李 琪，劉鳳美，侯 斌，秦紅波，戴宗倍

廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院) 廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510650

散熱器作為提高能源利用率的主要設(shè)備之一，被廣泛用于汽車、雷達(dá)、集中供暖、機(jī)械等領(lǐng)域[1].鋁合金高效水冷板是一種單流體散熱器，散熱系數(shù)高，可高效冷卻功率器件、印制板組裝件及電子機(jī)箱等，在電子設(shè)備熱控制技術(shù)中的應(yīng)用得到了諸多關(guān)注[2].復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)使其在傳統(tǒng)焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生微小的通道堵塞、變形等問(wèn)題[3-4].因此，其焊接方法的選擇與研究對(duì)強(qiáng)化電子設(shè)備熱控制技術(shù)、提高能源利用率具有重要意義[5].

擴(kuò)散焊是指在一定溫度和壓力下，被焊的兩個(gè)工件原子之間的電子相互作用并相互遷移，形成相應(yīng)的共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵，最終形成較為牢固的焊接接頭的過(guò)程.擴(kuò)散焊具有焊接質(zhì)量好、零件變形小、可焊接大面積接頭等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于同種或異種金屬之間的焊接，如Al/Al，Al/Mg，Ti/鋼等[6-8].

本文討論了真空擴(kuò)散焊接工藝參數(shù)(焊接溫度、焊接壓力和保溫時(shí)間)對(duì)焊接接頭性能的影響，研究了6061鋁合金擴(kuò)散焊接工藝與性能之間的關(guān)系，并在最優(yōu)工藝參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金水冷板的可靠性連接.

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為6061鋁合金，通過(guò)線切割將鋁合金棒材切割成Φ15 mm×40 mm的圓棒.在焊接前將鋁合金試樣依次用800號(hào)、1000號(hào)、1200號(hào)、2000號(hào)SiC砂紙打磨，以去除鋁合金表面氧化膜.然后用酒精或丙酮超聲清洗10 min，再用無(wú)塵布擦干鋁合金表面.最后將其置于真空擴(kuò)散爐中，在一定的焊接溫度、焊接壓力和保溫時(shí)間下進(jìn)行真空擴(kuò)散焊接.本試驗(yàn)的焊接工藝為：焊接溫度490～540 ℃，保溫時(shí)間3～9 h，焊接壓力0.5～4.5 MPa.

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(GP-TS2000)測(cè)試焊后鋁合金對(duì)焊樣品的拉伸強(qiáng)度，拉伸試樣為Φ15 mm×40 mm棒材對(duì)焊件.焊后試樣經(jīng)切割、鑲嵌、拋光，并用化學(xué)腐蝕液腐蝕后，制備成所需金相試樣.腐蝕液配方為：V(HF)∶V(HCl)∶V(HNO3)∶V(H2O3)=2∶3∶5∶10.使用光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的金相組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接溫度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

在保溫時(shí)間為7 h、焊接壓力為3.5 MPa的條件下，焊接溫度對(duì)鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖1所示.由圖1可知，隨著焊接溫度的升高，鋁合金擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度先增大后減小.當(dāng)焊接溫度為530 ℃時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)最高值137.3 MPa.當(dāng)焊接溫度較低時(shí)，6061鋁合金母材的塑性變形能力較差，母材中的元素相互擴(kuò)散能力較弱，界面處未能形成良好的微觀接觸，此時(shí)焊縫區(qū)域的相互接觸面積較小，焊縫處存在大量未焊合區(qū)域，導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強(qiáng)度較低.隨著焊接溫度的升高，母材的塑性變形能力增大，對(duì)焊母材間元素相互擴(kuò)散能力迅速增強(qiáng).擴(kuò)散接合界面附近的Al原子隨溫度升高，其獲得的能量更高，在界面附近的元素?cái)U(kuò)散地更充分，形成了良好的擴(kuò)散鍵，使焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高.進(jìn)一步提高焊接溫度，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度反而有所下降.這是因?yàn)殡m然溫度的提高能使元素間的互擴(kuò)散加快，形成良好的對(duì)焊接頭，但是焊接接頭處，因溫度升高，界面處晶粒長(zhǎng)大，焊接區(qū)域接頭界面處附近的組織也逐漸粗大，過(guò)大的晶粒尺寸反而導(dǎo)致擴(kuò)散焊界面處的抗拉強(qiáng)度降低[6,8].

圖1 焊接溫度對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig.1 The effect of bonding temperature on the tensile strength of welded joints

2.2 焊接壓力對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

在焊接溫度為530 ℃和保溫時(shí)間為7 h的條件下，鋁合金擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度與焊接壓力之間的關(guān)系曲線如圖2所示.由圖2可知，當(dāng)焊接壓力為0.5 MPa時(shí)，擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度僅為42.3 MPa.隨著焊接壓力的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高.當(dāng)焊接壓力低于3.5 MPa時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高幅度較大.當(dāng)焊接壓力從3.5 MPa增加到4.5 MPa時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高幅度不大，僅提高4.5 MPa.在焊接溫度530 ℃、保溫時(shí)間7 h和焊接壓力4.5 MPa的條件下，鋁合金的變形量為7%～8%.在保證焊接接頭變形不大的前提下，選擇最佳焊接壓力為3.5 MPa.施加一定的焊接壓力能使焊接母材的表面產(chǎn)生微觀變形， 破壞母材表面的氧化膜，增加界面位錯(cuò)密度，促進(jìn)焊縫界面原子間擴(kuò)散，抑制界面孔隙的形成[6,9,10].但是當(dāng)焊接壓力增加到一定值后，繼續(xù)增加焊接壓力對(duì)改善焊接接頭性能的作用不是非常明顯，而且過(guò)大的焊接壓力會(huì)增加焊接接頭的變形，對(duì)焊件產(chǎn)生不利影響.

