CN114799586A - 一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法 - Google Patents

一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，包括：(1)对于工件中铝基复合材料与铝合金的连接区域，采用真空扩散焊的方式实现密封焊接；(2)对于工件中异种铝合金组成的液冷微通道不等厚度接头区域，采用真空电子束焊接的方式实现精密焊接，并在焊接后通过动态循环加热技术(散焦处理)实现焊缝区域位置应力的松弛。本发明采用真空扩散焊、真空电子束焊接和散焦处理的组合工艺方法实现铝基复合材料与铝合金以及异种铝合金之间的高质量连接，固相焊与熔焊的工艺结合兼顾了彼此的优点，可避免焊后出现脆性相、增强相偏聚、气孔等缺陷，能保证复合构件彼此之间连接的结构强度、气密性及质量稳定性，实现复合构件电子封装气密和液冷散热的多功能结合。

Description

一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法
技术领域
本发明涉及微通道液冷散热和电子封装铝基复合材料连接技术领域，具体而言，涉及一种多功能复合构件(铝基复合材料(Al50Si)与铝合金连接以及不同铝合金(6063+5A06))连接与去应力的组合工艺方法。
背景技术
铝基复合材料具有密度低、强度高、比强度高、比刚度高、谐振频率高等优点，在航空航天、交通运输、工程机械、电子信息等领域有广泛的应用价值。但由于增强相和铝之间的较大差异导致该种复合材料的连接技术面临着巨大的挑战，特别是焊接性差等问题，依然严重制约了铝基复合材料在工程中的使用。铝基复合材料的连接方法主要包括熔化焊、固相焊、钎焊。沈阳工业大学安振之等人采用TIG焊对铸造Al-Si合金(Si，6.5％～7.4％)进行焊接试验，可获得晶粒较细，力学性能较好的焊缝。大连交通大学蔡亮等人采用合理的工艺参数下，实现AlSi14高硅铝合金同种材料的搅拌摩擦焊接。哈尔滨工业大学许志武《焊接铝基复合材料和钛合金使焊缝金属间化合物颗粒弥散强化的钎焊方法CN110860754A》发明利用超声波作用下液态钎料的声空化作用实现对钛合金的快速表面改性，完成超声焊接，获得的接头强度可达70MPa以上。长春理工大学石岩《一种焊接辅助试剂及其应用和一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接方法CN111151923A》发明提供的焊接辅助试剂喷涂在待焊接工件焊接坡口表面，然后进行焊接，相对于不喷涂所述焊接辅助试剂的焊接的抗拉强度提高了9.39～11.10％。在铝合金微通道液冷领域，目前主流的方法是采用真空扩散焊或者真空钎焊实现微小流道零件间的焊接，在微小通道焊接时针对焊接应力与变形的控制方面主要采用热处理去应力，尚无创新成熟技术应用。
目前，现有的铝基复合材料与铝合金、微通道液冷流道铝合金间的连接方法，具有诸多不足：
(1)由于Al50Si材料与铝合金性能差异较大，采用常规熔焊方法存在界面反应增强相易偏聚(分布不均)、严重的冶金不相容性、焊缝成形差、易产生气孔和裂纹等缺陷、接头性能低难以达到使用要求、焊后容易产生残余应力等问题。
(2)搅拌摩擦焊属于固相焊接，焊接温度均低于材料熔点。对于铝基复合材料Al50Si和6063铝合金的连接结构，也可采用搅拌摩擦焊，但是由于Al50Si材料较脆，大面积的完全采用搅拌摩擦焊容易造成铝基复合材料破碎，气密性无法满足GJB548B要求，同时产品制造成品率低，成本高。
(3)要实现Al50Si与铝合金的钎焊，需要研制或选择合适的钎料、钎剂，采用焊接辅助试剂、加入激光或者超声辅助等措施。由于钎焊自身局限性，焊缝钎料往往是铝基复合材料与铝合金接头的薄弱环节，断裂形式也多为脆性断裂，并存在力学性能较低的问题，强度和密封很难达到产品技术要求。同时，钎焊缝的防腐蚀处理暂无好的解决措施，无法满足产品长期可靠性要求。
