摘 要：主要介紹了電子產(chǎn)品中使用的鋁合金散熱器、冷板和平板縫隙天線等工件的鋁釬焊技術(shù)，對(duì)釬焊接頭與夾具、工藝參數(shù)和加工過(guò)程進(jìn)行了較詳細(xì)的論述。
關(guān)鍵詞：鋁合金；爐中釬焊；夾具
1引言
由于鋁合金密度小、耐腐蝕、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好，且具有一定的比強(qiáng)度，鋁合金材料應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，電子設(shè)備中散熱器、冷板和平板縫隙天線基本上采用鋁合金釬焊結(jié)構(gòu)。
散熱器、冷板體積大，對(duì)釬縫成形和變形有一定要求，液冷系統(tǒng)中的冷板要求能承受0.4MPa的工作水壓，根據(jù)不同要求可選用爐焊、真空釬焊工藝，其中真空釬焊適合質(zhì)量要求高的零件。
平板縫隙天線由1mm厚的輻射板、隔板、底板組成的共壁波導(dǎo)陣和饋電波導(dǎo)焊接成形，該天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此零件通常以數(shù)控加工成形，裝配后采用鹽浴焊、真空釬焊等幾種焊接方式整體焊接，在制造工藝上存在一系列問(wèn)題，尤其是天線的組合釬焊，波導(dǎo)作為微波傳輸通道，它要求有嚴(yán)格的截面尺寸、形位公差要求，釬焊后不僅要有合適的內(nèi)腔圓角，同時(shí)不能在內(nèi)腔形成金屬堆積、熔蝕等缺陷，更不能有未焊上的釬縫和截面的翹曲變形，任何加工不合適都會(huì)影響天線的相位和駐波，所以這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給平板縫隙天線加工帶來(lái)了很大的難度。
2 鋁釬焊原理
2.1 空氣爐中釬焊
空氣爐中釬焊是最簡(jiǎn)單的爐中釬焊方法。釬焊時(shí)把裝配好并加上釬料及釬劑的工件放入電爐中，工件被加熱到釬焊溫度后，依靠釬劑去除母材表面的氧化膜，使釬料流入接頭間隙。取出冷卻后便形成釬焊接頭。
由于爐中釬焊的加熱周期較長(zhǎng)，為了減少工件氧化，防止釬劑蒸發(fā)和喪失活性，應(yīng)盡量縮短工件在高溫下停留時(shí)間，釬焊工件的加熱時(shí)間根據(jù)工件和夾具的大小而不同，一般通過(guò)試驗(yàn)確定。空氣爐中釬焊設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，加熱均勻，變形小。但最大的缺點(diǎn)是釬焊過(guò)程中母材暴露在空氣中，釬劑會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧化，如果采用氮?dú)獗Ｗo(hù)效果會(huì)更好。另外由于氯化物釬劑釬渣的強(qiáng)烈吸潮性，釬焊接頭易發(fā)生腐蝕，所以鋁釬焊使用的釬劑最好是無(wú)腐蝕釬劑，其中QF型［1，2］釬劑是氟化物釬劑，它由KF及ALF3組成，當(dāng)KF為45.8%、ALF3為54.2%時(shí)，釬劑中將不存在KF及ALF3，而全部形成 K3AlF6-KAlF4，由相圖可知其共晶溫度為562℃。該種釬劑不吸潮，在室溫下不與水和鋁發(fā)生反應(yīng)，僅在釬焊溫度附近有活性，焊后殘?jiān)粫?huì)引起腐蝕，在釬焊過(guò)程中去膜能力強(qiáng)，釬焊后接頭耐蝕性好，釬縫致密性好，能用于鋁合金空氣爐中釬焊，但如果在潮濕的空氣中加熱這種釬劑時(shí)，釬劑成分要發(fā)生變化而影響去膜能力。另外，各個(gè)廠家生產(chǎn)的釬劑質(zhì)量相差較大，在加熱時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)尤其明顯，有的釬劑根本不能完成釬焊，文獻(xiàn)［3］指出，在加熱溫度、焊前清洗等正常情況下，釬劑質(zhì)量波動(dòng)是造成釬焊質(zhì)量大幅度波動(dòng)的主要原因。
2.2 真空釬焊
