国产6061真空钎焊及气淬工艺研究

现代焊接ModernWelding 现代焊接 2008年第4期 总第64期 J-23 作者简介：田慧（1956-），女，高工。就职于中国航空一 集团西安631所，主要从事机械加工艺工作。 中国航空一集团西安631所 田 慧 国产6061真空钎焊及气淬工艺研究 ［摘要］ ［关键词］ 通过研究，确定适合国产6061铝合金真空钎焊的焊料及焊接温度，制定国产6061铝合金真空钎焊工艺参 数以及热处理工艺参数，进行了国产6061真空钎焊机械性能检测。结果证明，国产6061真空钎焊、热处理性能符合 高产 品的机械强度、材料硬度等性能的同时，降低原材料成本近60％，使国产6061铝合金钎焊产品更具有市场竞争力。 6061铝合金；真空钎焊；焊料；焊接温度；真空气淬 各 项技术指标要求，其真空钎焊、热处理工艺可在工程中应用。通过研究拓宽了铝合金真空钎焊技术领域，并在提 1 概 述 2 研究目的和意义 3 国产6061铝材情况 铝合金真空钎焊是采用钎焊温度 高于钎料液相线而低于母材固相线的 一种焊接技术。钎焊时，钎料溶化为 液态而母材保持为固态。液态钎料在 母材的间隙中或 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面上润湿、毛细流 动、填充、铺展、与母材相互作用， 冷却凝固形成牢固的接头，从而将母 材连接在一起。 6061铝材具有切削性能优良、耐 腐蚀、强度中等、可热处理强化等特 点，其真空钎焊技术在国内应用也较 少，通过本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究，进一步拓宽了 铝合金真空钎焊技术领域，并在提高 钎焊产品的机械强度、材料硬度等性 能的同时，降低原材料成本近60％， 使产品更具市场竞争力。 由于国产铝材生产工艺等原因， 合金成分含量与进口6061铝材存在差 异。现以东北铝厂20mm厚6061铝板 与进口6061进行化学成分对比见表1。 国产6061铝材中：Cr、Ti、Zn、Fe、 Cu、Mg等成分含量在规定范围内。但 Mn（0.58）和Si（1.06）的实际含量， 超出了UNSA96061中Mn≤0.15和Si为 0.4~0.8的规定含量。合金含量的差异 将影响到6061材料的固相线温度和钎 料的成分组成。 MIL-B-7883《钢、铜、铜合金、 镍合金、铝及铝合金的钎焊》； MIL-H-6088《铝合金的热处理》； QQ-A-250/11《6061铝合金薄板 及厚板》； GB2651-1989《焊接接头拉伸试 验方法》。 依据艾方提供的A版产品图纸， 4 有关标准及主要技术指标 4.1 有关标准 4.2 主要技术指标 材料应达到6061-T4状态。本课题分 别选用国产6061铝合金材料和产品作 为试件，经真空钎焊、气淬、时效后 应达到： （表2） 超声波C型扫描检测，焊接面钎 透率应大于80%。 焊缝外观检测应光滑，且100％焊 透。不允许有未溶化、过烧及裂纹等 缺陷。 某产品震动和冲击试验报告。 国产6061含量超标对钎 焊有无影响； 寻找一种适合国产6061 4.2.1 机械性能指标 4.2.2 钎焊质量检查 4.2.3 技术报告 5 主要研究内容 5.1 材料。 5.2 焊料。 技术条件：美国铝协会UNSA960616061铝合金成分 GB/T3190-1996 变形铝及铝合金化学成分 6061铝材化学成分含量（%） Cr 0.04～0.35 0.17 0.21 Ti ≤0.15 0.02 0.04 Zn ≤0.25 0.013 0.06 Mn ≤0.15 0.06 0.58 Si 0.04~0.8 0.58 1.06 Fe ≤0.7 0.55 0.23 Cu 0.15~0.4 0.2 0.36 Mg 0.8~1.2 0.88 1.01 规定标准 实测 进口 国产 表1 国产6061与进口6061成分对比 表2 机械性能指标 拉伸强度指标 洛氏硬度指标 σ≥205MPa（基材） HR15T≥ 64（基材） b Study of vacuum brazing and gas quenching of 6061 produced at home MODERN WELDING TECHNOLOGY 现代焊接 ModernWelding J- 2008年第4期 总第64期24现代焊接 铝材的焊料及AlSi Mg焊料能否用 于国产6061焊接； 制定国产6061铝材真 空钎焊工艺参数； 制定国产6061铝材 的气淬工艺及参数； 系统的进行国产6061 真空钎焊机械性能检测。 