铝合金液冷组件的扩散焊接工艺研究

朱帅

摘要：扩散连接是在真空（或惰性气体保护）条件下，对基体施加压力、升温到焊接温度并保温一段时间，通过母材界面区域发生原子互扩散而形成可靠连接的焊接技术。铝合金液冷组件因为对高质量、高精度的协同要求，所以通常采用真空扩散焊来制备液冷结构件。本研究探索了铝合金真空扩散焊过程中，工艺参数对焊接质量的影响，获得最佳工艺参数，制备强度高、变形量小的接头，并阐明了真空扩散焊工作原理和连接机理。

关键词：真空扩散焊;互扩散;液冷组件;变形量

0前言

铝合金液冷组件是雷达系统的核心结构之一[1]，起到为雷达电子器件散热，确保雷达系统可靠运行作用。由于轻量化的需求，铝合金液冷组件内部流道紧凑，水道间的实体部位宽度较小。铝合金液冷组件会设计高密度的盲插安装孔位，位于水道间的实体部位上。需要保证盲插孔加工时不会导致水道破壁是铝合金液冷组件必须控制的关键问题之一。铝合金液冷组件的常用制造方法之一是扩散焊[2]，即将加工了流道的壳体和盖板整体焊接成型。

本文采用真空扩散焊的对象为5A06铝合金。目前，真空扩散焊工艺主要在较低的温度下，采用较大的压力实现连接，但本文中采用高温的方式提高原子间扩散激活能[3-4]。

1 5A06铝合金真空扩散焊试验

5A06Al因为镁含量较高，待焊界面除了极易形成致密且稳定的Al2O3氧化膜之外，还易形成更加致密的MgO氧化膜，焊接性能较差，阻碍原子扩散与界面冶金结合[5]。由于扩散焊时间长，母材中镁元素的挥发较为严重，扩散焊则存在焊合率低、工件变形精度差等问题。

采用真空扩散焊连接5A06Al，焊接温度依据母材性能而定，设置焊接温度为500-580oC，压强为4-7 MPa，保温时间为30-60min。

5A06铝合金液冷组件的结构如图1所示，其名义化学成分为（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#砂纸对连接面进行打磨，将打磨后的块体置入5% NaOH溶液中碱洗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声清洗8-15min，室温下吹干后采用二乙二醇二甲醚活性剂涂覆待焊表面。

按顺序将不同的零件进行装配，用0.1mm厚的石墨纸包裹后装配，放入M60真空热压炉内进行焊接，并用石墨毡包裹以降低热辐射和温度均匀化的效果。采用石墨纸中的碳元素向铝合金盖板的扩散原理，可以显示出流道和非流道的位置。采用石墨纸作为介质是因为：（1） 碳元素和铝不产生的新的物相;（2） 碳元素与铝的互扩散溶解度小，速率低，显示效果可以忽略不计;（3） 石墨纸为柔性介质，不会划伤零件并且不影响盖板受力的传递，保证焊接面受力均匀。

室温下对烧结炉抽真空至10-2 Pa以下，然后通过石墨垫块和石墨冲头施加一定压力，使两侧的母材发生充分地接触，促进互扩散。按照系统以15oC/min的升温速率升温至预定的温度，加载预定压力，保温保压一段时间后降温卸载，获得扩散焊接头。待焊试样与石墨冲头以及模具之间均放置0.1mm厚的石墨纸。

2 5A06铝合金扩散焊接头分析

2.1 界面形貌分析

图2为不同工艺参数条件下，真空扩散焊接头扫描电镜分析结果。SPS扩散焊界面局部有界面结合，发生再结晶产生共有晶粒，扫描电镜观察界面线几乎消失。真空扩散焊界面线较明显，界面几乎未焊合。

图2为不同工艺参数的界面形貌，在控制焊接压力为6MPa时，当焊接温度设定为530oC，温度不足以实现界面区域原子的扩散，该温度下的原子扩散动力不足，导致界面的焊合率较低。升温至550 oC，焊缝结合更加紧密，两侧的母材发生更充分的接触，在局部区域形成了连接，但范围较小，大部分区域仅仅初步接触。当焊接温度提升至570 oC时，高温和高压使两侧母材扩散充分，界面焊合率较高，原子扩散动力充足，在界面区域生成了再结晶晶粒。再次升温会导致母材变形量较大。延长保温时间至60min，发现此参数下界面焊合率达到最高，界面处原子扩散充分，在结合区域生成了共有的再结晶晶粒，实现了较可靠的连接。

2.2 接头力学性能

图3为不同工艺参数下接头的抗拉强度。图3（a）所示，为接头不同区域切取的拉伸试样。图中可得，在焊接温度为530-570oC时，随着温度的提高，界面结合情况优化，改善力学性能;在界面形貌最佳时，得到的接头强度最高，抗拉强度和界面形貌相对应。5A06铝合金扩散焊接头最高抗拉强度为75MPa。

2.3 界面元素分布

氧化膜的产生对焊接接头影响较大，会阻碍新鲜母材之间的接触。如图4所示，对界面区域未焊合部位和初步实现焊合部位进行线扫描分析，结果显示，在未焊合区域除了氧含量升高外，在焊接界面区域实现了Si的偏聚，与此同时两侧母材中的Mg发生挥发;对初步焊合的区域，中间连接区域不存在元素的富集现象，两侧母材元素分布均匀，实现同种材料的连接最终会使试样性质接近母材。

由此可知，氧化膜的增生阻碍了扩散，在焊合率较高的区域氧含量小于焊合率较低的区域。当焊接质量较高时，焊接接头的元素分布接近于母材。

3 结论

本文探索了5A06铝合金真空扩散连接工艺，获得了最佳工艺参数，研究了温度和保温时间对接头组织和性能的影響。与常规扩散焊相比，实验采用的温度较高，提高原子的扩散速率。增大压力进一步扩大盖板外表面对应流道区域和对应非流道区域的受力差异性，提高水道显示效果。同时，保证石墨纸与盖板紧密贴合。

（1）真空扩散焊可以解决5A06铝合金接头强度较低以及蠕变变形大、材料组织性能退化等问题，获得可靠的焊接接头，提高连接质量。

（2）氧化膜的增生会阻碍焊接过程的进行。在焊接界面区域，焊合率较高的接头性能接近于母材，焊合率较高的区域含氧量小于焊合率较低的区域。

参考文献

[1]曹景竹，王祝堂.铝合金在航空航天器中的应用[J].轻合金加工技术，2013（2）：1-5.

[2]邹茉莲，熊亮，庄鸿寿. LD10高强铝合金真空扩散焊工艺研究[J].航空精密制造技术，1997（06）：25-29.

[3]李维伟.5083铝合金扩散焊接工艺研究[D].南京航空航天大学，2007.

[4]白松义.5A06铝合金低形变扩散连接工艺及机理研究[D].哈尔滨工业大学，2019. 韩月娇.表面自纳米化不锈钢与高强铝合金扩散连接研究[D].西南交通大学，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.

（合肥工业大学 安徽 合肥 23000）