(4)对于微通道液冷流道铝合金间的连接方法，目前主流的焊接方法有钎焊、扩散焊，但因为液冷内腔流道很窄、齿片高度不足1mm，钎焊往往造成流道堵塞从而影响到流阻以及后续液冷内腔钝化处理，而扩散焊因为要在高温下(500～600℃)施加高压，对于微通道的产品很难精确控制，易造成工件微小流道变形严重，后续流阻增大，影响到产品散热。
(5)对于熔焊的微通道液冷流道产品，主要采用热处理进行低温去应力控制焊接变形，但效果不明显，且针对异种铝合金之间的构件在选择热处理规范时难以兼顾不同材质的特性影响，去应力效果将大大降低。
综上可知，由于铝基复合材料的增强相与铝基体物理性能的巨大差异，使得铝基复合材料与铝合金的焊接工艺参数难以控制，采用熔化焊、钎焊进行铝基复合材料和铝合金的焊接存在较大的困难，主要表现为接头区域在热和力的作用下增强相及其与基体的界面可能被破坏、裂纹缺陷和焊接气孔超标，进而带来气密性差、电镀效果不理想等影响。另外，在实现散热的微小通道连接方面，钎焊和扩散焊往往造成流道堵塞严重、液冷内腔流道腔无法实现防腐蚀钝化处理以及焊接变形较大、流阻偏大且一致性差，采用钎焊或者扩散焊方法均很难保障各方面的性能要求。
为解决以上不足，亟需提供一种既能保障铝基复合材料(Al50Si)与铝合金连接强度和气密等性能要求，同时又方便实现铝合金液冷微通道可靠连接和制造的新方法。这将为多功能复合构件(异种材料)连接技术的提升提供支撑，为电子封装以及液冷散热等相关铝基复合材料产品的质量和性能提供保障。
发明内容
本发明旨在提供一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，以克服上述现有技术所存在的缺点和不足，提升多功能复合构件的质量可靠性。
本发明提供的一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，包括：
(1)对于工件中铝基复合材料与铝合金的连接区域，采用真空扩散焊的方式实现密封焊接；
(2)对于工件中异种铝合金组成的液冷微通道不等厚度接头区域，采用真空电子束焊接的方式实现精密焊接，并在焊接后通过散焦处理实现焊缝区域位置应力的松弛。
在一些实施例中，在采用真空扩散焊的方式实现密封焊接后，需要进行热处理强化。
在一些实施例中，所述热处理强化包括固溶淬火和时效处理。
在一些实施例中，所述固溶淬火的方法为：
将密封焊接后的工件在520～530℃的环境中保温60～80分钟，然后再采用氮气进行急速冷却。
在一些实施例中，所述时效处理的方法为：
将工件在固溶猝火后的一定时间内放置在170～180℃的环境中保温8～10小时，然后再自然冷却。
在一些实施例中，当进行真空电子束焊接时，高压枪发出的电子束流需偏向厚度较大的工件一侧一定距离S。
在一些实施例中，距离S的范围为0.1～0.2mm。
在一些实施例中，所述散焦处理的方法为：
将高压枪发出的电子束流的束斑放大，形成一个仅具有加热作用而不融化金属的工艺条件，实现焊缝区域位置应力的松弛。
在一些实施例中，所述电子束流的束斑放大到直径为0.5～1.5mm。
在一些实施例中，所述不等厚度接头区域是指不等厚度比大于13:1的焊接接头区域。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明采用真空扩散焊、真空电子束焊接和动态循环加热缓解应力变形技术(散焦处理技术)的组合工艺方法实现铝基复合材料(Al50Si)与铝合金(6063)以及异种铝合金(6063+5A06)之间的高质量连接，固相焊与熔焊的工艺结合，兼顾了彼此的优点，可避免焊后出现脆性相、增强相偏聚、气孔等缺陷，能保证复合构件彼此之间连接的结构强度、气密性及质量稳定性，实现了复合构件电子封装气密和液冷散热的多功能结合。
2、本发明中的真空扩散焊方法可使铝基复合材料和铝合金之间达到良好的界面结合，连接质量好，材料变形小，强塑性和散热等性能好，且焊缝可实现镀金处理，稳定性好，气密性满足GJB548B要求。该方法本身操作简单，成本低廉，容易实现工业化批量规模生产，可大幅提升铝基复合材料与铝合金连接结构的在电子封装等应用领域的应用前景和价值。
