某型鋁合金機箱真空釬焊焊接缺陷分析

喬平 羅錫 張紅娟 王朝

摘要：本文對鋁合金機箱真空釬焊后的缺陷進行分析，從鋁合金真空釬焊原理機制、釬焊溫度、零件表面清潔度、零件裝配間隙、真空度等方面進行闡述，論述了真空釬焊缺陷產(chǎn)生的原因，為后續(xù)生產(chǎn)加工中提高焊接質(zhì)量提供了經(jīng)驗依據(jù)。

關鍵詞：鋁合金;真空釬焊缺陷;鋁合金清洗

鋁合金具有耐腐蝕性好、焊接性能佳、導熱導電性能優(yōu)良等優(yōu)點，常常被用于航空航天領域的電子設備機箱。鋁合金真空釬焊機箱的焊接接頭一次成形，釬焊效率高，焊接后對基材的性能基本不改變。真空釬焊過程加熱均勻，機箱變形較小，容易保證組裝焊接件的精度。而真空釬焊過程中一旦出現(xiàn)焊接缺陷，往往會降低機箱的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對真空釬焊中產(chǎn)生的缺陷進行原因分析，對于解決缺陷具有非常重要的作用。

1 機箱真空釬焊缺陷

某型鋁合金機箱箱體由前后框、左右側(cè)板、隔板等組裝，組裝處裝夾釬料，由組裝螺釘及工裝進行緊固。真空釬焊后發(fā)現(xiàn)焊接處未釬著，真空釬焊缺陷如圖1所示。從圖中可以看出機箱焊縫處未發(fā)生明顯潤濕，焊接接頭處呈現(xiàn)一段段黑色縫隙，表現(xiàn)為長條形的未釬著。同時發(fā)現(xiàn)組裝零件表面存在明顯的污染，零件表面清潔度不夠會影響真空釬焊質(zhì)量。由此得出造成該機箱未釬著的主要原因為零件清潔度不夠。

2 真空釬焊原理機制

真空釬焊是在真空狀態(tài)下，將真空爐內(nèi)溫度設定到某一區(qū)間。在該溫度下，母材處于固體狀態(tài)，釬料處于液體狀態(tài)。液態(tài)的釬料在母材的表面上潤濕、毛細流動、填充、鋪展，與母材相互作用，最終冷卻凝固，實現(xiàn)冶金的連接方法[1]，如圖2所示。

鋁合金對氧的親和力很大，焊接時表面形成一層致密的氧化膜，阻礙釬料與母材的結(jié)合，這是鋁合金焊接時的主要障礙之一。破除鋁合金零件表面氧化膜，可以加強釬料與母材的潤濕效果，有利于釬焊接頭的形成。鋁合金表面氧化膜的性質(zhì)非常穩(wěn)定，在有氧環(huán)境中，即使舊膜被破壞，隨時可以生成新膜。在鋁合金釬焊時需要破除表面氧化膜，釬焊后需要保護形成的鋁合金氧化膜，防止接頭被環(huán)境氧化腐蝕。

在真空環(huán)境下，較高的真空度減少了氧氣含量，減少了鋁合金加熱過程的氧化。同時在真空環(huán)境下鋁合金表面的氧化物分解;氧化物蒸發(fā);H或CO對氧化物的還原作用;致密氧化膜破裂;C對氧化膜的還原作用;表面的氧化材料內(nèi)部的擴散。這些過程綜合作用于氧化膜的去除，促進釬料對母材的潤濕。

真空釬焊的工藝流程如圖3所示，通過對零件進行清洗去除零件表面氧化膜，這一步非常重要，如果零件表面未清洗干凈，就會產(chǎn)生嚴重的焊接質(zhì)量問題。

3 影響鋁合金機箱真空釬焊的缺陷分析

在機箱的生產(chǎn)過程中，由于釬焊基材、釬料、工藝方法和加工環(huán)境等多因素影響，各方面綜合作用，真空釬焊后接頭處往往會產(chǎn)生一些如氣孔、表面缺陷、溶蝕等釬焊缺陷。釬焊缺陷的存在直接影響著產(chǎn)品的可靠性。真空釬焊的表面缺陷包括表面氧化、表面氣孔、表面未釬著、溶蝕、裂紋等。影響真空釬焊的因素有如下幾方面。

3.1 釬焊溫度

釬焊包含兩個過程：一是釬料填滿釬縫的過程;二是釬料與母材相互作用的過程。加熱到釬焊溫度時，釬料熔化填縫并與母材表面發(fā)生物理化學作用。熔化的釬料填滿釬焊接頭間隙，經(jīng)過一定時間保溫后開始冷卻、凝固，形成釬焊接頭。當釬焊溫度工藝曲線設置的釬焊溫度低時，釬料未完全熔化，釬料組分中的低熔點部分熔化，而剩下的釬料組分熔點升高，導致釬料未完全熔化。釬焊溫度的確定取決于母材的固相線和釬料的液相線，優(yōu)選為高于釬料固液相線溫度30℃～100℃，低于母材的固液相線溫度[2]。保溫時間應能保證釬料與母材充分作用，保證焊接接頭的形成。保溫時間過長或過短，都會影響焊接接頭的質(zhì)量。應延長使用工裝組裝的鋁合金組件的焊接保溫時間，以保證焊接接頭質(zhì)量。

