毫米波構件真空擴散焊工藝及變形控制*

田 野，許春停，付 任，李盛鵬，劉 穎

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

引 言

隨著電子技術的發(fā)展，軍事電子裝備對信息對抗指標提出了更高要求。雷達作為現代信息對抗的控制大腦，是協調武器裝備進行偵查、測控、跟蹤，實施精確打擊的核心紐帶。目前定位精度高、信號跟蹤準的雷達產品基本采用毫米波結構和多層拼焊設計，通過線切割、精密銑削和電火花逐層加工后，利用真空釬焊一體化成形[1-2]。真空釬焊雖然具有接頭質量高、構件變形小、尺寸精度高等優(yōu)點，但在小通道冷板流道、毫米波腔道等尺寸范圍在毛細作用力最大時，焊接潤濕性差，多余釬料極易流淌到腔道中，引入多余物[3]，破壞零件表面的光潔度，影響產品精度和指標功能。

擴散焊是在低于母材熔點溫度和小于母材宏觀變形壓力條件下，焊接面表層發(fā)生微觀塑性變形，通過原子間電子相互作用形成離子鍵、金屬鍵或共價鍵，從而實現連接的焊接方法。擴散焊可分為固相擴散焊和瞬間液相擴散焊。固相擴散焊不使用中間層金屬，直接實現同種金屬材料的精密焊接，從根本上解決腔道溢流問題[4-5]。擴散焊技術在國外飛機、火箭等領域（如F100發(fā)動機葉片、火箭發(fā)動機頭部噴注器散熱片）應用成熟。國內擴散焊技術研究主要集中在板材焊接變形控制以及溫度、壓力、保溫時間等參數對接頭組織和強度的影響，而對尺寸變形控制，尤其是復雜結構件的研究較少[2,6-7]。

1 焊接工藝性分析

某型號毫米波構件采用8通道設計，各通道結構形式（圖1）相似，腔深壁薄，形狀復雜，焊接搭接形式為板板結構和板腔結構，搭接面狹窄，焊接加工難度大。零件外形尺寸為200 mm×124.5 mm×36.78 mm，表面粗糙度為1.6 μm，要求焊后通道表面光滑，焊縫美觀連續(xù)，焊腳圓滑均勻，焊接尺寸變形≤±0.05 mm。

圖1 單通道結構示意圖

材料選用6061鋁合金，通過高速銑加工零件內腔和焊接端面，保證端面平面度≤0.03。鑒于室溫下鋁合金表面極易形成黏著力強且耐熱的Al2O3薄膜，焊接時會嚴重阻礙焊接面的原子接觸擴散[4]，因此焊前利用800號、1200號和2000號SiC砂紙進行機械去除，然后用丙酮或酒精進行超聲波清洗除油，清洗后依次利用NaOH和HNO3去除表面的殘余氧化膜和油污，禁止裸手接觸經酸堿處理后的焊接面并在24 h內進行焊接，防止焊接表面在空氣中發(fā)生二次氧化[8]。

針對該多通道毫米波構件材料和結構特點，本文采用分段壓力擴散焊工藝成形。第一階段擴散溫度為560°C，壓力為2～4 MPa，保溫時間為30 min；第二階段擴散溫度為520°C，壓力為1 MPa，保溫時間為60 min。在保證焊接接頭質量的前提下盡可能降低焊接變形。

圖2是某型號毫米波構件擴散焊溫度曲線示意圖。零件放入爐內抽真空，真空達到10-3Pa級別后對零件加熱；加熱至300°C后保溫30 min，使零件溫度均勻分布并清除零件表面的殘留清潔處理劑；繼續(xù)加熱至560°C進行第一階段的擴散焊接，再降至520°C進行第二階段的擴散焊接；焊接結束后卸載壓力，繼續(xù)保持高真空條件降溫，降至100°C以下時再取出零件。

圖2 擴散焊溫度曲線

2 實驗結果

圖3（a）為某型號毫米波構件擴散焊試驗件。試驗件厚度由焊前的36.78 mm變?yōu)?6.69 mm，平均變形量為0.24%。腔道長度由焊前的124.50 mm變?yōu)?24.51 mm，平均變形量為0.01%。焊后通道口無明顯變形、塌陷、彎曲現象。沿垂直焊接面方向切割內腔，其接頭形貌見圖3（b）。接頭處結合緊密，光滑，連續(xù)，無明顯的未焊合、裂縫、搭接錯位現象。

圖3 試驗件及接頭形貌

2.1 分段壓力對焊接接頭變形的影響

以單通道尺寸為例，在圖3（b）所示的長度和厚度方向測量并計算接頭焊前與焊后尺寸的差值，對比分段壓力對接頭變形的影響。圖4為在560°C溫度下保持3 MPa恒壓以及在560°C溫度下保持3 MPa、在520°C溫度下保持1 MPa的分段壓力條件下的接頭變形結果。始終保持3 MPa壓力進行擴散焊接時，接頭變形明顯，最大變形量可達0.2 mm；采用分段壓力擴散焊后，長度方向平均變形量由0.06 mm變?yōu)?.03 mm，厚度方向平均變形量由0.07 mm變?yōu)?.02 mm，焊接接頭尺寸變形沿壓力作用的厚度方向改善顯著。

