鋁合金6061、3A21材料交替真空釬焊工藝方法探究

喬平 王朝 羅錫 王戎 王婷

摘?要：本文從3A21材料鋁合金真空釬焊機(jī)箱缺陷分析入手，通過分析真空釬焊機(jī)制、6061和3A21材料特點、釬焊特點、工藝過程等方面，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，優(yōu)化了真空釬焊工藝過程，解決了鋁合金機(jī)箱焊縫開裂問題，為后續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;真空釬焊;內(nèi)部缺陷

1 緒論

隨著航電系統(tǒng)的發(fā)展，對機(jī)載電子設(shè)備的要求越來越高，要求機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，導(dǎo)電導(dǎo)熱能力強(qiáng)，熱傳導(dǎo)效率高，能適應(yīng)復(fù)雜電磁狀況、高溫濕熱等環(huán)境條件。在這種要求下，鋁合金真空釬焊機(jī)箱及模塊得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金機(jī)箱真空釬焊后，焊接精度高，對于精密焊件可以加工較少的余量，達(dá)到產(chǎn)品的精密要求[1]。

2 6061、3A21材料交替真空釬焊問題

由于生產(chǎn)資源有限，在實際生產(chǎn)中同一個真空釬焊爐會焊接不同材料的箱體。當(dāng)一個真空釬焊爐連續(xù)焊接6061材料，再用該真空釬焊爐焊接3A21材料，發(fā)現(xiàn)3A21材料一次性焊接成功率只有75%，未焊接成功的箱體出現(xiàn)了不同程度的焊縫開裂，如圖1所示。

在箱體精加工后，箱體焊縫處發(fā)現(xiàn)焊縫開裂，這些缺陷基本存在于釬縫內(nèi)部，經(jīng)機(jī)械加工后會暴露在釬縫表面。這些釬焊缺陷的存在會降低箱體的氣密性、水密性和接頭強(qiáng)度。缺陷產(chǎn)生的原因有很多，可能是釬焊件表面清洗不到位，釬焊接頭間隙不合適，釬料與母材的熔化溫度不匹配，釬焊過程中母材或釬料析出氣體等等。

3 6061、3A21材料特點

3A21材料是Al-Mn系鋁合金，屬于熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金，不能通過淬火時效使其強(qiáng)化。3A21材料的塑性及壓力加工性能佳，抗腐蝕性能強(qiáng)，焊接性能良好[2]。3A21材料化學(xué)成分見表1。

6061材料是Al-Mg-Si-Cu系鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化的鋁合金，6061材料具有中等強(qiáng)度，良好的塑性、可焊性和抗蝕性，熱狀態(tài)下有高的塑性，易于鍛造，材料可通過淬火時效強(qiáng)化。6061材料化學(xué)成分見表2。

6061材料與3A21材料在成分組成上差異不大，在元素含量上3A21材料含Mn元素較多，6061材料含Cu、Mg、Si元素較多。

4 6061、3A21材料的真空釬焊

6061材料和3A21材料真空釬焊的工藝流程相同，首先進(jìn)行試裝，試裝無問題后進(jìn)行拆分，隨后將各組成零件進(jìn)行堿洗、酸洗等過程。清洗完成后重新組裝各零件，在組裝過程中同時裝配焊料。箱體組裝完成后入爐進(jìn)行真空釬焊。真空釬焊的過程圖如下。

3A21材料真空釬焊使用的釬料為4004，釬料的化學(xué)成分見表3。6061材料使用的釬料與3A21材料的釬料不同。6061材料使用的釬料的固液相線溫度較低，選用成分為AlSiCuMg的釬料。

真空釬焊的焊接溫度與釬料、母材的固液相溫度有關(guān)，溫度選取高于釬料固液相線溫度30—100℃，同時溫度需低于母材的固液相線。在實際生產(chǎn)中3A21材料真空釬焊的溫度約為610℃，6061材料真空釬焊的溫度約為590℃，兩種材料的真空釬焊溫度相差20℃。按通用真空釬焊工藝流程加工完成后，3A21材料機(jī)箱與6061材料機(jī)箱均無外部缺陷，焊接接縫表面良好，釬角大小合適，過渡圓滑。

