6061鋁合金真空釬焊表面溶蝕的成因及控制

曾天俊

揚州恒星精密機械有限公司 江蘇揚州 225127

1 序言

6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，主要通過熱處理過程中形成的納米尺度亞穩(wěn)沉淀相阻礙位錯運動而形成足夠的強度，是一種可熱處理強化型鋁合金[1]。合金晶粒在基體上表現出形狀各異且彌散分布的特征，如圖1所示[2]。合金時效析出序列為[3]：α過飽和固溶體→團簇/GP區(qū)→亞穩(wěn)β"相→亞穩(wěn)β相→穩(wěn)態(tài)β相（最終平衡相，化學成分為Mg2Si）。β相的形貌呈板狀或片狀，為CaF2型面心立方晶體結構，其形貌如圖2所示[4]。由于合金具有比強度高以及良好的可加工性、耐蝕性、焊接性、抗氧化性等優(yōu)勢，所以廣泛應用于航空航天用電子產品結構件、交通運輸用車體結構件等工業(yè)制造領域。

圖1 6061鋁合金典型顯微組織[2]

圖2 β相掃描電子圖像[4]

6061鋁合金可使用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、釬焊、電子束焊和激光焊等多種熔化焊方式進行連接。其中，由于釬焊具有能夠整體加熱焊接結構件、接頭應力變形較小，可一次完成多縫多零件連接，可用于結構復雜且開敞性差的焊件等顯著優(yōu)點，所以在液冷、風冷散熱組件通道中得到了廣泛應用[5-7]。然而，我公司在釬焊某款散熱器產品過程中出現了溶蝕等缺陷，嚴重阻礙了生產進程。為此，本文對6061鋁合金釬焊過程中的表面溶蝕現象進行了成因分析及控制，解決了生產難題。

2 溶蝕現象

真空釬焊過程中產生的溶蝕是一種常見缺陷，它是母材表面因被熔化的液態(tài)釬料過渡溶解而形成的凹坑缺陷，主要出現在液態(tài)釬料潤濕和鋪展區(qū)域。目前，相關文獻中關于溶蝕的成因主要歸結如下：釬料成分與母材成分具有不匹配性，釬料與母材中的某些元素可形成低熔點共晶相，能夠降低母材部分區(qū)域的固相線溫度；由于裝爐量大或工裝熱容量大而導致零件升溫速率較慢，所以在釬料固-液相溫度區(qū)間停留時間太長，在某個溫度點時，釬料與母材中某些組元反應生成低熔點共晶相，導致母材合金部分區(qū)域因熔點降低而熔化；爐溫不均勻，釬焊件局部溫度太高，導致經釬料擴散區(qū)域母材的低熔點組分熔化；在釬料固-液相線區(qū)間升降溫慢；釬焊保溫時間太長等。

由于溶蝕的產生對釬焊產品的力學性能和抗腐蝕性能均產生較大影響，所以如何控制并減少該類缺陷的產生尤為重要。目前，常用的解決方法主要有：選擇另一種釬料；溫度在接近釬料熔點時提高升溫速率；盡量減少裝爐量和工裝重量；盡量降低釬焊溫度；縮短真空釬焊的保溫時間等。

表1列舉了航天航空鋁合金關于溶蝕缺陷的部分釬焊標準，標準中根據不同的焊縫等級，對能接受的缺陷程度進行了規(guī)定。溶蝕是需要嚴格控制的，特殊情況下溶蝕是禁止出現的。

表1 關于溶蝕缺陷的釬焊標準

3 溶蝕成因及控制

我公司在真空釬焊某批材料為6061鋁合金的航空散熱器產品時出現了局部溶蝕現象，凹坑深度達到了0.5mm，其溶蝕表面的宏觀形貌如圖3所示。采用掃描電鏡二次電子圖像對溶蝕部位進行微觀形貌觀察，結果如圖4所示。焊縫中的微觀組織分布非常不均勻，出現了很多凹坑以及尺寸各異的共晶顆粒，這些往往成為裂紋的起源，會嚴重削弱接頭的力學性能。

