鋁合金液冷組件的擴散焊接工藝研究

朱帥

摘要：擴散連接是在真空（或惰性氣體保護）條件下，對基體施加壓力、升溫到焊接溫度并保溫一段時間，通過母材界面區域發生原子互擴散而形成可靠連接的焊接技術。鋁合金液冷組件因為對高質量、高精度的協同要求，所以通常采用真空擴散焊來制備液冷結構件。本研究探索了鋁合金真空擴散焊過程中，工藝參數對焊接質量的影響，獲得最佳工藝參數，制備強度高、變形量小的接頭，并闡明了真空擴散焊工作原理和連接機理。

關鍵詞：真空擴散焊;互擴散;液冷組件;變形量

0前言

鋁合金液冷組件是雷達系統的核心結構之一[1]，起到為雷達電子器件散熱，確保雷達系統可靠運行作用。由于輕量化的需求，鋁合金液冷組件內部流道緊湊，水道間的實體部位寬度較小。鋁合金液冷組件會設計高密度的盲插安裝孔位，位于水道間的實體部位上。需要保證盲插孔加工時不會導致水道破壁是鋁合金液冷組件必須控制的關鍵問題之一。鋁合金液冷組件的常用制造方法之一是擴散焊[2]，即將加工了流道的殼體和蓋板整體焊接成型。

本文采用真空擴散焊的對象為5A06鋁合金。目前，真空擴散焊工藝主要在較低的溫度下，采用較大的壓力實現連接，但本文中采用高溫的方式提高原子間擴散激活能[3-4]。

1 5A06鋁合金真空擴散焊試驗

5A06Al因為鎂含量較高，待焊界面除了極易形成致密且穩定的Al2O3氧化膜之外，還易形成更加致密的MgO氧化膜，焊接性能較差，阻礙原子擴散與界面冶金結合[5]。由于擴散焊時間長，母材中鎂元素的揮發較為嚴重，擴散焊則存在焊合率低、工件變形精度差等問題。

采用真空擴散焊連接5A06Al，焊接溫度依據母材性能而定，設置焊接溫度為500-580oC，壓強為4-7 MPa，保溫時間為30-60min。

5A06鋁合金液冷組件的結構如圖1所示，其名義化學成分為（wt. %） 5.8～6.8 Mg，0.4 Si，0.4 Fe，0.5～0.8 Mn，0.1 Cu，0.20 Zn，0.02～0.10 Ti。依次采用400#、800#、1000#、1500#砂紙對連接面進行打磨，將打磨后的塊體置入5% NaOH溶液中堿洗30s后，置于30% HNO3溶液清洗3 min至表面光亮，再置入酒精溶液中超聲清洗8-15min，室溫下吹干后采用二乙二醇二甲醚活性劑涂覆待焊表面。

按順序將不同的零件進行裝配，用0.1mm厚的石墨紙包裹后裝配，放入M60真空熱壓爐內進行焊接，并用石墨氈包裹以降低熱輻射和溫度均勻化的效果。采用石墨紙中的碳元素向鋁合金蓋板的擴散原理，可以顯示出流道和非流道的位置。采用石墨紙作為介質是因為：（1） 碳元素和鋁不產生的新的物相;（2） 碳元素與鋁的互擴散溶解度小，速率低，顯示效果可以忽略不計;（3） 石墨紙為柔性介質，不會劃傷零件并且不影響蓋板受力的傳遞，保證焊接面受力均勻。

室溫下對燒結爐抽真空至10-2 Pa以下，然后通過石墨墊塊和石墨沖頭施加一定壓力，使兩側的母材發生充分地接觸，促進互擴散。按照系統以15oC/min的升溫速率升溫至預定的溫度，加載預定壓力，保溫保壓一段時間后降溫卸載，獲得擴散焊接頭。待焊試樣與石墨沖頭以及模具之間均放置0.1mm厚的石墨紙。

