焊接表面狀態對鋁合金真空擴散焊焊縫質量的影響

杜俊莉 曹海軍 鄭善偉 馬力 楊保琳

摘要： 為對比分析焊接表面狀態對擴散焊焊縫質量的影響，針對擴散焊實際生產過程中遇到的影響因素進行了研究，主要驗證因素有平面度、機加（數控銑）表面是否處理、表面清潔度及多余物。所有試件除表面狀態不同，焊接工藝完全一致。焊后在試件上取拉伸試樣，通過測試焊接接頭的抗拉強度和分析斷口處的形貌，判定焊接表面狀態對焊縫質量的影響程度。研究結果表明，焊前零件平整度會影響焊縫質量，需控制焊前零件平面度；機加工（數控銑）后表面不允許處理，需保留原始機加表面，打磨會影響焊縫質量；焊接表面清洗不干凈，不允許用清洗劑進行局部清洗，需整體返工清洗；灰塵、毛絮等多余物影響焊縫質量，焊前裝配最好在潔凈間內進行，且裝配工應佩戴頭套、口罩、塑膠手套等。

關鍵詞： 擴散焊； 表面狀態； 清潔度； 多余物； 焊縫質量

中圖分類號： TG 454

Influence of welding surface state on weld quality of aluminum alloy by vacuum diffusion welding

Du Junli， Cao Haijun， Zheng Shanwei， Ma Li， Yang Baolin

（Avic Jonhon Optronic Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471003， Henan， China）

Abstract： In order to compare and analyze influence of welding surface state on quality of diffusion weld， influencing factors encountered in the actual production process of diffusion welding were studied， and main verification factors included flatness， whether the machined （CNC milling） surface being treated， surface cleanliness and redundancy. All test specimens had the same welding process except surface state. After welding， tensile specimen were taken from test pieces， and influence of welding surface state on weld quality was determined by testing tensile strength of welded joints and analyzing morphology of fracture. The results showed that flatness of parts before welding would affect weld quality， and flatness of parts before welding need to control. The surface was not allowed to treat after machining （CNC milling）， the original machined surface need to retain， and grinding would affect weld quality. If welding surface was not clean， cleaning agent was not allowed for local cleaning， and the overall rework cleaning was required. Dust， wool and other excess materials affected weld quality， pre-welding assembly was best to carry out in clean room， and assemblers should wear a hood， mask， plastic gloves， and so on.

Key words：? diffusion welding; surface state; cleanliness; redundancy; weld quality

0 前言擴散焊作為一種具有優越品質的焊接方案，可以較好的實現鋁合金的可靠連接，克服了鋁合金真空釬焊的缺點，同時由于擴散焊不采用任何中間夾層，因此接頭的斷后伸長率和抗腐蝕能力均優于真空釬焊［1-3］。基于以上優點，擴散焊工藝在液冷散熱產品中得到了廣泛應用。但是焊接面的表面狀態對鋁合金擴散焊的焊縫質量影響很大，一旦控制不好，將會導致鋁合金擴散焊焊縫在焊接后存在缺陷，而目前針對擴散焊焊縫的微小缺陷尚無可靠的檢測手段，超聲波無損檢測也只能檢測出一些宏觀的缺陷，對微小缺陷的檢測效果遠遠沒有達到令人滿意的結果。目前所使用的檢測手段僅僅是通過提高超聲波探傷儀的靈敏度來確定是否存在缺陷，而且所檢測的缺陷往往是人工缺陷（宏觀缺陷），對自然缺陷并沒有給出確切的回波判定標準，并且對回波沒有進行定性的分析［4］。這些微小缺陷在產品長期使用過程中，慢慢擴展導致產品失效，但又無法有效檢測，故需研究影響焊縫質量的關鍵因素，生產過程中加嚴控制，通過過程控制保證產品質量。影響擴散焊表面狀態的因素很多，文獻中對氧化膜的研究較多［5-6］，而對比如平面度、機加表面是否處理、表面清潔度、多余物等研究較少，但實際生產過程中這些影響因素會時常遇到。該文將針對這些實際生產過程中遇到的影響因素進行研究。

1 試驗方法

1.1 試件焊接工藝

擴散焊接作為固相焊接的一種，它是指兩個工件在溫度和壓力的作用下，原子中的電子發生相互作用和相互遷移，形成相應大的離子鍵、金屬鍵或共價鍵，最終形成牢固的焊接接頭的過程，已經廣泛應用于同種或異種金屬的焊接，如Al/Al，Al/Mg，Ti/鋼等［7-10］。擴散焊焊接過程分為3個階段［11］：第一階段，由于焊接面不是絕對的平面，焊接面接觸時首先在交界面形成接觸點，如圖1［11］所示，在壓力的作用下，接觸點出現塑性變形，焊件接觸面積增加，晶粒間形成連接;第二階段，在溫度和壓力的作用下，晶界開始遷移，界面微孔開始收縮并逐漸消失;第三階段，晶界遷移后形成的新晶粒開始生長，達到母材晶粒尺寸，界面微孔基本消除，焊接界面消失。

