方舱铝合金门框钎焊工艺研究

                        西北工业大学  摩擦焊接陕西省重点实验室                  赵征，李京龙

                          航天科工集团二院210所                         苏生华

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摘要：针对方舱用6063铝合金门窗框的焊接成型工艺进行了研究。通过对焊接材料、焊接规范、焊接工装等方面进行的试验和分析，确定了6063铝合金门窗框的钎焊采用无腐蚀性的Al-Si合金铝钎焊药芯焊丝作为钎料，梅花形焊嘴配合汽油火焰作为加热热源的焊接工艺方法，并通过有限元分析的结果设计了简单易用的焊接工装以控制焊接变形。对钎焊接头进行了外观变形、尺寸测量和剪切强度测试实验，结果表明，该钎焊工艺过程有效保证了铝合金门窗框的焊接质量，满足了使用要求。

关键词：6063铝合金；门框；钎焊工艺

中图分类号：TG115.28

0前言

铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性， 同时还具有良好的成形工艺性和良好的焊接性，因此成为在航天工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。由于它特有的物理、化学性能，其焊接过程中会遇到一系列困难，如氧化、焊缝热裂纹和气孔等。对于铝合金的焊接，传统的方法主要以熔化焊接为主，但设备相对复杂，且对焊工的技术要求比较严格。钎焊作为铝合金连接的重要方法，具有钎焊件变形小、尺寸精度高等优点，近年来在我国得到很广泛的应用^[1]。

方舱是可移动的集装箱式工作间，可以为人员和设备仪器提供适宜的环境和保护。由于它具有重量轻、强度高、刚度大、密封性好、隔热性好、机动性好、外观质量好等优点，该项技术在军用和民用领域都得到了广泛的应用。屏蔽方舱作为方舱的一种类型，由于它具有电磁屏蔽的特性，并且具有良好的机动性能，作为移动式的电磁屏蔽工作间，它的应用范围更加广泛。由于方舱的门框采用铝合金型材制造，所以大尺寸门框的成型工艺成为屏蔽方舱制造的难题之一。

1.6063铝合金钎焊工艺性分析

为了满足屏蔽要求，高性能电磁屏蔽方舱门窗型材的结构比较复杂，同时要求门窗在焊接完成后所有结合面都实现电气导通。锻铝6063具有很好的机械性能，适合制作截面复杂的型材，成为制造屏蔽门窗的理想材料。但是铝及铝合金与其它合金不同，它的表面有一层致密的Al₂O₃氧化膜，这种氧化膜稳定性很高，熔点高达2300℃左右，严重妨碍焊接过程的进行。而铝及其合金的熔点却很低，只有660℃左右，它与表面的Al₂O₃氧化膜相比，一个熔点非

常高，一个又非常低，并且熔点高的将熔点低的包在里面，便造成了焊接的困难性。除此之外，铝及其合金在焊接加热过程中，颜色变化不明显，使得焊接操作更加困难^[2]。

对于铝型材门窗的焊接，钎焊是一种合宜的选择。设备简单、操作方便的火焰钎焊作为一种重要的焊接方法，它是利用钎料熔点比母材低的特点，将母材加热到高于钎料熔点20～50℃，这时母材不熔化，借助钎剂去除氧化膜，而熔化的钎料在两母材所需要焊接的缝隙中湿润、漫流，然后与两母材相互溶解、扩散，冷却凝固后将两母材焊为一体。因其焊接过程中母材不熔化，避免了熔焊过程中的晶粒长大、溶蚀等现象，成为屏蔽方舱门窗焊接的理想选择。

2.方舱铝合金门框钎焊工艺

2.1焊接设备

方舱铝合金门窗框的钎焊，采用汽油气钎焊机，并在钎焊时采用梅花形焊嘴。用汽油火焰作为加热热源，主要是因为汽油火焰温度低、柔和、分散面大，不容易烧伤母材，利于钎焊加工。而梅花形焊嘴能够使火焰在钎焊面呈分散状，加热速度快，热量较为分散，不易烧伤母材，保证了较好的焊接质量。

