鋁合金散熱器真空釬焊及熱處理工藝分析

袁明富

（揚(yáng)州恒星精密機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州225000）

鋁合金散熱器是以鋁合金為原材料制備而成的散熱設(shè)備，以其適應(yīng)能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，在日常生活與生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。隨著鋁合金散熱器需求量的不斷提升，以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展過程中對(duì)能源利用要求的不斷提高，散熱器高性能化、輕量化、低成本化成為必然趨勢(shì)，是當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)以及相關(guān)研究人員關(guān)注與思考的重點(diǎn)問題。

1 鋁合金散熱器真空釬焊工藝分析

1.1 理論分析

1.1.1 真空釬焊工藝

隨著釬焊技術(shù)水平的不斷提升，其方法日漸多樣（如烙鐵釬焊、波峰釬焊、激光釬焊、真空釬焊、氣相釬焊等）可滿足不同焊接需求[1]。在鋁合金散熱器中，真空釬焊的綜合效益較好。相對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金散熱器焊接工藝而言，真空釬焊優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在：（1）適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在鋁、鋁合金、合金鋼、銅等眾多材料中運(yùn)用，可有效滿足鋁合金散熱器設(shè)計(jì)要求；（2）無污染，真空釬焊在真空條件下進(jìn)行，無釬劑使用，達(dá)到無公害、無環(huán)境污染焊接處理要求；（3）焊接質(zhì)量高，釬料流動(dòng)性好，濕潤(rùn)性強(qiáng)，工件不氧化，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度要求高等器件焊接，利于產(chǎn)品成品率提升[2]。

1.1.2 鋁合金散熱器真空釬焊影響因素

在實(shí)踐操作過程中，真空釬焊出現(xiàn)釬料流失、焊接不到位、焊腳不飽滿、原材料腐蝕、散熱器結(jié)構(gòu)變形、母材表面溶蝕等缺陷。

對(duì)上述問題形成原因進(jìn)行探究，影響因素主要有原材料、真空釬焊溫度、焊前清洗、釬焊環(huán)境、保溫時(shí)間、真空度等。

1.2 實(shí)踐分析

為進(jìn)一步掌握鋁合金散熱器真空釬焊工藝，提升一次焊接合格率，以鋁合金板翅式散熱器真空釬焊為例，就其工工藝流程及操作要點(diǎn)進(jìn)行了如下分析。

1.2.1 明確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其焊接要求

本研究中的鋁合金板翅式散熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由封條、復(fù)合板、翅片、導(dǎo)流片等眾多結(jié)構(gòu)組成。加之，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上將封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，改傳統(tǒng)長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)為梯形狀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。同時(shí)，真空釬焊寬度降至2.5mm，翅片厚度不超過0.2mm。這在一定程度上進(jìn)一步提高了真空釬焊難度。需要在實(shí)踐操作過程：（1）保證釬著率，提高釬焊接頭強(qiáng)度；（2）釬焊密封無泄漏；（3）嚴(yán)格控制真空釬焊溫度與保溫時(shí)間，以免翅片溶蝕。

圖1 鋁合金板翅式散熱器封條結(jié)構(gòu)

1.2.2 科學(xué)選擇散熱器真空釬焊釬材

鋁合金散熱器母材選用6 系鋁合金板材。該母材具有加工性能好、韌性高、抗腐蝕等優(yōu)勢(shì)，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的鋁合金材料。

研究表示在6061 鋁合金產(chǎn)品真空釬焊過程中，AlSi11.5Mg1.5 釬料具有加強(qiáng)適用性，能夠滿足產(chǎn)品真空釬焊與熱處理工藝需求[3]。

本研究中最終確定以4 系鋁箔釬料為鋁合金散熱器釬焊釬材, 釬料附著在金屬材料上后形成的包裹層厚度大于0.01mm，小于0.05mm。釬料化學(xué)成分如表1。

表1 釬料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

1.2.3 工藝參數(shù)科學(xué)制定與嚴(yán)格把控

（1）焊前零件清洗：采用具備清洗徹底、無污染、自動(dòng)化控制等優(yōu)勢(shì)的超聲波清洗法在焊前對(duì)原材料進(jìn)行清洗，以達(dá)到氧化皮、浮油、油斑等有效去除目的。在此過程中蒸汽PH 值與溫度分別控制在5～8、90℃～93℃，封條、復(fù)合板等零件清洗時(shí)間設(shè)置為2min，翅片清洗時(shí)間設(shè)置為3min。各零件清洗后置于無塵裝配間用專用工具裝配，為降低裝配環(huán)境對(duì)產(chǎn)品釬焊質(zhì)量的影響，將空氣相對(duì)濕度控制在60%～70%，溫度控制在（19±4）℃，裝配完成后進(jìn)行校對(duì)。

（2）真空度確定：真空度的精準(zhǔn)控制是保證鋁合金散熱器真空釬焊質(zhì)量的重要因素。通常情況下，真空爐中氧化性氣體容易與釬料成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Al2O3氧化膜，從而影響焊接質(zhì)量。本研究中將工作真空度控制在1.3×10-3Pa 以內(nèi)。同時(shí)，為避免加熱爐開啟，外界空氣中水分進(jìn)入爐內(nèi)影響真空度。在真空釬焊設(shè)備使用前試運(yùn)行一段時(shí)間。