3.2 零件清潔度

真空釬焊對零件表面的清潔度要求很高，清潔度不足不僅會影響釬焊質(zhì)量，還會污染真空釬焊爐。鋁合金表面的致密氧化膜熔點高，在焊接時會吸收水分，形成氣孔和夾渣。目前有效去除表面氧化膜的方法是進行物理去除和化學去除。物理去除是指采用機械方式去除表面氧化膜，化學去除是指采用化學溶液進行去除。在實際生產(chǎn)中兩種方法都可以使用，其中化學溶液清洗更為常用。一般會進行去油、堿洗、酸洗、烘干等工序。鋁合金零件清洗時，先進行堿洗去除表面氧化膜，然后用清水沖洗，再將鋁合金零件進行酸洗出光。清洗的過程中要求減少雜質(zhì)的帶入，減少進入清水、清洗槽、工裝設備等的雜質(zhì)。清洗完成后，零件表面不得有浮銹、氧化皮、油斑等，要求零件表面可以形成完整連續(xù)的水膜，且水膜30s內(nèi)不破裂。如果未達到該標準，則表明零件未清洗干凈，需要重新進行清洗。對于零件表面的所有孔，都需要用壓縮空氣去除內(nèi)部水漬、殘余雜物。鋁合金清洗后，會再次生成一層致密的氧化膜，為了避免二次氧化，需要保證清洗后短時間內(nèi)進行真空釬焊，實際生產(chǎn)中要求在24h內(nèi)進行真空釬焊。清洗用的化學溶液必須按要求進行配置、維護與調(diào)整。沒有達到清潔度要求的零件進行釬焊后會影響真空釬焊質(zhì)量，嚴重時會導致焊縫開裂[3]。

堿洗過程反應方程式：NaOH+RCOOH=RCOOHNa+H2O、2NaOH+AL2O3=2NaALO2+H2O。

酸洗過程反應方程式：AL2O3+6HNO3=AL（NO）3+3H2O。

用酸堿洗去除表面油污，破壞鋁合金表面氧化膜，此過程簡單方便，對工人技能要求低，容易實現(xiàn)，同時質(zhì)量可靠，產(chǎn)生的廢液容易處理，適合批量生產(chǎn)使用。

3.3 零件裝配間隙

真空釬焊過程中，高溫熔化的釬料潤濕母材表面，要求液態(tài)釬料自動流入并填滿釬縫的全部間隙，而不是沿固態(tài)母材表面自由鋪展。液態(tài)釬料是依靠毛細作用在釬縫間隙內(nèi)流動并填充釬縫間隙的。毛細作用，是液體在狹窄間隙中流動時所表現(xiàn)出來的固有特性。如圖4所示，當把間隙很小的平行板插入液體中時，液體在平行板的間隙內(nèi)會上升到高于液面的一定高度或下降到低于液面的某一位置。

h=2σ1cosabρg

式中：b——釬焊縫隙;

ρ——釬料的密度;

g——重力加速度;

σ1——液-氣相界面張力。

由左式可以得出，液態(tài)釬料的爬升高度與σ1及cosa成正比，與間隙大小b成反比。液態(tài)釬料對母材的潤濕性越好，間隙值越小，液態(tài)釬料的爬升高度越大。根據(jù)焊接經(jīng)驗，一般要求釬焊裝配間隙不大于0.1mm。當裝配間隙小時，液態(tài)釬料能填滿間隙，進而保證真空釬焊的質(zhì)量。

3.4 真空度

真空度是真空釬焊工藝過程中的重要參數(shù)，在真空環(huán)境下，存在于零件表面的氣體會隨著真空度的提高而揮發(fā)，真空度越高，約利于氣體排出。在真空環(huán)境的加熱過程中，零件表面會發(fā)生不同程度的蒸發(fā)，真空度越高，溫度越高，蒸發(fā)也越劇烈。氣體的蒸發(fā)可以把金屬表面的氧化物及雜質(zhì)帶走，達到去除表面氧化物的作用。一般真空釬焊的真空度在3×10-2Pa，真空爐在加熱過程中真空度不能低于3×10-2Pa，在達到焊接溫度時，真空度需要提到高3×10-3Pa。

4 結(jié)語

某型鋁合金機箱真空釬焊后未釬著的主要原因為零件清潔度不夠，造成局部污染。在真空釬焊前，需要對零件進行堿洗酸洗，達到清潔度要求，這樣才能保證真空釬焊質(zhì)量。此外，釬焊溫度、零件裝配間隙、真空度等對真空釬焊質(zhì)量均有影響。從工藝設計、焊前清洗、零件裝配、真空釬焊等多方面進行嚴格控制，才能保證焊接接頭的質(zhì)量。

參考文獻：

[1]吳國臣.對鋁制釬焊板翅式散熱器的研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2017，37（2）：49-50

[2]許彬，等.鋁合金電子機箱釬焊工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，2018，39（4）：235-237

[3]徐興軍，徐小勤.酸堿清洗在鋁制板翅式換熱器制造中的應用[J].清洗世界，2020，36（3）：9-10

作者簡介：喬平（1987— ），男，漢族，陜西咸陽人，本科，工程師，研究方向：機加工藝、真空釬焊。