鋁合金天線釬料鋪展程度及釬焊工藝控制研究

張鈺丹 ， 鄭 真 ， 林 棟 ， 方 坤

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4. 中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；5. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；6. 93128 部隊，北京 100843；7. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

0 引言

真空釬焊采用比母材熔點低的合金材料作為釬料，將母材和釬料用夾具夾持在一起，在真空爐內(nèi)加熱使釬料熔化為液態(tài)，液態(tài)釬料在母材的間隙或表面上潤濕，并在毛細(xì)力作用下流動、填充、鋪展，并與母材相互作用（溶解、擴散或產(chǎn)生金屬間化合物），達(dá)到焊接冶金結(jié)合。影響鋁合金真空釬焊質(zhì)量的因素有：釬料與母材的適用性、母材表面狀態(tài)（氧化膜清洗狀態(tài)、粗糙度等）、母材和釬料的裝夾、釬焊真空度、升降溫速率、釬焊溫度和保溫時間等。

3A21 鋁合金是Al-Mn 系具有較高塑性、較好耐蝕性和焊接性的鋁合金[1]，其熔化溫度范圍在643～654 ℃之間。一般真空釬焊鋁合金主要采用Al-Si 系釬料，該釬料具有良好的潤濕性和流動性，以Al、Si(Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～12%)共晶成分為基礎(chǔ)，是應(yīng)用最廣的一種釬料[2-3]。但該釬料也有熔點較高的缺點。液相線溫度為577 ℃，釬焊溫度達(dá)到600 ℃，釬焊溫度接近母材熔點，易使母材發(fā)生晶粒長大等現(xiàn)象，若釬焊時加熱溫度控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致母材過燒甚至熔化[4-5]。

天線組合為某型產(chǎn)品的關(guān)鍵部件之一，100 件鋁合金天線組合中發(fā)現(xiàn)21 件存在釬料流出堆積現(xiàn)象。天線組合由5 層3A21-H112 原材料板釬焊而成，加工工藝為：下料→熱處理（290 ℃，4～10 h）→數(shù)控加工→清洗→真空釬焊（425～600 ℃，4 h）→數(shù)控加工。由于釬料鋪展程度不同，部分天線釬料堆積在焊趾并沿板材表面鋪展導(dǎo)致天線有效表面積不足，影響電磁波反射信號從而失效。

本研究對天線和原材料板材表面粗糙度、晶粒組織、析出相、焊縫組織、維氏硬度進(jìn)行對比檢測，并進(jìn)行熱處理對比實驗，分析影響真空釬焊質(zhì)量的多個因素，確認(rèn)釬料在板材表面鋪展程度不同的主要因素，確定天線失效原因并提出改進(jìn)措施。

圖 1 實驗材料Fig.1 Experimental materials

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

選用失效天線組合、天線對比件、原材料板對比件和釬料原材料進(jìn)行實驗分析。天線釬焊的5 層原材料板分別命名為1#～5#板，5 層板和釬料經(jīng)真空釬焊焊接在一起。

失效天線外觀形貌見圖1a，板材軋制方向為RD 方向，垂直軋輥直接接觸面的方向為ND 方向，垂直RD 和ND 方向為TD 方向，ND 面為軋制面，RD 面為垂直于軋制方向RD 的面，TD 面為側(cè)面。天線對比件取自天線零件邊緣，為加工后需要去除的部分，用于對比釬焊后釬料的鋪展情況。將失效件命名為F0 件，正常件命名為N0 件（圖1b）。原材料對比件分別取自失效天線和正常天線同批次熱處理后的4#原材料板，用于對比原材料板材的表面質(zhì)量、顯微組織、化學(xué)成分和顯微硬度，失效件同批次原材料板命名為f4，正常件同批次原材料板命名為n4（圖1c）。釬料表面背散射形貌見圖1d。

天線材料為3A21 鋁合金板材，釬料為厚度為0.15 mm 的Al-10.5Si-1.5Mg 鋁鎂硅釬料，f4、n4 原材料板成分見表1，可見失效件和正常件原材料的化學(xué)成分均在3A21 合金要求范圍內(nèi)。釬料原材料的化學(xué)成分見表2。

表 1 原材料板對比件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of compared raw material sheets(mass fraction /%)

表 2 釬料原材料化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2 Chemical composition analysis results of solder (mass fraction /%)

