袁明富

（揚州恒星精密機械有限公司，江蘇 揚州225000）

鋁合金散熱器是以鋁合金為原材料制備而成的散熱設(shè)備，以其適應(yīng)能力強、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，在日常生活與生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。隨著鋁合金散熱器需求量的不斷提升，以及經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展過程中對能源利用要求的不斷提高，散熱器高性能化、輕量化、低成本化成為必然趨勢，是當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)以及相關(guān)研究人員關(guān)注與思考的重點問題。

1 鋁合金散熱器真空釬焊工藝分析

1.1 理論分析

1.1.1 真空釬焊工藝

隨著釬焊技術(shù)水平的不斷提升，其方法日漸多樣（如烙鐵釬焊、波峰釬焊、激光釬焊、真空釬焊、氣相釬焊等）可滿足不同焊接需求[1]。在鋁合金散熱器中，真空釬焊的綜合效益較好。相對于傳統(tǒng)鋁合金散熱器焊接工藝而言，真空釬焊優(yōu)勢具體體現(xiàn)在：（1）適應(yīng)性強，能夠在鋁、鋁合金、合金鋼、銅等眾多材料中運用，可有效滿足鋁合金散熱器設(shè)計要求；（2）無污染，真空釬焊在真空條件下進行，無釬劑使用，達到無公害、無環(huán)境污染焊接處理要求；（3）焊接質(zhì)量高，釬料流動性好，濕潤性強，工件不氧化，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度要求高等器件焊接，利于產(chǎn)品成品率提升[2]。

1.1.2 鋁合金散熱器真空釬焊影響因素

在實踐操作過程中，真空釬焊出現(xiàn)釬料流失、焊接不到位、焊腳不飽滿、原材料腐蝕、散熱器結(jié)構(gòu)變形、母材表面溶蝕等缺陷。

對上述問題形成原因進行探究，影響因素主要有原材料、真空釬焊溫度、焊前清洗、釬焊環(huán)境、保溫時間、真空度等。

1.2 實踐分析

為進一步掌握鋁合金散熱器真空釬焊工藝，提升一次焊接合格率，以鋁合金板翅式散熱器真空釬焊為例，就其工工藝流程及操作要點進行了如下分析。

1.2.1 明確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其焊接要求

本研究中的鋁合金板翅式散熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由封條、復(fù)合板、翅片、導(dǎo)流片等眾多結(jié)構(gòu)組成。加之，在產(chǎn)品設(shè)計上將封條結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，改傳統(tǒng)長條狀結(jié)構(gòu)為梯形狀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。同時，真空釬焊寬度降至2.5mm，翅片厚度不超過0.2mm。這在一定程度上進一步提高了真空釬焊難度。需要在實踐操作過程：（1）保證釬著率，提高釬焊接頭強度；（2）釬焊密封無泄漏；（3）嚴(yán)格控制真空釬焊溫度與保溫時間，以免翅片溶蝕。

圖1 鋁合金板翅式散熱器封條結(jié)構(gòu)

1.2.2 科學(xué)選擇散熱器真空釬焊釬材

鋁合金散熱器母材選用6 系鋁合金板材。該母材具有加工性能好、韌性高、抗腐蝕等優(yōu)勢，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的鋁合金材料。

研究表示在6061 鋁合金產(chǎn)品真空釬焊過程中，AlSi11.5Mg1.5 釬料具有加強適用性，能夠滿足產(chǎn)品真空釬焊與熱處理工藝需求[3]。

本研究中最終確定以4 系鋁箔釬料為鋁合金散熱器釬焊釬材, 釬料附著在金屬材料上后形成的包裹層厚度大于0.01mm，小于0.05mm。釬料化學(xué)成分如表1。

表1 釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

1.2.3 工藝參數(shù)科學(xué)制定與嚴(yán)格把控

（1）焊前零件清洗：采用具備清洗徹底、無污染、自動化控制等優(yōu)勢的超聲波清洗法在焊前對原材料進行清洗，以達到氧化皮、浮油、油斑等有效去除目的。在此過程中蒸汽PH 值與溫度分別控制在5～8、90℃～93℃，封條、復(fù)合板等零件清洗時間設(shè)置為2min，翅片清洗時間設(shè)置為3min。各零件清洗后置于無塵裝配間用專用工具裝配，為降低裝配環(huán)境對產(chǎn)品釬焊質(zhì)量的影響，將空氣相對濕度控制在60%～70%，溫度控制在（19±4）℃，裝配完成后進行校對。

（2）真空度確定：真空度的精準(zhǔn)控制是保證鋁合金散熱器真空釬焊質(zhì)量的重要因素。通常情況下，真空爐中氧化性氣體容易與釬料成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Al2O3氧化膜，從而影響焊接質(zhì)量。本研究中將工作真空度控制在1.3×10-3Pa 以內(nèi)。同時，為避免加熱爐開啟，外界空氣中水分進入爐內(nèi)影響真空度。在真空釬焊設(shè)備使用前試運行一段時間。