真空釬焊是為適應(yīng)宇宙航空、海洋開(kāi)發(fā)、原子能、電子工業(yè)及化學(xué)工業(yè)的需要而發(fā)展起來(lái)的一種較新的釬焊方法。真空焊接過(guò)程不需要釬劑即能連接鋁鈦等高活性金屬，同時(shí)能保證獲得精密光亮的接頭，此接頭具備優(yōu)良的機(jī)械性能和抗腐蝕性能。真空釬焊是在真空爐中進(jìn)行，隨著真空爐性能價(jià)格比的不斷提高，鋁真空釬焊爐已在民品、軍品工業(yè)中得到大量應(yīng)用，鋁真空釬焊相比鹽浴釬焊和釬劑釬焊具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：1）無(wú)毒和無(wú)污染；2）不使用釬劑，不存在焊渣，無(wú)需焊后清洗，節(jié)約人力物力；3）在真空中加熱，沒(méi)有氧化問(wèn)題，可以加工很大的工件；4）加熱均勻，變形量小，可以做到焊后不修整，這對(duì)于焊后難于清洗和修整的高精度鋁波導(dǎo)是非常必要的，同時(shí)對(duì)于風(fēng)冷散熱器、水冷冷板的釬焊也比較適合。真空爐由真空室、
加熱器、控制系統(tǒng)和配套的真空系統(tǒng)組成。現(xiàn)在主流的鋁真空釬焊為冷壁爐，采用水冷爐壁，生產(chǎn)條件好，釬焊的工件質(zhì)量高，適用于小批量、多品種零件的加工。
3 工藝過(guò)程
3.1 基體材料、釬料及使用
表1是幾種常用釬焊基體材料、釬料的物理和機(jī)械性能。由于LF21、LD31鋁合金材料的固相線溫度比其他鋁合金高，比較適合鋁合金高溫釬焊，LF21鋁合金適用于各種結(jié)構(gòu)件，而LD31鋁合金可熱處理強(qiáng)化，其加工性能、抗腐蝕性能、力學(xué)性能良好，適用于真空釬焊后需熱處理強(qiáng)化的結(jié)構(gòu)件，如平板縫隙天線等。在散熱器、冷板加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)10mm左右的鋁合金原材料有一定的變形，會(huì)影響裝配過(guò)程和釬焊質(zhì)量，也增大后續(xù)銑加工量，冷校平很難解決這一問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)采用熱校平工藝很好地解決了此問(wèn)題。
釬料是釬焊工藝中的關(guān)鍵連接材料，Al-Si、Al-Si-Sr-La共晶釬料適合于空氣爐、氣體保護(hù)爐有釬劑釬焊，目前使用的為Φ1.5mm的盤狀釬料，為了使釬料貼近釬縫形成滿意的焊縫，要求釬料必須直，在校直過(guò)程中我們采用退火工藝后拉直，現(xiàn)在釬料可以做的很直，有利于釬焊質(zhì)量的提高。Al-Si-Mg釬料及復(fù)合釬料板適用于真空釬焊，在釬料中加入一定量的Mg，可以提高局部去膜效果。
3.2 釬劑和活化劑
鋁合金表面氧化膜致密穩(wěn)定、熔點(diǎn)高，在普通釬焊溫度下不易分解，在空氣爐、氣體保護(hù)爐釬焊必須使用釬劑，QF型氟化物釬劑有較強(qiáng)的去氧化膜能力，但其機(jī)理目前尚不清楚，有人認(rèn)為主要是氟鋁酸鉀能溶解氧化鋁膜，且常溫下不與水反應(yīng)，我們用的就是帶水的漿狀釬劑。鋁的真空釬焊由于鋁的氧化膜在真空中也很難分解，所以在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有取得進(jìn)展，直到提出采用所謂金屬活化劑后，鋁的真空釬焊才被實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)表明，Mg是鋁真空釬焊最好的活化劑，通過(guò)加入鎂可以獲得良好的釬焊性能和優(yōu)良的釬焊接頭。
3.3 工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析和加工過(guò)程
3.3.1 工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析