由于国产6061合金成分的差异， 材料的固相线温度和焊料的成分组成 会受到影响。而焊料的组成与钎焊温 度搭配不当将会使基材产生熔析或熔 蚀，且经气淬后可能产生焊缝开裂， 直接影响到焊接质量。所以国产6061 真空钎焊技术的关键： 6.1寻找和确定满足质量要求的焊料； 6.2钎焊温度的确定； 6.3钎焊及气淬变形或开裂的控制。 通过调研发现：如要对国产6061 合金含量进行生产改进，使其合金成 分达到进口6061铝材含量标准，所需 投入的改造费用很大，工艺上难以实 现。要保证国产6061铝材的真空钎焊, 只有对现合金含量的国产6061铝材进 行工艺研究，才是解决国产6061焊接 工艺的唯一途径。 防锈铝LF21的Mn含量为1.2%（见 表3），其真空钎焊性能优良。说明Mn -11.5 -1.5 5.3 钎焊工艺。 5.4 热处理工艺。 5.5 性能检测。 7.1 材料的调研情况 7.2国产6061含量超标对钎焊的影响 分析 6 技术关键 7 研制过程及工艺措施 7.2.1Mn含量超标的影响分析 含量偏高，并未对焊接性能产生影响。 防锈铝基材（LF21）真空钎焊所 用焊料AlSi Mg中，Si含量在11.5% 左右，明显高于6061铝材0.04~0.08的 规定含量，但钎焊性能仍然良好，因 此说明国产6061中Si含量不会对真空 钎焊性能产生较大的影响。 在与厂家合作试生产中发现，如 果在现有AlSi Mg 焊料中加入合金 Cu，钎焊温度可降至560 ~570℃， 增大了液相线与基材固相线582℃的波 动范围，提高了钎焊的工艺性能，且 钎焊面剥离强度较好。但此种焊料生 产加工困难，焊料不容易成形，不适 合产品所需的厚度仅为0.1mm泊状焊料 的要求，无法将此种焊料应用到生产 中。 另外一种钎焊温度较低的AlSi Mg 焊料，通过钎焊试验发现，虽焊 接温度较低，但熔点不稳定，工艺上 难操作，无法保证产品的焊接质量。 根据目前焊料生产厂及用户使用 情况，真空钎焊工艺中，比较成熟而 广泛使用的钎焊焊料为AlSiMg系列中 AlSi Mg焊料。 7.2.2 Si含量超标的影响分析 7.3.1 AlSiMg焊料改进研究 7.3.2 低温焊料试验 7.3.3 焊料及焊接温度的确定 -11.5 -1.5 -1.06 -11.5 -1.5 -12.5 -1.5 -11.5 -1.5 7.3 焊料及焊接温度的研究 ℃ 我们将AlSiMg焊料与国产6061 试件搭配，分别按钎焊温度578 、 580 、582℃进行真空钎焊试验，从 焊后试件外观、焊料熔化、有无熔析、 熔蚀情况以及有无过烧金相分析得出： 582℃为AlSiMg焊料的最佳焊接温 度（见图1）。虽然此温度已接近6061 的固相线，须对钎焊真空度、炉温均 匀性等工艺条件进行严格的控制，但 此种焊料可用于国产6061铝材的真空 钎焊焊接。 我们按照美标ANSI/AWSC3.7~93 《铝合金钎焊工艺规范中》5.4.1，“如 进入基体的金属晶粒超过0.15mm（0.006 in）则判定焊接性能为不合格”的规 定，对6061材料成分的差异及其焊接 质量的影响，进行了真空钎焊接头镁 /硅扩散到基体金属的金相检查，结 果为合格。 因6061的钎焊温度与基材固相线 温度较接近，钎焊的工艺性有较高要 求，在选择合适焊料、合适的钎焊温 度的同时，必须为真空钎焊创造良好 的条件，严格控制炉温均匀性，提高 真空度，防止氧化膜产生，使钎料充 分铺展，形成良好的焊接接头或焊接 面。 国产6061铝材固相限温度为582℃, 钎焊高于固相限温度时，易产生过烧, 致使材料的机械性能下降。