曹慧麗，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

Al-Si-Cu-Mg釬料真空釬焊6061鋁合金工藝研究*

曹慧麗，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

為了解決6061鋁合金熔點與現(xiàn)有貨架產(chǎn)品Al-Si-Cu-Mg系釬料熔點較為接近、釬焊工藝難以控制的難題，開展了Al-Si-Cu-Mg系釬料釬焊6061鋁合金的工藝研究。通過合理的焊接工藝參數(shù)試驗設(shè)計，得出了合適的6061真空釬焊焊接工藝參數(shù)。對釬焊樣件進行組織性能分析及耐腐蝕性試驗，發(fā)現(xiàn)在合適的釬焊工藝參數(shù)控制下，釬焊接頭中的Cu在焊縫區(qū)域產(chǎn)生了擴散，只有極少量的Cu與Al形成了共晶組織。中性鹽霧試驗結(jié)果表明，釬焊縫中極少量的Al-Cu共晶組織對其抗腐蝕性影響不大。

真空釬焊；Al-Si-Cu-Mg系釬料；Al-Cu共晶組織；6061鋁合金

引 言

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品輕量化、大型化、高焊接質(zhì)量及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等的需求促使鋁合金材料的應(yīng)用越來越多，6061鋁合金屬于可熱處理強化合金，具有較好的可成形性、可焊接性及可切削性能，該合金的真空釬焊技術(shù)在國內(nèi)研究相對較少[1]。

釬焊的最大特點是焊接溫度低于母材的固相線但高于釬料液相線，是在母材處于固態(tài)狀態(tài)下完成連接的，對母材造成的影響很小。6061鋁合金固相線溫度為582 ℃～595 ℃[2]，液相線溫度為605 ℃～652 ℃，因此其焊接溫度理論上不應(yīng)高于595 ℃，以防止母材過燒。目前貨架產(chǎn)品Al-Si釬料的液相線在579 ℃～591 ℃，釬料液相線溫度跟6061鋁合金固相線溫度重合，釬焊窗口窄，對釬料的釬焊溫度和爐溫均勻性都提出了嚴格要求，這也是6061鋁合金真空釬焊的難點所在。

近年來國內(nèi)外開展了多種鋁合金中溫釬料及其釬焊工藝的研究，如Al-30Ge-Si、Al-15Ge-7Si釬料，可用于6061鋁合金及復(fù)合材料在550 ℃以下釬焊[3]；Al-Si-20Cu可用于6061鋁合金的釬焊，但加入過量的Cu元素使得釬料脆化嚴重[4]。文獻[5]研究了Ag-Al-Cu-Zn中溫釬料，并在496 ℃～503 ℃釬焊溫度下成功實現(xiàn)了對LY12鋁合金的釬焊。該系鋁合金雖然具有較窄的融化溫度區(qū)間以及極佳的流動性，但是由于采用的Ag-Al-Cu-Zn共晶合金中Ag的含量高達40%，釬料成本較高。

本文期望通過對6061鋁合金真空釬焊的研究，解決6061鋁合金工程化釬焊制造難題，使得6061鋁合金在雷達產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)件中得到更多的應(yīng)用，以實現(xiàn)雷達產(chǎn)品中輕量化的需求。

1 試驗過程

文中采用的釬料為Al-Si-Cu系釬料，Cu元素在釬料中的百分比控制在10%以內(nèi)，加入Cu后釬料的流動性顯著增加[6]，解決了釬料脆、難以加工成型的難點，釬料可制作成箔片。

結(jié)合產(chǎn)品使用要求，文中對6061鋁合金真空釬焊樣件的鋪展性、顯微組織以及環(huán)境試驗結(jié)果開展了研究。樣件焊接試驗在VBF-669型真空爐中進行，釬料選擇0.08 mm厚的箔帶，樣件釬焊前對母材表面進行化學(xué)清洗以去除氧化膜，釬料采用機械打磨法去除表面氧化膜，釬焊工藝流程如圖1所示。為了加速鋁合金表面氧化膜的破碎，焊接時需要加入一定量的鎂。焊接真空度為1.5 × 10-3Pa，焊接溫度為575 ℃～585 ℃，保溫時間為1 min。

圖1 釬焊工藝流程

2 試驗結(jié)果分析

2.1樣件鋪展性能

樣件鋪展試驗結(jié)果如圖2所示，可以看出釬料在母材表面潤濕，并表現(xiàn)出較正常的潤濕鋪展狀態(tài)。6061基體中原始銅含量較少，在釬焊過程中，Cu在鋁基體上的接觸反應(yīng)有明顯的表面優(yōu)先鋪展，可以破除氧化膜，有利于接觸反應(yīng)釬焊過程中接頭界面間均勻液相填充層的形成。同常規(guī)鋁硅釬料相比，釬料中氧化銅的存在使得釬料氧化膜的完全去除比較困難。焊接時需要進一步降低爐內(nèi)氧含量，提高焊接真空度。

圖2 鋪展性能試驗

2.2釬焊接頭的組織和性能

對母材接頭的組織形態(tài)在電子顯微鏡下進行觀察，接頭組織形貌如圖3所示，并用能譜分析儀對釬焊縫組織成分進行分析。

圖3 焊縫組織形貌

Al與Cu在液態(tài)下可以無限互溶，而在固態(tài)下互相溶解度很小，Cu在Al中的溶解度僅為1.5%。固態(tài)下Al與Cu主要以化合物形式存在，Al與Cu能形成多種金屬間化合物，主要有Cu2Al、Cu3Al2、CuAl和CuAl2。Cu2Al相是一種極脆的金屬間化合物，一旦在釬焊界面上形成，將嚴重弱化釬焊接頭的性能。釬焊工藝對脆性金屬間化合物的影響主要包括釬焊溫度和釬焊時間，釬焊溫度降低，釬焊時間縮短，金屬間化合物形成的可能性就會大大降低。

