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1  、研究背景

 

真空釬焊采用比母材熔點(diǎn)低的合金材料作為釬料，將母材和釬料用夾具夾持在一起，在真空爐內(nèi)加熱使釬料熔化為液態(tài)，液態(tài)釬料在母材的間隙或表面上潤(rùn)濕，并在毛細(xì)力作用下流動(dòng)、填充、鋪展，并與母材相互作用（溶解、擴(kuò)散或產(chǎn)生金屬間化合物），達(dá)到焊接冶金結(jié)合。

 

100件鋁合金天線組合發(fā)現(xiàn)21件天線組合存在釬料流出堆積現(xiàn)象，天線組合由5層3A21-H112原材料板釬焊而成，由于釬料鋪展程度不同，部分天線釬料堆積在焊趾并沿板材表面鋪展導(dǎo)致天線有效表面積不足，影響電磁波反射信號(hào)從而失效。

 

本研究對(duì)天線和原材料板材表面粗糙度、晶粒組織、析出相、焊縫組織、維氏硬度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)行熱處理對(duì)比試驗(yàn)，分析影響真空釬焊質(zhì)量的多個(gè)因素，確認(rèn)釬料在板材表面鋪展程度不同的主要因素之一為表面粗糙度，失效件原材料存在晶粒較大、硬度較低的情況，后期通過(guò)嚴(yán)格控制板材熱處理溫度在再結(jié)晶溫度以下以及板材晶粒尺寸，此類(lèi)失效沒(méi)有再次發(fā)生。

 

2 、 主要研究工作

天線材料為3A21鋁合金板材，釬料為0.15mm厚的Al-10.5Si-1.5Mg鋁鎂硅釬料。熱處理實(shí)驗(yàn)選用同批次的12mm厚3A21-H112鋁合金軋制板，用于研究熱處理溫度對(duì)板材晶粒度的影響。

 

1）釬料鋪展情況

失效件各板的釬料向其中一板鋪展嚴(yán)重；釬料鋪展區(qū)的網(wǎng)狀分布的析出相Si元素含量很高，表明釬料在釬焊過(guò)程中熔化流出并形成富Si的金屬間化合物凝固在板材表面；失效天線軋制面可見(jiàn)兩板的釬料向其中一板鋪展嚴(yán)重；失效天線垂直于軋制面為線切割后的截面，試樣經(jīng)磨拋后可觀察到焊縫與基體交界的兩側(cè)分布有白亮的顆粒狀析出相，白亮相分布和釬料鋪展方向與宏觀觀察方向一致，能譜分析結(jié)果表明白亮相的Si、Fe、Mn元素更高。失效件側(cè)面的釬料鋪展情況程度大于正常件。

 

2）原材料表面質(zhì)量對(duì)比

 

正常件同批次原材料板和失效件同批次原材料板為堿洗后的表面、側(cè)面和軋制面的表面形貌見(jiàn)圖1，正常件同批次原材料板和失效件同批次原材料板的粗糙度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表面質(zhì)量上看，失效天線同批次的原材料板粗糙度較大。

                  

(a)正常件同批次原材料板的軋制面形貌    (b)正常件同批次原材料板的側(cè)面表面形貌

                  

(c)失效件同批次原材料板的軋制面形貌   (d)失效件同批次原材料板的側(cè)面形貌

圖1 原材料板表面形貌

 

表2 試樣粗糙度檢測(cè)結(jié)果

Sample	Surface	Ra/μm			Ra-Average/μm
正常件同批次原材料板	軋制面	1.439	1.344	1.336	1.373
	側(cè)面	2.13	1.875	3.001	2.335
失效件同批次原材料板	軋制面	2.965	3.147	3.06	3.057
	側(cè)面	4.231	4.046	4.216	4.165

 

3）晶粒組織檢測(cè)

   失效件同批次原材料板的晶粒尺寸明顯大于正常件同批次原材料板，見(jiàn)圖2。

                         

(a)正常件同批次原材料板的軋制面的晶粒形貌   (b)正常件同批次原材料板的側(cè)面的晶粒形貌

                          

(c)失效件同批次原材料板的軋制面的晶粒形貌   (d) 失效件同批次原材料板的側(cè)面的晶粒形貌

圖2  原材料板晶粒組織

4）熱處理實(shí)驗(yàn)

12mm厚3A21-H112鋁合金軋制板組織為纖維組織，織構(gòu)明顯，晶粒為條狀；450℃以下的熱處理對(duì)軋制組織影響不明顯，織構(gòu)未發(fā)生明顯變化；450℃的熱處理對(duì)軋制組織影響較大，組織發(fā)生再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長(zhǎng)大（圖3）。

(a)Sample 12

          (b)Sample 35          

(c)Sample 45

(d)Sample 50

   (e)Sample 55    

(f)Sample 68

圖3  3A21-H112鋁合金軋制板在不同熱處理?xiàng)l件下晶粒組織

5）硬度檢測(cè)

對(duì)正常件和失效件同批次原材料板的軋制面和側(cè)面的硬度進(jìn)行檢測(cè)，失效件同批次原材料板的硬度明顯偏低，見(jiàn)表2。

 