圖4 恒壓與分段壓力擴散焊接頭變形量

2.2 焊接壓力對焊接接頭變形的影響

以單通道尺寸為例，研究焊接壓力對焊接接頭變形的影響。溫度為560°C，壓力為2～4 MPa，保溫30 min。隨后溫度降至520°C，壓力減小至1 MPa，保溫60 min。所得分段壓力擴散焊接頭變形結果如圖5所示。

圖5 不同焊接壓力擴散焊接頭變形量

由圖5可知，壓力為2 MPa時，接頭在長度方向的尺寸分布均勻，平均變形量僅為0.01 mm，在厚度方向的尺寸較焊前有所增大，最大變形量為0.15 mm。分析認為這是因為小壓力無法充分破壞焊接面的殘留氧化膜，焊接壓力與微觀屈服應力平衡點接觸面積小，界面存在未變形高低凹凸點，間接抬高了焊接搭接面，導致深腔尺寸增大。

隨著壓力增大，長度方向和厚度方向的尺寸均較焊前減小。厚度方向的尺寸變化更為明顯，壓力為4 MPa時最大變形量可達0.11 mm。整體來看，壓力為3 MPa時，長度方向、厚度方向的尺寸變形最小，能夠滿足毫米波構件±0.05 mm的尺寸精度要求。說明增大焊接壓力雖然可以有效促進擴散變形中界面金屬鍵的形成和位錯密度的增加，抑制界面孔隙，提高接頭焊合率和力學性能[6]，但也會顯著增大瞬間塑性變形階段的母材變形，這種變形將在后續(xù)界面擴散階段進一步延續(xù)保持，最終體現在接頭尺寸上。

2.3 多通道毫米波構件接頭變形規(guī)律

以多通道尺寸為例，研究多通道毫米波構件接頭的變形規(guī)律。在圖3（a）所示的長度方向和厚度方向左、中、右位置測量并計算外形焊前與焊后尺寸的差值。具體變形結果如圖6所示，其中通道1為區(qū)域○1 和區(qū)域○2 的切割面通道，通道2為區(qū)域○2 和區(qū)域○3 的切割面通道，通道3、通道4同理。

圖6 多通道毫米波構件接頭焊接變形量

圖6中的零件外形尺寸結果表明，與左、右側兩端位置相比，零件中間位置在厚度方向的變形最小，在長度方向的變形最大。分析認為多通道焊接變形時，中間通道受兩側通道雙向壓應力作用，金屬沿通道長度方向變形的阻力小，因此在同等焊接壓力下，中間位置通道在厚度方向的變形小，但在長度方向有所增長。

圖6中的內腔接頭尺寸結果表明，各通道接頭尺寸焊后沿厚度方向的變形均勻，差異較小，平均變形量為0.01～0.02 mm；在長度方向上，中間通道2和通道3以增大為主，兩側通道1和通道4以減小為主。值得注意的是中間通道多處存在0.05 mm的臨界變形（圖中虛線位置），后期可通過在通道長度變形方向增加工裝約束來優(yōu)化。整體來看，所有接頭變形量均滿足±0.05 mm的要求。說明擴散溫度為560°C，擴散壓力為3 MPa，保溫30 min，隨后溫度降至520°C，壓力減小至1 MPa，保溫60 min的分段壓力擴散焊可以保證該多通道毫米波構件接頭變形精度要求。

2.4 焊后性能檢驗

利用X射線觀察各通道焊接接頭，無端面搭接錯位現象，說明焊接變形控制有效。對各通道進行密封性檢驗，在1.5 MPa氣壓下保壓30 min，所有通道均未發(fā)現滲漏現象，說明各通道界面連接可靠，無未焊合的殘留孔隙。取各通道焊接接頭制成標準拉伸試樣，其抗拉強度結果見表1。各通道抗拉強度差異不大，基本在120 MPa左右，能夠滿足產品強度要求。中間通道2和通道3的強度略高于兩側通道的強度，可能與中間位置焊接變形大以及兩側通道雙向壓應力有關。

表1 焊接接頭通道測試結果

3 結束語

將分段壓力擴散焊應用到多通道毫米波構件生產中，獲得了接頭變形小、焊縫均勻連續(xù)、力學和氣密性能符合零件要求的擴散焊工藝參數。對恒壓與分段壓力條件下接頭變形情況的對比分析表明，分段壓力擴散焊可有效降低零件通道接頭變形，尤其是在壓力作用的厚度方向上。

在擴散溫度為560°C，保溫30 min條件下，焊接壓力較小時，焊接面殘留的氧化膜無法被充分破壞，接頭在厚度方向的尺寸較焊前有所增大。隨著壓力增大，通道在長度方向和厚度方向的尺寸均較焊前先減小后增大。壓力為3 MPa時，通道在長度方向、厚度方向的尺寸變形均滿足±0.05 mm的尺寸精度要求。

多通道擴散焊變形時，各通道接頭尺寸沿厚度方向的變形均勻，差異較小，平均變形量為0.01～0.02 mm，中間位置通道焊后在長度方向以增大為主，兩側位置通道焊后在長度方向以減小為主，所有通道接頭的變形量和抗拉強度差異小，中間通道整體來看略大于兩側通道。