陸建軍, 張權(quán), 侯凱, 楊鑫鑫

（1.中國(guó)人民解放軍空軍駐上海地區(qū)軍事代表室,上海 200090；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090）

鋁合金波導(dǎo)器件表面質(zhì)量分析與工藝優(yōu)化

陸建軍1, 張權(quán)1, 侯凱2, 楊鑫鑫2

（1.中國(guó)人民解放軍空軍駐上海地區(qū)軍事代表室,上海 200090；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090）

某波導(dǎo)器件材料為L(zhǎng)D 31鋁合金,經(jīng)機(jī)械加工、釬焊和化學(xué)清洗后,表面出現(xiàn)異常明顯的晶粒形貌,電性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)駐波系數(shù)超出設(shè)計(jì)要求。使用光學(xué)顯微鏡觀察,器件表面鋁合金材料晶界已出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。對(duì)出現(xiàn)異常的器件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度下降了20%～30%。對(duì)器件表面測(cè)量,粗糙度大于Ra 3.2。經(jīng)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證后,對(duì)釬焊工藝進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)對(duì)化學(xué)清洗工藝進(jìn)行調(diào)整,采用調(diào)整后工藝的器件未出現(xiàn)上述問(wèn)題,電性能測(cè)試符合設(shè)計(jì)要求。

鋁合金；波導(dǎo)器件；釬焊；化學(xué)清洗

0 引言

波導(dǎo)器件作為電磁波傳輸?shù)耐ǖ?在各類雷達(dá)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。近年來(lái),伴隨著波導(dǎo)縫隙陣列天線的發(fā)展,波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,使用的材料也從銅合金轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金等輕質(zhì)合金,波導(dǎo)器件較高的加工精度要求和后處理過(guò)程在一定程度上限制了其發(fā)展。對(duì)于一般的波導(dǎo)器件,表面加工精度要求能夠達(dá)到Ra 1.6,毫米波波導(dǎo)器件則要求達(dá)到Ra 0.8,而且其形位公差也有著更加嚴(yán)格的要求。波導(dǎo)器件電性能的好壞直接影響到了雷達(dá)系統(tǒng)的工作效能。

1 質(zhì)量現(xiàn)象

某波導(dǎo)器件使用LD 31鋁合金作為母材,通過(guò)焊接的方式組合而成,需要保證焊縫無(wú)缺陷,焊根大小合適等要求,焊接方法為氮?dú)獗Ｗo(hù)爐中釬焊。焊接完成后的器件使用化學(xué)清洗方式進(jìn)行清潔,最后進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理。某批波導(dǎo)器件導(dǎo)電氧化完成后發(fā)現(xiàn)表面晶粒宏觀形貌明顯異常并且較粗大,如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)器件局部表面晶粒宏觀形貌

使用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分析儀對(duì)器件進(jìn)行電性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)器件電性能中的駐波系數(shù)高于設(shè)計(jì)指標(biāo),對(duì)器件電磁波傳輸造成一定的能量損耗。由于波導(dǎo)傳輸腔體位于器件內(nèi)部,無(wú)法進(jìn)行有效觀察,使用粗糙度儀對(duì)器件外表進(jìn)行測(cè)量,等效內(nèi)部粗糙度,發(fā)現(xiàn)粗糙度大于Ra 3.2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求Ra 1.6。使用OLYMPUS PM3型光學(xué)顯微鏡對(duì)完整器件表面和切割后的器件內(nèi)部進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)宏觀晶粒明顯的試樣均有不同程度的晶界腐蝕和晶粒粗大現(xiàn)象,晶粒度為5～6級(jí)。將宏觀晶粒明顯且粗大的器件切割后制備成拉伸試樣,使用SHIMADZU AG-1萬(wàn)能拉伸機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度下降了20%～30%,表1為不同形貌試樣對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度。

2 材料與工藝要求

某鋁合金波導(dǎo)器件工藝流程涉及機(jī)械加工、熱加工和化學(xué)清洗等。根據(jù)表面質(zhì)量問(wèn)題現(xiàn)象,器件材料出現(xiàn)了晶粒粗大和晶界腐蝕的微觀組織缺陷。晶粒粗大往往與原材料來(lái)料狀態(tài)以及熱加工過(guò)程有關(guān),而晶界腐蝕則與化學(xué)腐蝕有關(guān)。

