某型鋁合金機箱真空釬焊焊接缺陷分析

喬平 羅錫 張紅娟 王朝

摘要：本文對鋁合金機箱真空釬焊后的缺陷進行分析，從鋁合金真空釬焊原理機制、釬焊溫度、零件表面清潔度、零件裝配間隙、真空度等方面進行闡述，論述了真空釬焊缺陷產生的原因，為后續生產加工中提高焊接質量提供了經驗依據。

關鍵詞：鋁合金;真空釬焊缺陷;鋁合金清洗

鋁合金具有耐腐蝕性好、焊接性能佳、導熱導電性能優良等優點，常常被用于航空航天領域的電子設備機箱。鋁合金真空釬焊機箱的焊接接頭一次成形，釬焊效率高，焊接后對基材的性能基本不改變。真空釬焊過程加熱均勻，機箱變形較小，容易保證組裝焊接件的精度。而真空釬焊過程中一旦出現焊接缺陷，往往會降低機箱的產品質量。因此，對真空釬焊中產生的缺陷進行原因分析，對于解決缺陷具有非常重要的作用。

1 機箱真空釬焊缺陷

某型鋁合金機箱箱體由前后框、左右側板、隔板等組裝，組裝處裝夾釬料，由組裝螺釘及工裝進行緊固。真空釬焊后發現焊接處未釬著，真空釬焊缺陷如圖1所示。從圖中可以看出機箱焊縫處未發生明顯潤濕，焊接接頭處呈現一段段黑色縫隙，表現為長條形的未釬著。同時發現組裝零件表面存在明顯的污染，零件表面清潔度不夠會影響真空釬焊質量。由此得出造成該機箱未釬著的主要原因為零件清潔度不夠。

2 真空釬焊原理機制

真空釬焊是在真空狀態下，將真空爐內溫度設定到某一區間。在該溫度下，母材處于固體狀態，釬料處于液體狀態。液態的釬料在母材的表面上潤濕、毛細流動、填充、鋪展，與母材相互作用，最終冷卻凝固，實現冶金的連接方法[1]，如圖2所示。

鋁合金對氧的親和力很大，焊接時表面形成一層致密的氧化膜，阻礙釬料與母材的結合，這是鋁合金焊接時的主要障礙之一。破除鋁合金零件表面氧化膜，可以加強釬料與母材的潤濕效果，有利于釬焊接頭的形成。鋁合金表面氧化膜的性質非常穩定，在有氧環境中，即使舊膜被破壞，隨時可以生成新膜。在鋁合金釬焊時需要破除表面氧化膜，釬焊后需要保護形成的鋁合金氧化膜，防止接頭被環境氧化腐蝕。

在真空環境下，較高的真空度減少了氧氣含量，減少了鋁合金加熱過程的氧化。同時在真空環境下鋁合金表面的氧化物分解;氧化物蒸發;H或CO對氧化物的還原作用;致密氧化膜破裂;C對氧化膜的還原作用;表面的氧化材料內部的擴散。這些過程綜合作用于氧化膜的去除，促進釬料對母材的潤濕。

真空釬焊的工藝流程如圖3所示，通過對零件進行清洗去除零件表面氧化膜，這一步非常重要，如果零件表面未清洗干凈，就會產生嚴重的焊接質量問題。

3 影響鋁合金機箱真空釬焊的缺陷分析

在機箱的生產過程中，由于釬焊基材、釬料、工藝方法和加工環境等多因素影響，各方面綜合作用，真空釬焊后接頭處往往會產生一些如氣孔、表面缺陷、溶蝕等釬焊缺陷。釬焊缺陷的存在直接影響著產品的可靠性。真空釬焊的表面缺陷包括表面氧化、表面氣孔、表面未釬著、溶蝕、裂紋等。影響真空釬焊的因素有如下幾方面。

3.1 釬焊溫度

釬焊包含兩個過程：一是釬料填滿釬縫的過程;二是釬料與母材相互作用的過程。加熱到釬焊溫度時，釬料熔化填縫并與母材表面發生物理化學作用。熔化的釬料填滿釬焊接頭間隙，經過一定時間保溫后開始冷卻、凝固，形成釬焊接頭。當釬焊溫度工藝曲線設置的釬焊溫度低時，釬料未完全熔化，釬料組分中的低熔點部分熔化，而剩下的釬料組分熔點升高，導致釬料未完全熔化。釬焊溫度的確定取決于母材的固相線和釬料的液相線，優選為高于釬料固液相線溫度30℃～100℃，低于母材的固液相線溫度[2]。保溫時間應能保證釬料與母材充分作用，保證焊接接頭的形成。保溫時間過長或過短，都會影響焊接接頭的質量。應延長使用工裝組裝的鋁合金組件的焊接保溫時間，以保證焊接接頭質量。

