杜俊莉 曹海軍 鄭善偉 馬力 楊保琳

摘要： 為對(duì)比分析焊接表面狀態(tài)對(duì)擴(kuò)散焊焊縫質(zhì)量的影響，針對(duì)擴(kuò)散焊實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的影響因素進(jìn)行了研究，主要驗(yàn)證因素有平面度、機(jī)加（數(shù)控銑）表面是否處理、表面清潔度及多余物。所有試件除表面狀態(tài)不同，焊接工藝完全一致。焊后在試件上取拉伸試樣，通過(guò)測(cè)試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和分析斷口處的形貌，判定焊接表面狀態(tài)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響程度。研究結(jié)果表明，焊前零件平整度會(huì)影響焊縫質(zhì)量，需控制焊前零件平面度；機(jī)加工（數(shù)控銑）后表面不允許處理，需保留原始機(jī)加表面，打磨會(huì)影響焊縫質(zhì)量；焊接表面清洗不干凈，不允許用清洗劑進(jìn)行局部清洗，需整體返工清洗；灰塵、毛絮等多余物影響焊縫質(zhì)量，焊前裝配最好在潔凈間內(nèi)進(jìn)行，且裝配工應(yīng)佩戴頭套、口罩、塑膠手套等。

關(guān)鍵詞： 擴(kuò)散焊； 表面狀態(tài)； 清潔度； 多余物； 焊縫質(zhì)量

中圖分類號(hào)： TG 454

Influence of welding surface state on weld quality of aluminum alloy by vacuum diffusion welding

Du Junli， Cao Haijun， Zheng Shanwei， Ma Li， Yang Baolin

（Avic Jonhon Optronic Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471003， Henan， China）

Abstract： In order to compare and analyze influence of welding surface state on quality of diffusion weld， influencing factors encountered in the actual production process of diffusion welding were studied， and main verification factors included flatness， whether the machined （CNC milling） surface being treated， surface cleanliness and redundancy. All test specimens had the same welding process except surface state. After welding， tensile specimen were taken from test pieces， and influence of welding surface state on weld quality was determined by testing tensile strength of welded joints and analyzing morphology of fracture. The results showed that flatness of parts before welding would affect weld quality， and flatness of parts before welding need to control. The surface was not allowed to treat after machining （CNC milling）， the original machined surface need to retain， and grinding would affect weld quality. If welding surface was not clean， cleaning agent was not allowed for local cleaning， and the overall rework cleaning was required. Dust， wool and other excess materials affected weld quality， pre-welding assembly was best to carry out in clean room， and assemblers should wear a hood， mask， plastic gloves， and so on.

Key words：? diffusion welding; surface state; cleanliness; redundancy; weld quality

0 前言擴(kuò)散焊作為一種具有優(yōu)越品質(zhì)的焊接方案，可以較好的實(shí)現(xiàn)鋁合金的可靠連接，克服了鋁合金真空釬焊的缺點(diǎn)，同時(shí)由于擴(kuò)散焊不采用任何中間夾層，因此接頭的斷后伸長(zhǎng)率和抗腐蝕能力均優(yōu)于真空釬焊［1-3］。基于以上優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)散焊工藝在液冷散熱產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。但是焊接面的表面狀態(tài)對(duì)鋁合金擴(kuò)散焊的焊縫質(zhì)量影響很大，一旦控制不好，將會(huì)導(dǎo)致鋁合金擴(kuò)散焊焊縫在焊接后存在缺陷，而目前針對(duì)擴(kuò)散焊焊縫的微小缺陷尚無(wú)可靠的檢測(cè)手段，超聲波無(wú)損檢測(cè)也只能檢測(cè)出一些宏觀的缺陷，對(duì)微小缺陷的檢測(cè)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到令人滿意的結(jié)果。目前所使用的檢測(cè)手段僅僅是通過(guò)提高超聲波探傷儀的靈敏度來(lái)確定是否存在缺陷，而且所檢測(cè)的缺陷往往是人工缺陷（宏觀缺陷），對(duì)自然缺陷并沒有給出確切的回波判定標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)回波沒有進(jìn)行定性的分析［4］。這些微小缺陷在產(chǎn)品長(zhǎng)期使用過(guò)程中，慢慢擴(kuò)展導(dǎo)致產(chǎn)品失效，但又無(wú)法有效檢測(cè)，故需研究影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素，生產(chǎn)過(guò)程中加嚴(yán)控制，通過(guò)過(guò)程控制保證產(chǎn)品質(zhì)量。影響擴(kuò)散焊表面狀態(tài)的因素很多，文獻(xiàn)中對(duì)氧化膜的研究較多［5-6］，而對(duì)比如平面度、機(jī)加表面是否處理、表面清潔度、多余物等研究較少，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中這些影響因素會(huì)時(shí)常遇到。該文將針對(duì)這些實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的影響因素進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件焊接工藝

