馮學(xué)文 楊炳元

摘要： 以6061-T6鋁合金為研究對(duì)象，采用4004 鋁合金作為釬料對(duì)其進(jìn)行真空釬焊，并通過(guò)控制釬焊高溫段的溫度和時(shí)長(zhǎng)焊接出具有不同釬縫的6061鋁合金水冷板。用氣密測(cè)試臺(tái)、水浸超聲波檢測(cè)儀、微距攝像機(jī)、金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)件的釬焊情況及釬縫微觀形貌進(jìn)行分析表征。結(jié)果表明，釬焊高溫段溫度低或者保溫時(shí)間短，釬料的流動(dòng)性不足，釬縫存在脫焊。反之，釬焊高溫段溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)則會(huì)造成焊縫熔蝕。當(dāng)爐內(nèi)真空度≤2.0×10-3Pa時(shí)，釬焊高溫段溫度595 ?℃，保溫時(shí)間80 ?min，真空釬焊的6061鋁合金焊縫具有良好的成形性和密封性能。

關(guān)鍵詞： 6061鋁合金；4004釬料；真空釬焊；溫度；時(shí)長(zhǎng)

中圖分類號(hào)： TG 454

Study on the effect of temperature and duration on vacuum brazing of 6061 alu minum alloy with 4004 filler metal

Feng Xuewen， Yang Bingyuan

（GuizhouYonghong Heat Transfer & Cooling Technology Co.Ltd， Qiannan 550600，Guizhou，China）

Abstract： In this work， 6061T6 alu minum alloy was employed as the research object. Uses 4004 alu minum alloy as the filler material for vacuum brazing， and controls the temperature and duration of the hightemperature section to brazing 6061 alu minum alloy watercooled plate with different brazing seams. The brazing condition of the test piece and the microstructure of the brazed seam were analyzed and characterized using the airtight test bench， the water immersion ultrasonic detector， the macro camera and the metallographic microscope. The results indicate that the temperature in the hightemperature section of brazing is low or the duration is short， the fluidity of the filler material is insufficient， and there is detachment of the brazing seam. On the contrary， high temperature or long duration in the hightemperature section of brazing can cause weld ablation. When the vacuum degree of the furnace is ≤ 2.0×10-3 Pa， the temperature of hightemperature brazing section is 595 ?℃， and the during of brazing is 80 ?min， the 6061 alloy brazing seam formed by vacuum brazing process good formability and sealing performance.

Key words： ?6061 alu minum alloy; 4004 filler metal; vacuum brazing; temperature; duration

0前言

鋁合金具有密度小，力學(xué)性能優(yōu)異，加工性能和防腐蝕性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、汽車制造及電子醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。真空釬焊工藝成熟穩(wěn)定、可同時(shí)焊接多條焊縫，所焊接產(chǎn)品精度高，焊縫防腐蝕性能良好，使用壽命長(zhǎng)，是生產(chǎn)制造鋁制板翅式散熱器、水冷板、機(jī)箱等產(chǎn)品過(guò)程中最為關(guān)鍵的工藝[4-6]。

6061鋁合金屬于6XXX系列AlMgSi系鋁合金，相較于其他系列鋁合金，其耐蝕性能極佳，并可通過(guò)熱處理進(jìn)一步加工強(qiáng)化力學(xué)性能。4XXX系A(chǔ)lSi合金熔體流動(dòng)性好，耐蝕性能優(yōu)良，是用于散熱器和水冷板釬焊的典型填充金屬材料。4004鋁合金則作為4XXX系的代表合金之一，常用于6063等合金的釬焊。受自身元素成分影響，6061鋁合金的固相線溫度較低（約582～595 ?℃），采用普通的AlSi共晶釬料（熔點(diǎn)約577～582 ?℃）進(jìn)行釬焊時(shí)易發(fā)生未焊透和熔蝕過(guò)燒等問(wèn)題，因此其釬焊生產(chǎn)一直是行業(yè)內(nèi)的難題[7-13]。目前雖然已有諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)6061鋁合金的真空釬焊進(jìn)行深入研究，但研究方向主要集中在開發(fā)低熔點(diǎn)高性能的釬料方面，而對(duì)溫度、時(shí)間等參數(shù)對(duì)6061鋁合金的4系釬料真空釬焊的影響的研究甚少[14-17]。文中通過(guò)控制釬焊溫度、釬焊時(shí)間這兩個(gè)最主要的釬焊參數(shù)，對(duì)采用6061鋁合金和4004釬料裝配的水冷板進(jìn)行真空釬焊，并對(duì)產(chǎn)品的釬縫進(jìn)行表征研究，試圖尋找出6061鋁合金4系釬料真空釬焊的最佳參數(shù)條件，為該合金的穩(wěn)定批量真空釬焊生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料和方法

