提升厚板類鋁合金真空釬焊焊接接頭致密性

張紅娟 王朝 王婷 李林 劉超

摘 要：本文對提升厚板類鋁合金真空釬焊焊接接頭致密性的方法進行了研究總結。通過研究焊接表面紋路的方向和深度、工裝夾具夾緊點和夾緊力及焊件放置方式、焊件中心位置受熱均勻化三個方面，得出以下結論：焊接表面紋路越短、釬料流動越好，厚度為100μm的焊料，紋路深度為30～50μm時焊接質量最好;厚度為10～20mm的焊件，工裝夾具夾緊點選取間隔3～5cm，夾緊力0.6～0.8N·m，焊件焊接面水平放置時，釬焊過程中焊件變形小，焊接質量高;焊件中心位置鉆孔能有效改善厚板零件釬料難熔化、焊接質量差的問題。采用控制焊接表面紋路長度和深度、調整工裝夾具夾緊點和夾緊力、選擇合適放置方式、對焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭抗拉強度提升一倍。

關鍵詞：厚板類鋁合金;真空釬焊;接頭;致密性

Abstract：In this paper，the methods to improve the compactness of vacuum brazed joints of thick aluminum alloy were studied and summarized.By studying the direction and depth of welding surface texture，clamping force and placement mode of fixture，and heating uniformity of weldment center position.The conclusion is as follows：The shorter the weld surface texture，the better the solder flow.When the thickness of solder is 100μm，the weld quality is the best when the groove depth is 30～50μm.For the weldments with the thickness of 10mm～20mm，the interval of clamping points of fixture is 3～5cm，and the clamping force is 0.6～0.8N·m.When the welding surface of the weldmentis placed horizontally，the deformation of the weldment is the smallest and the welding quality is the highest.Drilling in center of the weldment can effectively improve the problems of difficult melting and poor welding quality of thick plate parts.The tensile strength of welded joint can be doubled by controlling the length and depth of weld surface lines，adjusting the clamping force of fixture，selecting proper placementmethod and drilling holes in the center of weldment.

Key words：Aluminum alloy of thick plate;Vacuumbrazing;Joints;Compactness

鋁合金密度小、導熱、導電性能好，鋁合金的真空釬焊在電子設備的散熱結構中得到廣泛應用。隨著電子設備的發展，電子設備各項功能高度集成，隨之對電子設備的散熱性能要求越來越高。國內電子設備散熱結構由最初的風冷發展為液冷，隨著散熱要求的進一步提升，電子設備中散熱結構壁厚越來越薄，通液壓力越來越高，這就要求經過真空釬焊后散熱殼體的焊接接頭在抗拉強度方面滿足更高的性能要求。本文從焊接表面紋路方向和深度選擇、工裝夾具夾緊力控制及焊件放置方式選擇、焊接受熱均勻化三方面進行研究改進，從而有效提升厚板鋁合金真空釬焊焊接接頭的致密性。

1 焊接表面紋路方向和深度的選擇

焊件在進行真空釬焊時，熔化后的釬料在毛細作用下與母材發生擴散、潤濕、鋪展從而形成擴散層，最終經冷卻凝固為焊接接頭。為確保焊接接頭的質量，焊件在裝配、裝夾前采用打磨的方式對焊接表面的油污和氧化膜進行清除，從而使焊件與釬料之間保持較好的潤濕性。經過打磨后的焊件會在焊接表面處產生紋路，真空釬焊過程中液態釬料在毛細作用下會順著紋路方向大面積鋪展，經過多次實驗和觀察證實該現象具有普遍性。

在對焊件表面進行打磨時，通過觀察并分析其結構特征發現，液態釬料的流動遵循紋路最短原則。在實踐中通過反復改進打磨方式，優化打磨工藝參數，檢測焊接質量，最終確定厚度為100μm的釬料打磨工藝參數。當焊接面打磨紋路深度控制在30～50μm之間時，真空釬焊過程中，釬料熔化后沿紋路方向流動最快，有助于將母材焊接面及釬料熔化時產生的氣體和雜質排出，從而得到優質的焊接接頭。

2 工裝夾具夾緊力及焊件放置方式的選擇

真空釬焊的零部件在機械加工生產和周轉放置過程中，難免會產生整體或局部變形。這些變形會導致焊接面之間的間隙過大、釬料熔化后填充不充分以及焊接后出現氣孔、虛焊等現象，大大降低了焊接接頭的致密性。為消除零件變形，真空釬焊過程中采用工裝夾具或配重塊使母材的焊接面與釬料緊密貼合來消除。工裝夾具或配重塊在真空釬焊過程中使焊接表面產生受力現象，母材焊接面與釬料的間隙愈窄，液態釬料在釬縫中的毛細作用愈強，高溫下母材與釬料之間組元的相互擴散、物理化學反應也愈加強烈，從而形成高致密性的焊接接頭。經過反復試驗，通過調整夾緊力、夾緊點間距、焊接放置方式可以明顯提高焊接接頭的致密性。