熱處理實驗選用同批次的厚度為12 mm 的3A21-H112 鋁合金軋制板，用于研究熱處理溫度對板材晶粒度的影響。

1.2 實驗方法

1）采用體視顯微鏡和電子探針對失效天線TD 面、ND 面和RD 面釬料鋪展形貌進(jìn)行觀察，采用能譜儀對釬料進(jìn)行能譜分析；采用體視顯微鏡對N0 和F0 件TD 面的釬料鋪展情況進(jìn)行觀察。

2）對原材料板進(jìn)行表面形貌觀察和粗糙度檢測。采用掃描電鏡對n4、f4 板的ND、TD 面進(jìn)行表面形貌觀察，采用觸針式表面粗糙度儀對n4、f4 板的ND、TD 面進(jìn)行粗糙度檢測，分別隨機檢測3 個位置。

3）對N0、F0 和n4、f4 板進(jìn)行晶粒組織檢測。采用電解拋光+陽極化覆膜方法，顯示晶粒組織后在金相顯微鏡下用偏振光進(jìn)行觀察。

4）熱處理實驗。試樣編號及熱處理溫度見表3，熱處理時間均為11.5 h。對試樣ND 面進(jìn)行晶粒度觀察，分析3A21-H112 鋁合金軋制板在不同熱處理狀態(tài)下的晶粒變化情況。

表 3 3A21-H112 鋁合金軋制板熱處理溫度Table 3 Heat treatment temperature of 3A21-H112 aluminum alloy rolling sheet ℃

5）硬度檢測。采用維氏硬度計對原材料板對比件ND、TD 面的硬度進(jìn)行檢測。

2 實驗結(jié)果

2.1 釬料鋪展情況

失效天線各個方向釬料鋪展形貌見圖2，能譜分析結(jié)果見表4。TD 面3#、4#板之間的釬料向4#板鋪展嚴(yán)重（圖2a）；圖2b 區(qū)域1、2 能譜分析結(jié)果表明，釬料鋪展區(qū)的網(wǎng)狀分布的析出相Si 元素含量很高，表明釬料在釬焊過程中熔化流出并形成富Si 的金屬間化合物凝固在板材表面；失效天線ND 面可見4#、5#板之間的釬料向4#板鋪展嚴(yán)重（圖2c）；失效天線RD 面為線切割后的截面，試樣經(jīng)磨拋后可觀察到焊縫與基體交界的兩側(cè)分布有白亮的顆粒狀析出相，白亮相分布和釬料鋪展方向與宏觀觀察方向一致，區(qū)域3 的能譜分析結(jié)果表明，白亮相的Si、Fe、Mn 元素更高（圖2d）。

F0 件TD 面的釬料鋪展情況程度大于N0 件，如圖3 所示。

2.2 原材料表面質(zhì)量對比

n4、f4 板為堿洗后的表面，ND、TD 面的表面形貌見圖4，n4、f4 板的粗糙度檢測結(jié)果見表5。從表面質(zhì)量上看，失效天線同批次的原材料板粗糙度較大。

2.3 晶粒組織檢測

圖5 為n4、f4 板的晶粒組織形貌，由圖可知，f4 板的晶粒尺寸明顯大于n4 板。

2.4 不同熱處理狀態(tài)下的晶粒變化

3A21-H112 鋁合金軋制板組織為纖維組織，織構(gòu)明顯，晶粒為條狀；450 ℃以下的熱處理對軋制組織影響不明顯，織構(gòu)未發(fā)生明顯變化；450 ℃的熱處理對軋制組織影響較大，組織發(fā)生再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500 ℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長大（圖6）。

2.5 硬度檢測

對n4、f4 板的ND、TD 面硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6，可知f4 板的硬度明顯偏低。

3 分析與討論

影響真空釬焊質(zhì)量的可能因素有：

1）釬料與母材的適用性。根據(jù)A1-Si-Mg 三元相圖可知，釬料中主要由α(Al) 相和Si 相的共晶體組成[2]，一般真空釬焊鋁合金主要采用Al-Si 系釬料，但該釬料也有熔點較高的缺點，釬焊溫度接近母材熔點，易使母材發(fā)生晶粒長大等現(xiàn)象，熱處理實驗也表明：450 ℃的熱處理對軋制組織影響較大，組織發(fā)生了再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500 ℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長大。此外，晶粒尺寸較大的板材其硬度較低，說明該釬料的熔點和釬焊溫度對于3A21 母材相對偏高，焊接溫度會對母材性能造成一定的影響。為降低Al-Si 系釬料的熔點，合金化為主要方法之一。研究表明，Ge、In、Yb、Cu 等元素可以降低釬料的熔點，稀土元素的加人能提高Al-Si 基釬料的潤濕性，改善焊接質(zhì)量[6]，但考慮到材料成本，目前主要采用加入一定含量的Cu 元素以達(dá)到降低釬料熔點的目的[3,7-9]。

