6061和6063鋁合金真空釬焊后熱處理強化工藝*

張 怡，王天石，張義萍

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

6061和6063鋁合金真空釬焊后熱處理強化工藝*

張 怡，王天石，張義萍

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

隨著電子對抗設備中散熱冷板的壁厚越來越薄，通液壓力越來越高，真空釬焊散熱冷板的抗拉強度已經(jīng)不能滿足要求。文中研究了6061和6063鋁合金真空釬焊后熱處理強化工藝，尋求到合理的熱處理強化工藝參數(shù)，使經(jīng)過真空釬焊后的6061和6063鋁合金母材抗拉強度值回復到了原始T6狀態(tài)材料強度的75%以上，焊縫強度也得到了顯著提升。該方法被應用到鋁合金真空釬焊散熱冷板中，成功提升了冷板的強度。

6061和6063鋁合金；熱處理強化工藝；真空釬焊

引 言

當前電子對抗設備集成度越來越高，要求散熱冷板的重量越來越輕，散熱密度越來越大，體現(xiàn)在冷板結構上的特點為壁厚越來越薄。目前采用真空釬焊制造的散熱冷板廣泛使用的材料為鋁合金3A21，但此材料在焊接后會軟化，焊后基材抗拉強度為100～150 MPa，焊縫抗拉強度為90～100MPa，抗剪切強度為50～60 MPa，無法達到設計要求[1]。

6061鋁合金與6063鋁合金同屬6系中等強度合金，焊接性能優(yōu)良[2]，雖然經(jīng)過真空釬焊的退火過程，抗拉強度和屈服強度也會大幅降低，但由于6061和6063均屬于可熱處理強化鋁合金，可在真空釬焊后進行熱處理對強度進行回復，因此在輕量化、耐高壓的散熱冷板結構中有很大的應用空間[3]。

本文通過研究6061和6063鋁合金真空釬焊后熱處理強化工藝，尋找到合理的淬火+人工時效工藝曲線，同時研究了熱處理強化工藝對真空釬焊焊縫的影響，證明焊縫強度也會在熱處理強化過程中得到提升。

16061和6063鋁合金熱處理強化工藝

1.16061和6063鋁合金真空釬焊后強度變化

1.1.1 真空釬焊強度試驗

根據(jù)HB 5143—1996《金屬室溫拉伸試驗方法》制備拉桿試驗件，一部分拉桿在真空釬焊爐中加熱并隨爐冷卻，另一部分拉桿不進行任何處理。

真空釬焊過程模擬完成后，對拉桿進行室溫拉伸試驗，測試材料的屈服強度和抗拉強度。6061和6063鋁合金原始態(tài)和焊接態(tài)的強度數(shù)據(jù)見表1。

表1 6061和6063原始態(tài)和焊接態(tài)強度數(shù)據(jù)

真空釬焊完成后， 6061和6063鋁合金的屈服強度和抗拉強度的降低幅度均達到原材料強度的50%～70%。

1.1.2 冶金組織分析

圖1是從6061原始態(tài)圓棒試樣上截取的金相試樣光學顯微鏡組織照片，圖2是從6061焊接態(tài)圓棒試樣上截取的金相試樣光學顯微鏡組織照片。在原始態(tài)試樣中可以看到，強化相細小并且分布比較均勻，這也是原始態(tài)試樣強度高的原因。在焊接態(tài)試樣中能夠看到，強化相尺寸明顯增大，其分布也不均勻，有偏聚現(xiàn)象?？梢娫诤附拥谋厍译S爐冷卻過程中，焊接前(原始態(tài))的強化相聚集長大了，這也是焊接態(tài)6061材料強度較低的原因。

圖1 6061合金原始態(tài)組織

圖2 6061合金焊接態(tài)組織

圖3是從6063原始態(tài)圓棒試樣上截取的金相試樣光學顯微鏡組織照片，圖4是從6063焊接態(tài)圓棒試樣上截取的金相試樣光學顯微鏡組織照片。從圖3和圖4可以看出，6063合金2種狀態(tài)的組織狀況與6061合金的一樣：原始態(tài)試樣的強化相細小且分布均勻，焊接態(tài)試樣中的強化相聚集并且長大，導致焊接態(tài)的6063合金強度急劇降低。

圖3 6063合金原始態(tài)組織

圖4 6063合金焊接態(tài)組織

1.1.3 強度變化機理分析

根據(jù)金屬材料學的相關知識， T6狀態(tài)的6061和6063鋁合金，在真空釬焊的過程中，會出現(xiàn)：

1)在晶粒內(nèi)彌散分布的強化相會以合并的形式繼續(xù)長大，導致強化相的尺寸增大而與基體之間的晶界面積減小，由晶界所導致的強化作用降低；

2)α-Al基體中固溶的Mg和Cu脫溶出來沉淀在已有的Mg2Si或CuAl2上，減弱固溶強化效果。

1.26061和6063鋁合金熱處理強化工藝方法和工藝參數(shù)

