李宸宇，王傳偉，吳昱昆，魏之杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

1 引言

微波電路及元器件的外殼為其提供重要的機(jī)械保護(hù)及腐蝕防護(hù)功能，這就對外殼的封裝氣密性提出了較高的要求[1]。常用的微波組件管殼材料包括鈦合金、鋁合金、鋁硅合金等，4047 鋁合金由于其具有密度低、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域的微波組件封裝中[2]。

本文研究了不同組織成分的4047 鋁合金在激光焊接后出現(xiàn)焊接氣孔的問題，通過表征合金的組織結(jié)構(gòu)、元素成分、焊縫形貌等，確定了合金的組織成分變化對焊接氣孔的影響，并提出改善措施。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用激光封焊系統(tǒng)進(jìn)行激光封焊試驗(yàn)，在焊前將3 個(gè)批次的4047 鋁合金蓋板烘烤24 h，在蓋板冷卻后進(jìn)行焊接試驗(yàn)。針對3 個(gè)批次的蓋板分別進(jìn)行了50 只組件的封焊試驗(yàn)。設(shè)置激光功率為2 100 W，脈寬為4.0 ms，頻率為30 Hz。焊后使用氦質(zhì)譜檢漏儀對組件進(jìn)行檢漏（檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為漏率≤5×10-6Pa·cm3/s），3 個(gè)批次的蓋板在封焊后的合格組件數(shù)量及氣密合格率如表1 所示。

表1 封焊后合格組件數(shù)量及氣密合格率

將不合格組件置于105 ℃的氟油中浸泡60 s 以上，觀察其漏點(diǎn)位置，通過光學(xué)顯微鏡觀察到漏點(diǎn)附近的焊縫形貌，不合格組件的焊接氣孔如圖1 所示。焊接氣孔是導(dǎo)致組件氣密失效的主要原因。

圖1 不合格組件的焊接氣孔

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對3 個(gè)批次的蓋板進(jìn)行激光封焊，一批次蓋板焊縫表面形貌如圖2（a）所示。從圖2（a）可以看出，蓋板封焊后的焊縫熔寬為0.85 mm，焊縫表面呈魚鱗狀，無明顯氣孔或裂紋缺陷出現(xiàn)，熔寬一致，焊縫成形良好。一批次蓋板焊縫的截面形貌如圖3（a）所示，焊縫截面熔池深度為0.76 mm，熔池內(nèi)部無明顯氣泡殘留，無裂紋延展，熔池形狀對稱均勻，焊接時(shí)熔融區(qū)的流動(dòng)性良好。二批次蓋板焊縫表面形貌如圖2（b）所示，蓋板封焊后的焊縫熔寬為0.76 mm；二批次蓋板焊縫截面形貌如圖3（b）所示，焊縫截面熔池深度減?。?.69 mm），焊縫表面光潔但熔池內(nèi)部可見兩處較大氣泡及多處小氣泡，未見明顯裂紋延展，說明焊接時(shí)熔融區(qū)內(nèi)的氣體無法完全排出，焊縫質(zhì)量不佳。三批次蓋板焊縫表面形貌如圖2（c）所示，蓋板封焊后的焊縫熔寬為0.83 mm；三批次蓋板焊縫截面形貌如圖3（c）所示，焊縫截面熔池深度為0.79 mm，其熔寬與熔深與一批次蓋板基本一致，但熔池內(nèi)部可見多處小氣泡并存在裂紋延展的風(fēng)險(xiǎn)，焊接時(shí)熔融區(qū)可能存在材料潤濕性或流動(dòng)性不足的問題，易引起氣密失效。

圖2 3 個(gè)批次蓋板封焊后的焊縫表面形貌

為了明確蓋板成分對焊接缺陷的影響，對3 個(gè)批次的蓋板進(jìn)行成分測定，采用直讀光譜儀對3 個(gè)批次的蓋板進(jìn)行檢測，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 3 個(gè)批次蓋板的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果

從表2 可知，二批次蓋板中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.1%，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)4047 鋁合金的規(guī)定（Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～13%）。其余兩個(gè)批次蓋板的成分與標(biāo)準(zhǔn)4047 鋁合金基本一致。在激光焊接過程中，材料的能量吸收率取決于材料本身的組織成分，而Al 對激光的反射率要高于Si 對激光的反射率，因此合金中Si 含量的減少會(huì)降低合金對能量的吸收率，增大對能量的反射率。單位時(shí)間內(nèi)焊接的熱輸入量下降，一方面會(huì)導(dǎo)致焊接熱熔區(qū)溫度下降，冷卻時(shí)間變短，氣體來不及溢出；另一方面會(huì)導(dǎo)致焊縫熔池的流動(dòng)性不足，容易形成焊接氣孔。

為了進(jìn)一步研究蓋板成分對焊縫熔池及其流動(dòng)性的影響，對3 個(gè)批次的蓋板進(jìn)行取樣、研磨、拋光，再采用顯微鏡觀察。由于標(biāo)準(zhǔn)4047 鋁合金中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～13%，處在鋁硅合金共晶點(diǎn)（Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.2%）附近，常溫下，合金組織為Si 相與Al 相的共晶組織，通過顯微鏡觀察，Si 顆粒分布于Al 基底中。圖4 為Al-Si 合金相圖。

圖4 Al-Si 合金相圖[6]

