摘要：航空机载电源机箱由于其特殊的工作环境，因此要求有散热、减重、防电磁干扰、抗振动、耐蚀等一些特殊要求。防锈铝合金3a21具有成熟和良好的钎焊性能， 目前一般采用3a21铝合金的真空钎焊工艺对箱体进行制造，其主要生产工艺为钎焊一次成形。而钎焊过程中难以避免缺陷的产生，这往往会影响产品的质量和交付。因此，对生产中产生的缺陷及产生原因进行分析，对减少和消除缺陷具有重要的意义。
关键词：航空；铝合金；真空钎焊；缺陷分析
一、主要缺陷
航空机载电源机箱在真空钎焊生产过程中，由于钎焊材料、工艺和环境等多种复杂因素的综合作用，接头中往往会产生各种各样的缺陷。按缺陷出现位置和性质主要分为外部缺陷和内部缺陷。外部缺陷主要有钎料熔化不充分、未钎着、溶蚀、钎料流失等；内部缺陷主要有夹杂、气孔和组织偏析。钎焊接头缺陷的存在直接影响着产品的钎焊质量和使用可靠性。
（一）外部缺陷
（1）钎料熔化不充分
钎料熔化不充分一般表现为一部分钎料组分熔化而部分高熔点的组分未熔化，其产生的根本原因是钎焊温度过低或者钎焊时间过短，钎料尚未完全熔化。同时，若工件装炉量大，夹具吸热量大也会使焊件在钎料固一液相线区间升温速度慢，钎料的低熔点组分在真空环境中大量气化，余下的钎料熔点升高，最终产生钎料熔化不充分的缺陷。此外，产品表面质量不佳也会导致接合面去膜不彻底，钎料与母材的浸润性不佳，二者无法发生物理化学作用，最终钎缝中留存未完全熔化的钎料。
（2）未钎着
在钎焊过程中，熔化后的液态钎料润湿母材，会在钎缝内形成一个凹液面，液体的表面张力会在凹液面处形成附加压力，液态钎料正是在这种附加压力的作用下自动向钎缝里流动。附加压力pa的计算公式为：pa=2σ/r式中：σ为液态钎料的表面张力；r为液面的曲率半径。由于液面在小端间隙中形成的曲率半径较小，使得液体表面张力产生的附加压力较大，对于一片液态钎料来说，其各方向的附加压力的总和将指向小端间隙处，液体就会自动向小端间隙方向运动（毛细作用），这样就会使在钎焊间隙较大的地方得不到充足的钎料，从而形成未钎着缺陷。同理，钎焊间隙越大，表面张力附加压力越小，液态钎料所能爬升的高度也就越小，因此较大的钎焊间隙需要较多的钎料来填充，当附加压力小于液态钎料所受的重力时，液态钎料与零件的表面张力就会小于钎料的重力，液态钎料便不能填缝而形成未钎着缺陷。未钎着是较严重的钎焊缺陷之一，对产品的气密性、电磁兼容性、耐潮性和盐雾耐蚀性均有着不利影响， 但是受到零件制造精度和装配精度的限制，两部件之间形成的间隙很难均匀一致， 经常会在端面接头的横截面上出现一端间隙较大而另一端间隙较小的情况。
除上述钎缝间隙不均匀的主要原因之外，夹具设计的不合理，装卡方式以及装卡位置的欠考虑均会产生未钎着缺陷。
（3）溶蚀
溶蚀是母材表面被熔化的钎料溶解而形成的缺陷，当钎焊保温时间一定，钎焊温度过高时，高温下液态钎料流动性和填充性能良好，使得底板和侧板安装螺钉处钎料堆积，导致钎料中的Si元素通过过渡层向母材中扩散，同时母材中也同样溶人钎料中，Si元素的扩散使得母材成分发生变化，熔点降低，从而使得钎焊温度下的母材过渡层几乎全都熔化，而附近的母材也有少许熔化，即发生溶蚀行为。溶蚀的产生，使得钎缝处的强度和抗疲劳性下降，力学性能发生改变。此外，如果多批产品均出现溶蚀缺陷，在调整温度均不见改善的情况，就应该考虑钎料和母材的匹配性了，通过更换钎料牌号，调整元素配比重新进行试验。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（4）钎料流失
一方面，由于板和板之间存在一定的间隙，液态钎料在这个间隙的毛细作用下会首先填充这个间隙，当间隙较大时，就需大量的钎料来填充，结果造成填充钎焊圆角的钎料减少，填充不充分，形成的钎焊圆角较小；另一方面，当钎焊温度过高，钎料预置过多，造成液态钎料在母材表面的流动性太大，流散在母材表面的钎料过多。
