3A21铝合金钎焊工艺问题摘要-240915A

1 概述

本篇文章依据以下实验对象以及焊接工艺流程，围绕该工艺所产生的问题进行分析并推测解决方案。

1.1 实验对象

• 母材材质：3A21铝合金；
• 焊材成分：铝硅铜焊膏；
• 焊接方式：气体保护钎焊；
• 焊接设备：高真空钎焊炉；

1.2 工艺流程

1. 去氧化层：
   打磨去除焊接面氧化层。因为氧化铝（Al2O3） 的熔点非常高，约为 2072°C。由于其高熔点，氧化铝在很多高温环境中都保持稳定，这也是它在焊接和高温加工中容易形成并难以去除的原因之一。
2. 清洗去污：
   将工件放入配有调制合适配比清洗液的超声波清洗机中进行加热清洗。清洗温度应根据实际情况，约为40~80℃。
3. 烘干液体：
   超声波清洗完成后立即取出工件并进行清水冲洗，并使用压缩气体配合烘箱完全烘干工件表面残留水分。
4. 预装配：
   将烘干完的工件装配到对应夹具中进行全部流程的预装配，检查各处定位或限位是否准确可靠，确认无误后可进行下一步。
5. 涂抹焊料：
   使用数控涂料设备设定程序后进行涂料工作，需保证出料均匀，铺料饱满无气泡。此步骤对于焊接质量起到决定性的作用，必须控制好焊料用量以及质量，否则可能直接导致后面整个焊接工作失败。
6. 完整装配：
   将涂好焊料的工件进行装配，并使用对应夹具进行夹紧，此步骤需要借助合适工具，保证个方向受力的均匀性。否则可能引起应力集中从而导致焊后工件变形。
7. 工件入炉
   入炉前需检查工件边缘溢出的焊膏是否均匀饱满，若有缺损需要进行补料。工件进炉需要位于炉体中间，不可贴近加热体以保证受热均匀。
8. 钎焊流程：
   抽真空至分子泵全频运行后开启加热程序，加热至500℃时停止抽气系统，开启充气阀充入专用保护气体，压力达到-50kpa后停止充气并关闭充气阀，继续执行加热程序直至结束。
9. 取出工件：
   焊接结束后工件需随炉冷却至常温，取出时不得直接接触工件表面，防止工件受力变形。

2 缺陷及分析

截至目前，焊接后的样品均存在焊缝有气孔、杂质，样品污染、变形等问题。下面将针对每种问题进行分析。

2.1 焊缝缺陷

• 问题描述：焊接后样品焊缝处存在较少不连续的缝隙以及砂眼，经铣削加工后仍然存在。通过放大细节可以观察到该缺陷中存在少量深灰色杂质，肉眼下则表现为类似缝隙的状态。使用钢针可以刮去该杂质，刮去后则形成未受到有效焊接的空腔。

• 问题分析：

  1.焊膏过度熔化或蒸发：焊膏在长时间高温下，部分成分（如铜、硅等）可能会出现蒸发或分解现象，影响焊缝质量，并且容易形成细小的孔隙和缝隙，导致焊缝处有砂眼和裂缝。
  2.负压影响钎焊流动性：在负压环境下，焊膏的流动性可能受到影响，导致焊缝处不均匀的流动和气孔形成，从而产生砂眼和缝隙。
  3.焊膏成分：目前所使用的（AlSiCu）焊膏，主要有效成分为铝，助焊物主要成分为硅和铜，以及部分助焊剂。焊后存在于焊缝中的杂质也可能是因为焊料中的某种成分没有完全挥发或排出所导致。

• 改进建议：

  1.优化保温时间：缩短保温时间。根据钎焊材料和3A21铝合金的性质，保温时间通常控制在几分钟到十几分钟即可。过长的保温时间容易引起材料损坏和钎焊材料性能下降。
  2.降低焊接温度：检查焊膏的实际工作温度范围，尽量选择低于材料极限熔点的温度（如570℃左右）进行钎焊。
  3.氩气保护改善：确保焊接区域有足够的氩气流量和良好的气密性，防止氧气或空气的进入。可以尝试增加氩气的流量或在焊接过程中保持微正压（0至+10kPa左右），以进一步提升保护效果。
  4.氩气纯度检查：检查使用的氩气纯度，建议使用99.999%的高纯氩气，避免氮气或其他杂质的混入。
  5.成分检查：若要更科学更准确的实验结果，则需借助一定的手段。检查焊料中究竟有哪些成分，焊接时哪些成分参与了反应，哪些成分会产生负面影响。这样才能更准确的锁定问题所在，对症下药。

2.2 样品表面污染

• 问题描述：焊接完成后，样品表面形成不同程度的灰色或深灰色污染层。样品盖板与工装接触部位则更为明显。拆开后可见部分焊接反应痕迹，影响样品尺寸精度。

• 问题分析：

  1.铝基材过热：长时间高温保温可能导致铝合金表面形成氧化层，特别是在氩气环境下，如果保护气氛不完全或密封性不足，可能会导致氧化物或其他副产物的生成。

  2.气体密封不足：氩气流动速度或密封性不足时，可能会导致氧气或空气的进入，形成氧化物或者焊剂副产物，导致表面出现灰色的难以去除的物质。
  3.氧化物或硅铝化合物：长时间高温下，铝和硅、铜可能与氧气反应生成氧化铝、氧化铜或其他复杂的金属氧化物。尤其是氧化铝的生成会呈现灰色，这些氧化物附着在工件表面，难以通过常规清洗方法去除。

  4.焊剂残留：如果焊膏中含有少量焊剂，焊接过程中焊剂可能会部分分解或残留在表面，形成难以清除的沉积物。

2.3 样品变形

• 问题描述：焊接完成后，进行轻微打磨处理，去除多余焊接产生的杂质。将样品放置于水平检验平台上，通过测量可以发现样品存在不同程度的变形。跳动范围在0.2至0.5mm，导致后续加工难以校准，增大加工难度，延长加工时间。