提升厚板類鋁合金真空釬焊焊接接頭致密性

張紅娟 王朝 王婷 李林 劉超

摘 要：本文對(duì)提升厚板類鋁合金真空釬焊焊接接頭致密性的方法進(jìn)行了研究總結(jié)。通過研究焊接表面紋路的方向和深度、工裝夾具夾緊點(diǎn)和夾緊力及焊件放置方式、焊件中心位置受熱均勻化三個(gè)方面，得出以下結(jié)論：焊接表面紋路越短、釬料流動(dòng)越好，厚度為100μm的焊料，紋路深度為30～50μm時(shí)焊接質(zhì)量最好;厚度為10～20mm的焊件，工裝夾具夾緊點(diǎn)選取間隔3～5cm，夾緊力0.6～0.8N·m，焊件焊接面水平放置時(shí)，釬焊過程中焊件變形小，焊接質(zhì)量高;焊件中心位置鉆孔能有效改善厚板零件釬料難熔化、焊接質(zhì)量差的問題。采用控制焊接表面紋路長(zhǎng)度和深度、調(diào)整工裝夾具夾緊點(diǎn)和夾緊力、選擇合適放置方式、對(duì)焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭抗拉強(qiáng)度提升一倍。

關(guān)鍵詞：厚板類鋁合金;真空釬焊;接頭;致密性

Abstract：In this paper，the methods to improve the compactness of vacuum brazed joints of thick aluminum alloy were studied and summarized.By studying the direction and depth of welding surface texture，clamping force and placement mode of fixture，and heating uniformity of weldment center position.The conclusion is as follows：The shorter the weld surface texture，the better the solder flow.When the thickness of solder is 100μm，the weld quality is the best when the groove depth is 30～50μm.For the weldments with the thickness of 10mm～20mm，the interval of clamping points of fixture is 3～5cm，and the clamping force is 0.6～0.8N·m.When the welding surface of the weldmentis placed horizontally，the deformation of the weldment is the smallest and the welding quality is the highest.Drilling in center of the weldment can effectively improve the problems of difficult melting and poor welding quality of thick plate parts.The tensile strength of welded joint can be doubled by controlling the length and depth of weld surface lines，adjusting the clamping force of fixture，selecting proper placementmethod and drilling holes in the center of weldment.

Key words：Aluminum alloy of thick plate;Vacuumbrazing;Joints;Compactness

鋁合金密度小、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，鋁合金的真空釬焊在電子設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。隨著電子設(shè)備的發(fā)展，電子設(shè)備各項(xiàng)功能高度集成，隨之對(duì)電子設(shè)備的散熱性能要求越來越高。國(guó)內(nèi)電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)由最初的風(fēng)冷發(fā)展為液冷，隨著散熱要求的進(jìn)一步提升，電子設(shè)備中散熱結(jié)構(gòu)壁厚越來越薄，通液壓力越來越高，這就要求經(jīng)過真空釬焊后散熱殼體的焊接接頭在抗拉強(qiáng)度方面滿足更高的性能要求。本文從焊接表面紋路方向和深度選擇、工裝夾具夾緊力控制及焊件放置方式選擇、焊接受熱均勻化三方面進(jìn)行研究改進(jìn)，從而有效提升厚板鋁合金真空釬焊焊接接頭的致密性。

1 焊接表面紋路方向和深度的選擇

焊件在進(jìn)行真空釬焊時(shí)，熔化后的釬料在毛細(xì)作用下與母材發(fā)生擴(kuò)散、潤(rùn)濕、鋪展從而形成擴(kuò)散層，最終經(jīng)冷卻凝固為焊接接頭。為確保焊接接頭的質(zhì)量，焊件在裝配、裝夾前采用打磨的方式對(duì)焊接表面的油污和氧化膜進(jìn)行清除，從而使焊件與釬料之間保持較好的潤(rùn)濕性。經(jīng)過打磨后的焊件會(huì)在焊接表面處產(chǎn)生紋路，真空釬焊過程中液態(tài)釬料在毛細(xì)作用下會(huì)順著紋路方向大面積鋪展，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和觀察證實(shí)該現(xiàn)象具有普遍性。

在對(duì)焊件表面進(jìn)行打磨時(shí)，通過觀察并分析其結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，液態(tài)釬料的流動(dòng)遵循紋路最短原則。在實(shí)踐中通過反復(fù)改進(jìn)打磨方式，優(yōu)化打磨工藝參數(shù)，檢測(cè)焊接質(zhì)量，最終確定厚度為100μm的釬料打磨工藝參數(shù)。當(dāng)焊接面打磨紋路深度控制在30～50μm之間時(shí)，真空釬焊過程中，釬料熔化后沿紋路方向流動(dòng)最快，有助于將母材焊接面及釬料熔化時(shí)產(chǎn)生的氣體和雜質(zhì)排出，從而得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

2 工裝夾具夾緊力及焊件放置方式的選擇

真空釬焊的零部件在機(jī)械加工生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)放置過程中，難免會(huì)產(chǎn)生整體或局部變形。這些變形會(huì)導(dǎo)致焊接面之間的間隙過大、釬料熔化后填充不充分以及焊接后出現(xiàn)氣孔、虛焊等現(xiàn)象，大大降低了焊接接頭的致密性。為消除零件變形，真空釬焊過程中采用工裝夾具或配重塊使母材的焊接面與釬料緊密貼合來消除。工裝夾具或配重塊在真空釬焊過程中使焊接表面產(chǎn)生受力現(xiàn)象，母材焊接面與釬料的間隙愈窄，液態(tài)釬料在釬縫中的毛細(xì)作用愈強(qiáng)，高溫下母材與釬料之間組元的相互擴(kuò)散、物理化學(xué)反應(yīng)也愈加強(qiáng)烈，從而形成高致密性的焊接接頭。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，通過調(diào)整夾緊力、夾緊點(diǎn)間距、焊接放置方式可以明顯提高焊接接頭的致密性。

