为 AA4343铝合金，复合结构及包覆比例（按质量分数）为10%AA4343/DS301/ 10%AA4343铝合金，成品合金状态为 H16态，厚度为0.08 mm，钎焊前要求抗拉强度为180～220 MPa，屈服强度≥160 MPa，伸长率≥0.5%。

“铸轧-冷轧复合”法复合翅片生产工艺及常规热轧复合工艺路径分别如图 1和图 2所示。

冷轧复合钎焊复合翅片具体生产工艺流程如下：首先，由连续铸轧法生产厚度6～7 mm 的皮材及芯材坯料，坯料分别制备厚度0.5 mm 的皮材及厚度4.0 mm 的芯材，经1850冷轧复合机冷复合得到厚度为2.0～2.5 mm 复合坯料，成品前道次采用52%压下量。对比热轧复合常规由芯材铸锭厚度400～500 mm 搭配厚度50 mm 皮材复合，总轧制道次大大减少，短流程化效率提升，同时，无需热轧高能源消耗，同时规避了铣面、热轧头尾锯切等大比例成材率损耗。统计对比来看，冷轧复合翅片生产周期较传统热轧生产周期缩短15 d 左右，成材率由传统热轧平均成材率73%提升至82%左右，设备投资由传统热轧平均投资4～5亿元降低至1.5～1.8亿元。

2 关键工艺技术

2.1 坯料组织细化技术

通过加入 Al-Sr3中间合金相对4系铝合金凝固组织进行细化处理，铝液与 Al-Sr3发生扩散反应，形成 Al2-Si2-Sr 金属化合物，通过中间合金形态、大小、添加量的调整，控制其对4系铝合金铸轧坯料组织的影响， Sr 的吸收率控制在75%～90%。结合铸嘴分布、铸轧区、铸轧速度、温度的控制，使4系铝合金皮材变质效果良好，无粗大初晶硅产生，如图 3所示，合金通过铸轧法稳定生产。通过加入 Ti-Al3、Ti-B2中间合金相对3系铝合金凝固组织进行细化处理。结合铸嘴分布、铸轧区、铸轧速度、温度的控制，降低中心层偏析等缺陷的产生。

2.2 三步法冷轧复合工艺

在线表面处理技术，采用物理、化学方法对铝板表面进行处理，去除板材表面油污、氧化膜，形成硬化层，增大结合表面积，以提高复合板的界面结合强度，为物理接触的形成阶段创造条件。常用的方法是机械法和化学法，三步法冷轧复合工艺中采用的是机械法，主要是采用特制的钢刷及砂带对芯材上下表面进行打磨，对上皮材的下表面进行打磨，对下皮材的上表面进行打磨，并通过毛刷和真空抽吸装置将铝粉等表面脏污抽吸干净，保证结合面的清洁。在打磨之前，对 AA4343铝合金（厚度0.5 mm）皮材、DS301铝合金（厚度4.0 mm）芯材分别进行热处理以降低金属变形抗力，热处理设备为氮气保护炉。较低的金属变形抗力和较小的轧制复合变形程度可以提高产品的复合精度，解决了金属表面二次氧化污染和轧制复合变形的风险，同时也降低了设备负荷，并延长了复合轧机和电机的使用寿命。

冷轧复合技术采用高黏度的润滑剂对轧辊进行润滑，避免粘伤，并保证铝合金板表面质量满足工艺要求。轧辊采用分段多通道冷却，确保轧辊变形均匀，并最终确保产品板型满足工艺要求。道次加工率和轧制速度的合理匹配是关键，不同材料临界变形率不同，铜铝复合的临界变形率为37%，铝合金钎焊复合板的冷轧加工率在50%时最佳[3]。轧制速度是把双刃剑，速度提升会提高界面温度，有利于金属组元的复合，但是速度的提升缩短了界面结合的有效时间，不利于金属间的机械结合。低速复合生产有利于金属的界面结合，但显著降低了生产效率。三步法冷轧复合工艺中，试验验证冷轧复合一道次加工率为50%～60%，冷轧复合速度为8～15 m/min 时，复合界面效果最佳，冷复合一道次由三层厚度5 mm 轧至厚度2.0～2.5 mm，宏观观察冷轧复合后皮材无脱落，皮材与芯材界面清晰，机械结合较好，如图4中扫描电子显微镜（scanningelectron microscope，SEM）图所示。通过图5中界面成分线扫描观察主体 Si及 Mn，未发生界面互扩散，电子背散射图（electron back scattering diffraction，EBSD）中可见 Si 颗粒成椭圆状，且均匀、弥散分布。

扩散退火技术：轧制复合过程分为物理接触、接触表面激活和扩散3个阶段，轧制复合后的界面结合属于机械物理结合，需要进行退火处理实现机械复合向冶金结合的转变[4]。这不仅可以消除缺陷（界面空洞、氧化物夹杂）和内部残余应力，在两侧形成一定深度的元素互扩散层，还可以增强界面的结合强度，如图 6所示，在扩散退火后，皮材中的 Si 向芯材扩散，芯材中的 Mn 向皮材微量扩散。通过扩散退火后表面发生变化，对最佳退火温度和时间进行试验探究，结果表明：针对厚度为2.0～2.5 mm 的冷轧复合铝材，保温时间设定为2h 时，扩散退火温度高于420℃，即会在复合界面产生图 7中的鼓泡，鼓泡的产生在后续冷轧过程中会引发复合层脱落及断带问题。