1.2.1 6061和6063鋁合金熱處理強化工藝強度試驗

6061和6063鋁合金在510 ℃～540 ℃的溫度范圍內(nèi)都有良好的固溶效果，參照相關的標準，對6061和6063，均選用520 ℃作為固溶溫度。欲使強化相CuAl2和Mg2Si分解后Si、Cu和Mg能夠均勻分布到基體中，還得提供充分的固溶時間。由于6061和6063鋁合金中的Si、Mg、Cu含量均不高，因此固溶時間選為2 h。在固溶完成后進行冷卻的過程中，為了防止相變過程中晶粒粗大而降低材料的強度，應盡可能加快冷卻速度，采用水冷的方式進行冷卻。固溶后的鋁合金還得經(jīng)過時效處理，才能使強化相充分析出并均勻彌散到Al基材中，實現(xiàn)彌散強化，使6061和6063鋁合金回復足夠高的強度，而時效處理的效果取決于溫度和時間。通過參考相關資料，該研究分別選擇了200 ℃和175 ℃ 2個時效溫度，選取了2 h、4 h、6 h和8 h 4個時效時間進行試驗。

試驗對象為經(jīng)過真空釬焊過程的拉桿試樣，熱處理強化試驗完成后對拉桿進行室溫拉伸試驗，測試材料的屈服強度和抗拉強度。6061和6063鋁合金在不同工藝參數(shù)下進行熱處理強化后的室溫拉伸試驗數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 6061鋁合金水冷固溶試驗數(shù)據(jù)

注：試驗的固溶工藝參數(shù)為520 ℃ × 2 h。

表3 6063鋁合金水冷固溶試驗數(shù)據(jù)

注：試驗的固溶工藝參數(shù)為520 ℃ × 2 h。

從表2和表3可以看出：水冷固溶520 ℃ × 2 h +175 ℃時效和水冷固溶520 ℃ × 2 h + 200 ℃時效能夠使6061和6063鋁合金的抗拉強度大幅度提高,達到母材強度的75%以上；200 ℃時效的進程相對于175 ℃時效更快，在6 h就能達到強度的最高值。由于時效進程更快即時效過程中的相變速度更快，對生產(chǎn)的控制難度更大，所以最好采用175 ℃ × 8 h時效。

1.2.2 冶金組織分析

圖5和圖6是對6061和6063焊接態(tài)圓棒試樣按照520 ℃ × 2 h + 水冷 + 175 ℃ × 8 h時效處理后截取的金相試樣光學顯微鏡組織照片。

圖5 6061合金固溶時效態(tài)組織

圖6 6063合金固溶時效態(tài)組織

從圖5和圖6可以看出，6061和6063鋁合金在經(jīng)過固溶時效處理之后，強化相尺寸重新變得微小且分布均勻化，可以看作是彌散分布。這一現(xiàn)象充分說明在固溶過程中，焊接態(tài)試樣中聚集長大了的強化相充分溶解到基體中，并在隨后的時效處理過程中彌散析出，對材料本身起到了強化作用。

1.36061和6063鋁合金焊縫強度在熱處理強化過程中的變化

1.3.1 6061和6063鋁合金釬焊焊縫強度試驗

釬焊是利用釬料和工件之間在一定溫度條件下的原子互擴散形成固溶體或生成金屬間化合物而實現(xiàn)冶金結合，達到連接工件的目的。在釬焊過程中，釬料中不可避免地會形成金屬間化合物Mg2Si，可以使釬焊焊縫具有一定的強度和硬度。在6061和6063鋁合金釬焊后熱處理強化過程中，焊縫必然也會經(jīng)歷水冷固溶+時效處理的過程，為了弄清釬焊焊縫在熱處理強化過程中強度的變化及其機理，進行了釬焊焊縫強度試驗。

按國標GB/T 11363—2008《釬焊接頭強度試驗方法》制備6061和6063鋁合金焊縫拉伸試驗件和剪切試驗件。試驗中采用的釬料為BAl88SiMg。釬焊完成后，一半試驗件直接進行釬焊接頭拉伸強度試驗和釬焊接頭剪切強度試驗，另一半試驗件按照優(yōu)化的工藝參數(shù)進行熱處理強化，即520 ℃ × 2 h水冷固溶后進行175 ℃ × 8 h時效處理，強化完成后再進行拉伸強度和剪切強度試驗。強度試驗結果見表4。

表4 6061和6063鋁合金焊縫拉伸強度試驗數(shù)據(jù)

從表4可以看出，熱處理強化后的焊縫強度相對于焊接態(tài)的焊縫抗拉強度和剪切強度均有顯著提高。

1.3.2 冶金組織分析

圖7和圖8是6061鋁合金焊接態(tài)和熱處理強化態(tài)試樣焊縫及焊縫附近基體組織照片和微區(qū)成分分析結果。圖9和圖10是6063鋁合金焊接態(tài)和熱處理強化態(tài)試樣焊縫及焊縫附近基體組織照片和微區(qū)成分分析結果。

圖7 6061焊縫及附近組織的微區(qū)成分分析(焊接態(tài))

圖8 6061焊縫及附近組織的微區(qū)成分分析(熱處理強化態(tài))

