鋁合金波導器件表面質量分析與工藝優化

陸建軍, 張權, 侯凱, 楊鑫鑫

（1.中國人民解放軍空軍駐上海地區軍事代表室,上海 200090；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

鋁合金波導器件表面質量分析與工藝優化

陸建軍1, 張權1, 侯凱2, 楊鑫鑫2

（1.中國人民解放軍空軍駐上海地區軍事代表室,上海 200090；2.上海無線電設備研究所,上海 200090）

某波導器件材料為LD 31鋁合金,經機械加工、釬焊和化學清洗后,表面出現異常明顯的晶粒形貌,電性能測試后發現駐波系數超出設計要求。使用光學顯微鏡觀察,器件表面鋁合金材料晶界已出現腐蝕現象。對出現異常的器件進行抗拉強度試驗,發現抗拉強度下降了20%～30%。對器件表面測量,粗糙度大于Ra 3.2。經分析和試驗驗證后,對釬焊工藝進行優化,同時對化學清洗工藝進行調整,采用調整后工藝的器件未出現上述問題,電性能測試符合設計要求。

鋁合金；波導器件；釬焊；化學清洗

0 引言

波導器件作為電磁波傳輸的通道,在各類雷達產品中應用廣泛。近年來,伴隨著波導縫隙陣列天線的發展,波導器件的設計結構越來越復雜,使用的材料也從銅合金轉變為鋁合金等輕質合金,波導器件較高的加工精度要求和后處理過程在一定程度上限制了其發展。對于一般的波導器件,表面加工精度要求能夠達到Ra 1.6,毫米波波導器件則要求達到Ra 0.8,而且其形位公差也有著更加嚴格的要求。波導器件電性能的好壞直接影響到了雷達系統的工作效能。

1 質量現象

某波導器件使用LD 31鋁合金作為母材,通過焊接的方式組合而成,需要保證焊縫無缺陷,焊根大小合適等要求,焊接方法為氮氣保護爐中釬焊。焊接完成后的器件使用化學清洗方式進行清潔,最后進行導電氧化處理。某批波導器件導電氧化完成后發現表面晶粒宏觀形貌明顯異常并且較粗大,如圖1所示。

圖1 波導器件局部表面晶粒宏觀形貌

使用網絡測試分析儀對器件進行電性能測試,發現器件電性能中的駐波系數高于設計指標,對器件電磁波傳輸造成一定的能量損耗。由于波導傳輸腔體位于器件內部,無法進行有效觀察,使用粗糙度儀對器件外表進行測量,等效內部粗糙度,發現粗糙度大于Ra 3.2,遠遠高于設計要求Ra 1.6。使用OLYMPUS PM3型光學顯微鏡對完整器件表面和切割后的器件內部進行觀察,發現宏觀晶粒明顯的試樣均有不同程度的晶界腐蝕和晶粒粗大現象,晶粒度為5～6級。將宏觀晶粒明顯且粗大的器件切割后制備成拉伸試樣,使用SHIMADZU AG-1萬能拉伸機對試樣進行抗拉強度測試,發現抗拉強度下降了20%～30%,表1為不同形貌試樣對應的抗拉強度。

2 材料與工藝要求

某鋁合金波導器件工藝流程涉及機械加工、熱加工和化學清洗等。根據表面質量問題現象,器件材料出現了晶粒粗大和晶界腐蝕的微觀組織缺陷。晶粒粗大往往與原材料來料狀態以及熱加工過程有關,而晶界腐蝕則與化學腐蝕有關。

2.1 原材料

原材料狀態為LD31-CZ狀態,對晶粒度進行檢查,為1級,材料成分與組織狀態經檢驗后符合GB/T 3246.1-2000《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法》要求。

2.2 焊接

波導器件的焊接方法為氮氣保護爐中釬焊,將箔狀焊料夾持固定在待焊面,再覆以釬劑,釬劑的作用為去除氧化膜和加強焊料流動性,將器件加熱至焊料熔點以上固定溫度使焊料熔化、流動并填充待焊面或縫,完成焊接[1]。該波導器件使用的焊料為箔狀AlSiSn Ag Ti定制釬料,釬劑為自配無腐蝕氟氯酸鉀半固態混合物。經查,焊料與釬劑的成分、濃度均符合工藝要求。器件焊接流程,如圖2所示。

流程中均溫段溫度為550℃,保溫時間5 min,其主要作用為使釬劑熔化,作用于待焊面及其周圍,去除氧化膜,使焊料更好的潤濕和流動。焊接段升溫時間為15 min。焊接段溫度為605℃,保溫時間5 min,以焊料完全潤濕待焊面并流動鋪展為結束。焊后初清洗使用5%檸檬酸溶液將器件浸泡,去除多余釬劑和污物。

表1 試樣抗拉強度

圖2 波導器件焊接流程

LD31鋁合金的過燒開始溫度為550℃～560℃,該溫度范圍內或以上,材料晶粒極易長大,并易對材料抗拉強度和晶界燒損帶來較大影響。

2.3 化學清洗

該波導器件焊后化學清洗的主要目的是為導電氧化進行準備工作,原有工藝要求如表2所示。

表2 某波導器件導電氧化工藝

鋁合金由于在氧化或大氣環境中極易形成穩定、致密的Al2O3氧化膜,通常在進行后續鍍覆或導電氧化過程中必須將氧化膜去除。表3中的U152溶液實際上為堿液的低濃度混合溶液,較常規的NaOH溶液腐蝕性小,適合于精密零件的氧化膜清除。