2.1 原材料

原材料狀態(tài)為L(zhǎng)D31-CZ狀態(tài),對(duì)晶粒度進(jìn)行檢查,為1級(jí),材料成分與組織狀態(tài)經(jīng)檢驗(yàn)后符合GB/T 3246.1-2000《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法》要求。

2.2 焊接

波導(dǎo)器件的焊接方法為氮?dú)獗Ｗo(hù)爐中釬焊,將箔狀焊料夾持固定在待焊面,再覆以釬劑,釬劑的作用為去除氧化膜和加強(qiáng)焊料流動(dòng)性,將器件加熱至焊料熔點(diǎn)以上固定溫度使焊料熔化、流動(dòng)并填充待焊面或縫,完成焊接[1]。該波導(dǎo)器件使用的焊料為箔狀A(yù)lSiSn Ag Ti定制釬料,釬劑為自配無(wú)腐蝕氟氯酸鉀半固態(tài)混合物。經(jīng)查,焊料與釬劑的成分、濃度均符合工藝要求。器件焊接流程,如圖2所示。

流程中均溫段溫度為550℃,保溫時(shí)間5 min,其主要作用為使釬劑熔化,作用于待焊面及其周圍,去除氧化膜,使焊料更好的潤(rùn)濕和流動(dòng)。焊接段升溫時(shí)間為15 min。焊接段溫度為605℃,保溫時(shí)間5 min,以焊料完全潤(rùn)濕待焊面并流動(dòng)鋪展為結(jié)束。焊后初清洗使用5%檸檬酸溶液將器件浸泡,去除多余釬劑和污物。

表1 試樣抗拉強(qiáng)度

圖2 波導(dǎo)器件焊接流程

LD31鋁合金的過(guò)燒開(kāi)始溫度為550℃～560℃,該溫度范圍內(nèi)或以上,材料晶粒極易長(zhǎng)大,并易對(duì)材料抗拉強(qiáng)度和晶界燒損帶來(lái)較大影響。

2.3 化學(xué)清洗

該波導(dǎo)器件焊后化學(xué)清洗的主要目的是為導(dǎo)電氧化進(jìn)行準(zhǔn)備工作,原有工藝要求如表2所示。

表2 某波導(dǎo)器件導(dǎo)電氧化工藝

鋁合金由于在氧化或大氣環(huán)境中極易形成穩(wěn)定、致密的Al2O3氧化膜,通常在進(jìn)行后續(xù)鍍覆或?qū)щ娧趸^(guò)程中必須將氧化膜去除。表3中的U152溶液實(shí)際上為堿液的低濃度混合溶液,較常規(guī)的NaOH溶液腐蝕性小,適合于精密零件的氧化膜清除。

表3 不同焊接工藝晶粒長(zhǎng)大對(duì)比

鉻酸與鹽酸混合溶液對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō),其腐蝕能力較小,不會(huì)對(duì)材料造成明顯的影響。阿羅丁是波音公司發(fā)明的商用導(dǎo)電氧化溶液,能夠使鋁合金表面形成一層致密的金黃色氧化膜,提高零件在大氣環(huán)境中的存放時(shí)間,同時(shí)也能夠?yàn)楹罄m(xù)的鍍覆或噴涂過(guò)程起到提高結(jié)合力的作用[2]。

3 分析與解決措施

針對(duì)缺陷,對(duì)焊接過(guò)程以及化學(xué)清洗過(guò)程進(jìn)行分析和試驗(yàn),并提出解決措施。

3.1 焊接

為了判斷550℃以上,器件不同保溫段、升溫段和焊接段時(shí)間對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了如表3所示的試驗(yàn)。

由表3可發(fā)現(xiàn),晶粒度大小與焊接過(guò)程中550℃以上總體保溫試件存在較大關(guān)系。圖3為1、2、3、4號(hào)試樣焊縫成型效果,如圖所示。

圖3 試樣焊縫效果

1號(hào)試樣焊縫成型良好,但漫流區(qū)域較大；2號(hào)試樣焊縫成型良好,漫流區(qū)域較??；3號(hào)試樣焊縫成型效果較差；4號(hào)試樣焊縫成型效果良好,但有明顯焊縫粗化現(xiàn)象。為了防止晶粒過(guò)度長(zhǎng)大,并保證焊接質(zhì)量,分析認(rèn)為升溫段時(shí)間可以進(jìn)行縮減,2號(hào)試樣工藝較為合理。