由于各工件技術(shù)要求不同，加工工藝也不一樣，合理的釬焊接頭設(shè)計(jì)十分必要，通過(guò)對(duì)散熱器、冷板和平板縫隙天線各自特點(diǎn)的分析，提出如圖2的結(jié)構(gòu)形式。
空氣、氮?dú)鉅t釬焊散熱器采用銑定位槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)定位可靠，釬劑和釬料添加位置合理，大面為整體材料，變形易控制，已在生產(chǎn)中大量采用。
真空釬焊散熱器、冷板采用復(fù)合釬料板夾在基材中的夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于利用了復(fù)合釬料板良好的釬焊性能，只要控制好工藝，釬焊質(zhì)量易保證，但對(duì)上面結(jié)構(gòu)的散熱器要兼顧釬料流淌和強(qiáng)度，溫度過(guò)高，釬料流淌嚴(yán)重，溫度過(guò)低，強(qiáng)度不易保護(hù)。真空釬焊平板縫隙天線采用扭式榫頭，中間夾釬料箔的結(jié)構(gòu)，該接頭相比目前常用的脹鉚榫頭結(jié)構(gòu)，減少鉚接應(yīng)力，加工也比較方便。
3.3.2 典型工件的加工過(guò)程
空氣（氮?dú)猓t釬焊散熱器、冷板的工序?yàn)椋?）熱校平；2）焊前清洗、零件銑成形；3）裝配、加釬劑釬料（不需要烘干）；4）釬焊；5）清洗；6）機(jī)加工成形。
真空釬焊散熱器、冷板的工序：1）零件成形； 2）焊前清洗、釬焊； 3）機(jī)加工成形。平板縫隙天線的工序?yàn)椋?）數(shù)沖陣面板成形、波導(dǎo)等零件銑或線切割成形；2）焊前工件、釬料表面處理，尤其線切割面的處理；3）裝配釬焊成形，包括夾具設(shè)計(jì)；4）校形；5）電性能測(cè)試。
3.4 夾具設(shè)計(jì)
鋁合金釬焊一般要加熱到600℃左右，在這個(gè)過(guò)程中，工件易變形，尺寸精度不易保證，同時(shí)為了保證釬焊間隙通常要采用夾具，鋁合金釬焊夾具材料一般采用不銹鋼，有特殊要求時(shí)也可以選用其他材料作為夾具材料。采用不銹鋼夾具材料時(shí)，由于不銹鋼和鋁合金的熱膨脹系數(shù)不同，LF21的熱膨脹系數(shù)為25×10-6/℃，1Cr18Ni9Ti的熱膨脹系數(shù)為18×10-6/℃，工件從25℃加熱到600℃時(shí)，當(dāng)所限制尺寸為100mm（散熱器）時(shí)，鋁合金與不銹鋼的膨脹量差為0.4mm,當(dāng)所限制尺寸為600mm（如平板縫隙天線）時(shí)，膨脹量差為2.4mm，在釬焊溫度時(shí)由于不銹鋼的剛性遠(yuǎn)大于鋁合金，所以鋁合金會(huì)產(chǎn)生變形。另外，工件在加熱和冷卻過(guò)程中由于速度不均勻也會(huì)產(chǎn)生變形。夾具設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工件不同要求，在考慮定位需要的同時(shí)還必須考慮以上因素。
散熱器、冷板釬焊主要對(duì)加工大面的平面度、側(cè)板與底板垂直度、焊縫間隙有要求，其他要求不十分嚴(yán)格，采用強(qiáng)制變形夾具可以滿足使用要求，圖3為強(qiáng)制變形夾具的使用狀態(tài)，待焊件依配合尺寸而緊固于夾具體內(nèi)，在釬焊過(guò)程中，被焊件的變形行為始終受夾具的限制，即隨夾具的變形而變形，這樣在焊后其配合尺寸即為夾具尺寸。由于夾具的剛性遠(yuǎn)大于鋁合金，因而配合尺寸基本可以保證。另外為了降低工件的冷卻速度，設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻罩，在工件出爐后立即罩上，使工件與冷空氣熱交換減少，達(dá)到使工件均勻冷卻，減少變形的目的。
對(duì)于平板縫隙天線這類工件，不僅有配合尺寸要求而且對(duì)外形尺寸精度要求高的零件，采用強(qiáng)制變形夾具就不能滿足要求，當(dāng)所限制長(zhǎng)度方向尺寸為600mm（天線）時(shí)，膨脹量差為2.4mm，可能引起的變形量就達(dá)2.4mm，而厚度方向尺寸為10mm時(shí)，可能的變形量為0.04mm，這對(duì)于壁厚為1mm，尺寸公差為0.05mm的波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，這種變形是不允許的，必須考慮別的結(jié)構(gòu)形式的夾具，如文獻(xiàn)［4］提出的柔性?shī)A具。