表2  正常件和失效件同批次原材料板的軋制面和側(cè)面的硬度檢測(cè)結(jié)果（Hv0.05） 

Position	1	2	3	Average
正常件-軋制面	44.6	44.9	45.1	44.9
正常件-側(cè)面	44.9	44.7	44.5	44.7
失效件-軋制面	37.8	37.5	38	37.8
失效件-側(cè)面	37.3	37.5	37.7	37.5

 

3  、分析與討論

在本文中，影響真空釬焊質(zhì)量的可能因素有：

 

1）釬料與母材的適用性

 

根據(jù)A1-Si-Mg三元相圖可知，釬料中主要由ɑ(A1) 相和Si相的共晶體組成，一般真空釬焊鋁合金主要采用Al-Si系釬料，但該釬料也有熔點(diǎn)較高的缺點(diǎn)，釬焊溫度接近母材熔點(diǎn)，易使母材發(fā)生晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象，熱處理實(shí)驗(yàn)也表明，450℃的熱處理對(duì)軋制組織影響較大，組織發(fā)生了再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長(zhǎng)大，此外，晶粒尺寸較大的板材其硬度較低，說(shuō)明該釬料的熔點(diǎn)和釬焊溫度對(duì)于3A21母材相對(duì)偏高，焊接溫度會(huì)對(duì)母材性能造成一定的影響。為降低Al-Si系釬料的熔點(diǎn)，合金化為主要方法之一。研究表明，Ge、In、Yb、Cu等元素可以降低釬料的熔點(diǎn)，稀土元素的加人能提高Al-Si基釬料的潤(rùn)濕性，改善焊接質(zhì)量，但考慮到材料成本，目前主要采用加入一定含量的Cu元素以達(dá)到降低釬料熔點(diǎn)的目的。

 

2）釬焊工藝

 

真空釬焊時(shí)如果工藝控制不當(dāng)（釬焊溫度過(guò)高或升降溫速率過(guò)快），釬料中的Si等合金元素易在釬焊過(guò)程中形成金屬間化合物（表2的能譜分析結(jié)果說(shuō)明這一點(diǎn)）以及合金元素的偏聚，從而降低焊接接頭的性能。此外，釬焊溫度過(guò)高，釬料熔化過(guò)于充分，易造成釬料流失，并可能會(huì)導(dǎo)致釬料氧化，由于釬焊溫度控制不當(dāng)?shù)墓收蠒r(shí)有發(fā)生。

 

3）板材表面狀態(tài)

 

表面粗糙度對(duì)釬焊過(guò)程界面元素的擴(kuò)散和釬料的潤(rùn)濕鋪展有著重要影響，一定的表面粗糙度對(duì)熔化的釬料有著毛細(xì)作用，母材表面太光滑將會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)作用變差，釬料難以在整個(gè)焊縫中鋪展，由此產(chǎn)生的縫隙會(huì)使接頭強(qiáng)度降低。為了保證釬料充分鋪展，焊件釬焊面應(yīng)予以粗化。有研究表明，表面粗糙度Ra為0.7~2.0µm為宜，但這并非是對(duì)所有母材一釬料組合的最佳值，必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。在本試驗(yàn)中，正常件和失效件同批次原材料板為堿洗后的表面，具有一定的粗糙度，但粗糙度差別較大，粗糙度較大失效件同批次原材料板的同批板材由于釬料鋪展的過(guò)于充分導(dǎo)致釬料流出，故正常件同批次原材料板的粗糙度更為適用，建議控制板材的堿洗工藝和表面粗糙度。

 

此外，正常件和失效件同批次原材料板熱處理后的晶粒尺寸存在明顯差異，這可能是由于熱處理工藝未控制好或者板材熱處理前的晶粒尺寸差異較大造成的，建議嚴(yán)格控制原材料軋制板的熱處理工藝并控制原材料的質(zhì)量和驗(yàn)收過(guò)程。后期通過(guò)嚴(yán)格控制板材熱處理溫度在再結(jié)晶溫度以下以及板材晶粒尺寸，此類(lèi)失效沒(méi)有再次發(fā)生。

 

4 、結(jié)論

1）Al-Si系釬料釬焊溫度接近3A21母材熔點(diǎn)，易使母材發(fā)生晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象，可通過(guò)加入一定含量的Cu元素以達(dá)到降低釬料熔點(diǎn)的目的。

 

2）450℃的熱處理對(duì)軋制組織影響較，組織發(fā)生再結(jié)晶，條狀晶粒向等軸晶粒演變；500℃及以上的熱處理隨著熱處理溫度的提高，晶粒不斷長(zhǎng)大。

 

3）失效件原材料板和正常件原材料板的粗糙度存在一定差別，是影響釬料鋪展的主要原因之一。

 

4）與正常件原材料板相比，失效件原材料板存在晶粒較大、硬度較低的情況，通過(guò)嚴(yán)格控制板材熱處理溫度在再結(jié)晶溫度以下以及板材晶粒尺寸，此類(lèi)失效沒(méi)有再次發(fā)生。

通訊作者：

鄭真，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，工程師，主要從事物理冶金及失效分析等方面的研究。

引用文章：

劉麗玉,高翔宇,孔煥平,等. 鋁合金天線釬料鋪展程度及釬焊工藝控制研究[J]. 失效分析與預(yù)防,2020,15(4):260-265.