2 5A06鋁合金擴散焊接頭分析

2.1 界面形貌分析

圖2為不同工藝參數條件下，真空擴散焊接頭掃描電鏡分析結果。SPS擴散焊界面局部有界面結合，發生再結晶產生共有晶粒，掃描電鏡觀察界面線幾乎消失。真空擴散焊界面線較明顯，界面幾乎未焊合。

圖2為不同工藝參數的界面形貌，在控制焊接壓力為6MPa時，當焊接溫度設定為530oC，溫度不足以實現界面區域原子的擴散，該溫度下的原子擴散動力不足，導致界面的焊合率較低。升溫至550 oC，焊縫結合更加緊密，兩側的母材發生更充分的接觸，在局部區域形成了連接，但范圍較小，大部分區域僅僅初步接觸。當焊接溫度提升至570 oC時，高溫和高壓使兩側母材擴散充分，界面焊合率較高，原子擴散動力充足，在界面區域生成了再結晶晶粒。再次升溫會導致母材變形量較大。延長保溫時間至60min，發現此參數下界面焊合率達到最高，界面處原子擴散充分，在結合區域生成了共有的再結晶晶粒，實現了較可靠的連接。

2.2 接頭力學性能

圖3為不同工藝參數下接頭的抗拉強度。圖3（a）所示，為接頭不同區域切取的拉伸試樣。圖中可得，在焊接溫度為530-570oC時，隨著溫度的提高，界面結合情況優化，改善力學性能;在界面形貌最佳時，得到的接頭強度最高，抗拉強度和界面形貌相對應。5A06鋁合金擴散焊接頭最高抗拉強度為75MPa。

2.3 界面元素分布

氧化膜的產生對焊接接頭影響較大，會阻礙新鮮母材之間的接觸。如圖4所示，對界面區域未焊合部位和初步實現焊合部位進行線掃描分析，結果顯示，在未焊合區域除了氧含量升高外，在焊接界面區域實現了Si的偏聚，與此同時兩側母材中的Mg發生揮發;對初步焊合的區域，中間連接區域不存在元素的富集現象，兩側母材元素分布均勻，實現同種材料的連接最終會使試樣性質接近母材。

由此可知，氧化膜的增生阻礙了擴散，在焊合率較高的區域氧含量小于焊合率較低的區域。當焊接質量較高時，焊接接頭的元素分布接近于母材。

3 結論

本文探索了5A06鋁合金真空擴散連接工藝，獲得了最佳工藝參數，研究了溫度和保溫時間對接頭組織和性能的影響。與常規擴散焊相比，實驗采用的溫度較高，提高原子的擴散速率。增大壓力進一步擴大蓋板外表面對應流道區域和對應非流道區域的受力差異性，提高水道顯示效果。同時，保證石墨紙與蓋板緊密貼合。

（1）真空擴散焊可以解決5A06鋁合金接頭強度較低以及蠕變變形大、材料組織性能退化等問題，獲得可靠的焊接接頭，提高連接質量。

（2）氧化膜的增生會阻礙焊接過程的進行。在焊接界面區域，焊合率較高的接頭性能接近于母材，焊合率較高的區域含氧量小于焊合率較低的區域。

參考文獻

[1]曹景竹，王祝堂.鋁合金在航空航天器中的應用[J].輕合金加工技術，2013（2）：1-5.

[2]鄒茉蓮，熊亮，莊鴻壽. LD10高強鋁合金真空擴散焊工藝研究[J].航空精密制造技術，1997（06）：25-29.

[3]李維偉.5083鋁合金擴散焊接工藝研究[D].南京航空航天大學，2007.

[4]白松義.5A06鋁合金低形變擴散連接工藝及機理研究[D].哈爾濱工業大學，2019. 韓月嬌.表面自納米化不銹鋼與高強鋁合金擴散連接研究[D].西南交通大學，2016.

[5]M.R. Sriraman， M. Gonser， H.T. Fujii， S.S. Babu， M. Bloss. Thermal transients during processing of materials by very high power ultrasonic additive manufacturing. J.Mater. Process. Technol， 211（2011） 1650-1657.

（合肥工業大學 安徽 合肥 23000）