喬平 羅錫 張紅娟 王朝

摘要：本文對(duì)鋁合金機(jī)箱真空釬焊后的缺陷進(jìn)行分析，從鋁合金真空釬焊原理機(jī)制、釬焊溫度、零件表面清潔度、零件裝配間隙、真空度等方面進(jìn)行闡述，論述了真空釬焊缺陷產(chǎn)生的原因，為后續(xù)生產(chǎn)加工中提高焊接質(zhì)量提供了經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;真空釬焊缺陷;鋁合金清洗

鋁合金具有耐腐蝕性好、焊接性能佳、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，常常被用于航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備機(jī)箱。鋁合金真空釬焊機(jī)箱的焊接接頭一次成形，釬焊效率高，焊接后對(duì)基材的性能基本不改變。真空釬焊過(guò)程加熱均勻，機(jī)箱變形較小，容易保證組裝焊接件的精度。而真空釬焊過(guò)程中一旦出現(xiàn)焊接缺陷，往往會(huì)降低機(jī)箱的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對(duì)真空釬焊中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行原因分析，對(duì)于解決缺陷具有非常重要的作用。

1 機(jī)箱真空釬焊缺陷

某型鋁合金機(jī)箱箱體由前后框、左右側(cè)板、隔板等組裝，組裝處裝夾釬料，由組裝螺釘及工裝進(jìn)行緊固。真空釬焊后發(fā)現(xiàn)焊接處未釬著，真空釬焊缺陷如圖1所示。從圖中可以看出機(jī)箱焊縫處未發(fā)生明顯潤(rùn)濕，焊接接頭處呈現(xiàn)一段段黑色縫隙，表現(xiàn)為長(zhǎng)條形的未釬著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)組裝零件表面存在明顯的污染，零件表面清潔度不夠會(huì)影響真空釬焊質(zhì)量。由此得出造成該機(jī)箱未釬著的主要原因?yàn)榱慵鍧嵍炔粔颉?/p>

2 真空釬焊原理機(jī)制

真空釬焊是在真空狀態(tài)下，將真空爐內(nèi)溫度設(shè)定到某一區(qū)間。在該溫度下，母材處于固體狀態(tài)，釬料處于液體狀態(tài)。液態(tài)的釬料在母材的表面上潤(rùn)濕、毛細(xì)流動(dòng)、填充、鋪展，與母材相互作用，最終冷卻凝固，實(shí)現(xiàn)冶金的連接方法[1]，如圖2所示。

鋁合金對(duì)氧的親和力很大，焊接時(shí)表面形成一層致密的氧化膜，阻礙釬料與母材的結(jié)合，這是鋁合金焊接時(shí)的主要障礙之一。破除鋁合金零件表面氧化膜，可以加強(qiáng)釬料與母材的潤(rùn)濕效果，有利于釬焊接頭的形成。鋁合金表面氧化膜的性質(zhì)非常穩(wěn)定，在有氧環(huán)境中，即使舊膜被破壞，隨時(shí)可以生成新膜。在鋁合金釬焊時(shí)需要破除表面氧化膜，釬焊后需要保護(hù)形成的鋁合金氧化膜，防止接頭被環(huán)境氧化腐蝕。

在真空環(huán)境下，較高的真空度減少了氧氣含量，減少了鋁合金加熱過(guò)程的氧化。同時(shí)在真空環(huán)境下鋁合金表面的氧化物分解;氧化物蒸發(fā);H或CO對(duì)氧化物的還原作用;致密氧化膜破裂;C對(duì)氧化膜的還原作用;表面的氧化材料內(nèi)部的擴(kuò)散。這些過(guò)程綜合作用于氧化膜的去除，促進(jìn)釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕。

真空釬焊的工藝流程如圖3所示，通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行清洗去除零件表面氧化膜，這一步非常重要，如果零件表面未清洗干凈，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接質(zhì)量問(wèn)題。

3 影響鋁合金機(jī)箱真空釬焊的缺陷分析

在機(jī)箱的生產(chǎn)過(guò)程中，由于釬焊基材、釬料、工藝方法和加工環(huán)境等多因素影響，各方面綜合作用，真空釬焊后接頭處往往會(huì)產(chǎn)生一些如氣孔、表面缺陷、溶蝕等釬焊缺陷。釬焊缺陷的存在直接影響著產(chǎn)品的可靠性。真空釬焊的表面缺陷包括表面氧化、表面氣孔、表面未釬著、溶蝕、裂紋等。影響真空釬焊的因素有如下幾方面。

3.1 釬焊溫度

釬焊包含兩個(gè)過(guò)程：一是釬料填滿釬縫的過(guò)程;二是釬料與母材相互作用的過(guò)程。加熱到釬焊溫度時(shí)，釬料熔化填縫并與母材表面發(fā)生物理化學(xué)作用。熔化的釬料填滿釬焊接頭間隙，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保溫后開(kāi)始冷卻、凝固，形成釬焊接頭。當(dāng)釬焊溫度工藝曲線設(shè)置的釬焊溫度低時(shí)，釬料未完全熔化，釬料組分中的低熔點(diǎn)部分熔化，而剩下的釬料組分熔點(diǎn)升高，導(dǎo)致釬料未完全熔化。釬焊溫度的確定取決于母材的固相線和釬料的液相線，優(yōu)選為高于釬料固液相線溫度30℃～100℃，低于母材的固液相線溫度[2]。保溫時(shí)間應(yīng)能保證釬料與母材充分作用，保證焊接接頭的形成。保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，都會(huì)影響焊接接頭的質(zhì)量。應(yīng)延長(zhǎng)使用工裝組裝的鋁合金組件的焊接保溫時(shí)間，以保證焊接接頭質(zhì)量。

