铝波导手工钎焊工艺研究

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【摘 要】在铝合金（3A21）试片及铝波导手工钎焊试验的基础上，分析了焊接过程中填缝不良、基材过烧及局部溶蚀等缺陷的形成原因。通过对缺陷形成原因的分析，总结出提高铝合金手工钎焊工艺的改进措施，并得到成形良好的钎缝。

【关键词】铝波导；3A21铝合金；钎焊；过烧；溶蚀

0 引言

波导作为雷达、导航产品不可或缺的高频器件，已得到广泛应用[1-3]。目前所应用的波导大多采用铜合金制造，而铝合金由于密度小、热导率及电导率高、成本低、电性能优良等特点，已被市场所广泛接受。随着设备对减重、增强机动性等方面的需求增加，铝波导已成为铜波导的最佳替代品。

火焰钎焊作为波导成形的常用技术之一，已被广泛采用。然而铝合金手工火焰钎焊相比铜合金，成型难度更大、要求更高，主要体现在两个方面：1）焊接温度不易控制：钎焊铜合金时，加热温度可以通过观察被加热区域的颜色变化进行判断，进而掌握填充钎料的时机，而铝合金在加热时基体颜色不发生任何改变，待焊区域的温度很难判断，加热不当温度过低易造成填隙不良、基材过烧、溶蚀等；2）钎剂在加热过程中挥发快，易导致钎剂过早失效，进而造成虚焊等缺陷。本文通过试验及分析，介绍了铝波导手工钎焊易出现的常见缺陷及解决措施。

1 试验过程

1.1 试验方法

由于铝波导手工火焰钎焊难度较大，本文确定了以下试验方法：

1）试片焊接：通过试片焊接，掌握铝合金手工钎焊操作技巧，如温度控制、填料时机等。

2）波导焊接：通过波导管与法兰盘焊接，摸索厚度不均匀结构焊接参数及操作技巧。

3）取样方法：采用线切割方法，在垂直于波导管与法兰钎缝方向上切割断面，观察钎缝内部成型情况。

1.2 试验材料

试片材料：铝锰系合金3A21，试片尺寸：≠2.85×100×24mm；接头形式：搭接。

铝合金波导：含波导管、平法兰和扼流法兰。其中波导管为3A21铝型材，平法兰和扼流法兰分别由3A21板材和棒材加工而成。

钎料选择：HL400，配用钎剂QJ201。

1.3 清洗

施焊前对铝合金试片及波导管、法兰盘进行碱洗[4]（在60℃的质量分数为5%NaOH溶液中浸渍10～15s）去除表面氧化膜及油污，清水冲洗，在稀HNO3+0.5～5%体积分数的HF溶液中浸渍3～5min，清水反复冲洗后，烘干。

1.4 装配

法兰采用毛刺定位，并保证与波导管间的装配间隙为0.08～0.12mm。

1.5 焊接

采用氧乙炔火焰焊炬在清洗后8h内进行施焊。

1.6 焊后清洗

焊后使用溶液（HNO3：HF：水（体积比）=1：0.06：9）浸渍零件10～15min去除残留钎剂，清水冲洗残留酸液。

2 结果及分析

2.1 试片钎焊结果与分析

搭接试片抗剪强度试验结果详见表1所示。

表1 试片抗剪强度试验

由表1抗剪强度可计算出搭接试片的抗剪强度平均值为80.1 MPa，搭接试片全部断裂在焊缝位置。3A21铝合金的抗剪强度在69.6～92.8MPa，可见焊缝的剪切强度已接近母材剪切强度，可以满足设计要求。

2.2 波导管钎焊结果与分析

1）钎料填缝不良缺陷，如图1所示。

图1 焊缝处出现的填隙不良

原因分析：钎焊时，对待焊区域的加热温度需严格控制，尤其在钎焊不等厚材料时，加热不当易造成薄壁侧温度过高发生过烧，而厚壁侧则因温度达不到钎焊温度，使钎料无法填隙；另外，铝钎焊时，过早填加钎剂，易造成钎剂提前挥发、失效、降低活性，影响钎料润湿、铺展、填隙能力。因此在加热时，应注意以下几点：1）应使火焰在焊缝整个截面两侧来回移动，整体加热；2）在钎焊不等厚材料时，还应使火焰偏向厚壁侧基材，避免温度不均；3）不易过早填加钎剂，需对基材预热至450℃左右时，用丝状钎料蘸取钎剂，随钎料一并加热、填加；4）加热时不要将火焰正对钎剂，以免钎剂发生过热挥发、失效。

2）局部过烧熔化缺陷，如图2所示。

图2 波导内壁局部过烧熔化

原因分析：钎料熔点为580℃，而母材熔点温度为654℃，两者熔点仅相差74℃，火焰温度3000℃左右，对零件稍有加热不均匀时，即出现零件熔化现象。工艺改进措施：在加热过程中，可以通过判断钎剂颜色的变化，即由白色变为暗灰色润湿焊缝时应立即填加钎料并均匀加热，直至钎料填满整个焊缝，迅速移开火焰，避免加热时间过长造成母材熔化。

3）局部熔蚀缺陷，如图3所示。

图3 法兰局部熔蚀

原因分析：由于钎料为铝硅共晶体，钎料与母材固溶度较大，当加热温度过高、时间过长时，易与母材过分互溶，导致熔（下转第112页）（上接第76页）蚀。工艺改进措施：当温度达到钎焊温度时，钎料应由长焊缝一端加入，当钎料开始熔化时，迅速沿钎焊加热方向移动送进钎料，避免往复式送进，同时焊枪应抬高10 mm左右，使零件和焊缝温度不致过高。

3 结论

通过对3A21铝合金试片和波导进行了铝合金手工火焰钎焊试验，总结了产生填缝不良、过烧熔化及溶蚀等缺陷的原因，提出了铝合金手工钎焊的工艺改进措施，如下：

1）在钎焊加热时，应使火焰在焊缝整个截面两侧来回移动，火焰偏向厚壁基材，避免正对钎剂，以免钎剂发生过热失效，可减少填缝不良的缺陷。

2）可通过判断钎剂颜色的变化，来把握填料时机，应迅速填加钎料均匀加热，避免加热时间过长造成母材熔化。

3）填加钎料时，钎料应由长焊缝一端加入，当钎料开始熔化时，迅速沿钎焊加热方向移动送进钎料，避免往复式送进，同时焊枪应抬高10mm左右，可使零件和焊缝温度不致过高，避免溶蚀现象的发生。

【参考文献】

[1]梁宁，田艳红，宫继承.铝合金微波组件真空钎焊技术的应用研究[C]//制造业数字化技术-2006中国电子制造技术论坛文集.2006.

[2]铝合金真空硬钎焊缺陷分析与消除措施[J].真空电子技术，2009（2）：38-40.

[3]黄安海，梁宁，李元生.高精度复杂波导组件的焊接技术研究[J].雷达科学与技术，2001（01）.

[4]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].北京：机械工业出版社，2008.