原材料為6061鋁合金擠壓型材，真空釬焊所用釬料為4004釬料，具體成分如表1所示。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及所查閱的文獻(xiàn)資料，將釬焊參數(shù)控制為釬焊溫度585～600 ?℃，釬焊時(shí)間60～90 ?min （文中中的釬焊時(shí)間，特指產(chǎn)品在爐溫設(shè)定高于577 ?℃的高溫段的保溫時(shí)長(zhǎng)），釬焊高溫段真空度≤2.0×10-3 Pa。試驗(yàn)時(shí)，首先將釬焊溫度固定為595 ?℃，釬焊時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)定為60 ?min、70 ?min、80 ?min、90 ?min，通過(guò)焊接篩選出釬焊效果最佳的時(shí)長(zhǎng)，在此基礎(chǔ)上固定釬焊時(shí)長(zhǎng)，將釬焊溫度分別設(shè)定為585 ?℃、590 ?℃、595 ?℃、600 ?℃，篩選出最佳的釬焊溫度。

采用NaOH溶液、HNO3溶液及清水對(duì)零件進(jìn)行清洗，將洗凈的零件按照某型號(hào)冷板圖紙進(jìn)行裝配，試驗(yàn)件輪廓尺寸400 mm×250 mm×20 mm，隨后采用不同的釬焊參數(shù)對(duì)所裝配試驗(yàn)件進(jìn)行真空釬焊。在生產(chǎn)過(guò)程中，各試驗(yàn)件除所采用的釬焊參數(shù)不相同，零件原料及其他生產(chǎn)測(cè)試參數(shù)保持完全一致。焊縫裝配方式如圖1所示。

使用上海恒舟NK500閥門氣密性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)試驗(yàn)件釬縫氣密性能進(jìn)行測(cè)試；用上海恒舟4DSB電動(dòng)試壓泵對(duì)試驗(yàn)件釬縫的承壓性能進(jìn)行測(cè)試；用重慶環(huán)納HN301A全自動(dòng)水浸超聲波檢測(cè)設(shè)備對(duì)焊接面的釬著率進(jìn)行檢測(cè)，使用Leica DM6000M金相顯微鏡對(duì)釬縫金相形貌進(jìn)行觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1不同釬焊時(shí)長(zhǎng)對(duì)焊縫釬著率的影響

釬焊高溫段焊接溫度為595 ?℃時(shí)，不同釬焊時(shí)長(zhǎng)下各產(chǎn)品表面實(shí)際溫度隨時(shí)間的變化如圖2所示。焊縫形貌如圖3所示，不同焊接時(shí)長(zhǎng)下，各試驗(yàn)件的最高溫度均達(dá)到582 ?℃左右。高溫段焊接時(shí)長(zhǎng)為60 ?min的產(chǎn)品在577 ?℃以上溫度區(qū)間停留時(shí)間僅約為30 ?min，其余各試驗(yàn)件在577 ?℃以上的溫區(qū)間所停留的時(shí)間，則隨著高溫段焊接時(shí)間延長(zhǎng)至70 ?min、80 ?min、90 ?min而分別增加至約40 ?min、50 ?min、60 ?min。焊接不同時(shí)長(zhǎng)的產(chǎn)品焊縫處外觀形貌如圖3所示。高溫段釬焊60 ?min試驗(yàn)件的焊縫被釬料完全覆蓋，熔融釬料沿產(chǎn)品壁面向上爬升約10 mm的距離。釬焊時(shí)間延長(zhǎng)為70 ?min時(shí)，釬料向上進(jìn)一步爬升覆蓋了整個(gè)產(chǎn)品側(cè)面。當(dāng)釬時(shí)長(zhǎng)增加至80 ?min，釬料爬升覆蓋整個(gè)產(chǎn)品壁面并在焊縫處出現(xiàn)堆積。至于釬焊90 ?min時(shí)，產(chǎn)品焊縫處的釬料進(jìn)一步堆積，沿焊縫形成了一排連續(xù)的凸起。由此不同焊接時(shí)長(zhǎng)的釬縫外觀形貌對(duì)比可見(jiàn)，隨著焊接高溫段時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品的最高溫度并未隨之升高，但釬料的熔化程度則在逐步增加。