文中對試驗樣件焊縫的微觀組織進行能譜及金相分析，焊縫主要由α-Al固溶體(焊縫白亮區(qū))、鋁硅共晶體、Si固溶體(A區(qū))、Mg2Si(A區(qū))以及極少量的Al-Cu共晶體(B區(qū))組成。這說明在此工藝參數(shù)下，釬料中的Cu在鋁基體的深度方向的晶界產(chǎn)生了深度滲透，極大地保證了釬焊接頭的結(jié)合強度，只有極少量的Cu與Al形成了共晶組織，這些共晶組織對焊縫的性能不會造成太大影響。

2.3釬焊縫鹽霧試驗結(jié)果

雷達工作環(huán)境一般比較惡劣，這對雷達組成構(gòu)件提出了不同程度的耐腐蝕要求。文中釬料中的Cu元素極易與Al生成Al-Cu中間化合物，會降低釬焊縫的耐腐蝕性，因此根據(jù)雷達整機的耐鹽霧試驗要求，對釬焊縫進行了鹽霧試驗，如圖4所示。參照GJB 150.11中性鹽霧試驗要求對焊縫進行96 h中性鹽霧試驗，根據(jù)使用中的實際情況在樣件表面進行了導(dǎo)電氧化處理。

由圖4可見，釬焊縫并未出現(xiàn)明顯腐蝕痕跡，結(jié)果滿足產(chǎn)品96 h鹽霧試驗要求，釬焊縫的耐腐蝕性能夠滿足雷達產(chǎn)品整機耐腐蝕性要求，該釬料可以用在雷達產(chǎn)品中。

圖4 釬焊縫鹽霧試驗

3 結(jié)束語

本文開展了Al-Si-Cu-Mg系釬料釬焊6061鋁合金的工藝研究，通過合理的焊接工藝參數(shù)試驗設(shè)計，得出了合適的6061真空釬焊焊接工藝參數(shù)。通過對試驗樣件的結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

1)Al-Si-Cu-Mg系釬料釬焊6061鋁合金的釬焊工藝規(guī)范為真空度1.5 × 10-3Pa，焊接溫度575 ℃～585 ℃，保溫時間1 min；

2)在釬焊過程中，Cu在鋁基體上的接觸反應(yīng)有明顯的表面優(yōu)先鋪展，可以破除氧化膜，有利于接觸反應(yīng)釬焊過程中接頭界面間均勻液相填充層的形成，因此本試驗中釬料在6061鋁合金上實現(xiàn)了較好的鋪展；

3)本試驗中，釬料中的Cu在鋁基體的深度方向的晶界產(chǎn)生了深度滲透，只有極少量的Cu與Al形成了共晶組織，極大地保證了釬焊接頭的結(jié)合強度；

4)鹽霧試驗結(jié)果表明，釬焊縫能夠滿足雷達產(chǎn)品整機耐腐蝕性要求。

[1] 鄭欣, 王廣海, 陳建, 等. 6061鋁合金真空釬焊技術(shù)的發(fā)展[J]. 輕合金加工技術(shù), 2014, 42(1): 8-12.

[2] 浙江省機械工程學(xué)會焊接分會. 焊接手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.

[3] KAYAMOTO T, KIM J H, SAITO H, et al. Brazing of Al-Mg alloy and Al-Mg-Si alloy with Al-Ge based filler metal[J]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 1994, 12(4): 495-501.

[4] CHANG S Y, TSAO L C, LI T Y, et al. Joining 6061 aluminum alloy with Al-Si-Cu filler metal[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 488(1): 174-180.

[5] 戴瑋, 薛松柏, 蔣士芹, 等. 6061鋁合金中溫釬焊接頭組織與性能[J]. 焊接學(xué)報, 2012, 33(6): 105-108.

[6] 虞覺奇, 陳明安, 高香山. 快速凝固Al-Si基釬料性能研究[J]. 焊接學(xué)報, 1994, 15(2): 67-74.

曹慧麗(1983-)，女，高級工程師，主要從事熱加工工藝研究工作。

StudyonTechnologyofVacuumBrazing6061AluminumwithAl-Si-Cu-MgFillerMetal

CAOHui-li，JINGui-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The melting point of 6061 aluminum is close to the melting point of the off-the-shelf Al-Si-Cu-Mg filler metal and the brazing technology is hard to control. To solve this problem, the research of vacuum brazing 6061 aluminum with Al-Si-Cu-Mg filler metal is carried out. The proper vacuum brazing parameters of 6061 aluminum are obtained through reasonable experimental design of brazing parameters. Fractography analysis and corrosion resistance test are conducted for brazing samples. It is found that Cu elements in brazed joint is diffused in the interfacial region under proper control of brazing parameters, just a thimbleful of Cu elements form the solidification structure with Al elements. The result of neutral-salt-mist test indicates that a thimbleful of solidification structure of Al-Cu in the brazing seam has little influence on the corrosion resistance capability.

vacuum brazing; Al-Si-Cu-Mg filler metal; Al-Cu solidification structure; 6061 aluminum

2016-08-18

TG454

A

1008-5300(2017)04-0052-03