圖2 焊接壓力對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of bonding pressure on the tensile strength of welded joints

從再結(jié)晶成核和生長(zhǎng)階段的能量理論來(lái)看，當(dāng)焊接壓力較小時(shí)，成核所需的能量大于晶粒生長(zhǎng)所需的能量，導(dǎo)致再結(jié)晶發(fā)生時(shí)形核的數(shù)量并不多，而此時(shí)晶粒卻快速長(zhǎng)大，進(jìn)而形成較大的再結(jié)晶晶粒.當(dāng)焊接壓力較大時(shí)，成核所需的能量小于晶粒生長(zhǎng)所需的能量，此時(shí)更容易成核，并且成核數(shù)目較多時(shí)，晶粒只需在較小幅度長(zhǎng)大，便會(huì)發(fā)生相互間阻礙， 使得再結(jié)晶晶粒變小[11-12].因此，在其他工藝條件恒定的情況下，焊接壓力的增加導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒變小.

2.3 保溫時(shí)間對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

在焊接溫度530 ℃和焊接壓力3.5 MPa的條件下，保溫時(shí)間對(duì)鋁合金擴(kuò)散焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖3所示.從圖3可知，當(dāng)保溫時(shí)間為3 h時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為56.7 MPa.隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度先增加后減小.在保溫時(shí)間為7 h時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值137.3 MPa.在擴(kuò)散焊接的過(guò)程中，延長(zhǎng)保溫時(shí)間可使界面元素充分地?cái)U(kuò)散， 有利于焊接接頭組織與成分的均勻化.保溫時(shí)間較短時(shí)，界面原子間擴(kuò)散不充分，不能形成廣泛的原子間結(jié)合，因此接頭的剪切強(qiáng)度較低.但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，使接頭的抗拉強(qiáng)度降低.

2.4 焊接接頭的顯微結(jié)構(gòu)

圖4為6061鋁合金擴(kuò)散焊接接頭的金相組織照片.從圖4(a)-4(c)可看出，當(dāng)焊接溫度較低或焊接壓力較小、保溫時(shí)間較短時(shí)，在焊接區(qū)域均存在一條相對(duì)明顯的焊縫，此時(shí)沒(méi)有共有晶粒，表明兩個(gè)被焊試樣之間的原子擴(kuò)散并不充分.隨著焊接溫度、焊接壓力、保溫時(shí)間的增加，焊接接頭的焊縫明顯變細(xì)甚至部分區(qū)域消失.從圖4(d)可以看出，兩個(gè)焊件之間的焊縫已經(jīng)不明顯，焊縫的大部分區(qū)域已經(jīng)消失，焊縫區(qū)域類似于基體晶界，而且沒(méi)有孔洞，存在大量的共有晶粒，結(jié)合良好.

圖3 保溫時(shí)間對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of holding time on the tensile strength of welded joints

圖4 6061鋁合金擴(kuò)散焊接頭的組織(a)490 ℃×3.5 MPa×7 h；(b)530 ℃×0.5 MPa×7 h；(c)530 ℃×3.5 MPa×3 h；(d)530 ℃×3.5 MPa×7 h Fig.4 Microstructure of diffusion welded joint of 6061 aluminium alloy

3 水冷板擴(kuò)散焊工藝

3.1 水冷板焊前處理及焊接工藝參數(shù)

水冷板試樣是由6061鋁合金制成，試驗(yàn)用夾具是由304不銹鋼制成，焊前在水冷板試樣與夾具的接觸面涂覆一層氧化鋁阻焊劑.

焊前水冷板需經(jīng)以下處理：① 用丙酮清洗，以去除水冷板試樣表面的污物；②依次用800號(hào)、1000號(hào)、1200號(hào)、2000號(hào)SiC砂紙水洗打磨；③ 用丙酮超聲清洗10 min；④ 吹干，備用.擴(kuò)散焊工藝參數(shù)為焊接溫度530 ℃、保溫時(shí)間7 h和焊接壓力3.5 MPa.

3.2 水冷板焊后性能

圖5為水冷板焊前與焊后的形貌圖.對(duì)焊后水冷板試樣的尺寸及保壓性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果列于表1.

圖5 水冷板焊接前后的形貌圖(a)焊前；(b)焊后Fig.5 Pre-welding and post-welding morphology of water-cooled plate(a)pre-welding；(b)post-welding

圖5(b)顯示，經(jīng)過(guò)真空擴(kuò)散焊的6061鋁合金水冷板，表面仍保持鋁的金屬光澤，無(wú)氧化；焊縫均勻致密，水冷板變形量不高于0.5%.經(jīng)過(guò)2 MPa水壓試驗(yàn)，無(wú)滲漏現(xiàn)象，耐壓性能符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求.

表1 焊后水冷板的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)隨著焊接溫度升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度先增加后減小.焊接溫度、保溫時(shí)間及焊接壓力的增加，有利于焊接接頭的焊縫變薄，甚至一些焊縫區(qū)域消失，焊縫區(qū)域存在大量的共有晶粒.

(2)在焊接溫度530 ℃、保溫時(shí)間7 h和焊接壓力3.5 MPa的條件下，擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值137.3 MPa；在擴(kuò)散焊工藝參數(shù)相同的條件下，焊后水冷板經(jīng)2 MPa、保壓1 h的水壓檢測(cè)無(wú)泄漏，鋁合金變形量不高于0.5%，滿足產(chǎn)品的使用性能要求.