圖3 某航空散熱器溶蝕表面的宏觀形貌

圖4 某航空散熱器溶蝕表面的微觀形貌

基于前面關于溶蝕成因的闡述，現主要從焊接溫度、化學成分、成分偏析等方面來探究某航空散熱器釬焊溶蝕缺陷的具體成因，并提出控制手段。

（1）焊接溫度 焊接溫度控制是影響6061鋁合金真空釬焊產品質量的重要因素。焊接溫度參數主要涉及升溫速率、保溫時間、斷電溫度等。在升溫過程中，工件溫度達到焊料液相線溫度后，升溫速率要快，避免高溫區(qū)停留時間過長，防止因Si和Mg等元素過度溶解、滲入母材而產生溶蝕。同時，為了提高溫度控制的準確性，往往在工件上設置3根熱電偶，直接控制工件溫度。工藝要求加熱過程采用分段升溫方式，以10～14℃/min的升溫速率加熱到520℃，保溫25～35min，確認真空度達到2×10-3Pa后方可繼續(xù)加熱，15～25min升溫到570℃，保溫5～6min，再加熱2～5min后升溫到582℃，保溫2～3min后斷電，工件隨爐冷卻到500℃，再充氮氣強冷，爐內溫度低于150℃時出爐空冷。本文焊接過程的熱處理制度如圖5所示，焊接過程的熱處理制度符合工藝要求。

圖5 某航空散熱器釬焊過程的熱處理制度

（2）化學成分 相關資料表明[3，5]，Si、Mg等合金元素的含量對釬焊溶蝕缺陷的產生有著直接影響。在整個焊接過程中，Si、Mg等元素主要來自釬料和母材，現對原釬料和母材分別進行化學成分分析。

1）釬料方面：由于6061鋁合金熔點相對較低，熔化溫度為582～652℃，所以釬焊時只能選擇熔點相對較低且厚度為0.1mm的B-Al86SiMg箔狀焊片作為釬料，此釬料熔化溫度為559～579℃。對實際使用的釬料進行成分分析，結果見表2，各元素含量均在HB/Z 20073—2018標準所允許的范圍內。

表2 B-Al86SiMg鋁基釬料化學成分（質量分數）（%）

2）母材方面：6061鋁合金屬于鋁鎂硅系合金，含有Si、Mg等多種合金元素，容易在鋁基體中形成Mg2Si、Mg9Si5、Al12Fe3Si、Al5FeSi等多種相。對實際使用的母材進行成分分析，結果見表3，各元素含量均在GB/T 3190—2008標準所允許的范圍內。

表3 6061鋁合金化學成分（質量分數） （%）

（3）成分偏析 某航空散熱器的釬焊溶蝕現象發(fā)生在表面局部區(qū)域，由于發(fā)生位置及形貌呈無規(guī)律狀，因此有必要探究原材料的成分偏析情況。現對原材料進行多點取樣，采用掃描電鏡對化學元素進行能譜分析，結果如圖6所示。由圖6可知，Si元素（圖中顯示為黃色）分布不均勻，存在局部成分偏析的現象。

圖6 某航空散熱器釬焊原材料的化學元素能譜分析結果

為了驗證某航空散熱器的釬焊溶蝕缺陷是原材料成分偏析所致，在其他條件不變的情況下，在焊前對原材料增加一次退火處理，目的是使原材料的顯微組織和化學成分均勻化，并通過電鏡能譜分析確認。在成分偏析明顯改善的前提下，再實施相同的焊接工藝（焊接參數保持一致）進行焊接。結果表明，釬焊溶蝕現象明顯消失，合格產品的宏觀形貌和微觀形貌分別如圖7、圖8所示。

圖7 某航空散熱器合格產品的表面宏觀形貌

圖8 某航空散熱器合格產品的表面微觀形貌

4 結束語

本文探究了材料為6061鋁合金的某航空散熱器在真空釬焊過程中產生的溶蝕缺陷成因及控制手段。在焊接溫度、原材料和釬料化學成分都符合標準的前提下，成分偏析會導致焊縫及表面產生溶蝕缺陷。在實際生產過程中，原材料入廠時一般僅對其化學成分進行復驗，往往忽略了對成分偏析進行復驗。如果產品對釬焊溶蝕有要求時，必須對原材料成分偏析進行控制。