3.2 化學(xué)清洗

根據(jù)問(wèn)題分析,可以發(fā)現(xiàn)堿液清洗環(huán)節(jié)中,最有可能對(duì)鋁合金表面產(chǎn)生腐蝕,從而形成明顯的晶粒顯現(xiàn),嚴(yán)重的甚至可以將晶界腐蝕。為此,使用晶粒度5～6級(jí)的焊接試件在U 152溶液中清洗10 s～15 s,發(fā)現(xiàn)試件表面已能夠潤(rùn)水,且潔凈無(wú)污,酸洗與導(dǎo)電氧化過(guò)程不做改變,試件制備完畢后并未發(fā)現(xiàn)明顯晶粒顯現(xiàn),使用光學(xué)顯微鏡觀察,晶界無(wú)任何腐蝕現(xiàn)象。

波導(dǎo)器件的作用是傳輸電磁波,電磁波在傳輸過(guò)程中,如果遇到與設(shè)計(jì)要求不符的阻礙或者其他雜質(zhì),電性能指標(biāo)將發(fā)生變化,特別是駐波系數(shù),反映出天線反射回發(fā)射或接收機(jī)功率的多少[3],駐波系數(shù)偏高會(huì)導(dǎo)致電磁波傳輸能力下降,影響了系統(tǒng)的整體性能。金屬波導(dǎo)表面粗糙度較高會(huì)影響電磁波傳輸,某波導(dǎo)器件駐波系數(shù)不合格與表面粗糙度有較大關(guān)系。堿洗過(guò)程中,溶液將金屬表面的氧化膜層腐蝕剝落,但過(guò)度清洗則會(huì)對(duì)基體造成腐蝕,宏觀表現(xiàn)為粗糙度提高,對(duì)減少U 152溶液清洗時(shí)間的試件進(jìn)行了表面粗糙度的檢驗(yàn),其粗糙度小于Ra 1.6。

圖4中為工藝改進(jìn)前后器件表面情況的照片,從圖4（b）照片可以看出,表面粗大晶粒已不存在,經(jīng)顯微鏡觀察,未發(fā)現(xiàn)晶界腐蝕現(xiàn)象,表面粗糙度小于Ra 1.6,電性能測(cè)試符合設(shè)計(jì)要求[3]。

圖4 工藝改進(jìn)器件與原器件表面狀態(tài)對(duì)比

4 結(jié)論

對(duì)于使用LD 31鋁合金進(jìn)行爐中釬焊的波導(dǎo)器件,在保證焊縫質(zhì)量的前提下,焊接升溫過(guò)程在時(shí)間上適當(dāng)做縮短調(diào)整有益于表面質(zhì)量的提高；化學(xué)清洗過(guò)程中,LD 31鋁合金較容易出現(xiàn)晶界腐蝕現(xiàn)象,必須對(duì)浸漬溫度和時(shí)間嚴(yán)格控制,將U 152溶液清洗時(shí)間縮短為10 s～15 s,器件表面質(zhì)量將有較大提高。

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009：711-712.

[2] 汪定江、潘慶軍、夏成寶.軍用飛機(jī)的腐蝕與防護(hù)[M].北京：航空工業(yè)出版社,2006：114.

[3] 林昌祿.天線工程手冊(cè)[S].北京：電子工業(yè)出版社,2002：12.

Analysis of Surface Quality and Process Optimization of Aluminum Alloy Wave-guide Device

LU Jian-jun1, ZHANG Quan1, HOU Kai2, YANG Xin-xin2
（1.Military Representative Office by PLA of SAST；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

Aluminum alloy wave guide device made by LD 31 aluminum alloy after mechanical fabrication,brazing and chemistry cleanout can be found that crystal appearance show obviously and VSWR is lager than design value by 1 dB.The corrosive were found on grain boundary of wave-guide device using light microscope.The material tensile strength of wave-guide device fall 20%～30%.The surface roughness was greater than Ra 3.2.Optimized brazing process and adjusted chemistry cleanout process after test and analysis.The wave guide no longer appear these problems.

aluminum alloy；wave-guide device；brazing；chemistrycleanout

TN25

A

1671-0576（2014）02-0057-04

2014-02-10

陸建軍（1971-）,男,碩士,工程師,主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)研究；張權(quán)（1980-）,男,本科,工程師,主要從事制導(dǎo)與通信技術(shù)研究；侯凱（1981-）,男,碩士,工程師,主要從事波導(dǎo)器件釬焊技術(shù)研究。