6063 鋁合金散熱器真空釬焊后基材強度提升探索

王一焱，董陽華，尹東海

（常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇常州 213025）

直流輸電工程具有輸送容量大、輸電距離長、技術(shù)先進，優(yōu)勢明顯的特點，核心器件在正常運行時通過晶閘管的大電流產(chǎn)生大量的熱量，使晶閘管、電抗器等元件溫度急劇上升。為防止這些元件因溫度過高而損壞，對各個元器件的冷卻十分重要。水冷散熱器便是冷卻的關(guān)鍵元件，其質(zhì)量和性能直接關(guān)系到整閥運行。隨著需求提高，在滿足原有散熱性能需求的基礎(chǔ)上，還需散熱器表面強度足夠承受壓力防止變形進而避免影響散熱效果。因此提升釬焊后散熱器表面強度勢在必行。

本文通過在工藝過程中增加一道熱處理工序，并比對了原材料、釬焊后和熱處理后材料的力學(xué)性能和金相組織。試驗結(jié)果證明，熱處理后散熱器的表面強度有效提高，為后續(xù)工藝及生產(chǎn)提供一定參考。

1 工藝方案優(yōu)化

散熱器經(jīng)真空釬焊后，其表面經(jīng)機械加工后使用。但經(jīng)過真空釬焊過程后強度明顯下降，產(chǎn)品性能不能滿足工程現(xiàn)場的承壓及強度要求。

6063 鋁合金為6 系中等強度鋁合金，焊接性能優(yōu)良，可進行熱處理[1]。供貨6063 鋁合金為T6處理狀態(tài)，該鋁合金抗拉強度為215MPa[2]，其強度滿足工程配件使用要求。

考慮6063 鋁合金為可熱處理強化鋁合金，為了增強釬焊后散熱器基材強度，優(yōu)化工藝方案，釬焊后增加熱處理工序。

6063 鋁合金可在510～530℃左右達到良好的固溶效果，幾經(jīng)優(yōu)化后選用518℃作為固溶溫度，因散熱器最厚處可達45mm，為保證固溶效果，固溶時間定為大于等于5 小時；固溶后考慮防止相變及使晶粒盡量細小，防止晶粒粗大，采用水冷方式進行冷卻以加快冷卻速度。固溶后的時效處理非常關(guān)鍵，時效不僅可使強化項彌析出、擴散到基材中，還可釋放應(yīng)力。為達到最佳的熱處理效果，時效溫度選為160℃，時效時間定為8h，時效后采用空冷方式冷卻。

2 試驗過程及分析

試樣選取分別為原鋁材、真空釬焊樣品及隨爐試樣（隨爐試樣為與散熱器尺寸一樣的鋁型材）和焊接后熱處理強化試樣，分別進行力學(xué)性能測試[3]及金相組織分析。

力學(xué)測試試樣根據(jù)GB/T 228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》取樣，按照板材拉伸試件制樣，試樣尺寸為表1 所示。試樣寬度15mm，厚度4mm。

6063 鋁合金原材抗拉強度如表1 所示。

釬焊后鋁材抗拉強度如表2 所示。

布氏硬度如表3 所示。

表1 鋁合金原材抗拉強度

表2 釬焊后鋁材抗拉強度

表3 鋁合金原材布氏硬度

由原材的抗拉強度及釬焊后鋁合金抗拉強度、布氏硬度可知，鋁合金原材抗拉強度平均值為216.055MPa，基本符合查表數(shù)值，而釬焊后鋁合金強度平均值為98.608MPa，釬焊后強度大幅下降，不到原材的一半；原材硬度平均值為66.525（HBW），釬焊后硬度平均值為33.407（HBW），也為原材的一半。

可見，經(jīng)過釬焊后的鋁合金強度、硬度均大幅下降，可以把該過程看做材料的退火過程，不能滿足現(xiàn)場使用要求。

為使材料性能進一步提升，達到基本等同于原材的各項性能指標(biāo)，改進工藝流程后，增加了釬焊后熱處理工序。熱處理后再次進行產(chǎn)品性能測試，依照前試驗，分別進行了抗熱處理后材料的拉強度和硬度測試，測試數(shù)據(jù)如表5 和表6 所示。

熱處理后材料布氏硬度如表6 所示。

表4 釬焊后鋁材布氏硬度

表5 熱處理后鋁材抗拉強度

表6 熱處理后鋁材硬度

經(jīng)過力學(xué)性能測試后發(fā)現(xiàn)增加熱處理工序后，鋁合金抗拉強度平均值可達到228.566MPa；硬度平均值也達到79.66（HBW），兩個性能指標(biāo)均較釬焊后的材料翻倍提升，甚至略高于原母材的強度和硬度。

可見改進工藝流程，增加釬焊后熱處理強化工序可達到預(yù)期效果，產(chǎn)品性能可比肩原材性能，完全滿足設(shè)計及使用要求。

為了進一步研究其過程及機理，分別觀察了母材、釬焊后材料及增加熱處理工序材料的組織。取三個工藝階段的試樣，分別制成標(biāo)準金相試樣后在金相顯微鏡下觀察。

原材為6063 鋁合金，T6 處理為固溶熱處理后進行人工時效，由金相組織可以看出，該狀態(tài)鋁合金組織晶粒大小均勻，強化相均勻、細小，這樣從根本上解釋了該材料具有較高的強度和硬度的原因。

圖1 原材組織

將釬焊過程看成是一次退火過程，退火后強度和硬度均會大幅下降[4]。由圖2 釬焊后的金相組織可看到，經(jīng)過釬焊過程，鋁合金晶粒變粗大，細小相長大、合并且呈現(xiàn)分布不均的狀態(tài)，顯微組織的變化引起了材料性能的變化，力學(xué)性能試驗也印證了這一點。釬焊后的抗拉強度和硬度均大幅下降。

為提升釬焊后產(chǎn)品力學(xué)性能，采取熱處理工藝，由圖3 可見，熱處理后強化相變小，分布逐漸均勻化，固溶和時效工藝使得析出的強化相重新彌散、析出，增加了基體組織的強度。

圖2 釬焊后基材組織

圖3 熱處理后基材組織

3 結(jié)論

本文研究了6063 鋁合金釬焊后強度提升及相應(yīng)的熱處理技術(shù)，得出了以下結(jié)論：

（1）6063 T6 鋁合金散熱器釬焊后硬度、強度均大幅下降，可看成是退火過程。

（2）釬焊后采用518℃固溶，保溫5 小時以上；再經(jīng)160℃，保溫8 小時后空冷的熱處理工藝后，材料的強度、硬度均明顯提高，甚至略高于原材。

（3）經(jīng)過熱處理后散熱器滿足設(shè)計及工程使用需求。