（3）加熱方式、釬焊溫度與保溫時(shí)間控制：運(yùn)用階梯升溫法進(jìn)行加熱，由于產(chǎn)品所用母材為6 系鋁合金板材（化學(xué)成分如表2），固相線溫度為616℃，釬料液相線溫度為600℃，故設(shè)計(jì)第一段定溫360℃，保溫60min；第二段定溫520℃，保溫60min；第三段定溫570℃，保溫30min；第四段定溫615℃，保溫20min（具體如圖2）。

表2 母材主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

（4）冷卻速度與出爐：冷卻速度過快或過慢皆會(huì)影響焊接質(zhì)量，出現(xiàn)接頭裂紋或母材晶粒增粗問題，故選擇隨爐冷卻，當(dāng)爐溫降至200℃時(shí)，開爐取件，并水冷至室溫。導(dǎo)流片進(jìn)行氬弧焊焊接。

圖2 溫度- 時(shí)間工藝曲線

2 真空釬焊鋁合金散熱器熱處理工藝分析

2.1 理論分析

2.1.1 熱處理工藝。隨著近些年熱處理工藝研究的不斷深入，鋁合金散熱器真空釬焊熱處理既可以與真空釬焊在同一熱循環(huán)中完成，也可以在釬料重熔溫度下完成。前者利于生產(chǎn)效率提升，對(duì)系統(tǒng)控制水平要求較高，后者釬縫質(zhì)量較好，不易發(fā)生開裂、變形等問題。

2.1.2 熱處理工藝要點(diǎn)。在鋁合金散熱器真空釬焊熱處理過程中，固溶與時(shí)效工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就固溶淬火而言，其科學(xué)運(yùn)用利于鋁合金性能強(qiáng)化，即通過影響析出相類型、狀態(tài)、分布情況等，實(shí)現(xiàn)鋁合金性能改變。

2.2 實(shí)踐分析

2.2.1 試驗(yàn)材料。以上文中鋁合金散熱器真空釬焊實(shí)踐分析中提到的原鋁材料以及真空釬焊后樣品、熱處理強(qiáng)化后樣品作為熱處理工藝研究材料。

2.2.2 試驗(yàn)過程。利用箱式電阻爐對(duì)原鋁材料、鋁合金散熱器真空釬焊樣品等進(jìn)行固溶淬火處理。為有效掌握固溶淬火工藝對(duì)鋁合金散熱器母材性能存在的影響，并找到最優(yōu)固溶淬火工藝，設(shè)計(jì)了450℃、470℃、490℃、510℃、530℃、550℃六個(gè)保溫溫度，保溫時(shí)間5h，室溫水淬，時(shí)效處理溫度180℃，時(shí)效處理時(shí)間為5h 與8h。根據(jù)《金屬顯微維式硬度試驗(yàn)方法》（GB/T 4342-1991）、《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 11363-2008）、《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 228-2010）、《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法》（GB/T3246.1-2012）相關(guān)規(guī)定與要求，分析不同固熔工藝對(duì)焊縫、母材性能存在的影響。圖3、圖4 為不同固溶工藝+180℃/5h 時(shí)效下焊縫硬度、延伸度檢測(cè)結(jié)果。圖像分析發(fā)現(xiàn)530℃時(shí)焊縫最高強(qiáng)度可達(dá)到134.6HV（保溫時(shí)間為3小時(shí)），焊縫延伸率受保溫時(shí)間影響較大，隨時(shí)間延長(zhǎng)，焊縫延伸率下降。

圖3 焊縫硬度檢測(cè)

圖4 焊縫延伸率檢測(cè)

為準(zhǔn)確掌握時(shí)效硬化工藝對(duì)鋁合金散熱器焊縫與母材性能存在的影響，并找到最佳時(shí)效制度。在確定固溶淬火工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同時(shí)效硬化方案，分析了不同溫度（120℃、150℃、180℃）下不同時(shí)間（1～17h）散熱器焊縫與母材的顯微組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果。散熱器鋁合金在510～530℃可獲得較好固溶效果，經(jīng)多次試驗(yàn)分析最終確定最佳固溶溫度為514℃。固溶后通過水冷方式促進(jìn)冷卻，防止鋁合金相變，避免出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象。時(shí)效硬化工藝試驗(yàn)研究確定時(shí)效溫度為160℃，時(shí)效時(shí)間為8 小時(shí)，能夠獲取最佳熱處理效果，促進(jìn)鋁合金強(qiáng)度（平均強(qiáng)度超過228MPa）、硬度（平均硬度超過79HBW）提升，滿足鋁合金散熱器設(shè)計(jì)與生產(chǎn)要求。

總而言之，真空釬焊是當(dāng)前鋁合金散熱器生產(chǎn)過程中應(yīng)用前景較好的釬焊工藝。在實(shí)踐過程中為滿足鋁合金散熱器生產(chǎn)需求，應(yīng)對(duì)原材料、真空釬焊溫度、表面處理工藝、釬焊環(huán)境、真空度、保溫時(shí)間等進(jìn)行嚴(yán)格控制，以降低釬料流失、焊縫不連續(xù)、溶蝕等缺陷的產(chǎn)生，確保鋁合金散熱器焊接質(zhì)量。同時(shí)，在明確認(rèn)知熱處理工藝科學(xué)運(yùn)用價(jià)值的同時(shí)，能夠根據(jù)鋁合金散熱器具體情況與生產(chǎn)要求，探究最適宜熱處理方案，以滿足鋁合金散熱器設(shè)計(jì)需求、后續(xù)工藝處理要求，提高散熱器質(zhì)量。