采用水浸超聲波掃描對(duì)圖3所對(duì)應(yīng)的各產(chǎn)品內(nèi)部的釬焊情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖中綠色表示該區(qū)域?yàn)榭招模瑢?duì)應(yīng)產(chǎn)品的內(nèi)部流道或者虛焊區(qū)，紅色表示該區(qū)域?yàn)閷?shí)心，表示焊縫釬著良好。釬焊時(shí)長(zhǎng)60 ?min的產(chǎn)品，其超聲波掃描圖譜出現(xiàn)了大面積雜亂分布的綠色區(qū)域，表明產(chǎn)品存在嚴(yán)重的虛焊。釬焊時(shí)長(zhǎng)為70 ?min時(shí)，產(chǎn)品整體的釬著率較釬焊60 ?min產(chǎn)品有明顯提升，但在局部區(qū)域仍存在明顯的虛焊。隨著釬焊時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，80 ?min釬焊產(chǎn)品的整體釬著率進(jìn)一步提升，除在流道進(jìn)出口位置存在較少面積的虛焊外，其余部分均釬焊完好，不存在虛焊情況。然而，當(dāng)釬焊時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至90 ?min時(shí)，產(chǎn)品又出現(xiàn)了虛焊，且虛焊面積比60 ?min及70 ?min產(chǎn)品的更大。

2.2不同釬焊溫度對(duì)焊縫釬著率的影響

在相同的時(shí)長(zhǎng)（80 ?min）內(nèi)，不同溫度下焊接時(shí)各產(chǎn)品的實(shí)際溫度如圖5所示。在585 ?℃溫度下焊接的產(chǎn)品，其釬焊過(guò)程中的最高溫度為578 ?℃，僅略高于4004釬料的理論熔化溫度577 ?℃，且在577 ?℃以上溫度區(qū)間的保溫時(shí)間僅約40 ?min。而在590 ℃、595 ℃、600 ?℃溫度下保溫的產(chǎn)品，其最高溫度和在577 ?℃以上高溫區(qū)間停留的時(shí)間分別為580.5 ?℃/48 ?min，582.5 ?℃/55 ?min及584 ?℃/60 ?min。由此可見(jiàn)，增加高溫段的焊接溫度，產(chǎn)品的實(shí)際溫度及其在577 ?℃以上的高溫區(qū)間所停留的時(shí)間也明顯增加。

圖6為在不同溫度下釬焊80 ?min后各產(chǎn)品焊縫處外觀形貌。由圖可見(jiàn)，焊接溫度為585 ?℃的試驗(yàn)件，其焊縫外僅有一層薄薄的釬料覆蓋，焊接溫度上升至585 ?℃時(shí)，試驗(yàn)件表面有明顯的釬料漫流和堆積，表明在該溫度和時(shí)間條件下進(jìn)行釬焊時(shí)，釬料的熔化程度較585 ?℃試驗(yàn)件有所提升。當(dāng)釬焊溫度提升至590 ?℃時(shí)，焊縫周圍的釬料漫流現(xiàn)象比前三個(gè)試驗(yàn)件更嚴(yán)重，產(chǎn)品表面已經(jīng)覆蓋了一層更厚的釬料層。若溫度繼續(xù)提高至595 ?℃，漫流的釬料爬升覆蓋整個(gè)產(chǎn)品的表面，且在釬縫下方出現(xiàn)明顯堆積。

