曾天俊

揚(yáng)州恒星精密機(jī)械有限公司 江蘇揚(yáng)州 225127

1 序言

6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，主要通過熱處理過程中形成的納米尺度亞穩(wěn)沉淀相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而形成足夠的強(qiáng)度，是一種可熱處理強(qiáng)化型鋁合金[1]。合金晶粒在基體上表現(xiàn)出形狀各異且彌散分布的特征，如圖1所示[2]。合金時(shí)效析出序列為[3]：α過飽和固溶體→團(tuán)簇/GP區(qū)→亞穩(wěn)β"相→亞穩(wěn)β相→穩(wěn)態(tài)β相（最終平衡相，化學(xué)成分為Mg2Si）。β相的形貌呈板狀或片狀，為CaF2型面心立方晶體結(jié)構(gòu)，其形貌如圖2所示[4]。由于合金具有比強(qiáng)度高以及良好的可加工性、耐蝕性、焊接性、抗氧化性等優(yōu)勢(shì)，所以廣泛應(yīng)用于航空航天用電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件、交通運(yùn)輸用車體結(jié)構(gòu)件等工業(yè)制造領(lǐng)域。

圖1 6061鋁合金典型顯微組織[2]

圖2 β相掃描電子圖像[4]

6061鋁合金可使用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、釬焊、電子束焊和激光焊等多種熔化焊方式進(jìn)行連接。其中，由于釬焊具有能夠整體加熱焊接結(jié)構(gòu)件、接頭應(yīng)力變形較小，可一次完成多縫多零件連接，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且開敞性差的焊件等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以在液冷、風(fēng)冷散熱組件通道中得到了廣泛應(yīng)用[5-7]。然而，我公司在釬焊某款散熱器產(chǎn)品過程中出現(xiàn)了溶蝕等缺陷，嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)進(jìn)程。為此，本文對(duì)6061鋁合金釬焊過程中的表面溶蝕現(xiàn)象進(jìn)行了成因分析及控制，解決了生產(chǎn)難題。

2 溶蝕現(xiàn)象

真空釬焊過程中產(chǎn)生的溶蝕是一種常見缺陷，它是母材表面因被熔化的液態(tài)釬料過渡溶解而形成的凹坑缺陷，主要出現(xiàn)在液態(tài)釬料潤(rùn)濕和鋪展區(qū)域。目前，相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于溶蝕的成因主要?dú)w結(jié)如下：釬料成分與母材成分具有不匹配性，釬料與母材中的某些元素可形成低熔點(diǎn)共晶相，能夠降低母材部分區(qū)域的固相線溫度；由于裝爐量大或工裝熱容量大而導(dǎo)致零件升溫速率較慢，所以在釬料固-液相溫度區(qū)間停留時(shí)間太長(zhǎng)，在某個(gè)溫度點(diǎn)時(shí)，釬料與母材中某些組元反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶相，導(dǎo)致母材合金部分區(qū)域因熔點(diǎn)降低而熔化；爐溫不均勻，釬焊件局部溫度太高，導(dǎo)致經(jīng)釬料擴(kuò)散區(qū)域母材的低熔點(diǎn)組分熔化；在釬料固-液相線區(qū)間升降溫慢；釬焊保溫時(shí)間太長(zhǎng)等。

由于溶蝕的產(chǎn)生對(duì)釬焊產(chǎn)品的力學(xué)性能和抗腐蝕性能均產(chǎn)生較大影響，所以如何控制并減少該類缺陷的產(chǎn)生尤為重要。目前，常用的解決方法主要有：選擇另一種釬料；溫度在接近釬料熔點(diǎn)時(shí)提高升溫速率；盡量減少裝爐量和工裝重量；盡量降低釬焊溫度；縮短真空釬焊的保溫時(shí)間等。

表1列舉了航天航空鋁合金關(guān)于溶蝕缺陷的部分釬焊標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)不同的焊縫等級(jí)，對(duì)能接受的缺陷程度進(jìn)行了規(guī)定。溶蝕是需要嚴(yán)格控制的，特殊情況下溶蝕是禁止出現(xiàn)的。

表1 關(guān)于溶蝕缺陷的釬焊標(biāo)準(zhǔn)

3 溶蝕成因及控制

我公司在真空釬焊某批材料為6061鋁合金的航空散熱器產(chǎn)品時(shí)出現(xiàn)了局部溶蝕現(xiàn)象，凹坑深度達(dá)到了0.5mm，其溶蝕表面的宏觀形貌如圖3所示。采用掃描電鏡二次電子圖像對(duì)溶蝕部位進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖4所示。焊縫中的微觀組織分布非常不均勻，出現(xiàn)了很多凹坑以及尺寸各異的共晶顆粒，這些往往成為裂紋的起源，會(huì)嚴(yán)重削弱接頭的力學(xué)性能。