3 個(gè)批次蓋板的顯微組織形貌如圖5 所示。從圖5（a）可以看出，蓋板的Si 顆粒均勻分布在Al 基底中，Si 顆粒尺寸較小且大小一致，組織無明顯取向性；從圖5（b）可以看出，二批次蓋板中的部分Si 顆粒聚集長大，聚集后的顆粒大小不均勻，且在Al 基底中分布不均，無明顯取向性；從圖5（c）可以看出，三批次蓋板的Si 顆粒尺寸與一批次蓋板基本一致，但Si 顆粒存在橫向取向性，組織各向異性明顯。

圖5 3 個(gè)批次蓋板的顯微組織形貌

對經(jīng)打磨和拋光后的3 個(gè)批次蓋板樣品進(jìn)行X射線衍射（XRD）檢測，圖6 為3 個(gè)批次蓋板的XRD圖譜。一批次蓋板的Si 相的成分含量和晶體形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)4047 鋁合金接近，因此選擇一批次蓋板的XRD 圖譜作為參照標(biāo)準(zhǔn)。二批次蓋板中Al（200）晶面的衍射峰較高，且整體衍射峰角度相較于一批次蓋板稍向右偏移，根據(jù)布拉格方程，Si 離子半徑大于Al 離子半徑，合金中Si 元素的減少會(huì)引起衍射峰角度變大，這與表2 中元素成分檢測結(jié)果相一致。三批次蓋板Si 相在Si（111）晶面上反射率下降，而Al（311）晶面的衍射峰異常增高，證明合金組織具有取向性，其取向性與圖5（c）所示的顯微組織一致。

圖6 3 個(gè)批次蓋板的XRD 圖譜

對比一、三批次蓋板的組織形貌及XRD 圖譜，可知三批次蓋板的組織帶有明顯取向性。宏觀上，組織各向異性導(dǎo)致三批次蓋板硬度增大，而塑性有所降低，體現(xiàn)為合金在應(yīng)力作用下變形能力下降。同時(shí)，組織各向異性在激光焊接過程中還造成焊縫區(qū)與熱熔區(qū)間的界面張力增大，降低了焊縫熔池的流動(dòng)性。微觀上，隨著材料內(nèi)部位錯(cuò)密度的提高，其內(nèi)應(yīng)力也會(huì)增大，在激光焊接過程中，高密度位錯(cuò)導(dǎo)致焊接應(yīng)力增大，在相同的熱輸入條件下，焊縫熔池的流動(dòng)性變差，容易形成焊接氣孔[7]。

4 改進(jìn)優(yōu)化措施

針對二、三批次蓋板存在的組織成分問題，設(shè)計(jì)焊接改善方案。二批次蓋板中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.1%，低于標(biāo)準(zhǔn)4047 鋁合金中的Si 含量，顯微組織中Si 顆粒局部聚集，造成蓋板對激光吸收率降低。可以通過增大激光功率以提高焊接熱輸入[8]，采用3 種焊接方案分別完成二批次蓋板各50 個(gè)組件的焊接，焊接方案及組件合格率如表3 所示，蓋板焊縫表面形貌如圖7 所示。

當(dāng)焊接功率為2 300 W 時(shí)，組件的氣密合格率較功率為2 100 W 時(shí)有所提升，但仍有10%的組件存在焊接氣孔。當(dāng)焊接功率為2 600 W 時(shí)，焊接熱輸入進(jìn)一步提高，此時(shí)焊縫熔寬為0.83 mm，焊縫熔池流動(dòng)性提高，焊后組件的氣密合格率達(dá)到98%，未發(fā)現(xiàn)氣孔或裂紋等缺陷。當(dāng)焊接功率為2 900 W 時(shí)，焊后部分焊縫表面出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，焊縫處出現(xiàn)由于母材飛濺引起的焊接氣孔，影響組件外觀及氣密性能。這是由于在激光焊接時(shí)，過高的激光功率易導(dǎo)致焊縫熔池溫度過高，引起熔池飛濺，形成焊接缺陷。因此方案二是最佳選擇。

針對三批次蓋板中存在的材料組織具有取向性的問題，將問題蓋板返回加工廠家進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理，處理后的蓋板顯微組織形貌如圖8 所示，原有的組織取向性得到了一定的糾正，該處理工藝消除了材料內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)激光封焊后組件的氣密合格率提升至98%，達(dá)到正常批次焊后合格率。

圖8 經(jīng)消除應(yīng)力退火處理后的蓋板顯微組織形貌

5 結(jié)論

4047 合金中Si 含量的降低導(dǎo)致焊接時(shí)材料熱吸收率的下降，焊縫熔池冷卻加快，熔池流動(dòng)性降低，易形成焊接氣孔。通過增大焊接功率，可以改善由于Si含量不足導(dǎo)致熱吸收不足的問題，進(jìn)而改善焊縫熔池流動(dòng)性，提高組件的氣密合格率。4047 合金組織的各向異性增大了各焊接區(qū)域間的界面張力，造成位錯(cuò)密度增大，焊接應(yīng)力增高，阻礙了焊接時(shí)焊縫熔池的流動(dòng)，導(dǎo)致焊接氣孔的產(chǎn)生。通過進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理和改善組織均勻性，可以提高組件的氣密合格率。該研究結(jié)果對4047 鋁合金管殼激光封焊及合金國產(chǎn)化替代具有一定的參考意義。