5 精加工后釬縫原因分析

兩種材料機(jī)箱真空釬焊的工藝流程相同，真空釬焊溫度不同，釬料不同。兩種釬料元素含量差異最大的是Mg，6061材料使用的AlSiCuMg中Mg含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4004釬料中Mg含量。真空加熱時合金中元素存在揮發(fā)現(xiàn)象，隨著溫度升高，元素的飽和蒸氣壓升高，當(dāng)元素的飽和蒸氣壓大于真空室內(nèi)氣體壓力時，金屬元素開始強(qiáng)烈揮發(fā)。金屬元素的揮發(fā)對真空爐造成嚴(yán)重污染。先焊接6061材料機(jī)箱，接著焊接3A21材料機(jī)箱，兩種材料機(jī)箱使用同一個真空釬焊爐。當(dāng)焊接3A21材料機(jī)箱時，由于溫度高于6061機(jī)箱焊接溫度，附著在真空釬焊爐種的Mg元素，隨著溫度的上升開始揮發(fā)。Mg作為鋁合金的活化劑，對鋁合金表面氧化膜進(jìn)行還原和破壞作用，加速機(jī)箱外圍釬料的流動。由于釬縫間隙內(nèi)部的金屬表面不可能絕對平齊，清潔度也有所差異，加上液態(tài)釬料通鋁合金表面的物理化學(xué)作用等因素的影響，釬料在填縫時以不均勻的速度向前推進(jìn)。釬縫外圍的溫度往往比間隙內(nèi)的溫度高，在這種情況下液態(tài)釬料會加速流動。當(dāng)外圍釬料的流動速度大于內(nèi)部釬料的流動速度，就會形成包圍現(xiàn)象，導(dǎo)致真空釬焊的內(nèi)部缺陷。在焊接過程中，母材和釬料在這個過程中會析出氣體，這些氣體在釬料凝固前來不及全部排除釬縫，會加強(qiáng)包圍現(xiàn)象的形成[3]。包圍缺陷形成過程示意圖如圖3。

真空釬焊后從箱體外觀上并不能發(fā)現(xiàn)包圍缺陷，包圍缺陷屬于焊接內(nèi)部缺陷，經(jīng)過精加工后會顯現(xiàn)出來。

通過以上分析可以得出一個猜測，導(dǎo)致箱體精加工后焊縫處開裂的原因是存在包圍缺陷。作出如下假設(shè)：在真空加熱時，母材及釬料中的合金元素?fù)]發(fā)，隨著真空度的降低、溫度的升高，Mg元素會加速揮發(fā)，使真空爐造成污染。先進(jìn)行6061材料真空釬焊，在真空釬焊過程中，Mg元素會揮發(fā)并附著在真空爐內(nèi)。隨后進(jìn)行3A21材料真空釬焊，由于3A21材料的真空釬焊溫度高于6061材料的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到610℃，附著在真空釬焊爐內(nèi)的Mg元素會再次揮發(fā)，揮發(fā)的Mg元素會加速釬縫外圍釬料的流動速度，使釬縫外圍流動的速度大于其間隙內(nèi)部的填縫速度，結(jié)果造成了釬料對釬縫內(nèi)部的氣體的包圍現(xiàn)象。

6 真空釬焊工藝優(yōu)化

此缺陷發(fā)生在6061材料、3A21材料機(jī)箱交替焊接時，兩種材料使用同一真空釬焊爐，先進(jìn)行6061材料真空釬焊，隨后進(jìn)行3A21材料機(jī)箱真空釬焊。對現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)行3A21材料真空釬焊前，先進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理為設(shè)計真空爐空燒加熱程序，設(shè)置較高的溫度，該溫度大于3A21材料釬焊溫度，使附著在真空釬焊爐中的Mg元素?fù)]發(fā)，并被抽出真空爐。預(yù)處理加熱曲線圖如圖4。

增加預(yù)處理后，3A21材料一次性焊接成功率由原來的75%提高到99%以上，節(jié)省了接頭開裂需補(bǔ)焊所產(chǎn)生的費用，保證了該材料的箱體釬焊環(huán)節(jié)提前或按節(jié)點完成。

7 結(jié)語

本文以某型鋁合金機(jī)箱真空釬焊釬縫開裂為例，從3A21材料、6061材料的特點，真空釬焊過程進(jìn)行分析，設(shè)計了預(yù)處理程序，提高了3A21材料鋁合金機(jī)箱的生產(chǎn)效率，提升了質(zhì)量穩(wěn)定性。對6061材料、3A21材料鋁合金機(jī)箱的焊接具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王飚，李衛(wèi)民.淺談鋁合金真空釬焊機(jī)箱的應(yīng)用與加工[J].航空電子技術(shù)，2014，156（6）：51-54.

[2]黃伯云，李成功，石力開，等.有色金屬材料手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]張學(xué)軍.航空釬焊技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：喬平（1987—?），男，漢族，陜西咸陽人，本科，工程師，研究方向：機(jī)加工藝、真空釬焊。