2.1 夾緊力的選擇

鋁合金零件在真空釬焊過程中硬度很低，因此夾緊力的選擇應(yīng)保證真空釬焊過程中不夾傷焊件表面。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，夾緊力的選擇應(yīng)遵循：①最小夾緊力應(yīng)保證母材與釬料緊密貼合;②最大夾緊力應(yīng)保證真空釬焊過程中不能夾傷焊接表面及損壞夾具的抗扭轉(zhuǎn)性能;③裝配過程中采用力矩扳手或力矩螺絲刀，保證焊件同一平面內(nèi)的夾緊力大小一致，一般厚度為10～20mm的焊件，夾緊力矩選擇0.6～0.8N·m。④焊件厚度增加時(shí)，可適當(dāng)提升夾緊力，焊接厚度較小時(shí)，可適當(dāng)減小夾緊力。

2.2 夾緊點(diǎn)間距的選擇

為保證焊接質(zhì)量及控制焊接變形，焊件夾緊點(diǎn)之間的間隔距離應(yīng)分布均勻，一般厚度為10～20mm的焊件，夾具點(diǎn)間隔選取3～5cm，當(dāng)焊件厚度越大時(shí)，可適當(dāng)增大夾緊點(diǎn)的距離，但始終要考慮真空釬焊過程中焊件整體受熱均勻，且不可限制焊件水平方向的熱膨脹、冷收縮，否則在真空釬焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，使焊件產(chǎn)生較大變形或撕裂焊接面等現(xiàn)象。

2.3 焊接放置方式

由于焊件在真空釬焊過程中硬度很低，焊件本身的重量在真空釬焊過程中不可忽視，故焊件在真空釬焊爐中的放置方式對(duì)焊接質(zhì)量有明顯影響。厚板類鋁合金真空釬焊時(shí)，應(yīng)將焊件的焊接面水平且平穩(wěn)放置，不可懸空焊接面，焊件及釬料在重力作用下毛細(xì)流動(dòng)比較均勻，有利于釬料均勻致密的填充焊縫，提升焊接接頭的致密性。

3 焊接面受熱均勻化的研究

體積較大、厚板類鋁合金零件在真空釬焊時(shí)最難的問題是焊件中心位置釬料難熔化、焊接質(zhì)量差。由于零件厚度大，焊件表面與焊件中心位置溫差遠(yuǎn)超過釬料固相線和液相線的溫度差，導(dǎo)致釬料熔化不充分，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。為了縮小焊件各部位溫差，使焊件整體受熱均勻、焊件內(nèi)部導(dǎo)熱均勻，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，通過在焊件中心及其周圍位置鉆孔來減小焊件吸熱，能有效改善焊件中心位置釬料難熔化、焊接質(zhì)量差的問題。采用在中心位置及周圍增加孔使內(nèi)部受熱均勻的方法，需要注意鉆孔位置應(yīng)選在釬焊后精加工去除部位，鉆孔的大小、深度根據(jù)精加工去除部位大小來選擇，且孔的分布要均勻。具體試驗(yàn)過程中，采用熱電偶監(jiān)測(cè)焊件中心位置的溫度，確保升溫、保溫參數(shù)能使焊件中心位置溫度完全達(dá)到釬料的液相線，從而使釬料完全熔化、順暢流動(dòng)，提升焊件中心位置的焊接質(zhì)量。

4 焊接接頭強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通過調(diào)整焊接表面紋路方向和深度、控制工裝夾具夾緊力及選擇合適放置方式、改進(jìn)焊接面受熱均勻性三方面對(duì)提升焊接接頭致密性的效果，制作了4mm厚鋁合金接頭樣件進(jìn)行試驗(yàn)，接頭形狀如圖所示，接頭編號(hào)依次為12-126-1、12-126-2、12-127-1及12-127-2。

這四組樣件真空釬焊前工藝流程完全相同，并且四組樣件在相同的環(huán)境下完成了裝配，其中12-126-1與12-126-2兩組樣件在釬焊時(shí)采用以上三個(gè)方面的操作方法，其余兩組不做處理，按常規(guī)工藝進(jìn)行焊接。將焊接好的四組工件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表所示。

從表中可以發(fā)現(xiàn)，通過采用控制焊接面紋路長(zhǎng)度和深度、控制工裝夾具夾緊點(diǎn)和夾緊力、選擇合適放置方式、對(duì)焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭未淬火時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到92Mpa，較改進(jìn)前，接頭抗拉強(qiáng)度提升了一倍，焊接接頭的致密性得到顯著提升。

5 結(jié)論

（1）真空釬焊前對(duì)焊料進(jìn)打磨時(shí)，控制焊接表面紋路方向和深度，可以使釬焊時(shí)焊接面產(chǎn)生的氣體和雜質(zhì)排出，母材與釬料貼合緊密，有效提升焊接質(zhì)量。

（2）通過調(diào)整工裝夾具位置及夾緊力并選擇合適的放置方式，可以使焊件在真空釬焊過程中受力均衡，有效減小焊接變形，提升焊接質(zhì)量。

（3）焊件中心位置及周圍鉆孔能有效改善厚板零件釬料難熔化、焊接質(zhì)量差的問題。

（4）采用控制焊接面紋路長(zhǎng)度和深度、控制工裝夾具夾緊點(diǎn)和夾緊力、選擇合適放置方式、對(duì)焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭抗拉強(qiáng)度提升一倍。

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作者簡(jiǎn)介：張紅娟（1985— ），女，河北邢臺(tái)人，本科，工程師，研究方向：機(jī)械加工工藝。