3.5釬焊設(shè)備
（1）KBC-L型鋁釬焊空氣爐的主要結(jié)構(gòu)組成,該爐由控制系統(tǒng)、可動(dòng)爐體和推車三部分組成，如圖4所示。釬焊爐工作方式為：爐體預(yù)熱→爐罩上升→推車移出→工件放置→推車復(fù)位→爐罩下降→釬焊出爐。
該爐溫測(cè)控系統(tǒng)主要由Al人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、小型圓圖
溫度記錄儀、可控硅模塊、各功能按鈕及儀表等組成。將設(shè)定值輸入Al人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器（溫度和時(shí)間），由調(diào)節(jié)器控制可控硅模塊，通過(guò)調(diào)整一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)可控硅通斷比例來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率大小變化，從而達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)加熱爐功率的目的。小型圓圖溫度記錄儀通過(guò)熱電偶的轉(zhuǎn)換，可分別記錄爐膛溫度和釬焊工件溫度（模擬）與時(shí)間的曲線，有利于釬焊工藝的分析和參數(shù)的調(diào)整。該控制系統(tǒng)具有測(cè)溫精度高，控溫性能好，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在采用三溫區(qū)控溫的氮?dú)鉅t性能更好，釬焊的散熱器質(zhì)量更高。
（2）鋁真空釬焊爐，這類釬焊爐采用多溫區(qū)控溫，爐溫均勻性為±5℃，工作真空度≤1.3×10-3Pa，最適用于復(fù)合板（帶釬料）結(jié)構(gòu)工件的釬焊。在民品、軍品生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，如空分設(shè)備中的換熱器、汽車和電子設(shè)備的散熱器等，但對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)工件（如平板縫隙天線）的釬焊需要采用特殊工藝。
3.6 釬焊規(guī)范
3.6.1 空氣爐加熱規(guī)范和清洗工藝的確定
由于該工件厚度較厚、體積較大，采用硬加熱規(guī)范，把爐膛溫度預(yù)置到650℃，然后把安置好釬料和釬劑的工件放入爐膛進(jìn)行加熱，待工件溫度上升到600℃即可出爐冷卻。釬焊后的工件在20%左右的硝酸溶液清洗，可以得到滿意的清洗效果。
3.6.2 真空釬焊規(guī)范
為保證工件釬焊質(zhì)量，要嚴(yán)格控制工件、釬料焊前表面處理（包括必要的機(jī)械清理），縮短焊前裝配時(shí)間，在真空釬焊過(guò)程中，真空度控制在1.3×10-3Pa左右，釬焊溫度為600℃，加適量鎂，釬焊時(shí)釬料的潤(rùn)濕和接頭形成是一快速過(guò)程，約需要1秒鐘，因此保溫時(shí)間主要由整個(gè)零件加熱到釬焊溫度所需的時(shí)間及氧化膜層消散所需時(shí)間決定，如果保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，工件易形成熔蝕。
4 試驗(yàn)結(jié)果及討論
4.1 外觀檢驗(yàn)
