铝合金6061、3A21材料交替真空钎焊工艺方法探究
乔平 王朝 罗锡 王戎 王婷
摘?要：本文从3A21材料铝合金真空钎焊机箱缺陷分析入手，通过分析真空钎焊机制、6061和3A21材料特点、钎焊特点、工艺过程等方面，结合生产经验，优化了真空钎焊工艺过程，解决了铝合金机箱焊缝开裂问题，为后续生产提供依据。
关键词：铝合金;真空钎焊;内部缺陷
1 绪论
随着航电系统的发展，对机载电子设备的要求越来越高，要求机载电子设备机箱的结构复杂紧凑，导电导热能力强，热传导效率高，能适应复杂电磁状况、高温湿热等环境条件。在这种要求下，铝合金真空钎焊机箱及模块得到了广泛的应用。铝合金机箱真空钎焊后，焊接精度高，对于精密焊件可以加工較少的余量，达到产品的精密要求[1]。
2 6061、3A21材料交替真空钎焊问题
由于生产资源有限，在实际生产中同一个真空钎焊炉会焊接不同材料的箱体。当一个真空钎焊炉连续焊接6061材料，再用该真空钎焊炉焊接3A21材料，发现3A21材料一次性焊接成功率只有75%，未焊接成功的箱体出现了不同程度的焊缝开裂，如图1所示。
在箱体精加工后，箱体焊缝处发现焊缝开裂，这些缺陷基本存在于钎缝内部，经机械加工后会暴露在钎缝表面。这些钎焊缺陷的存在会降低箱体的气密性、水密性和接头强度。缺陷产生的原因有很多，可能是钎焊件表面清洗不到位，钎焊接头间隙不合适，钎料与母材的熔化温度不匹配，钎焊过程中母材或钎料析出气体等等。
3 6061、3A21材料特点
3A21材料是Al-Mn系铝合金，属于热处理不可强化的铝合金，不能通过淬火时效使其强化。3A21材料的塑性及压力加工性能佳，抗腐蚀性能强，焊接性能良好[2]。3A21材料化学成分见表1。
6061材料是Al-Mg-Si-Cu系铝合金，属于热处理可强化的铝合金，6061材料具有中等强度，良好的塑性、可焊性和抗蚀性，热状态下有高的塑性，易于锻造，材料可通过淬火时效强化。6061材料化学成分见表2。
6061材料与3A21材料在成分组成上差异不大，在元素含量上3A21材料含Mn元素较多，6061材料含Cu、Mg、Si元素较多。
4 6061、3A21材料的真空钎焊
6061材料和3A21材料真空钎焊的工艺流程相同，首先进行试装，试装无问题后进行拆分，随后将各组成零件进行碱洗、酸洗等过程。清洗完成后重新组装各零件，在组装过程中同时装配焊料。箱体组装完成后入炉进行真空钎焊。真空钎焊的过程图如下。
3A21材料真空钎焊使用的钎料为4004，钎料的化学成分见表3。6061材料使用的钎料与3A21材料的钎料不同。6061材料使用的钎料的固液相线温度较低，选用成分为AlSiCuMg的钎料。
真空钎焊的焊接温度与钎料、母材的固液相温度有关，温度选取高于钎料固液相线温度30—100℃，同时温度需低于母材的固液相线。在实际生产中3A21材料真空钎焊的温度约为610℃，6061材料真空钎焊的温度约为590℃，两种材料的真空钎焊温度相差20℃。按通用真空钎焊工艺流程加工完成后，3A21材料机箱与6061材料机箱均无外部缺陷，焊接接缝表面良好，钎角大小合适，过渡圆滑。
5 精加工后钎缝原因分析
两种材料机箱真空钎焊的工艺流程相同，真空钎焊温度不同，钎料不同。两种钎料元素含量差异最大的是Mg，6061材料使用的AlSiCuMg中Mg含量远远大于4004钎料中Mg含量。真空加热时合金中元素存在挥发现象，随着温度升高，元素的饱和蒸气压升高，当元素的饱和蒸气压大于真空室内气体压力时，金属元素开始强烈挥发。金属元素的挥发对真空炉造成严重污染。先焊接6061材料机箱，接着焊接3A21材料机箱，两种材料机箱使用同一个真空钎焊炉。当焊接3A21材料机箱时，由于温度高于6061机箱焊接温度，附着在真空钎焊炉种的Mg元素，随着温度的上升开始挥发。Mg作为铝合金的活化剂，对铝合金表面氧化膜进行还原和破坏作用，加速机箱外围钎料的流动。由于钎缝间隙内部的金属表面不可能绝对平齐，清洁度也有所差异，加上液态钎料通铝合金表面的物理化学作用等因素的影响，钎料在填缝时以不均匀的速度向前推进。钎缝外围的温度往往比间隙内的温度高，在这种情况下液态钎料会加速流动。当外围钎料的流动速度大于内部钎料的流动速度，就会形成包围现象，导致真空钎焊的内部缺陷。在焊接过程中，母材和钎料在这个过程中会析出气体，这些气体在钎料凝固前来不及全部排除钎缝，会加强包围现象的形成[3]。包围缺陷形成过程示意图如图3。
真空钎焊后从箱体外观上并不能发现包围缺陷，包围缺陷属于焊接内部缺陷，经过精加工后会显现出来。
通过以上分析可以得出一个猜测，导致箱体精加工后焊缝处开裂的原因是存在包围缺陷。作出如下假设：在真空加热时，母材及钎料中的合金元素挥发，随着真空度的降低、温度的升高，Mg元素会加速挥发，使真空炉造成污染。先进行6061材料真空钎焊，在真空钎焊过程中，Mg元素会挥发并附着在真空炉内。随后进行3A21材料真空钎焊，由于3A21材料的真空钎焊温度高于6061材料的温度，当温度达到610℃，附着在真空钎焊炉内的Mg元素会再次挥发，挥发的Mg元素会加速钎缝外围钎料的流动速度，使钎缝外围流动的速度大于其间隙内部的填缝速度，结果造成了钎料对钎缝内部的气体的包围现象。
6 真空钎焊工艺优化
此缺陷发生在6061材料、3A21材料机箱交替焊接时，两种材料使用同一真空钎焊炉，先进行6061材料真空钎焊，随后进行3A21材料机箱真空钎焊。对现有工艺流程进行优化，在进行3A21材料真空钎焊前，先进行预处理。预处理为设计真空炉空烧加热程序，设置较高的温度，该温度大于3A21材料钎焊温度，使附着在真空钎焊炉中的Mg元素挥发，并被抽出真空炉。预处理加热曲线图如图4。
增加预处理后，3A21材料一次性焊接成功率由原来的75%提高到99%以上，节省了接头开裂需补焊所产生的费用，保证了该材料的箱体钎焊环节提前或按节点完成。
7 结语
本文以某型铝合金机箱真空钎焊钎缝开裂为例，从3A21材料、6061材料的特点，真空钎焊过程进行分析，设计了预处理程序，提高了3A21材料铝合金机箱的生产效率，提升了质量稳定性。对6061材料、3A21材料铝合金机箱的焊接具有一定的参考意义。
参考文献：
[1]王飚，李卫民.浅谈铝合金真空钎焊机箱的应用与加工[J].航空电子技术，2014，156（6）：51-54.
[2]黄伯云，李成功，石力开，等.有色金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.
[3]张学军.航空钎焊技术[M].北京：航空工业出版社，2008.
作者简介：乔平（1987—?），男，汉族，陕西咸阳人，本科，工程师，研究方向：机加工艺、真空钎焊。
