鋁合金散熱器真空釬焊及熱處理工藝分析

袁明富

（揚州恒星精密機械有限公司，江蘇 揚州225000）

鋁合金散熱器是以鋁合金為原材料制備而成的散熱設備，以其適應能力強、質量輕、熱傳導效率高、結構緊湊等優勢，在日常生活與生產中得到廣泛應用。隨著鋁合金散熱器需求量的不斷提升，以及經濟建設與社會發展過程中對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，是當前生產企業以及相關研究人員關注與思考的重點問題。

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。相對于傳統鋁合金散熱器焊接工藝而言，真空釬焊優勢具體體現在：（1）適應性強，能夠在鋁、鋁合金、合金鋼、銅等眾多材料中運用，可有效滿足鋁合金散熱器設計要求；（2）無污染，真空釬焊在真空條件下進行，無釬劑使用，達到無公害、無環境污染焊接處理要求；（3）焊接質量高，釬料流動性好，濕潤性強，工件不氧化，適用于結構復雜、精密度要求高等器件焊接，利于產品成品率提升[2]。

1.1.2 鋁合金散熱器真空釬焊影響因素

在實踐操作過程中，真空釬焊出現釬料流失、焊接不到位、焊腳不飽滿、原材料腐蝕、散熱器結構變形、母材表面溶蝕等缺陷。

對上述問題形成原因進行探究，影響因素主要有原材料、真空釬焊溫度、焊前清洗、釬焊環境、保溫時間、真空度等。

1.2 實踐分析

為進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進行了如下分析。

1.2.1 明確產品結構及其焊接要求

本研究中的鋁合金板翅式散熱器結構較為復雜，由封條、復合板、翅片、導流片等眾多結構組成。加之，在產品設計上將封條結構進行了調整，改傳統長條狀結構為梯形狀結構（如圖1所示）。同時，真空釬焊寬度降至2.5mm，翅片厚度不超過0.2mm。這在一定程度上進一步提高了真空釬焊難度。需要在實踐操作過程：（1）保證釬著率，提高釬焊接頭強度；（2）釬焊密封無泄漏；（3）嚴格控制真空釬焊溫度與保溫時間，以免翅片溶蝕。

圖1 鋁合金板翅式散熱器封條結構

1.2.2 科學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、抗腐蝕等優勢，是工業生產中應用較為廣泛的鋁合金材料。

研究表示在6061 鋁合金產品真空釬焊過程中，AlSi11.5Mg1.5 釬料具有加強適用性，能夠滿足產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。釬料化學成分如表1。

表1 釬料化學成分（質量分數）/%

1.2.3 工藝參數科學制定與嚴格把控

（1）焊前零件清洗：采用具備清洗徹底、無污染、自動化控制等優勢的超聲波清洗法在焊前對原材料進行清洗，以達到氧化皮、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、復合板等零件清洗時間設置為2min，翅片清洗時間設置為3min。各零件清洗后置于無塵裝配間用專用工具裝配，為降低裝配環境對產品釬焊質量的影響，將空氣相對濕度控制在60%～70%，溫度控制在（19±4）℃，裝配完成后進行校對。

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

（3）加熱方式、釬焊溫度與保溫時間控制：運用階梯升溫法進行加熱，由于產品所用母材為6 系鋁合金板材（化學成分如表2），固相線溫度為616℃，釬料液相線溫度為600℃，故設計第一段定溫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 母材主要化學成分（質量分數）/%

（4）冷卻速度與出爐：冷卻速度過快或過慢皆會影響焊接質量，出現接頭裂紋或母材晶粒增粗問題，故選擇隨爐冷卻，當爐溫降至200℃時，開爐取件，并水冷至室溫。導流片進行氬弧焊焊接。

圖2 溫度- 時間工藝曲線

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中完成，也可以在釬料重熔溫度下完成。前者利于生產效率提升，對系統控制水平要求較高，后者釬縫質量較好，不易發生開裂、變形等問題。

2.1.2 熱處理工藝要點。在鋁合金散熱器真空釬焊熱處理過程中，固溶與時效工藝是關鍵環節。就固溶淬火而言，其科學運用利于鋁合金性能強化，即通過影響析出相類型、狀態、分布情況等，實現鋁合金性能改變。

2.2 實踐分析

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

2.2.2 試驗過程。利用箱式電阻爐對原鋁材料、鋁合金散熱器真空釬焊樣品等進行固溶淬火處理。為有效掌握固溶淬火工藝對鋁合金散熱器母材性能存在的影響，并找到最優固溶淬火工藝，設計了450℃、470℃、490℃、510℃、530℃、550℃六個保溫溫度，保溫時間5h，室溫水淬，時效處理溫度180℃，時效處理時間為5h 與8h。根據《金屬顯微維式硬度試驗方法》（GB/T 4342-1991）、《釬焊接頭強度試驗方法》（GB/T 11363-2008）、《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228-2010）、《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法》（GB/T3246.1-2012）相關規定與要求，分析不同固熔工藝對焊縫、母材性能存在的影響。圖3、圖4 為不同固溶工藝+180℃/5h 時效下焊縫硬度、延伸度檢測結果。圖像分析發現530℃時焊縫最高強度可達到134.6HV（保溫時間為3小時），焊縫延伸率受保溫時間影響較大，隨時間延長，焊縫延伸率下降。

圖3 焊縫硬度檢測

圖4 焊縫延伸率檢測

為準確掌握時效硬化工藝對鋁合金散熱器焊縫與母材性能存在的影響，并找到最佳時效制度。在確定固溶淬火工藝基礎上，設計了不同時效硬化方案，分析了不同溫度（120℃、150℃、180℃）下不同時間（1～17h）散熱器焊縫與母材的顯微組織結構與力學性能。

2.2.3 試驗結果。散熱器鋁合金在510～530℃可獲得較好固溶效果，經多次試驗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冷卻，防止鋁合金相變，避免出現晶粒粗大現象。時效硬化工藝試驗研究確定時效溫度為160℃，時效時間為8 小時，能夠獲取最佳熱處理效果，促進鋁合金強度（平均強度超過228MPa）、硬度（平均硬度超過79HBW）提升，滿足鋁合金散熱器設計與生產要求。

總而言之，真空釬焊是當前鋁合金散熱器生產過程中應用前景較好的釬焊工藝。在實踐過程中為滿足鋁合金散熱器生產需求，應對原材料、真空釬焊溫度、表面處理工藝、釬焊環境、真空度、保溫時間等進行嚴格控制，以降低釬料流失、焊縫不連續、溶蝕等缺陷的產生，確保鋁合金散熱器焊接質量。同時，在明確認知熱處理工藝科學運用價值的同時，能夠根據鋁合金散熱器具體情況與生產要求，探究最適宜熱處理方案，以滿足鋁合金散熱器設計需求、后續工藝處理要求，提高散熱器質量。