擴(kuò)散焊接作為固相焊接的一種，它是指兩個(gè)工件在溫度和壓力的作用下，原子中的電子發(fā)生相互作用和相互遷移，形成相應(yīng)大的離子鍵、金屬鍵或共價(jià)鍵，最終形成牢固的焊接接頭的過(guò)程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于同種或異種金屬的焊接，如Al/Al，Al/Mg，Ti/鋼等［7-10］。擴(kuò)散焊焊接過(guò)程分為3個(gè)階段［11］：第一階段，由于焊接面不是絕對(duì)的平面，焊接面接觸時(shí)首先在交界面形成接觸點(diǎn)，如圖1［11］所示，在壓力的作用下，接觸點(diǎn)出現(xiàn)塑性變形，焊件接觸面積增加，晶粒間形成連接;第二階段，在溫度和壓力的作用下，晶界開始遷移，界面微孔開始收縮并逐漸消失;第三階段，晶界遷移后形成的新晶粒開始生長(zhǎng)，達(dá)到母材晶粒尺寸，界面微孔基本消除，焊接界面消失。

鋁合金液冷產(chǎn)品的真空擴(kuò)散焊工藝流程一般步驟是：焊前檢驗(yàn)—化學(xué)清洗—超聲波清洗—焊前裝配—真空擴(kuò)散焊—焊后檢驗(yàn)。

試件使用材料為6063-T6鋁合金，其成分見表1，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。試件由底板和蓋板通過(guò)擴(kuò)散焊焊接在一起，焊后總厚度為70 mm。焊接設(shè)備為國(guó)產(chǎn)真空擴(kuò)散焊爐。試件所用的焊接工藝為：焊接溫度560 ℃，保溫時(shí)間150 min，壓力7.5 MPa，壓縮量1.5 mm，爐內(nèi)真空度為5×10-3 Pa，升溫速率≥10 ℃/min，爐溫均勻性±3 ℃，焊后產(chǎn)品隨爐冷卻。隨后進(jìn)行固

溶、時(shí)效至T5狀態(tài)。

1.2 試件表面狀態(tài)

為對(duì)比分析焊接面表面狀態(tài)對(duì)擴(kuò)散焊焊縫質(zhì)量的影響，主要驗(yàn)證的因素有平面度、機(jī)加（數(shù)控銑）表面是否處理、表面清潔度、多余物，詳細(xì)見表2。

1.3 試件試驗(yàn)方法

所有試件除表面狀態(tài)不同，焊接工藝完全一致，焊接后在試件上取拉伸試樣，通過(guò)測(cè)試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷口處的形貌分析，判定焊接面表面狀態(tài)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響程度。拉伸樣品取樣位置如圖3所示，每個(gè)試樣上取11個(gè)拉伸樣品。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

YZJ-1號(hào)驗(yàn)證因素為平面度，拉伸試樣斷口形貌如圖4所示，抗拉強(qiáng)度見表3。從表3結(jié)果中可以看出，平面度差的一半，1位置抗拉強(qiáng)度為156.00 MPa，11位置的抗拉強(qiáng)度為155.65 MPa，斷面為脆性斷裂，而未加工的一半，抗拉強(qiáng)度基本在200.00 MPa以上，斷口有明顯韌窩，為塑性斷裂。所以焊接面不平，會(huì)嚴(yán)重影響擴(kuò)散焊的焊縫質(zhì)量。

YZJ-2號(hào)驗(yàn)證因素為機(jī)加表面是否處理，該試樣焊接面采用了拋光棉打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖5所示。從表3結(jié)果中可以看出，2位置抗拉強(qiáng)度為178.17 MPa，4位置抗拉強(qiáng)度為158.45 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-3號(hào)驗(yàn)證因素為機(jī)加表面是否處理，該試樣焊接面采用了細(xì)砂紙打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖6所示。從表3結(jié)果中可以看出，1位置抗拉強(qiáng)度為150.75 MPa，4位置抗拉強(qiáng)度為133.11 MPa，10位置抗拉強(qiáng)度為159.37 MPa，11位置抗拉強(qiáng)度為84.02 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-4號(hào)驗(yàn)證因素為機(jī)加表面是否處理，該試樣焊接面采用了粗砂紙打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖7所示。從表3結(jié)果中可以看出，3位置抗拉強(qiáng)度177.13 MPa，4位置抗拉強(qiáng)度為115.55 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-5號(hào)驗(yàn)證因素為機(jī)加表面是否處理，該試樣焊接面無(wú)任何處理，拉伸試樣斷口形貌如圖8所示。從表3結(jié)果中可以看出，抗拉強(qiáng)度全都大于220.00 MPa，斷口均有明顯韌窩，為塑性斷裂。

