铝合金散热器真空钎焊及热处理工艺分析

袁明富

（扬州恒星精密机械有限公司，江苏 扬州225000）

铝合金散热器是以铝合金为原材料制备而成的散热设备，以其适应能力强、质量轻、热传导效率高、结构紧凑等优势，在日常生活与生产中得到广泛应用。随着铝合金散热器需求量的不断提升，以及经济建设与社会发展过程中对能源利用要求的不断提高，散热器高性能化、轻量化、低成本化成为必然趋势，是当前生产企业以及相关研究人员关注与思考的重点问题。

1 铝合金散热器真空钎焊工艺分析

1.1 理论分析

1.1.1 真空钎焊工艺

随着钎焊技术水平的不断提升，其方法日渐多样（如烙铁钎焊、波峰钎焊、激光钎焊、真空钎焊、气相钎焊等）可满足不同焊接需求[1]。在铝合金散热器中，真空钎焊的综合效益较好。相对于传统铝合金散热器焊接工艺而言，真空钎焊优势具体体现在：（1）适应性强，能够在铝、铝合金、合金钢、铜等众多材料中运用，可有效满足铝合金散热器设计要求；（2）无污染，真空钎焊在真空条件下进行，无钎剂使用，达到无公害、无环境污染焊接处理要求；（3）焊接质量高，钎料流动性好，湿润性强，工件不氧化，适用于结构复杂、精密度要求高等器件焊接，利于产品成品率提升[2]。

1.1.2 铝合金散热器真空钎焊影响因素

在实践操作过程中，真空钎焊出现钎料流失、焊接不到位、焊脚不饱满、原材料腐蚀、散热器结构变形、母材表面溶蚀等缺陷。

对上述问题形成原因进行探究，影响因素主要有原材料、真空钎焊温度、焊前清洗、钎焊环境、保温时间、真空度等。

1.2 实践分析

为进一步掌握铝合金散热器真空钎焊工艺，提升一次焊接合格率，以铝合金板翅式散热器真空钎焊为例，就其工工艺流程及操作要点进行了如下分析。

1.2.1 明确产品结构及其焊接要求

本研究中的铝合金板翅式散热器结构较为复杂，由封条、复合板、翅片、导流片等众多结构组成。加之，在产品设计上将封条结构进行了调整，改传统长条状结构为梯形状结构（如图1所示）。同时，真空钎焊宽度降至2.5mm，翅片厚度不超过0.2mm。这在一定程度上进一步提高了真空钎焊难度。需要在实践操作过程：（1）保证钎着率，提高钎焊接头强度；（2）钎焊密封无泄漏；（3）严格控制真空钎焊温度与保温时间，以免翅片溶蚀。

图1 铝合金板翅式散热器封条结构

1.2.2 科学选择散热器真空钎焊钎材

铝合金散热器母材选用6 系铝合金板材。该母材具有加工性能好、韧性高、抗腐蚀等优势，是工业生产中应用较为广泛的铝合金材料。

研究表示在6061 铝合金产品真空钎焊过程中，AlSi11.5Mg1.5 钎料具有加强适用性，能够满足产品真空钎焊与热处理工艺需求[3]。

本研究中最终确定以4 系铝箔钎料为铝合金散热器钎焊钎材, 钎料附着在金属材料上后形成的包裹层厚度大于0.01mm，小于0.05mm。钎料化学成分如表1。

表1 钎料化学成分（质量分数）/%

1.2.3 工艺参数科学制定与严格把控

（1）焊前零件清洗：采用具备清洗彻底、无污染、自动化控制等优势的超声波清洗法在焊前对原材料进行清洗，以达到氧化皮、浮油、油斑等有效去除目的。在此过程中蒸汽PH 值与温度分别控制在5～8、90℃～93℃，封条、复合板等零件清洗时间设置为2min，翅片清洗时间设置为3min。各零件清洗后置于无尘装配间用专用工具装配，为降低装配环境对产品钎焊质量的影响，将空气相对湿度控制在60%～70%，温度控制在（19±4）℃，装配完成后进行校对。

（2）真空度确定：真空度的精准控制是保证铝合金散热器真空钎焊质量的重要因素。通常情况下，真空炉中氧化性气体容易与钎料成分发生化学反应，生成Al2O3氧化膜，从而影响焊接质量。本研究中将工作真空度控制在1.3×10-3Pa 以内。同时，为避免加热炉开启，外界空气中水分进入炉内影响真空度。在真空钎焊设备使用前试运行一段时间。

