鋁合金液冷組件的擴散焊接工藝研究

朱帥

摘要：擴散連接是在真空（或惰性氣體保護）條件下，對基體施加壓力、升溫到焊接溫度并保溫一段時間，通過母材界面區(qū)域發(fā)生原子互擴散而形成可靠連接的焊接技術(shù)。鋁合金液冷組件因為對高質(zhì)量、高精度的協(xié)同要求，所以通常采用真空擴散焊來制備液冷結(jié)構(gòu)件。本研究探索了鋁合金真空擴散焊過程中，工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，獲得最佳工藝參數(shù)，制備強度高、變形量小的接頭，并闡明了真空擴散焊工作原理和連接機理。

關(guān)鍵詞：真空擴散焊;互擴散;液冷組件;變形量

0前言

鋁合金液冷組件是雷達(dá)系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)之一[1]，起到為雷達(dá)電子器件散熱，確保雷達(dá)系統(tǒng)可靠運行作用。由于輕量化的需求，鋁合金液冷組件內(nèi)部流道緊湊，水道間的實體部位寬度較小。鋁合金液冷組件會設(shè)計高密度的盲插安裝孔位，位于水道間的實體部位上。需要保證盲插孔加工時不會導(dǎo)致水道破壁是鋁合金液冷組件必須控制的關(guān)鍵問題之一。鋁合金液冷組件的常用制造方法之一是擴散焊[2]，即將加工了流道的殼體和蓋板整體焊接成型。

本文采用真空擴散焊的對象為5A06鋁合金。目前，真空擴散焊工藝主要在較低的溫度下，采用較大的壓力實現(xiàn)連接，但本文中采用高溫的方式提高原子間擴散激活能[3-4]。

1 5A06鋁合金真空擴散焊試驗

5A06Al因為鎂含量較高，待焊界面除了極易形成致密且穩(wěn)定的Al2O3氧化膜之外，還易形成更加致密的MgO氧化膜，焊接性能較差，阻礙原子擴散與界面冶金結(jié)合[5]。由于擴散焊時間長，母材中鎂元素的揮發(fā)較為嚴(yán)重，擴散焊則存在焊合率低、工件變形精度差等問題。

采用真空擴散焊連接5A06Al，焊接溫度依據(jù)母材性能而定，設(shè)置焊接溫度為500-580oC，壓強為4-7 MPa，保溫時間為30-60min。

5A06鋁合金液冷組件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其名義化學(xué)成分為（wt. %） 5.8～6.8 Mg，0.4 Si，0.4 Fe，0.5～0.8 Mn，0.1 Cu，0.20 Zn，0.02～0.10 Ti。依次采用400#、800#、1000#、1500#砂紙對連接面進(jìn)行打磨，將打磨后的塊體置入5% NaOH溶液中堿洗30s后，置于30% HNO3溶液清洗3 min至表面光亮，再置入酒精溶液中超聲清洗8-15min，室溫下吹干后采用二乙二醇二甲醚活性劑涂覆待焊表面。

按順序?qū)⒉煌牧慵M(jìn)行裝配，用0.1mm厚的石墨紙包裹后裝配，放入M60真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行焊接，并用石墨氈包裹以降低熱輻射和溫度均勻化的效果。采用石墨紙中的碳元素向鋁合金蓋板的擴散原理，可以顯示出流道和非流道的位置。采用石墨紙作為介質(zhì)是因為：（1） 碳元素和鋁不產(chǎn)生的新的物相;（2） 碳元素與鋁的互擴散溶解度小，速率低，顯示效果可以忽略不計;（3） 石墨紙為柔性介質(zhì)，不會劃傷零件并且不影響蓋板受力的傳遞，保證焊接面受力均勻。

室溫下對燒結(jié)爐抽真空至10-2 Pa以下，然后通過石墨墊塊和石墨沖頭施加一定壓力，使兩側(cè)的母材發(fā)生充分地接觸，促進(jìn)互擴散。按照系統(tǒng)以15oC/min的升溫速率升溫至預(yù)定的溫度，加載預(yù)定壓力，保溫保壓一段時間后降溫卸載，獲得擴散焊接頭。待焊試樣與石墨沖頭以及模具之間均放置0.1mm厚的石墨紙。

2 5A06鋁合金擴散焊接頭分析

2.1 界面形貌分析

圖2為不同工藝參數(shù)條件下，真空擴散焊接頭掃描電鏡分析結(jié)果。SPS擴散焊界面局部有界面結(jié)合，發(fā)生再結(jié)晶產(chǎn)生共有晶粒，掃描電鏡觀察界面線幾乎消失。真空擴散焊界面線較明顯，界面幾乎未焊合。