用水浸超聲波掃描儀對(duì)產(chǎn)品焊縫進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果如圖7所示。由圖7（a）可見(jiàn)，585 ?℃試驗(yàn)件在流道外的釬接面出現(xiàn)連片的綠色區(qū)域，即該產(chǎn)品出現(xiàn)了虛焊，焊縫沒(méi)有被釬料完全填充。圖7（b）中590 ?℃試驗(yàn)件在中間的非流道區(qū)域出現(xiàn)局部虛焊，但整體的釬著率比585 ?℃試驗(yàn)件得到極大的提升。595 ?℃試驗(yàn)件的測(cè)試圖譜與585 ?℃100 ?min試驗(yàn)件測(cè)試結(jié)果較為接近，如圖7（d）所示，樣件的局部非流道區(qū)域出現(xiàn)虛焊情況。圖7（c）所顯示的590 ?℃試驗(yàn)件超聲波掃描圖譜與產(chǎn)品的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)完全吻合，且通道空腔區(qū)域與實(shí)心區(qū)域分界線清晰，沒(méi)有出現(xiàn)雜亂分布的綠色色塊，表明該試驗(yàn)件的釬焊十分良好，所有釬焊面均已釬著，焊縫飽滿無(wú)孔隙。

2.3釬焊溫度對(duì)焊縫成形影響

為進(jìn)一步判斷產(chǎn)品的焊接情況，對(duì)各產(chǎn)品圖7中對(duì)應(yīng)的白色框線區(qū)域進(jìn)行取樣觀察金相。切割取樣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)585 ?℃/80 ?min試驗(yàn)件與590 ?℃/80 ?min試驗(yàn)件存在脫焊情況，如圖8（a）～8（c）所示，其釬焊焊縫在較小的作用力下便出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，撕裂后的焊縫上下兩個(gè)交界面的表面形貌相同，均由凹凸不平的金屬顆粒組成，這與釬接板上釬料自由熔化鋪展的狀態(tài)截然不同，如圖8（d）所示。進(jìn)一步觀察585 ?℃/80 ?min試驗(yàn)件與590 ?℃/80 min試驗(yàn)件圖7中白色框線區(qū)域的金相可發(fā)現(xiàn)，兩試驗(yàn)件缺陷處的釬縫存在一條明顯的脫焊間隙，釬接板熔融的釬料并未將復(fù)合板與6061鋁合金焊接連接在一起。當(dāng)焊接參數(shù)改為595 ?℃/80 ?min時(shí)，試驗(yàn)件的金相與前其他三者相比較，其釬焊焊縫飽滿均勻，無(wú)熔蝕發(fā)生，AlSi相均勻分布在αAl相之中，表明該試驗(yàn)件的焊接參數(shù)與產(chǎn)品互相匹配，在該焊接參數(shù)下焊接的焊縫成形良好。然而，當(dāng)釬焊溫度進(jìn)一步增加到560 ?℃時(shí)，即使釬焊時(shí)間有所縮短，試驗(yàn)件的釬縫開始出現(xiàn)孔洞缺陷，如圖9（d）所示仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，孔洞缺陷所在的位置均為原本AlSi相區(qū)，即孔洞缺陷是由于AlSi相熔蝕所致，表明在560 ?℃/70 ?min參數(shù)條件下焊接時(shí)樣件的熱輸入量過(guò)大，從而導(dǎo)致釬縫熔蝕，這與圖1中該試驗(yàn)件焊縫外觀出現(xiàn)釬料漫流的結(jié)果相吻合。

2.4釬焊溫度對(duì)焊縫密閉性能影響

產(chǎn)品密閉性能檢測(cè)（氣密檢測(cè)）可直接反應(yīng)釬焊焊縫質(zhì)量，釬焊質(zhì)量越高，產(chǎn)品氣密合格率越高。將與實(shí)驗(yàn)樣件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)相同的一批產(chǎn)品均分為4份，采用4組不同溫度時(shí)間的釬焊參數(shù)對(duì)各批產(chǎn)品進(jìn)行焊接，進(jìn)一步驗(yàn)證不同釬焊溫度對(duì)6061鋁合金的焊接影響。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，釬焊參數(shù)為585 ?℃/80 ?min的試驗(yàn)件的釬焊合格率為49%，當(dāng)將溫度和時(shí)間匹配改為590 ?℃/80 ?min時(shí)，試驗(yàn)件的合格率提升至62%，而將溫度和時(shí)間進(jìn)一步調(diào)整為595 ?℃/80 ?min時(shí)，產(chǎn)品的合格率提升至88%。然而在溫度為600 ?℃，時(shí)間為80 ?min的時(shí)候，試驗(yàn)產(chǎn)品的合格率缺出現(xiàn)明顯下降，合格率僅有70%。進(jìn)而言之，隨著釬焊溫度的降低和釬焊時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品氣密合格率現(xiàn)增加后降低，在釬焊參數(shù)為595 ?℃/80 ?min的時(shí)候，所釬焊的產(chǎn)品具有最佳合格率。