2.2焊接材料

钎焊铝合金一般采用Al—Si共晶系合金添加微量稀土元素，将其熔点降到550℃左右的钎料。这种钎料焊出的接头强度高，抗裂性能好^[3]-[5]。

方舱铝合金门窗框的钎焊采用Al-Si合金铝钎焊药芯焊丝（钎料中心包含焊剂），其成分如下表1所示。该焊丝为无腐蚀性焊丝，钎剂为氟铝酸钾盐，其中钎剂占药芯焊丝总重量的30%。

表1 Al—Si共晶系合金铝钎焊焊丝合金成分

 

在Al—Si合金共晶组织中，Si相在铸态下呈现卷曲的片状，金相截面呈线状，其力学性能不佳，但能接受其它合金元素的变质处理，使得Si相变成树枝状，金相截面成蠕状，再经一定的保温处理Si相会进一步变成球粒状。变质的钎料在钎焊后仍能保持某些变质结构，使得钎缝的强度大大提高。除此之外，钎焊后的冷却速度也会影响到Si相的组织形态。随着冷却速度的加快，Si相组织将会进一步细化^[6]。但是，不能为了追求快的冷却速度，而对钎焊刚刚结束的钎缝采用水冷的方法进行冷却，这会引起很大的激冷变形。

氯化物钎剂的吸湿性不但使得它保管和使用不便，而且焊后的清洗十分费事并有废水的污染。而氟铝酸盐钎剂粒度细、比表面大，在水中溶解度很小，易在水中悬浮，且不含游离的KF，无腐蚀性。通常情况下，氟铝酸盐钎剂不适合于火焰钎焊，这是因为可燃气体燃烧后的废气主要是水蒸气，而高温使得KAlF₄水解，氧化铝残渣增多，要费很多的钎剂才能完成钎焊且接头不美观。有经验的焊工常在焊接前将工件充分预热，尽量缩短火焰和钎剂的接触时间才能获得较满意的接头。方舱铝合金门窗框的钎焊由于采用药芯Al-Si焊丝，这样的焊丝在焊接前不用在工件表面涂抹钎剂，当预热温度达到钎焊温度时直接将焊丝加到焊缝处，使焊丝熔化，钎剂去除氧化膜、钎料漫流入缝，这在很大程度上缩短了火焰和钎剂的接触时间，使得火焰钎焊在使用氟铝酸盐钎剂时具有了理想的工艺性。

2.3 变形控制

由于焊接热加工过程中加热的不均匀性，不可避免的存在焊接变形问题，必须设计实用的焊接工装，以保证有效地解决成型门窗的“鼓肚”变形现象。针对焊接过程的热变形，进行了下述有限元计算。铝型材的三维图样如图1所示。

在计算机有限元数值模拟过程中，假设1700mm铝型材一端固定，另一端加热到590℃，经过热稳定过程，形成如图2所示的温度分布图和图3所示的应力分布图。在热应力的作用下，铝型材发生“鼓

 

肚”变形，变形状况如图4所示，其中变形的最大值约为0.8mm。

 

图1铝型材的三维图样

 

图2  温度场有限元分析结果

 

铝合金在焊接受热时比较软，线膨胀系数比其它金属要大约1/3，因此夹具必须采用挠性较好的材料，且尽量减少本身的体积和质量。对于火焰钎焊最好采用不锈钢或发蓝处理的钢材以免使夹具和铝合金母材在钎焊时被焊在一起。在装配时应尽量保证使焊接接头处于空气中，这可避免热量传递不均而带来的焊不透等缺陷，还可提高加热效率。

图3 热应力有限元分析结果

图4 铝型材发生焊接变形图样

工装夹具在防止焊接变形的同时也必须保证当母材达到钎焊温度时，接头之间尚留有一定的间隙。合适的间隙能保证钎料的均匀流布，避免钎缝的应力分布不均匀及夹渣等缺陷。除此之外，工装夹具对防止焊后可能出现的微裂纹也具有很重要的作用。

根据焊接变形情况和铝合金钎焊对工装夹具的要求，设计了如图5所示的工装夹具，有效保证了焊接变形控制在生产允许的范围内。

图5 焊接工装图样