2.1 夾緊力的選擇

鋁合金零件在真空釬焊過程中硬度很低，因此夾緊力的選擇應保證真空釬焊過程中不夾傷焊件表面。經過反復實踐，夾緊力的選擇應遵循：①最小夾緊力應保證母材與釬料緊密貼合;②最大夾緊力應保證真空釬焊過程中不能夾傷焊接表面及損壞夾具的抗扭轉性能;③裝配過程中采用力矩扳手或力矩螺絲刀，保證焊件同一平面內的夾緊力大小一致，一般厚度為10～20mm的焊件，夾緊力矩選擇0.6～0.8N·m。④焊件厚度增加時，可適當提升夾緊力，焊接厚度較小時，可適當減小夾緊力。

2.2 夾緊點間距的選擇

為保證焊接質量及控制焊接變形，焊件夾緊點之間的間隔距離應分布均勻，一般厚度為10～20mm的焊件，夾具點間隔選取3～5cm，當焊件厚度越大時，可適當增大夾緊點的距離，但始終要考慮真空釬焊過程中焊件整體受熱均勻，且不可限制焊件水平方向的熱膨脹、冷收縮，否則在真空釬焊時會產生巨大的內應力，使焊件產生較大變形或撕裂焊接面等現象。

2.3 焊接放置方式

由于焊件在真空釬焊過程中硬度很低，焊件本身的重量在真空釬焊過程中不可忽視，故焊件在真空釬焊爐中的放置方式對焊接質量有明顯影響。厚板類鋁合金真空釬焊時，應將焊件的焊接面水平且平穩放置，不可懸空焊接面，焊件及釬料在重力作用下毛細流動比較均勻，有利于釬料均勻致密的填充焊縫，提升焊接接頭的致密性。

3 焊接面受熱均勻化的研究

體積較大、厚板類鋁合金零件在真空釬焊時最難的問題是焊件中心位置釬料難熔化、焊接質量差。由于零件厚度大，焊件表面與焊件中心位置溫差遠超過釬料固相線和液相線的溫度差，導致釬料熔化不充分，嚴重影響焊接質量。為了縮小焊件各部位溫差，使焊件整體受熱均勻、焊件內部導熱均勻，經過反復試驗，通過在焊件中心及其周圍位置鉆孔來減小焊件吸熱，能有效改善焊件中心位置釬料難熔化、焊接質量差的問題。采用在中心位置及周圍增加孔使內部受熱均勻的方法，需要注意鉆孔位置應選在釬焊后精加工去除部位，鉆孔的大小、深度根據精加工去除部位大小來選擇，且孔的分布要均勻。具體試驗過程中，采用熱電偶監測焊件中心位置的溫度，確保升溫、保溫參數能使焊件中心位置溫度完全達到釬料的液相線，從而使釬料完全熔化、順暢流動，提升焊件中心位置的焊接質量。

4 焊接接頭強度試驗驗證

為了驗證通過調整焊接表面紋路方向和深度、控制工裝夾具夾緊力及選擇合適放置方式、改進焊接面受熱均勻性三方面對提升焊接接頭致密性的效果，制作了4mm厚鋁合金接頭樣件進行試驗，接頭形狀如圖所示，接頭編號依次為12-126-1、12-126-2、12-127-1及12-127-2。

這四組樣件真空釬焊前工藝流程完全相同，并且四組樣件在相同的環境下完成了裝配，其中12-126-1與12-126-2兩組樣件在釬焊時采用以上三個方面的操作方法，其余兩組不做處理，按常規工藝進行焊接。將焊接好的四組工件進行抗拉強度試驗，試驗結果如表所示。

從表中可以發現，通過采用控制焊接面紋路長度和深度、控制工裝夾具夾緊點和夾緊力、選擇合適放置方式、對焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭未淬火時抗拉強度達到92Mpa，較改進前，接頭抗拉強度提升了一倍，焊接接頭的致密性得到顯著提升。

5 結論

（1）真空釬焊前對焊料進打磨時，控制焊接表面紋路方向和深度，可以使釬焊時焊接面產生的氣體和雜質排出，母材與釬料貼合緊密，有效提升焊接質量。

（2）通過調整工裝夾具位置及夾緊力并選擇合適的放置方式，可以使焊件在真空釬焊過程中受力均衡，有效減小焊接變形，提升焊接質量。

（3）焊件中心位置及周圍鉆孔能有效改善厚板零件釬料難熔化、焊接質量差的問題。

（4）采用控制焊接面紋路長度和深度、控制工裝夾具夾緊點和夾緊力、選擇合適放置方式、對焊件中心位置鉆孔的方法，可以使真空釬焊后焊接接頭抗拉強度提升一倍。

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作者簡介：張紅娟（1985— ），女，河北邢臺人，本科，工程師，研究方向：機械加工工藝。