圖3 某航空散熱器溶蝕表面的宏觀形貌

圖4 某航空散熱器溶蝕表面的微觀形貌

基于前面關(guān)于溶蝕成因的闡述，現(xiàn)主要從焊接溫度、化學(xué)成分、成分偏析等方面來探究某航空散熱器釬焊溶蝕缺陷的具體成因，并提出控制手段。

（1）焊接溫度 焊接溫度控制是影響6061鋁合金真空釬焊產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。焊接溫度參數(shù)主要涉及升溫速率、保溫時(shí)間、斷電溫度等。在升溫過程中，工件溫度達(dá)到焊料液相線溫度后，升溫速率要快，避免高溫區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)，防止因Si和Mg等元素過度溶解、滲入母材而產(chǎn)生溶蝕。同時(shí)，為了提高溫度控制的準(zhǔn)確性，往往在工件上設(shè)置3根熱電偶，直接控制工件溫度。工藝要求加熱過程采用分段升溫方式，以10～14℃/min的升溫速率加熱到520℃，保溫25～35min，確認(rèn)真空度達(dá)到2×10-3Pa后方可繼續(xù)加熱，15～25min升溫到570℃，保溫5～6min，再加熱2～5min后升溫到582℃，保溫2～3min后斷電，工件隨爐冷卻到500℃，再充氮?dú)鈴?qiáng)冷，爐內(nèi)溫度低于150℃時(shí)出爐空冷。本文焊接過程的熱處理制度如圖5所示，焊接過程的熱處理制度符合工藝要求。

圖5 某航空散熱器釬焊過程的熱處理制度

（2）化學(xué)成分 相關(guān)資料表明[3，5]，Si、Mg等合金元素的含量對(duì)釬焊溶蝕缺陷的產(chǎn)生有著直接影響。在整個(gè)焊接過程中，Si、Mg等元素主要來自釬料和母材，現(xiàn)對(duì)原釬料和母材分別進(jìn)行化學(xué)成分分析。

1）釬料方面：由于6061鋁合金熔點(diǎn)相對(duì)較低，熔化溫度為582～652℃，所以釬焊時(shí)只能選擇熔點(diǎn)相對(duì)較低且厚度為0.1mm的B-Al86SiMg箔狀焊片作為釬料，此釬料熔化溫度為559～579℃。對(duì)實(shí)際使用的釬料進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2，各元素含量均在HB/Z 20073—2018標(biāo)準(zhǔn)所允許的范圍內(nèi)。

表2 B-Al86SiMg鋁基釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2）母材方面：6061鋁合金屬于鋁鎂硅系合金，含有Si、Mg等多種合金元素，容易在鋁基體中形成Mg2Si、Mg9Si5、Al12Fe3Si、Al5FeSi等多種相。對(duì)實(shí)際使用的母材進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表3，各元素含量均在GB/T 3190—2008標(biāo)準(zhǔn)所允許的范圍內(nèi)。

表3 6061鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）成分偏析 某航空散熱器的釬焊溶蝕現(xiàn)象發(fā)生在表面局部區(qū)域，由于發(fā)生位置及形貌呈無規(guī)律狀，因此有必要探究原材料的成分偏析情況?，F(xiàn)對(duì)原材料進(jìn)行多點(diǎn)取樣，采用掃描電鏡對(duì)化學(xué)元素進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，Si元素（圖中顯示為黃色）分布不均勻，存在局部成分偏析的現(xiàn)象。

圖6 某航空散熱器釬焊原材料的化學(xué)元素能譜分析結(jié)果

為了驗(yàn)證某航空散熱器的釬焊溶蝕缺陷是原材料成分偏析所致，在其他條件不變的情況下，在焊前對(duì)原材料增加一次退火處理，目的是使原材料的顯微組織和化學(xué)成分均勻化，并通過電鏡能譜分析確認(rèn)。在成分偏析明顯改善的前提下，再實(shí)施相同的焊接工藝（焊接參數(shù)保持一致）進(jìn)行焊接。結(jié)果表明，釬焊溶蝕現(xiàn)象明顯消失，合格產(chǎn)品的宏觀形貌和微觀形貌分別如圖7、圖8所示。

圖7 某航空散熱器合格產(chǎn)品的表面宏觀形貌

圖8 某航空散熱器合格產(chǎn)品的表面微觀形貌

4 結(jié)束語

本文探究了材料為6061鋁合金的某航空散熱器在真空釬焊過程中產(chǎn)生的溶蝕缺陷成因及控制手段。在焊接溫度、原材料和釬料化學(xué)成分都符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，成分偏析會(huì)導(dǎo)致焊縫及表面產(chǎn)生溶蝕缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，原材料入廠時(shí)一般僅對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，往往忽略了對(duì)成分偏析進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。如果產(chǎn)品對(duì)釬焊溶蝕有要求時(shí)，必須對(duì)原材料成分偏析進(jìn)行控制。