在空氣爐中釬焊散熱器的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)部分工件有少量熔蝕、釬縫成形欠好和變形等缺陷，經(jīng)試驗(yàn)分析認(rèn)為產(chǎn)生熔蝕的主要原因?yàn)榧訜釙r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，釬縫成形欠好的原因是釬劑質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)生變形原因?yàn)閵A具設(shè)計(jì)不完善，針對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因采取相應(yīng)措施后釬焊的散熱器、冷板，釬縫經(jīng)目測(cè)檢驗(yàn)，圓角形成良好，釬料熔化完全，無(wú)熔蝕現(xiàn)象，釬焊后工件大面的平面度≤1mm。平板縫隙天線20根波導(dǎo)陣中的波導(dǎo)內(nèi)圓角≤0.5mm，波導(dǎo)內(nèi)表面光滑，釬縫成形較好，輻射面平面度≤0.2mm，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中饋電部分有所欠缺，主要問(wèn)題是部分尺寸有偏差和部分釬縫結(jié)合不好，大小H-T組成的功分網(wǎng)絡(luò)釬焊質(zhì)量有待提高。
4.2 釬焊接頭機(jī)械性能和金相組織
釬焊接頭按國(guó)標(biāo)GB2651-89、GB2653-89進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度為100MPa，冷彎角為145°，拉伸試樣斷裂部位都在母材，表明釬縫的強(qiáng)度比母材高，彎曲試驗(yàn)表明釬焊接頭塑性較好。分析釬縫的金相組織，該組織為典型的α～Al＋Si共晶組織。
4.3 交變濕熱試驗(yàn)
結(jié)合整機(jī)要求，將空氣爐中釬焊的散熱器清洗后按GJB367.2-87進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)，周期為48小時(shí)，釬縫表面保持金屬光澤，無(wú)腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。
4.4 冷板致密性檢查
4.4.1 水壓試驗(yàn)
將水通過(guò)手動(dòng)試壓泵徐徐加壓充入冷板內(nèi)（試驗(yàn)壓力為0.8MPa），未見(jiàn)泄露。水壓試驗(yàn)結(jié)果表明，采用上述工藝制造的冷板能滿足0.4MPa壓力的冷卻液在使用過(guò)程中不漏水的要求。
4.4.2 斷面檢查
為檢查釬縫內(nèi)部的致密性，將冷板試樣用銑加工的方法從中間剖開(kāi)，腐蝕后觀測(cè)釬縫，空氣爐釬焊冷板上可以看到有不致密缺陷存在，但由于這些缺陷是相對(duì)孤立的，只要不形成從內(nèi)到外灌通的通道，就是安全的，這一點(diǎn)也可以從水壓試驗(yàn)冷板不漏水中得到證實(shí)。而真空釬焊冷板內(nèi)部十分致密，無(wú)任何缺陷存在，這是因?yàn)檎婵这F焊不需要釬劑，釬焊過(guò)程中又采用復(fù)合板，不會(huì)有釬劑殘?jiān)粼阝F焊面上。
4.5 天線電性能測(cè)試
真空釬焊的平板縫隙天線，1/16子陣天線經(jīng)測(cè)試近、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖良好和駐波比小于1.5。全陣天線駐波比小于1.9，增益為30dB，方向圖良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
空氣爐中釬焊散熱器和冷板，工件釬焊質(zhì)量良好，工藝過(guò)程穩(wěn)定，設(shè)備投資少，綜合成本小，采用該工藝已生產(chǎn)散熱器、冷板等工件300多套，氮?dú)獗Ｗo(hù)爐釬焊質(zhì)量更好。采用合理的真空釬焊工藝可以加工出滿足設(shè)計(jì)要求的平板縫隙天線，而真空釬焊的冷板的質(zhì)量相比于空氣爐釬焊有明顯提高，對(duì)于尺寸大、質(zhì)量要求高的工件采用真空釬焊工藝是合適的。
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