圖2為不同工藝參數(shù)的界面形貌，在控制焊接壓力為6MPa時，當(dāng)焊接溫度設(shè)定為530oC，溫度不足以實現(xiàn)界面區(qū)域原子的擴散，該溫度下的原子擴散動力不足，導(dǎo)致界面的焊合率較低。升溫至550 oC，焊縫結(jié)合更加緊密，兩側(cè)的母材發(fā)生更充分的接觸，在局部區(qū)域形成了連接，但范圍較小，大部分區(qū)域僅僅初步接觸。當(dāng)焊接溫度提升至570 oC時，高溫和高壓使兩側(cè)母材擴散充分，界面焊合率較高，原子擴散動力充足，在界面區(qū)域生成了再結(jié)晶晶粒。再次升溫會導(dǎo)致母材變形量較大。延長保溫時間至60min，發(fā)現(xiàn)此參數(shù)下界面焊合率達(dá)到最高，界面處原子擴散充分，在結(jié)合區(qū)域生成了共有的再結(jié)晶晶粒，實現(xiàn)了較可靠的連接。

2.2 接頭力學(xué)性能

圖3為不同工藝參數(shù)下接頭的抗拉強度。圖3（a）所示，為接頭不同區(qū)域切取的拉伸試樣。圖中可得，在焊接溫度為530-570oC時，隨著溫度的提高，界面結(jié)合情況優(yōu)化，改善力學(xué)性能;在界面形貌最佳時，得到的接頭強度最高，抗拉強度和界面形貌相對應(yīng)。5A06鋁合金擴散焊接頭最高抗拉強度為75MPa。

2.3 界面元素分布

氧化膜的產(chǎn)生對焊接接頭影響較大，會阻礙新鮮母材之間的接觸。如圖4所示，對界面區(qū)域未焊合部位和初步實現(xiàn)焊合部位進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果顯示，在未焊合區(qū)域除了氧含量升高外，在焊接界面區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了Si的偏聚，與此同時兩側(cè)母材中的Mg發(fā)生揮發(fā);對初步焊合的區(qū)域，中間連接區(qū)域不存在元素的富集現(xiàn)象，兩側(cè)母材元素分布均勻，實現(xiàn)同種材料的連接最終會使試樣性質(zhì)接近母材。

由此可知，氧化膜的增生阻礙了擴散，在焊合率較高的區(qū)域氧含量小于焊合率較低的區(qū)域。當(dāng)焊接質(zhì)量較高時，焊接接頭的元素分布接近于母材。

3 結(jié)論

本文探索了5A06鋁合金真空擴散連接工藝，獲得了最佳工藝參數(shù)，研究了溫度和保溫時間對接頭組織和性能的影響。與常規(guī)擴散焊相比，實驗采用的溫度較高，提高原子的擴散速率。增大壓力進(jìn)一步擴大蓋板外表面對應(yīng)流道區(qū)域和對應(yīng)非流道區(qū)域的受力差異性，提高水道顯示效果。同時，保證石墨紙與蓋板緊密貼合。

（1）真空擴散焊可以解決5A06鋁合金接頭強度較低以及蠕變變形大、材料組織性能退化等問題，獲得可靠的焊接接頭，提高連接質(zhì)量。

（2）氧化膜的增生會阻礙焊接過程的進(jìn)行。在焊接界面區(qū)域，焊合率較高的接頭性能接近于母材，焊合率較高的區(qū)域含氧量小于焊合率較低的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1]曹景竹，王祝堂.鋁合金在航空航天器中的應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2013（2）：1-5.

[2]鄒茉蓮，熊亮，莊鴻壽. LD10高強鋁合金真空擴散焊工藝研究[J].航空精密制造技術(shù)，1997（06）：25-29.

[3]李維偉.5083鋁合金擴散焊接工藝研究[D].南京航空航天大學(xué)，2007.

[4]白松義.5A06鋁合金低形變擴散連接工藝及機理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019. 韓月嬌.表面自納米化不銹鋼與高強鋁合金擴散連接研究[D].西南交通大學(xué)，2016.

[5]M.R. Sriraman， M. Gonser， H.T. Fujii， S.S. Babu， M. Bloss. Thermal transients during processing of materials by very high power ultrasonic additive manufacturing. J.Mater. Process. Technol， 211（2011） 1650-1657.

（合肥工業(yè)大學(xué) 安徽 合肥 23000）