3.2 零件清潔度

真空釬焊對(duì)零件表面的清潔度要求很高，清潔度不足不僅會(huì)影響釬焊質(zhì)量，還會(huì)污染真空釬焊爐。鋁合金表面的致密氧化膜熔點(diǎn)高，在焊接時(shí)會(huì)吸收水分，形成氣孔和夾渣。目前有效去除表面氧化膜的方法是進(jìn)行物理去除和化學(xué)去除。物理去除是指采用機(jī)械方式去除表面氧化膜，化學(xué)去除是指采用化學(xué)溶液進(jìn)行去除。在實(shí)際生產(chǎn)中兩種方法都可以使用，其中化學(xué)溶液清洗更為常用。一般會(huì)進(jìn)行去油、堿洗、酸洗、烘干等工序。鋁合金零件清洗時(shí)，先進(jìn)行堿洗去除表面氧化膜，然后用清水沖洗，再將鋁合金零件進(jìn)行酸洗出光。清洗的過(guò)程中要求減少雜質(zhì)的帶入，減少進(jìn)入清水、清洗槽、工裝設(shè)備等的雜質(zhì)。清洗完成后，零件表面不得有浮銹、氧化皮、油斑等，要求零件表面可以形成完整連續(xù)的水膜，且水膜30s內(nèi)不破裂。如果未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，則表明零件未清洗干凈，需要重新進(jìn)行清洗。對(duì)于零件表面的所有孔，都需要用壓縮空氣去除內(nèi)部水漬、殘余雜物。鋁合金清洗后，會(huì)再次生成一層致密的氧化膜，為了避免二次氧化，需要保證清洗后短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行真空釬焊，實(shí)際生產(chǎn)中要求在24h內(nèi)進(jìn)行真空釬焊。清洗用的化學(xué)溶液必須按要求進(jìn)行配置、維護(hù)與調(diào)整。沒(méi)有達(dá)到清潔度要求的零件進(jìn)行釬焊后會(huì)影響真空釬焊質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂[3]。

堿洗過(guò)程反應(yīng)方程式：NaOH+RCOOH=RCOOHNa+H2O、2NaOH+AL2O3=2NaALO2+H2O。

酸洗過(guò)程反應(yīng)方程式：AL2O3+6HNO3=AL（NO）3+3H2O。

用酸堿洗去除表面油污，破壞鋁合金表面氧化膜，此過(guò)程簡(jiǎn)單方便，對(duì)工人技能要求低，容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)質(zhì)量可靠，產(chǎn)生的廢液容易處理，適合批量生產(chǎn)使用。

3.3 零件裝配間隙

真空釬焊過(guò)程中，高溫熔化的釬料潤(rùn)濕母材表面，要求液態(tài)釬料自動(dòng)流入并填滿釬縫的全部間隙，而不是沿固態(tài)母材表面自由鋪展。液態(tài)釬料是依靠毛細(xì)作用在釬縫間隙內(nèi)流動(dòng)并填充釬縫間隙的。毛細(xì)作用，是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的固有特性。如圖4所示，當(dāng)把間隙很小的平行板插入液體中時(shí)，液體在平行板的間隙內(nèi)會(huì)上升到高于液面的一定高度或下降到低于液面的某一位置。

h=2σ1cosabρg

式中：b——釬焊縫隙;

ρ——釬料的密度;

g——重力加速度;

σ1——液-氣相界面張力。

由左式可以得出，液態(tài)釬料的爬升高度與σ1及cosa成正比，與間隙大小b成反比。液態(tài)釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性越好，間隙值越小，液態(tài)釬料的爬升高度越大。根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)，一般要求釬焊裝配間隙不大于0.1mm。當(dāng)裝配間隙小時(shí)，液態(tài)釬料能填滿間隙，進(jìn)而保證真空釬焊的質(zhì)量。

3.4 真空度

真空度是真空釬焊工藝過(guò)程中的重要參數(shù)，在真空環(huán)境下，存在于零件表面的氣體會(huì)隨著真空度的提高而揮發(fā)，真空度越高，約利于氣體排出。在真空環(huán)境的加熱過(guò)程中，零件表面會(huì)發(fā)生不同程度的蒸發(fā)，真空度越高，溫度越高，蒸發(fā)也越劇烈。氣體的蒸發(fā)可以把金屬表面的氧化物及雜質(zhì)帶走，達(dá)到去除表面氧化物的作用。一般真空釬焊的真空度在3×10-2Pa，真空爐在加熱過(guò)程中真空度不能低于3×10-2Pa，在達(dá)到焊接溫度時(shí)，真空度需要提到高3×10-3Pa。

4 結(jié)語(yǔ)

某型鋁合金機(jī)箱真空釬焊后未釬著的主要原因?yàn)榱慵鍧嵍炔粔?，造成局部污染。在真空釬焊前，需要對(duì)零件進(jìn)行堿洗酸洗，達(dá)到清潔度要求，這樣才能保證真空釬焊質(zhì)量。此外，釬焊溫度、零件裝配間隙、真空度等對(duì)真空釬焊質(zhì)量均有影響。從工藝設(shè)計(jì)、焊前清洗、零件裝配、真空釬焊等多方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，才能保證焊接接頭的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐興軍，徐小勤.酸堿清洗在鋁制板翅式換熱器制造中的應(yīng)用[J].清洗世界，2020，36（3）：9-10

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)唐剑?987— ），男，漢族，陜西咸陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向：機(jī)加工藝、真空釬焊。