BMW发动机铝合金散热器的真空钎焊工艺

铝合金以其重量轻、耐腐蚀性好、导热导电性优良等特点广泛用于航空航天、建筑、电器、汽车、船舶等部门,并且用量不断增加,长期以来一直被认为是制作热交换器、波导及其他许多复杂构件的结构材料。对铝合金钎焊的研究,最开始集中在其冶金性能上,然后停留在添加元素对钎焊过程的作用上,目前主要集中在特殊用途铝合金焊接方面。许多特殊用途铝合金正不断研究开发出来并应用在工程实践中,LT-3 铝合金就是一种专门为铝合金真空钎焊设计的。它是在3003 铝合金的基体上双面包覆轧制4004 铝合金而制成的,包覆材料在钎焊过程中作为钎料使用,这种材料目前广泛应用于散热器、冷凝器的制造。下面就对LT-3包覆铝合金的真空钎焊方案进行介绍。

1 铝合金真空钎焊方案的介绍

1.1 原理
真空钎焊是在真空炉中进行,钎焊过程不用钎剂。虽然没有钎剂的化学作用和还原气氛的还原作用,但由于降低了钎焊区的氧分压,同样可以除去焊件表面氧化膜,保护焊件不被氧化。

1.1.1清除金属表面氧化膜机理

a.氧化膜在高温、高真空中可自行分解:氧化物分解压力>真空氛围的氧分压力。
b.镁蒸汽破坏金属表面氧化膜。真空钎焊为了防止钎剂腐蚀污染及钎焊后清理等问题的发生,一般不选用钎剂而是采用比铝更活泼的金属置换氧,多选用镁金属。但随着Mg 的加入,钎料对基体金属溶蚀作用严重,一般钎料中镁含量控制范围为1.0%~2.5%。
c.铝膨胀迫使三氧化二铝先破裂,使液态钎料由裂缝进入氧化膜,揭开氧化膜。

1.1.2 对钎料的要求
真空钎焊选用的钎料为硅铝钎料,对成分的要求较为严格,钎料中不应含蒸汽压高的元素,不含在真空和高温下发生其表面氧化物显著分解的元素,否则会影响真空钎焊过程及真空钎焊质量。

1.2 真空钎焊工艺
在真空钎焊前需要仔细的清洗焊件。一般情况下焊件进行油渍的处理就足够了,但为了去除热处理时生成的厚氧化膜,有时也需要进行清洗剂清洗。温度周期在诸因素中主要取决于焊件的形状,因为在真空中热是以辐射形式传播,工作厚度不同的部分会受热不均。由于铝合金的固相线和钎焊温度的差异往往较小,工件较薄的部分就易过热,造成表面熔化。所以有必要将工件尤其是较大的工件预热,以保证焊件温度在达到钎焊温度以前各部分均匀受热。由于真空钎焊铝合金表面的氧化膜去除主要依靠Mg 活化剂,对于结构复杂的焊件,为了保证母材受到Mg 蒸汽的充分作用,国内一些研究单位常采用局部屏蔽的补充工艺措施,取得了非常好的效果.。其中最通用的做法是将焊件放入不锈钢盒内(称为工艺盒),然后置于真空炉中加热钎焊,这样可明显改善钎焊质量,其中Mg 蒸汽的形成可用在钎料中加入固体Mg 粒或直接导入Mg 蒸汽的方法。这样可大大减少在装炉、出炉时Mg 等元素对炉膛所造成的污染,从而减少对真空钎焊炉膛的清理次数及提高真空钎焊炉的使用寿命。

真空钎焊时最重要也是最难控制的工艺参数就是真空度。要得到优良的接头,在很大程度上取决于真空钎焊炉膛内的真空度,所以对真空设备的泄露率要求很低。在升温过程中将炉膛抽至一定真空度,对于铝及其合金要求达到0.0013Pa到0.O133Pa。一般认为,真空钎焊炉打开时吸收了常温空气中的水气,这使得下次真空钎焊升温前的抽真空时间大大延长。根据经验,一般如果真空钎焊炉较长时间未使用,应该让真空钎焊炉进行烘炉以后再正式使用。使用时,尤其是批量生产时,两次进出炉的时间间隔应尽可能短,这样真空钎焊炉的真空度容易较快地达到所需要求,从而提高生产效率。真空钎焊炉温的加热速度、稳定温度和保温时间则取决于所需要真空钎焊工件的材质、形状、结构、尺寸、使用钎料形式及钎料结晶温度的范围。