鋁合金液冷產品的真空擴散焊工藝流程一般步驟是：焊前檢驗—化學清洗—超聲波清洗—焊前裝配—真空擴散焊—焊后檢驗。

試件使用材料為6063-T6鋁合金，其成分見表1，試件內部結構如圖2所示。試件由底板和蓋板通過擴散焊焊接在一起，焊后總厚度為70 mm。焊接設備為國產真空擴散焊爐。試件所用的焊接工藝為：焊接溫度560 ℃，保溫時間150 min，壓力7.5 MPa，壓縮量1.5 mm，爐內真空度為5×10-3 Pa，升溫速率≥10 ℃/min，爐溫均勻性±3 ℃，焊后產品隨爐冷卻。隨后進行固

溶、時效至T5狀態。

1.2 試件表面狀態

為對比分析焊接面表面狀態對擴散焊焊縫質量的影響，主要驗證的因素有平面度、機加（數控銑）表面是否處理、表面清潔度、多余物，詳細見表2。

1.3 試件試驗方法

所有試件除表面狀態不同，焊接工藝完全一致，焊接后在試件上取拉伸試樣，通過測試焊接接頭的抗拉強度和斷口處的形貌分析，判定焊接面表面狀態對焊縫質量的影響程度。拉伸樣品取樣位置如圖3所示，每個試樣上取11個拉伸樣品。

2 試驗結果及分析

YZJ-1號驗證因素為平面度，拉伸試樣斷口形貌如圖4所示，抗拉強度見表3。從表3結果中可以看出，平面度差的一半，1位置抗拉強度為156.00 MPa，11位置的抗拉強度為155.65 MPa，斷面為脆性斷裂，而未加工的一半，抗拉強度基本在200.00 MPa以上，斷口有明顯韌窩，為塑性斷裂。所以焊接面不平，會嚴重影響擴散焊的焊縫質量。

YZJ-2號驗證因素為機加表面是否處理，該試樣焊接面采用了拋光棉打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖5所示。從表3結果中可以看出，2位置抗拉強度為178.17 MPa，4位置抗拉強度為158.45 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-3號驗證因素為機加表面是否處理，該試樣焊接面采用了細砂紙打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖6所示。從表3結果中可以看出，1位置抗拉強度為150.75 MPa，4位置抗拉強度為133.11 MPa，10位置抗拉強度為159.37 MPa，11位置抗拉強度為84.02 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-4號驗證因素為機加表面是否處理，該試樣焊接面采用了粗砂紙打磨，拉伸試樣斷口形貌如圖7所示。從表3結果中可以看出，3位置抗拉強度177.13 MPa，4位置抗拉強度為115.55 MPa，斷面為脆性斷裂。

YZJ-5號驗證因素為機加表面是否處理，該試樣焊接面無任何處理，拉伸試樣斷口形貌如圖8所示。從表3結果中可以看出，抗拉強度全都大于220.00 MPa，斷口均有明顯韌窩，為塑性斷裂。

從YZJ-2號、YZJ-3號、YZJ-4號及YZJ-5號的試驗結果可以看出，焊接面保持機加的原始表面焊接效果最好，一旦處理，將會影響焊接效果。

YZJ-6號驗證因素為表面清潔度，該試樣焊接面酸堿洗過后表面局部不干凈再次用清洗劑處理，拉伸試樣斷口形貌如圖9所示。從表3結果中可以看出，絕大部分試件抗拉強度都很低，斷口為脆性斷裂。因此，生產過程中如發現酸堿洗清洗不干凈的情況，應退回清洗工序，整體返工，不能采用清洗劑進行局部清洗的臨時措施。

YZJ-7號驗證因素為多余物，該試樣焊前裝配是在普通的車間環境內進行，且對裝配工穿著無特殊要求。拉伸試樣斷口形貌如圖10所示。從表3結果中可以看出，抗拉強度較低，且斷口上存在灰塵、毛絮等多余物，為脆性斷裂。故擴散焊焊前裝配最好在潔凈間內進行，且裝配工應佩戴頭套、口罩、塑膠手套等，避免多余物附著在焊縫上，影響焊接質量。

3 結論

（1）擴散焊焊前零件平整度會影響焊縫質量，需控制焊前零件平面度。

（2）擴散焊焊前零件，機加工（數控銑）后表面不允許處理，需保留原始機加表面，因表面拋光或打磨會造成焊接面凹凸不平，影響焊接面的平面度和粗糙度，進而影響焊縫質量。

（3）擴散焊焊前零件酸堿洗后如發現清洗不干凈，需整體返工重新清洗，不允許用清洗劑進行局部清洗；擴散焊焊前裝配需在潔凈間內進行，且裝配工應佩戴頭套、口罩、塑膠手套等。

參考文獻

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收稿日期： 2022-12-06

杜俊莉簡介： 碩士，國際焊接工程師；主要從事鋁合金特種焊接工藝研究和技術攻關工作；dujunli927@163.com。