6061铝合金真空钎焊工艺研究

胡琼

摘 要：为了提高铝合金结构件的生产效率，降低生产成本，针对试验件及航空电子设备机箱结构特点进行真空钎焊加工工艺研究，通过分析6061铝合金材料特性及钎焊性，确定母材6061铝合金真空钎焊工艺过程及真空钎焊工艺参数以及工件经钎焊后进行强化处理的工艺方法和工艺参数。铝合金的真空钎焊离不开钎焊料，钎焊料的选择是钎焊成功的关键因素之一，由于目前市场所能提供的钎焊料品种不多，根据目前市场常见的几种钎焊料，如纯钎料：箔材4004、4047，单面及双面复合钎料其基材为3003，压覆层为4004。通过对比试验确定钎焊6061母材的焊料为4004相对合适。

关键词：6061铝合金;真空钎焊;焊接工艺;4004钎焊料

中图分类号：TG425 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0080-02

0 引言

真空钎焊是在真空环境下，不需要使用钎剂，利用毛细作用将钎料填满于母材间隙之间的高质量焊接方式。其具有焊接变形小，外观质量高、结构简单、加工效率高、环保等优点[1]，广泛应用于航天、航空等行业，是航空电子系统机载设备铝合金机箱的常用加工方式。

上世纪70年代，国外已经开始研究铝合金的真空钎焊。现阶段，美、英、日已经处于高质量批量生产的阶段[2]，而我国真空钎焊起步晚，主要用于火箭发动机和航空发动机等不锈钢及高温合金的钎焊，随着航空电子设备轻量化需求，铝合金越来越多的用于机载设备机箱。6061鋁合金属于可热处理强化合金，具有较好的可成形性、可焊接性及可切削性能，耐腐蚀和中等强度，广泛应用于机载设备[3]。现阶段对机箱类产品主要采用线切割方式加工机箱腔体，该加工方式不但效率低而且还浪费材料，因此需要对6061铝合金真空钎焊加工工艺进行研究，改进机箱产品加工效率[4]。

1 6061铝合金焊接性能分析

铝合金6061属铝镁硅系合金，主要元素为Mg和Si，其强化相为Mg2Si。其化学成分如表1所示。

真空钎焊的焊接温度需低于母材的固相线温度，但又要高于钎料的液相线温度，该温度可以使母材不熔化的状态完成焊接，这样对母材的影响比较小，结构变形也相对较小。6061铝合金固相线温度为582～595℃，液相线温度635～652℃，理论上焊接温度不超过593℃，但为了防止母材过烧，要尽量降低焊接温度，因此需要选择合适的钎料进行6061铝合金真空钎焊。

2 真空钎焊工艺研究

2.1 焊料的选择

钎焊料的选择对零件焊接成败致关重要，钎焊料的选择有如下几个原则：

（1）尽量选择钎料的主成分与母材主成分一致的钎料。（2）钎料的液相线温度要低于母材固相线温度。（3）钎料的熔化区间，即该钎料的固相线与液相线之温度差要尽量小，否则将引起工艺上的困难。温度差过大还易引起熔析。（4）钎料中的某一重要组元能与母材产生液态互溶，从而能形成牢固的结合。（5）钎料的主要主成分与母材主成分在元素周期表中的位置尽量靠近，这样的钎料引起的电化学腐蚀较小，焊接接头的抗腐蚀性好。（6）钎料具有良好的成形加工性能，能加工成丝、棒、片、箔、粉等型材。

依据上述原则及市场的供应情况，牌号为4004的钎料适合于6061铝合金真空钎焊。该牌号的钎焊料其市场提供有0.1、0.15厚度两种及复合钎料，复合钎料选择434，该复合钎料其压覆层采用4004焊料，其基板采用了3003合金。4004钎料成分如表2所示。

2.2 焊接前工件的清洗

被钎焊的工件必须仔细去除表面的各种污物、油污、氧化层，否则不能获得良好的焊缝和较高的焊接强度。

清洗方式采用普通的碱、酸洗。

将工件放在5%的NaOH，温度在60℃左右的溶液中浸泡10-15s→将工件放入清水容器中清洗→将工件放入体积比为65%的硝酸溶液：水（2：8）的溶液中浸泡1-2分钟→将工件放入清水容器中清洗→放入60℃左右的清水中清洗→将工件放入100℃的烘箱中烘干→用干净的纸张包装好防止再次污染→24小时内进行钎焊。钎焊时焊接面用丙酮擦拭一遍。