（二）内部缺陷
由于普通外观目视无法观察焊缝内部的微观形貌，而微观缺陷是产生宏观缺陷的起源，试验中经常发现外观目视焊缝均饱满无缺陷，而观察焊缝内部时发现有微裂纹、组织不均匀等缺陷。
（1）超声波检测
探伤过程由探头中的压电换能器发射脉冲超声波，通过声耦合介质传播到焊件中，遇到缺陷产生发射波，然后再用另一个探头接收反射的声波，经换能器转换为电信号，放大后显示在荧光屏上。产品外观目视缺陷较多，存在未钎着、钎料流失等多种缺陷，通过浸水环境下进行的c型扫描图，可以观察到扫描区域的真实形貌。其中白色区域为焊接缺陷区，此区域未与母材形成新的化合物或者固溶体，钎料和母材仍保持各自的物相成分。由于探头角度、间距、探伤面的不平整等多种原因，产生了右下角白色连续区域的伪信号。
（2）组织分析
焊件（采用不同的工艺参数加工）焊缝目视均饱满无钎料流失、针孔等外观缺陷，将钎焊件切割成金相样件，然后依次采用300#，500#，1000#砂纸进行抛光腐蚀处理，采用OLYMPUS GX51大型卧式金相显微镜观察钎焊焊缝的金相组织。可以看出，不同的工艺参数焊接的焊件，既使外观都满足相关要求，无未钎着、钎料流失等缺陷，其内部还是会有不同的缺陷表征。焊件焊缝中夹杂、气孔类缺陷较多，其中铝基体中原材料中元素成分除了Al和Mn，还存在Fe，Ni以及Si，其中灰色均匀状为Si元素在影响区和钎缝中的迁徙达到平衡，与Al形成的Al-Si共晶体或者二者互溶的固溶体。其中黑色物为钎料和母材中杂质元素在高温下形成的混合物。焊件保温时间延长，达到6min，夹杂缺陷减少明显。但是残留黑色状物质仍然存在。焊件加热温度615°c，保温时间7min。可以看到低倍下焊缝中几乎无气孔、夹杂等焊接缺陷，形成了光亮的中间层。
综上所述，组织不均匀、偏聚成为影响产品内部质量的主要因素。虽然焊缝区外观饱满，但组织中出现树枝状、片状Si偏聚，严重割裂组织，影响焊缝组织的均匀性，降低产品强度。严重的会导致偏聚物在界面处形成裂纹，造成焊缝开裂。所以认为随着钎焊保温时间的延长，富含Si的偏聚物越来越少，当保温时间较短时，Si元素来不及向母材及钎料中扩散，故与钎料中的Al等其它元素生成共晶组织或者形成Si偏聚组织。随着保温时间延长到7min，可看出焊缝中Si偏聚组织变的极少，焊缝几乎为固溶体组织。由于保温时间的延长，Si元素有足够的时间进行扩散，均匀分散在铝基体中，形成固溶体组织，避免了Si偏聚组织。（1）铝真空钎焊缺陷分为内部缺陷和外部缺陷，不同的缺陷类型均对接头的可靠性产生影响。（2）钎焊质量是钎料、钎焊温度、钎焊时间以及装炉量、夹具等综合因素选择的结果。（3）在其它因素不变的前提下，适当延长钎焊保温时间可以减少钎焊接头中Si的偏聚物，形成性能稳定的固溶体组织， 进而有效改善钎焊接头质量。
结语：铝合金真空钎焊技术的成熟使越来越多的产品投入应用，通过研究铝真空钎焊时出现的缺陷及其形成原因，对其有直观和具体的认识。其中，外部缺陷主要有钎料熔化不充分、未钎着、溶蚀、钎料流失；内部缺陷主要有组织不均匀和偏聚。
参考文献：
[1] 齐喜岑，凌泽民，郭艳，等．铝制油冷器真空钎焊接头缺陷特征及分析[J]．热加工工艺，2011，40（01）：163-135.
[2] 赵飞．钎焊保温时间对铝合金散热器真空钎焊焊缝组织和性能的影响[J]．材料科学，2005，10（02）：75-77.
[3] 陈召松，高飞，涂勇，等．板翅式铝合金散热器真空钎焊技术的发展[J]．轻铝合金加工技术，2011，39（04）：69-70.
论文作者:秦新刚,李雪然
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：钎焊论文; 缺陷论文; 间隙论文; 液态论文; 组织论文; 真空论文; 表面张力论文; 《电力设备》2019年第5期论文;