表3 不同焊接工藝晶粒長大對比

鉻酸與鹽酸混合溶液對于鋁合金來說,其腐蝕能力較小,不會對材料造成明顯的影響。阿羅丁是波音公司發明的商用導電氧化溶液,能夠使鋁合金表面形成一層致密的金黃色氧化膜,提高零件在大氣環境中的存放時間,同時也能夠為后續的鍍覆或噴涂過程起到提高結合力的作用[2]。

3 分析與解決措施

針對缺陷,對焊接過程以及化學清洗過程進行分析和試驗,并提出解決措施。

3.1 焊接

為了判斷550℃以上,器件不同保溫段、升溫段和焊接段時間對晶粒長大的影響,設計并進行了如表3所示的試驗。

由表3可發現,晶粒度大小與焊接過程中550℃以上總體保溫試件存在較大關系。圖3為1、2、3、4號試樣焊縫成型效果,如圖所示。

圖3 試樣焊縫效果

1號試樣焊縫成型良好,但漫流區域較大；2號試樣焊縫成型良好,漫流區域較??；3號試樣焊縫成型效果較差；4號試樣焊縫成型效果良好,但有明顯焊縫粗化現象。為了防止晶粒過度長大,并保證焊接質量,分析認為升溫段時間可以進行縮減,2號試樣工藝較為合理。

3.2 化學清洗

根據問題分析,可以發現堿液清洗環節中,最有可能對鋁合金表面產生腐蝕,從而形成明顯的晶粒顯現,嚴重的甚至可以將晶界腐蝕。為此,使用晶粒度5～6級的焊接試件在U 152溶液中清洗10 s～15 s,發現試件表面已能夠潤水,且潔凈無污,酸洗與導電氧化過程不做改變,試件制備完畢后并未發現明顯晶粒顯現,使用光學顯微鏡觀察,晶界無任何腐蝕現象。

波導器件的作用是傳輸電磁波,電磁波在傳輸過程中,如果遇到與設計要求不符的阻礙或者其他雜質,電性能指標將發生變化,特別是駐波系數,反映出天線反射回發射或接收機功率的多少[3],駐波系數偏高會導致電磁波傳輸能力下降,影響了系統的整體性能。金屬波導表面粗糙度較高會影響電磁波傳輸,某波導器件駐波系數不合格與表面粗糙度有較大關系。堿洗過程中,溶液將金屬表面的氧化膜層腐蝕剝落,但過度清洗則會對基體造成腐蝕,宏觀表現為粗糙度提高,對減少U 152溶液清洗時間的試件進行了表面粗糙度的檢驗,其粗糙度小于Ra 1.6。

圖4中為工藝改進前后器件表面情況的照片,從圖4（b）照片可以看出,表面粗大晶粒已不存在,經顯微鏡觀察,未發現晶界腐蝕現象,表面粗糙度小于Ra 1.6,電性能測試符合設計要求[3]。

圖4 工藝改進器件與原器件表面狀態對比

4 結論

對于使用LD 31鋁合金進行爐中釬焊的波導器件,在保證焊縫質量的前提下,焊接升溫過程在時間上適當做縮短調整有益于表面質量的提高；化學清洗過程中,LD 31鋁合金較容易出現晶界腐蝕現象,必須對浸漬溫度和時間嚴格控制,將U 152溶液清洗時間縮短為10 s～15 s,器件表面質量將有較大提高。

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊[S].北京：機械工業出版社,2009：711-712.

[2] 汪定江、潘慶軍、夏成寶.軍用飛機的腐蝕與防護[M].北京：航空工業出版社,2006：114.

[3] 林昌祿.天線工程手冊[S].北京：電子工業出版社,2002：12.

Analysis of Surface Quality and Process Optimization of Aluminum Alloy Wave-guide Device

LU Jian-jun1, ZHANG Quan1, HOU Kai2, YANG Xin-xin2
（1.Military Representative Office by PLA of SAST；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

Aluminum alloy wave guide device made by LD 31 aluminum alloy after mechanical fabrication,brazing and chemistry cleanout can be found that crystal appearance show obviously and VSWR is lager than design value by 1 dB.The corrosive were found on grain boundary of wave-guide device using light microscope.The material tensile strength of wave-guide device fall 20%～30%.The surface roughness was greater than Ra 3.2.Optimized brazing process and adjusted chemistry cleanout process after test and analysis.The wave guide no longer appear these problems.

aluminum alloy；wave-guide device；brazing；chemistrycleanout

TN25

A

1671-0576（2014）02-0057-04

2014-02-10

陸建軍（1971-）,男,碩士,工程師,主要從事導航、制導與控制技術研究；張權（1980-）,男,本科,工程師,主要從事制導與通信技術研究；侯凱（1981-）,男,碩士,工程師,主要從事波導器件釬焊技術研究。