（3）加热方式、钎焊温度与保温时间控制：运用阶梯升温法进行加热，由于产品所用母材为6 系铝合金板材（化学成分如表2），固相线温度为616℃，钎料液相线温度为600℃，故设计第一段定温360℃，保温60min；第二段定温520℃，保温60min；第三段定温570℃，保温30min；第四段定温615℃，保温20min（具体如图2）。

表2 母材主要化学成分（质量分数）/%

（4）冷却速度与出炉：冷却速度过快或过慢皆会影响焊接质量，出现接头裂纹或母材晶粒增粗问题，故选择随炉冷却，当炉温降至200℃时，开炉取件，并水冷至室温。导流片进行氩弧焊焊接。

图2 温度- 时间工艺曲线

2 真空钎焊铝合金散热器热处理工艺分析

2.1 理论分析

2.1.1 热处理工艺。随着近些年热处理工艺研究的不断深入，铝合金散热器真空钎焊热处理既可以与真空钎焊在同一热循环中完成，也可以在钎料重熔温度下完成。前者利于生产效率提升，对系统控制水平要求较高，后者钎缝质量较好，不易发生开裂、变形等问题。

2.1.2 热处理工艺要点。在铝合金散热器真空钎焊热处理过程中，固溶与时效工艺是关键环节。就固溶淬火而言，其科学运用利于铝合金性能强化，即通过影响析出相类型、状态、分布情况等，实现铝合金性能改变。

2.2 实践分析

2.2.1 试验材料。以上文中铝合金散热器真空钎焊实践分析中提到的原铝材料以及真空钎焊后样品、热处理强化后样品作为热处理工艺研究材料。

2.2.2 试验过程。利用箱式电阻炉对原铝材料、铝合金散热器真空钎焊样品等进行固溶淬火处理。为有效掌握固溶淬火工艺对铝合金散热器母材性能存在的影响，并找到最优固溶淬火工艺，设计了450℃、470℃、490℃、510℃、530℃、550℃六个保温温度，保温时间5h，室温水淬，时效处理温度180℃，时效处理时间为5h 与8h。根据《金属显微维式硬度试验方法》（GB/T 4342-1991）、《钎焊接头强度试验方法》（GB/T 11363-2008）、《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228-2010）、《变形铝及铝合金制品组织检验方法》（GB/T3246.1-2012）相关规定与要求，分析不同固熔工艺对焊缝、母材性能存在的影响。图3、图4 为不同固溶工艺+180℃/5h 时效下焊缝硬度、延伸度检测结果。图像分析发现530℃时焊缝最高强度可达到134.6HV（保温时间为3小时），焊缝延伸率受保温时间影响较大，随时间延长，焊缝延伸率下降。

图3 焊缝硬度检测

图4 焊缝延伸率检测

为准确掌握时效硬化工艺对铝合金散热器焊缝与母材性能存在的影响，并找到最佳时效制度。在确定固溶淬火工艺基础上，设计了不同时效硬化方案，分析了不同温度（120℃、150℃、180℃）下不同时间（1～17h）散热器焊缝与母材的显微组织结构与力学性能。

2.2.3 试验结果。散热器铝合金在510～530℃可获得较好固溶效果，经多次试验分析最终确定最佳固溶温度为514℃。固溶后通过水冷方式促进冷却，防止铝合金相变，避免出现晶粒粗大现象。时效硬化工艺试验研究确定时效温度为160℃，时效时间为8 小时，能够获取最佳热处理效果，促进铝合金强度（平均强度超过228MPa）、硬度（平均硬度超过79HBW）提升，满足铝合金散热器设计与生产要求。

总而言之，真空钎焊是当前铝合金散热器生产过程中应用前景较好的钎焊工艺。在实践过程中为满足铝合金散热器生产需求，应对原材料、真空钎焊温度、表面处理工艺、钎焊环境、真空度、保温时间等进行严格控制，以降低钎料流失、焊缝不连续、溶蚀等缺陷的产生，确保铝合金散热器焊接质量。同时，在明确认知热处理工艺科学运用价值的同时，能够根据铝合金散热器具体情况与生产要求，探究最适宜热处理方案，以满足铝合金散热器设计需求、后续工艺处理要求，提高散热器质量。