2.3 焊接温度

根据6061铝合金和钎料焊接温度特性，同时为防止焊接过程温度变化过快导致母材变形，采用阶梯加热方式，分阶段加热至焊接温度。研究总结出以下二种可行的焊接温度工艺参数，焊接温度如表3所示。

2.4 真空钎焊后热处理工艺

6061-T6铝合金经过真空钎焊之后，其抗拉强度存在一定程度的减弱，减弱为母材的39%[5]，难以满足实际使用要求，因此需要进行热处理强化[6]，使其抗拉强度满足使用要求。

通过查阅相关资料，本文使用如下的热处理工艺：将试件进行加热2小时至525±5℃→保温1.5小时→将试件取出放入35℃-40℃的水中进行冷却至室温→将试件放入恒温试验箱进行人工时效（加温至170℃保温8小时，之后空气中冷却）。

3 试验件真空钎焊试验

根据上文所述的焊接工艺，设计钎焊试验选出最佳钎料、清洗方法以及温度曲线。钎焊试验采用如图1所示的标准试验件。采用不同的钎焊工艺对其进行钎焊，每一次试验焊接三块试验件，焊接结束后测试其抗拉强度。

试验件真空钎焊试验结果如表4所示，其中钎料1为厚度为0.1mm的4004钎料，钎料2为厚度0.15mm的4004钎料，钎料3为434复合钎料。

通过试验结果可以看出试验4所使用的钎料与温度曲线焊接的焊缝抗拉强度最大，平均抗拉强度为126MPa。因此，对6061铝合金可采用4004钎料，使用加热参数2进行真空钎焊。

对试验4所采用的钎焊工艺焊接得到的试验件进行热处理强化，三个试验件焊缝的抗拉强度分别为209MPa、202MPa、205MPa，平均抗拉强度为205.3MPa，能达到母材抗拉强度的70%左右（6061-T6抗拉强度为295MPa），能满足实际使用要求。

4 机箱真空钎焊试验

根据试验分析得到的焊接工艺对如图2所示的长方体机箱进行真空钎焊试验。对焊件表面进行碱、酸清洗，使用4004复合钎料和温度参数2对该机箱进行真空钎焊，焊接完成进行热处理强化。焊接完成后，检查其能否满足设计要求，对焊缝质量进行检查，及机箱外形尺寸进行测量。

真空钎焊及热处理强化完成后，焊缝渗透检验结果如图3所示，从图中可以看出焊接所得到的4条焊缝均无渗透现场，满足设计要求。

机箱外形尺寸测量结果如表5所示，可以看出真空钎焊后及热处理之后机箱的外形尺寸满足设计要求无超差发生。

5 结语

综上所述，通过采用4004纯钎料及温度参数2的工艺，6061铝合金真空钎焊后焊缝抗拉强度达到126MPa，热处理强化后焊缝的抗拉强度达到母材的70%左右，能满足航空电子设备机箱的强度使用要求，同时采用该真空钎焊工艺焊接得到的机箱，其焊缝质量与尺寸均能满足机箱使用要求。

参考文献

[1] 高亮，王广海.铝合金真空钎焊技术的发展[J].科技创新与应用，2016（14）：166.

[2] 赵麟.铝及铝合金的真空钎焊技术[J].山东纺织工学院学报，1989，4（4）：66-74.

[3] 郑欣，王广海，陈建，等.6061铝合金真空钎焊技术的发展[J].轻合金加工技术，2014（1）：8-12.

[4] 王飚，李卫民.浅论铝合金真空钎焊机箱的应用和加工[J].航空电子技术，2014，45（2）：51-55.

[5] 张洪.6061和6063铝合金真空钎焊后热处理强化工艺[J].内燃机与配件，2018（54）：107-108.

[6] 张德芬，谭盖，刘璐，等.热处理对6061铝合金组织与性能的影响[J].金属热处理，2015，40（11）：184-187.