（3）加熱方式、釬焊溫度與保溫時間控制：運用階梯升溫法進行加熱，由于產(chǎn)品所用母材為6 系鋁合金板材（化學(xué)成分如表2），固相線溫度為616℃，釬料液相線溫度為600℃，故設(shè)計第一段定溫360℃，保溫60min；第二段定溫520℃，保溫60min；第三段定溫570℃，保溫30min；第四段定溫615℃，保溫20min（具體如圖2）。

表2 母材主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

（4）冷卻速度與出爐：冷卻速度過快或過慢皆會影響焊接質(zhì)量，出現(xiàn)接頭裂紋或母材晶粒增粗問題，故選擇隨爐冷卻，當(dāng)爐溫降至200℃時，開爐取件，并水冷至室溫。導(dǎo)流片進行氬弧焊焊接。

圖2 溫度- 時間工藝曲線

2 真空釬焊鋁合金散熱器熱處理工藝分析

2.1 理論分析

2.1.1 熱處理工藝。隨著近些年熱處理工藝研究的不斷深入，鋁合金散熱器真空釬焊熱處理既可以與真空釬焊在同一熱循環(huán)中完成，也可以在釬料重熔溫度下完成。前者利于生產(chǎn)效率提升，對系統(tǒng)控制水平要求較高，后者釬縫質(zhì)量較好，不易發(fā)生開裂、變形等問題。

2.1.2 熱處理工藝要點。在鋁合金散熱器真空釬焊熱處理過程中，固溶與時效工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就固溶淬火而言，其科學(xué)運用利于鋁合金性能強化，即通過影響析出相類型、狀態(tài)、分布情況等，實現(xiàn)鋁合金性能改變。

2.2 實踐分析

2.2.1 試驗材料。以上文中鋁合金散熱器真空釬焊實踐分析中提到的原鋁材料以及真空釬焊后樣品、熱處理強化后樣品作為熱處理工藝研究材料。

2.2.2 試驗過程。利用箱式電阻爐對原鋁材料、鋁合金散熱器真空釬焊樣品等進行固溶淬火處理。為有效掌握固溶淬火工藝對鋁合金散熱器母材性能存在的影響，并找到最優(yōu)固溶淬火工藝，設(shè)計了450℃、470℃、490℃、510℃、530℃、550℃六個保溫溫度，保溫時間5h，室溫水淬，時效處理溫度180℃，時效處理時間為5h 與8h。根據(jù)《金屬顯微維式硬度試驗方法》（GB/T 4342-1991）、《釬焊接頭強度試驗方法》（GB/T 11363-2008）、《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228-2010）、《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法》（GB/T3246.1-2012）相關(guān)規(guī)定與要求，分析不同固熔工藝對焊縫、母材性能存在的影響。圖3、圖4 為不同固溶工藝+180℃/5h 時效下焊縫硬度、延伸度檢測結(jié)果。圖像分析發(fā)現(xiàn)530℃時焊縫最高強度可達到134.6HV（保溫時間為3小時），焊縫延伸率受保溫時間影響較大，隨時間延長，焊縫延伸率下降。

圖3 焊縫硬度檢測

圖4 焊縫延伸率檢測

為準(zhǔn)確掌握時效硬化工藝對鋁合金散熱器焊縫與母材性能存在的影響，并找到最佳時效制度。在確定固溶淬火工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計了不同時效硬化方案，分析了不同溫度（120℃、150℃、180℃）下不同時間（1～17h）散熱器焊縫與母材的顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。

2.2.3 試驗結(jié)果。散熱器鋁合金在510～530℃可獲得較好固溶效果，經(jīng)多次試驗分析最終確定最佳固溶溫度為514℃。固溶后通過水冷方式促進冷卻，防止鋁合金相變，避免出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象。時效硬化工藝試驗研究確定時效溫度為160℃，時效時間為8 小時，能夠獲取最佳熱處理效果，促進鋁合金強度（平均強度超過228MPa）、硬度（平均硬度超過79HBW）提升，滿足鋁合金散熱器設(shè)計與生產(chǎn)要求。

總而言之，真空釬焊是當(dāng)前鋁合金散熱器生產(chǎn)過程中應(yīng)用前景較好的釬焊工藝。在實踐過程中為滿足鋁合金散熱器生產(chǎn)需求，應(yīng)對原材料、真空釬焊溫度、表面處理工藝、釬焊環(huán)境、真空度、保溫時間等進行嚴(yán)格控制，以降低釬料流失、焊縫不連續(xù)、溶蝕等缺陷的產(chǎn)生，確保鋁合金散熱器焊接質(zhì)量。同時，在明確認(rèn)知熱處理工藝科學(xué)運用價值的同時，能夠根據(jù)鋁合金散熱器具體情況與生產(chǎn)要求，探究最適宜熱處理方案，以滿足鋁合金散熱器設(shè)計需求、后續(xù)工藝處理要求，提高散熱器質(zhì)量。