圖 2 失效天線釬料鋪展情況Fig.2 Solder speading out state of failed antennas

圖 3 N0、F0 件釬料鋪展對比Fig.3 Solder speading out comparison between sample N0 and F0

表 4 失效天線TD、RD 面鋪展釬料能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 4 Solder EDS analysis results of failed antenna on TD and RD surface (mass fraction /%)

2）釬焊工藝。真空釬焊時如果工藝控制不當(dāng)（釬焊溫度過高或升降溫速率過快），釬料中的Si 等合金元素易在釬焊過程中形成金屬間化合物（表4 的能譜分析結(jié)果說明這一點）以及合金元素的偏聚，從而降低焊接接頭的性能[10-11]。此外，釬焊溫度過高，釬料熔化過于充分，易造成釬料流失，并可能會導(dǎo)致釬料氧化，由于釬焊溫度控制不當(dāng)?shù)墓收蠒r有發(fā)生[12]。

3）板材表面狀態(tài)。表面粗糙度對釬焊過程界面元素的擴散和釬料的潤濕鋪展有著重要影響[13]，一定的表面粗糙度對熔化的釬料有著毛細(xì)作用，母材表面太光滑將會導(dǎo)致毛細(xì)作用變差，釬料難以在整個焊縫中鋪展，由此產(chǎn)生的縫隙會使接頭強度降低。為了保證釬料充分鋪展，焊件釬焊面應(yīng)予以粗化。有研究表明，表面粗糙度Ra為0.7～2.0 μm 為宜。但這并非是對所有母材一釬料組合的最佳值，必須通過實驗來確定[14]。在本實驗中，n4、f4 板為堿洗后的表面，具有一定的粗糙度，但粗糙度差別較大，粗糙度較大f4 板的同批板材由于釬料鋪展的過于充分導(dǎo)致釬料流出，故n4 板的粗糙度更為適用，建議控制板材的堿洗工藝和表面粗糙度。

此外，f4、n4 板熱處理后的晶粒尺寸存在明顯差異，這可能是由于熱處理工藝未控制好或者板材熱處理前的晶粒尺寸差異較大造成的，建議嚴(yán)格控制原材料軋制板的熱處理工藝并控制原材料的質(zhì)量和驗收過程。后期通過嚴(yán)格控制板材熱處理溫度在再結(jié)晶溫度以下以及板材晶粒尺寸，此類失效沒有再次發(fā)生。

圖 4 原材料板表面形貌Fig.4 Surface morphology of raw material sheets

表 5 試樣粗糙度檢測結(jié)果Table 5 Surface roughness testing results of samples μm

圖 5 原材料板晶粒組織Fig.5 Grain structure of raw material sheets

圖 6 3A21-H112 鋁合金軋制板在不同熱處理條件下晶粒組織Fig.6 Grain structure of 3A21-H112 aluminum alloy rolling sheet under different heat treatment conditions

表 6 n4、f4 板的ND、TD 面硬度檢測結(jié)果（HV0.05）Table 6 Vickers hardness testing results of sample n4 and f4 on ND and TD surface（HV0.05）

4 結(jié)論

1）Al-Si 系釬料釬焊溫度接近3A21 母材熔點，易使母材發(fā)生晶粒長大等現(xiàn)象，可通過加入一定含量的Cu 元素以達(dá)到降低釬料熔點的目的。

2）450 ℃的熱處理對軋制組織影響較，組織發(fā)生再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500 ℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長大。

3）失效件原材料板和正常件原材料板的粗糙度存在一定差別，是影響釬料鋪展的主要原因之一。

4）與正常件原材料板相比，失效件原材料板存在晶粒較大、硬度較低的情況，通過嚴(yán)格控制板材熱處理溫度在再結(jié)晶溫度以下以及板材晶粒尺寸，可以避免此類失效。