圖9 6063焊縫及附近組織的微區(qū)成分分析(焊接態(tài))

圖10 6063焊縫及附近組織的微區(qū)成分分析(熱處理強化態(tài))

從圖7和圖9 Mg的分布狀況和Si的分布狀況能夠清楚地看到，在焊接態(tài)試樣中，Si、Mg的高濃度區(qū)域正好對應著強化相聚集區(qū)。所以可以認為，局部富集共晶硅或Mg2Si的區(qū)域是焊縫。同時也說明6061和6063鋁合金焊接完成后，焊縫處的Si還沒有來得及向基體擴散。同樣，焊縫區(qū)的Mg也還沒有來得及向基體擴散。總的說來，6061和6063鋁合金焊接態(tài)的焊縫區(qū)域仍然存在明顯的Si、Mg富集區(qū)。

從圖8和圖10可以看出：進行熱處理強化后，6061和6063鋁合金焊縫處Si、Mg的分布更均勻，Al的分布也基本看不出差別，釬料和基體的Si、Mg、Al原子相互擴散，形成更好的冶金結合，但熱處理強化后焊縫處仍存在一定的Si、Mg富集。

因此，對焊接后的6061和6063鋁合金進行水冷固溶+時效處理，可以促進焊縫中的Si、Mg向附近的基體擴散，有利于釬料與基體的冶金結合，提高焊縫強度。

26061和6063鋁合金熱處理強化工藝在液冷機架中的應用

典型的液冷機架散熱冷板的基本結構形式如圖11所示。此類散熱冷板為中空結構，最薄的壁厚僅為2 mm，要求能在常溫條件下承受1.5 MPa的液壓，保壓30 min而不發(fā)生變形、鼓包。冷板的工藝路線如圖12所示。

圖11 液冷機架冷板的基本結構

圖12 液冷機架冷板工藝路線

根據(jù)1.2部分的工藝參數(shù)，對真空釬焊后的散熱冷板進行了固溶(520 ℃ × 2 h)+ 水冷 + 時效處理(175 ℃ × 8 h)。固溶完成后，工件出爐側立放入25 ℃的水中急速冷卻到室溫。由于冷板在急速冷卻過程中會變形，因此在冷卻后30 min內(nèi)由鉗工進行表面校形，校形完成后立即對工件進行人工時效處理，再進行組合體的精加工。

精加工完成后，對冷板進行氣密試驗。向冷板中打壓，直至1.5 MPa，并保壓30 min，無漏氣、鼓包現(xiàn)象。打壓試驗完成后，用三坐標測量機測量4件工件插槽的平面度，測量結果見表5。

表5 冷板樣件平面度

3 結束語

本文研究了6061和6063鋁合金真空釬焊后的熱處理強化技術，得出了以下結論：

1)6061和6063鋁合金在真空釬焊后，采用熱處理強化工藝，即固溶(520 ℃ × 2 h) + 水冷 + 人工時效(175 ℃ × 8 h)，可使鋁合金強度回復到材料原始狀態(tài)的75%以上。

2)6061和6063鋁合金真空釬焊焊縫強度在熱處理強化過程中也會得到相應提升，但相對于基材強度而言，焊縫依然是焊接結構中較薄弱的環(huán)節(jié)。

3)6061和6063鋁合金典型散熱冷板零件在真空釬焊后，用1)中的工藝參數(shù)對其進行熱處理強化，可以實現(xiàn)耐壓1.5 MPa，保壓30 min不鼓包、不變形。

[1] 張勝波，章冰，肖蔭果. 時效制度對6063合金導熱性能和硬度的影響[J]. 合金與熱處理, 2003, 26(3): 13-18.

[2] 陳準, 譚澄宇. 熱處理制度對6013和6061合金拉伸性能的影響[J]. 輕合金加工技術, 2001, 29(4): 25-27.

[3] 張建新. 關于提高6063 鋁型材強度途徑探討與分析[J]. 鋁合金, 2002(3): 23-24.

張 怡(1984-),女，碩士，主要研究方向為電子設備制造工藝研究。

HeatTreatmentTechnologytoImprovetheStrengthof6061and6063AluminiumAlloyafterVacuumWeldingProcess

ZHANGYi，WANGTian-shi，ZHANGYi-ping

(The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

The tensile strength of the cold plate of the electronic countermeasures equipment after vacuum welding process can′t meet the requirement for the thickness of the cold plate is thinner and thinner and the hydraulic pressure of the liquid is higher and higher. In this paper the heat treatment technology after vacuum welding process is studied to improve the tensile strength of 6061 and 6063 aluminium alloy and the proper technology parameters are found. As a result, the tensile strength is improved to more than 75% of the strength of T6 raw material and the tensile strength of the welding line is promoted significantly. The heat treatment technology has been applied to the cold plate of 6061 and 6063 aluminium alloy after vacuum welding process and has improved the tensile strength of the cold plate successfully.

6061 and 6063 aluminium alloy; heat treatment technology; vacuum welding

2015-05-20

TG156

：A

：1008-5300(2015)04-0041-05