3.2 零件清潔度

真空釬焊對零件表面的清潔度要求很高，清潔度不足不僅會影響釬焊質量，還會污染真空釬焊爐。鋁合金表面的致密氧化膜熔點高，在焊接時會吸收水分，形成氣孔和夾渣。目前有效去除表面氧化膜的方法是進行物理去除和化學去除。物理去除是指采用機械方式去除表面氧化膜，化學去除是指采用化學溶液進行去除。在實際生產中兩種方法都可以使用，其中化學溶液清洗更為常用。一般會進行去油、堿洗、酸洗、烘干等工序。鋁合金零件清洗時，先進行堿洗去除表面氧化膜，然后用清水沖洗，再將鋁合金零件進行酸洗出光。清洗的過程中要求減少雜質的帶入，減少進入清水、清洗槽、工裝設備等的雜質。清洗完成后，零件表面不得有浮銹、氧化皮、油斑等，要求零件表面可以形成完整連續的水膜，且水膜30s內不破裂。如果未達到該標準，則表明零件未清洗干凈，需要重新進行清洗。對于零件表面的所有孔，都需要用壓縮空氣去除內部水漬、殘余雜物。鋁合金清洗后，會再次生成一層致密的氧化膜，為了避免二次氧化，需要保證清洗后短時間內進行真空釬焊，實際生產中要求在24h內進行真空釬焊。清洗用的化學溶液必須按要求進行配置、維護與調整。沒有達到清潔度要求的零件進行釬焊后會影響真空釬焊質量，嚴重時會導致焊縫開裂[3]。

堿洗過程反應方程式：NaOH+RCOOH=RCOOHNa+H2O、2NaOH+AL2O3=2NaALO2+H2O。

酸洗過程反應方程式：AL2O3+6HNO3=AL（NO）3+3H2O。

用酸堿洗去除表面油污，破壞鋁合金表面氧化膜，此過程簡單方便，對工人技能要求低，容易實現，同時質量可靠，產生的廢液容易處理，適合批量生產使用。

3.3 零件裝配間隙

真空釬焊過程中，高溫熔化的釬料潤濕母材表面，要求液態釬料自動流入并填滿釬縫的全部間隙，而不是沿固態母材表面自由鋪展。液態釬料是依靠毛細作用在釬縫間隙內流動并填充釬縫間隙的。毛細作用，是液體在狹窄間隙中流動時所表現出來的固有特性。如圖4所示，當把間隙很小的平行板插入液體中時，液體在平行板的間隙內會上升到高于液面的一定高度或下降到低于液面的某一位置。

h=2σ1cosabρg

式中：b——釬焊縫隙;

ρ——釬料的密度;

g——重力加速度;

σ1——液-氣相界面張力。

由左式可以得出，液態釬料的爬升高度與σ1及cosa成正比，與間隙大小b成反比。液態釬料對母材的潤濕性越好，間隙值越小，液態釬料的爬升高度越大。根據焊接經驗，一般要求釬焊裝配間隙不大于0.1mm。當裝配間隙小時，液態釬料能填滿間隙，進而保證真空釬焊的質量。

3.4 真空度

真空度是真空釬焊工藝過程中的重要參數，在真空環境下，存在于零件表面的氣體會隨著真空度的提高而揮發，真空度越高，約利于氣體排出。在真空環境的加熱過程中，零件表面會發生不同程度的蒸發，真空度越高，溫度越高，蒸發也越劇烈。氣體的蒸發可以把金屬表面的氧化物及雜質帶走，達到去除表面氧化物的作用。一般真空釬焊的真空度在3×10-2Pa，真空爐在加熱過程中真空度不能低于3×10-2Pa，在達到焊接溫度時，真空度需要提到高3×10-3Pa。

4 結語

某型鋁合金機箱真空釬焊后未釬著的主要原因為零件清潔度不夠，造成局部污染。在真空釬焊前，需要對零件進行堿洗酸洗，達到清潔度要求，這樣才能保證真空釬焊質量。此外，釬焊溫度、零件裝配間隙、真空度等對真空釬焊質量均有影響。從工藝設計、焊前清洗、零件裝配、真空釬焊等多方面進行嚴格控制，才能保證焊接接頭的質量。

參考文獻：

[1]吳國臣.對鋁制釬焊板翅式散熱器的研究[J].中國石油和化工標準與質量，2017，37（2）：49-50

[2]許彬，等.鋁合金電子機箱釬焊工藝研究[J].電子工藝技術，2018，39（4）：235-237

[3]徐興軍，徐小勤.酸堿清洗在鋁制板翅式換熱器制造中的應用[J].清洗世界，2020，36（3）：9-10

作者簡介：喬平（1987— ），男，漢族，陜西咸陽人，本科，工程師，研究方向：機加工藝、真空釬焊。