所以真空 钎焊温度定为582 ±2℃，并选用热 容量大的钎焊炉，钎焊时间不能超过 12min。升温控温曲线图（见图2）。 为保证产品钎焊质量，要严格控 制钎焊前表面处理，缩短焊前装配时 -11.5 -1.5 -11.5 -1.5 7.4 炉温均匀性控制 7.5 钎焊温度及加热曲线控制 7.6 操作工艺的控制 ℃ ℃ ℃ 表3 Mn、Si成分含量对比 Lf21和 焊料 Mn1.2（LF21） Si11.5（焊料） 成分 Mn Si 标准规定 ≤0.15 0.04~0.8 进口6061 0.06 0.58 国产6061 0.58 1.06 图1 过烧金相分析 MODERN WELDING TECHNOLOGY 现代焊接ModernWelding 现代焊接 2008年第4期 总第64期 J-25 间。在真空钎焊过程中，真空度控制 在1.3×10Pa左右，钎焊温度为582℃, 加适量镁，钎焊时钎料的润湿和接头 形成是一快速过程，约需要1秒钟。因 此，保温时间主要由整个零件都达到 钎焊温度所需的时间及氧化膜层消散 所需时间决定，如果保温时间过长， 工件易形成熔蚀。 为了防止气淬升温时焊缝（或焊 接面）在高温下氧化，设备须选用真 空气淬炉，升温速率为5℃/min；真空 加热至540℃保温2h，迅速充入氮气进 行快速冷却（冷却速度比空气冷却稍 快），见表4。 要求：气淬后应在2h内时效，如 间隔时间长，会降低材料的机械性能。 6061材料的真空气淬的机械性能, 比水淬性能要差，所以工艺控制要求 非常严格，气淬与时效的间隔时间不 应超过2h。 6061材料可气淬性能受环境温度 的影响而不稳定，冬季比夏季要好。 夏季由于冷却速度慢，在晶界处易出 现析出物，虽硬度指标符合要求，但 抗拉强度偏低达不到要求，必须对气 -3 7.7 气淬工艺控制 7.8 气淬冷却速度的控制 淬冷却速度的工艺 参数进行控制。 用美国进口的 真空气淬炉，在室 温为10℃对冷却速 度进行了测定，气 淬冷却曲线见图3，参数见表5。 7.9.1 充气口应避免正对零件的表面, 防止零件产生较大变形； 7.9.2 用夹具对薄壁处进行适当的支 撑，减缓薄壁处的冷却速度，避免剧 烈收缩； 7.9.3 气淬后的变形，应在出炉后2h 内进行校正； 7.9.4 校正后立即生效（气淬工序操 作是快节奏的）。 钎焊试验中，也出现过试件有轻 微熔蚀、钎缝成形欠好和变形等缺陷。 针对问题，采取了严格控制钎焊时间、 控制焊料的稳定性以及改进零件装夹 方法等相应措施后，目测检验试件钎 缝，圆角形成良好，钎料熔化完全， 无熔蚀现象，外形尺寸为300×200× 200mm的产品，钎焊后经适当校正， 各面的变形量≤0.5mm。 对钎焊试件进行抗拉强度和硬度 检测，试件的抗拉强度为270~305MPa, 7.9 气淬变形的控制 8 检测结果 8.1 外观检验 8.2 钎焊接头的机械性能检测 设 备 冷却介质 加热温度 气淬时间 时效 真空热处理炉（6×10Pa） 氮气 540±10℃（保温2h） 10min 200℃（保温2h） -3 表4 图2升温控温曲线图 9 50 冷却时间（分钟） 温度（℃） 0 540 1 430 2 350 3 270 4 180 5 140 6 117 7 90 8 75 表5 气淬冷却速度工艺控制参数 机械性能 拉伸强度σ 洛氏硬度HR15T b 测试结果 270MPa 75 75 77 305MPa 78 79 79 表6 国产6061机械性能测试结果 图4 钎透率超声波C扫描 洛氏硬度HR15T为75~79（见表6）， 检测结果满足T4状态。 通过超声波C扫描检测钎透率为 97%~98％（见图4），符合钎透率大 于80%的要求；焊缝密封性良好；使 用中未发现有液冷介质渗出（冲击试 验见产品样机震动和冲击试验报告）。 国产6061铝合金真空钎焊质量良 好，通过各项工艺试验，气淬结果达 到规定标准和技术指标要求，国产6061 铝合金真空钎焊、气淬工艺可广泛地 应用在工程中。 8.3 钎透率及液冷产品冲击试验 9 结束语 MODERN WELDING TECHNOLOGY