2 真空钎焊的焊接工艺
2.1 真空钎焊焊接性分析
LT-3 铝复合板是通过冷轧工艺制造的,先将芯层金属3003 轧制成形,然后在芯层金属上面轧制上皮层金属4004。芯层金属3003 属Al-Mn 系合金,具有良好的抗蚀性和压力加工性。皮层金属4004 是以共晶成分Al-Si 合金为基础,具有良好的润湿性和流动性,同时含有1.0~2.0%Mg 元素,对去除氧化膜的方面有一定的帮助。真空钎焊复合板比线材、带材或粉末等使304用起来要方便得多,可方便地用来制作复杂部件。当钎焊板上的包覆金属熔化时可以直接润湿结合母材,立刻填隙。接头只需轻微扩散就可形成。LT-3 铝复合板材的化学成分及熔点温度如下表所示。
LT-3 铝合金芯层和皮层化学成分表
材料 Si Fe Cu Mn Mg Zn Al 熔化温度/℃
芯层(3003 铝合金) 0.6 0.7 0.05~0.2 1.0~1.5 / 0.1 余量643~654
皮层(4004 铝合金) 9.0~10.5 0.8 0.25 0.1 1.0~2.0 0.2 余量559~591

2.2 真空钎焊的焊接工艺流程
2.2.1 真空钎焊焊前清理
铝及铝合金的钎焊对工件表面的清洁有较高的要求。要获得良好的质量,必须在钎焊前去除表面的油污和氧化膜。去除表面油污可用温度为60-70℃的Na2CO3 水溶液清洗5-10min,再用清水漂净;去除表面氧化膜可用温度为20-40℃的NaOH 水溶液浸蚀2-4min,再用热水洗净;去除表面油污和氧化膜后的工件,再在流水中洗净并最后风干。经过处理后,在6-8h 内进行钎焊,尽可能立即钎焊。因为铝的性质活泼,停留的时间太长在金属的表面容易重新生成氧化膜。焊前不能对工件表面进行过度的打磨,以免将皮层金属破坏。打磨时也容易将工件表面的平整度破坏,给钎焊造成困难.

2.2.2 真空钎焊焊接工艺
一般真空钎焊采用阶段升温方式,保证工件受热均匀。真空钎焊的工艺参数为:钎焊温控表设置温度620℃,保温15min-30min,真空度为3×10-3Pa,加热速率10℃/min,在开始降温阶段采用控制降温的方式,速率10℃/min,到450℃结束,然后随炉冷却至室温。通过试验:采用15min-90min六种不同钎焊保温时间和595℃-620℃六种不同保温温度对铝合金散热器进行真空钎焊试验,通过光学显微镜、扫描电镜、X 射线能谱仪、硬度试验等研究确定真空钎焊保温时间和保温温度对焊缝组织的影响关系。结果表明,随着真空钎焊保温时间的延长和适量的提高保温温度,焊缝间的元素扩散越来越充分,Si 偏聚形状由原来的树枝状向点状转变,当真空钎焊工艺为615℃保温75min 时,焊缝组织中只有少量点状Si 偏聚组织,绝大部分为固溶体,钎料对母材有少量溶蚀,结合更为牢固,真空钎焊工艺较佳。
对真空钎焊炉的要求一般为:
① 真空钎焊炉需要有足够的升温速率和极大的抽速,要求极限真空度小于4×10-4Pa,工作真空度要小于3.0×10-3 Pa,均热区钎焊温度波动不超过3℃;
② 真空钎焊炉应具有先进、可靠、安全的电气控制与保护系统;
③ 真空钎焊炉加热室尺寸能容纳被钎焊组件;
④ 真空钎焊炉应具有强制冷却机能,一可满足材料的真空钎焊工艺要求,二可缩短真空钎焊周期。为防止未钎透、熔蚀、钎料流失等钎焊缺陷的发生。
真空钎焊前及真空钎焊过程中应注意如下事项:
① 严格控制真空钎焊温度及保温时间,确保真空钎焊炉的系统真空度及温度均匀性符合标准要求。
②真空钎焊前保证彻底清理干净工件表面油污及氧化膜,使液态钎料能完全润湿芯层。
③工件装配要合理,保证液态钎料正常填隙,真空钎焊装配工装夹具需要设计合理,尽可能减少工装夹具的热容量,防止产品钎焊变形。
特提出下述建议: 国产复合铝箔、复合版的内、外在质量有待提高。目前国产复合材料既无价格优势, 更无质量优势, 各公司大批量生产多采用进口复合材料。