2.3 成品前退火及轧制道次设计

成品前退火工艺及末道次轧制加工率直接决定了成品力学性能及钎焊前后的组织，钎焊后的晶粒组织又影响翅片的抗下垂性及耐腐蚀性，相关研究表明，高温钎焊后得到长条状的晶粒组织才能有效阻碍 Si 的扩散，从而提高抗下垂性，同时长条状晶粒组织的层数越多，对翅片发生横向腐蚀延长腐蚀穿透时间有利[5]。经交叉试验验证，搭配中低温长时间成品前退火制度（330℃金属到温后保温5 h）及大加工率末道次轧制（54%压下量），成品翅片晶粒呈现扁长轧态组织，焊后再结晶后呈现最有利的两层以上长条状晶粒组织，如图8所示。

3 冷复合成品关键特性

3.1 包覆率

取冷轧复合翅片中间厚度0.5 mm 横幅样，由以上横幅全宽样片从操作侧边部、1/4处、1/2位置、1/4处、传动侧边部取5张样片进行复合比检测，冷复合翅片包覆率检测金相图如图9所示，检测结果如表2所示，理论设计值为10%，实际值在10.100%～10.911%波动，极差为0.811%，相比相关文献中的热轧复合翅片复合比极差值4.4%，冷复合翅片包覆率均匀性具有极大优势，有利于提升后续芯体钎焊质量及成品率。

3.2 抗下垂性

采用抗下垂检测装置将冷轧复合工艺成品0.08 mm 厚翅片及对标厂家热轧同规格复合翅片放置在同一马弗炉中，根据以下的升温制度升高温度：由室温20 min 升温至600℃，保温10 min 后立刻取出试样，采用数显游标卡尺测量下垂数据，对比检测结果，数据汇总如表3所示，冷复合4组平行试样下垂均值为26.81 mm，热轧复合翅片4组平行试样下垂均值为27.60 mm，冷复合翅片抗下垂性能较热轧复合翅片有提升。

3.3 耐腐蝕性

终端客户将冷复合翅片及对标同规格状态热轧复合翅片应用于冷凝器芯体，将两种翅片的芯体放置于相同 SWAAT 盐雾腐蚀测试条件下进行相同天数的测试，宏观观察整体芯体翅片的腐蚀脱落率相当，如图10所示。对腐蚀后翅片截面进行金相分析，对比腐蚀后翅片腐蚀坑的形貌、深度及数量，如图 1 1所示。从图 1 1中可见，冷复合翅片腐蚀后腐蚀坑数量及深度均低于热轧复合翅片，从腐蚀形貌上判断，冷轧复合翅片呈现横向层状腐蚀倾向[6-8]，层状腐蚀的产生可能与芯材中心层偏析有关。从微观焊后晶粒组织来看，与冷复合翅片焊后在厚度方向上出现多层晶粒分布的组织结构有相关联的可能。热轧复合翅片腐蚀表现为点腐蚀，继而发生纵向穿透腐蚀，直至失效，产生原因为热轧复合翅片钎焊后厚度方向上一般呈现为单层晶粒分布。冷复合翅片焊后出现层状腐蚀有利于提高翅片结构支撑性，并延长使用寿命。

4 结论

（1）通过铸轧坯料组织细化处理技术及“三步轧制法”在线表面处理-冷轧复合-扩散退火工艺，能够实现多层材料界面的冶金结合，并获得均匀稳定的包覆率。

（2）采用54%成品道次加工率及金属330℃到温保温5 h 的中低温长时间成品前退火制度，成品复合箔钎焊后能够获得长条状多层晶粒组织结构，使复合铝箔具有良好的抗下垂性和较好的耐腐蚀性能。

（3）“铸轧-冷复合”短流程生产工艺能够突破热轧法生产复合铝箔生产周期长、成材率低的瓶颈，生产成本大大降低，节能降耗明显，应用前景广泛。

参考文献：

[1]冯海龙.铝合金钎焊板热轧复合工艺研究[J].世界有色金属， 2019（10）：159，161.

[2]刘前换， 卢建兵， 史明飞.冷轧复合翅片在热传输领域的应用[J].世界有色金属， 2020（14）：211–213.

[3]孙鹏.铝合金钎焊复合板冷轧工艺分析及轧制力计算[J].有色金属加工， 2014， 43（3）：39–40，27.

[4]徐高磊， 张迎晖， 林木法， 等.铜铝复合材料的研究与应用[J].有色金属加工， 2008， 37（4）：6–8.

[5]袁婷， 涂益友， 张敏达， 等.微观组织对复合钎焊铝箔抗下垂性的影响[J].材料热处理学报 ， 2011， 32（9）：121–124.

[6]凌亚标， 孙兴隆.提高汽车铝散热器耐腐蚀性的途径[J].汽车零部件， 2014（12）：11–13.

[7]田国建， 刘前换， 史明飞， 等.冷复合长寿命钎焊板材的腐蚀机制研究[J].世界有色金属， 2020（9）：193–194.

[8]刘建文.汽车铝合金热交换器的腐蚀[J].汽车工艺与材料， 1999（11）：20–21.