從YZJ-2號(hào)、YZJ-3號(hào)、YZJ-4號(hào)及YZJ-5號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接面保持機(jī)加的原始表面焊接效果最好，一旦處理，將會(huì)影響焊接效果。

YZJ-6號(hào)驗(yàn)證因素為表面清潔度，該試樣焊接面酸堿洗過(guò)后表面局部不干凈再次用清洗劑處理，拉伸試樣斷口形貌如圖9所示。從表3結(jié)果中可以看出，絕大部分試件抗拉強(qiáng)度都很低，斷口為脆性斷裂。因此，生產(chǎn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)酸堿洗清洗不干凈的情況，應(yīng)退回清洗工序，整體返工，不能采用清洗劑進(jìn)行局部清洗的臨時(shí)措施。

YZJ-7號(hào)驗(yàn)證因素為多余物，該試樣焊前裝配是在普通的車間環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，且對(duì)裝配工穿著無(wú)特殊要求。拉伸試樣斷口形貌如圖10所示。從表3結(jié)果中可以看出，抗拉強(qiáng)度較低，且斷口上存在灰塵、毛絮等多余物，為脆性斷裂。故擴(kuò)散焊焊前裝配最好在潔凈間內(nèi)進(jìn)行，且裝配工應(yīng)佩戴頭套、口罩、塑膠手套等，避免多余物附著在焊縫上，影響焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）擴(kuò)散焊焊前零件平整度會(huì)影響焊縫質(zhì)量，需控制焊前零件平面度。

（2）擴(kuò)散焊焊前零件，機(jī)加工（數(shù)控銑）后表面不允許處理，需保留原始機(jī)加表面，因表面拋光或打磨會(huì)造成焊接面凹凸不平，影響焊接面的平面度和粗糙度，進(jìn)而影響焊縫質(zhì)量。

（3）擴(kuò)散焊焊前零件酸堿洗后如發(fā)現(xiàn)清洗不干凈，需整體返工重新清洗，不允許用清洗劑進(jìn)行局部清洗；擴(kuò)散焊焊前裝配需在潔凈間內(nèi)進(jìn)行，且裝配工應(yīng)佩戴頭套、口罩、塑膠手套等。

參考文獻(xiàn)

［1］ 牛濟(jì)泰， 劉黎明， 孟慶昌，等. Al2O3p/6061Al復(fù)合材料焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化及接頭組織［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 1999， 20（1）： 28-33.

［2］ Lin C T， Shen Y L， Becker R， et al. Crain morphology， texture， and microhardness gradients in aluminium diffusion-bonded to a1uminium oxide ［J］. Acta Material， 1999， 47（2）： 50l-511.

［3］ 董長(zhǎng)富， 劉黎明， 高振坤， 等. 亞微米級(jí)Al2O3p/6061Al鋁基復(fù)合材料擴(kuò)散焊接工藝［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2004， 25（5）： 85-88.

［4］ 剛鐵，李偉力.擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量檢測(cè)的研究現(xiàn)狀［J］.焊接，2000（5）：9-10.

［5］ 張杰， 周友龍， 劉興秋，等. 焊前處理方式對(duì)LF6鋁合金擴(kuò)散焊的影響［J］. 材料科學(xué)與工藝， 1995（4）： 108-111.

［6］ 熊江濤， 張賦升， 李京龍. 減小表面氧化膜對(duì)LD2擴(kuò)散焊接頭不利影響的工藝［J］. 焊接， 2004（6）： 22-24.

［7］ 劉宇， 楊鑫鑫， 郝瑞. 擴(kuò)散焊工藝對(duì)6063鋁合金焊接接頭性能的影響［J］. 焊接， 2019（7）： 31-33， 39.

［8］ 牛志偉， 畢建勛， 李棟， 等. 鋁合金微流道散熱板真空擴(kuò)散焊可靠性及氣淬工藝［J］. 焊接， 2019（11）： 28-32.

［9］ 于康， 周俊， 周杰. 焊接溫度對(duì)鈦合金擴(kuò)散焊接頭組織與性能的影響［J］. 焊接， 2021（4）： 25-27， 44.

［10］ 顏景潤(rùn)， 任玉燦， 吳偉靜，等. 擴(kuò)散焊工藝對(duì)7075鋁合金焊接接頭性能的影響［J］. 熱加工工藝， 2014， 43（9）： 219-220.

［11］ 王娟， 李亞江. 釬焊與擴(kuò)散焊［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2016.

收稿日期： 2022-12-06

杜俊莉簡(jiǎn)介： 碩士，國(guó)際焊接工程師；主要從事鋁合金特種焊接工藝研究和技術(shù)攻關(guān)工作；dujunli927@163.com。