3分析與討論

6061鋁合金的固相線與AlSi 釬料的熔點(diǎn)的溫度區(qū)間相差較小，因此釬焊過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品溫度的控制要求極其嚴(yán)格，在實(shí)際的焊接生產(chǎn)過(guò)程中常有溫度不足或者溫度過(guò)高而導(dǎo)致的脫焊或者熔蝕問(wèn)題。因此，在6061鋁合金的釬焊過(guò)程中必須嚴(yán)格控制產(chǎn)品的均溫性，而控制均溫性，除了需要在釬焊爐的性能及產(chǎn)品裝夾方面進(jìn)行控制外，必須要設(shè)置合理的釬焊溫度釬焊時(shí)長(zhǎng)。

結(jié)合圖7可以看出585 ?℃/80 ?min試驗(yàn)件與590 ?℃/80 ?min試驗(yàn)件的脫焊，顯然是由于熱輸入量不足的原因引起的，兩者雖然釬焊時(shí)間適中，但釬焊溫度較低，在該加熱條件下，但釬焊爐的實(shí)際溫度達(dá)到所設(shè)置溫度時(shí)，產(chǎn)品的熱量吸收速率較慢，產(chǎn)品需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到釬料熔融溫度。在此較長(zhǎng)時(shí)間的保溫加熱階段，釬料所含的Si和Mg等低熔點(diǎn)元素易過(guò)度溶解至6061合金基體內(nèi)。一方面，低熔點(diǎn)元素的溶解將降低母材熔點(diǎn)而導(dǎo)致母材表層產(chǎn)生熔蝕。另一方面，元素流失會(huì)造成釬料熔點(diǎn)升高，由于所設(shè)的釬焊溫度較低，導(dǎo)致產(chǎn)品熱輸入量不足，此消彼長(zhǎng)之下，釬料難以完全熔融或流動(dòng)性不足，從而難以在6061合金基材表面鋪展?jié)B透，最終導(dǎo)致焊縫虛焊或脫焊，如圖7、圖8（a）、圖8（b）。

如若釬焊溫度過(guò)高，即使保溫時(shí)間較短，釬料中的低熔點(diǎn)元素也會(huì)大量流失，且6061合金會(huì)發(fā)生接頭的軟化現(xiàn)象，同樣會(huì)造成熔蝕。尤其是產(chǎn)品靠近加熱帶的部分，熱輸入量大于向產(chǎn)品內(nèi)部低溫區(qū)傳遞的熱量，熱量堆積導(dǎo)致溫度過(guò)高，母材更易發(fā)生熔蝕。在釬焊高溫段的保溫時(shí)間與保溫溫度相匹配（595 ℃/80 min）時(shí)，釬料所含的合金元素的流失程度相對(duì)較輕，釬料可在所設(shè)定的釬焊時(shí)間內(nèi)熔融并充分鋪展在6061合金表面，此狀態(tài)下形成的焊縫均勻飽滿，無(wú)夾渣熔蝕缺陷，AlSi共晶在αAl中均勻分布，αAl則向封條側(cè)擴(kuò)展并與封條母材互相熔合，形成交錯(cuò)咬合的牢固釬焊界面，如圖9（c）所示。

4結(jié)論

（1）高溫段的釬焊溫度和時(shí)間對(duì)6061鋁合金真空釬焊有重要影響，溫度低或者焊接時(shí)間短會(huì)導(dǎo)致釬料熔化不充分，焊縫脫焊；溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)則會(huì)造成焊縫熔蝕，從而降低焊縫性能。

（2） 在真空度≤2.0×10-3Pa條件下，高溫段釬焊溫度595 ?℃，保溫時(shí)間80 ?min，所焊接的6061鋁合金焊縫具有良好的成形性能和密封性能。

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收稿日期： 2024-01-10

馮學(xué)文簡(jiǎn)介： 中級(jí)工程師；主要從事熱交換器的焊接方向研究；fengxingyue881@sina.com。