3、本发明中的真空电子束焊接结合动态循环加热缓解应力变形技术的处理方法，可使异种铝合金材质组成的液冷微小通道，尤其是不等厚度接头(不等厚度比大于13:1)形成可靠的冶金结合，焊缝整体质量满足GJB1718A-2005标准I级焊缝要求，微通道耐压值可达7MPa，散焦处理后构件的应力水平和变形具有明显的降低。
4、本发明的组合工艺方法可以尽可能的避免采用传统钎焊进行铝基复合材料与铝合金连接后产生的结合不良等薄弱区域，进而导致连接强度低、电镀性差、气密性不合格等问题，降低产品报废风险。同时也可以尽可能的避免采用单一扩散焊或钎焊进行异种铝合金微通道连接时产生的流道变形大、流道堵塞，进而导致成品率低、产品技术指标不满足要求等问题，降低产品报废风险。
5、本发明中后续处理采用的电子束动态循环加热缓解应力变形技术可有效控制焊接应力及变形，提高了结构的长期可靠性，且方法操作简单，无需制作特殊工装，容易实现，具备较好的应用前景和价值。
6、本发明中的真空电子束焊接结合动态循环加热缓解应力变形技术的处理方法，可满足指标要求较高的常规耐压(2.5MPa)、循环压力(0～0.9MPa循环60000次)和爆破压力(不低于6MPa)产品试制，尤其针对不等厚度的异种铝合金(不等厚度比大于13:1)组成的液冷微小通道具有很大优势，连接效果更明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法的流程图
图2为本发明实施例的T型接头的铝基复合材料的结构示意图。
图3为本发明实施例的斜边型接头的铝基复合材料的结构示意图。
图4为本发明实施例的将装配完成的工件放入真空扩散焊接设备中进行真空扩散焊的结构示意图。
图5为本发明实施例的多功能复合构件中隐去5A06盖板的结构示意图。
图6为本发明实施例的多功能复合构件进行真空电子束焊的结构示意图。
图7为本发明实施例的多功能复合构件进行散焦处理的结构示意图。
图标：1-压头、2-底板、3-滑块、4-压块、5-铝合金、6-铝基复合材料、7-液冷微通道、8-电子束流、9-束斑。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例主要是针对铝基复合材料(Al50Si)与铝合金(6063)的连接，探讨更为有效的固相焊接方法，针对异种铝合金(6063+5A06)液冷密封连接，尤其是不等厚度接头(不等厚度比大于13:1)的密封连接，创新更加精密的熔焊方法和动态循环加热缓解应力变形技术，将不同焊接工艺结合在一起或探索新型的焊接工艺和技术来解决铝基复合材料与铝合金连接以及液冷散热流道的焊接问题。如图1所示，本实施例提出一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，包括：
(1)对于工件中铝基复合材料(Al50Si)与铝合金(6063)的连接区域，采用真空扩散焊的方式实现密封焊接；
在一些实施例中，在采用真空扩散焊的方式实现密封焊接后，需要进行热处理强化。所述热处理强化包括固溶淬火和时效处理。其中：
所述固溶淬火的方法为：
将密封焊接后的工件在一定温度环境中保温一段时间，然后再采用氮气进行急速冷却。
所述时效处理的方法为：
将工件在固溶猝火后的一定时间内放置在一定温度环境中保温一段时间，然后再自然冷却。
(2)对于工件中异种铝合金组成的液冷微通道不等厚度接头区域，采用真空电子束焊接的方式实现精密焊接，并在焊接后通过散焦处理实现焊缝区域位置应力的松弛。
在一些实施例中，当进行真空电子束焊接时，高压枪发出的电子束流需偏向厚度较大的工件一侧一定距离S，以实现异形闭合回路的精密焊接。
在一些实施例中，所述散焦处理的方法为：
将高压枪发出的电子束流的束斑放大，形成一个仅具有加热作用而不融化金属的工艺条件，实现焊缝区域位置应力的松弛，从而实现焊接应力与变形的控制，保证多功能复合构件的封装气密和散热密封焊接。
示例1：
步骤1，将多功能复合构件中的工件加工成所需尺寸，包括铝基复合材料、铝合金以及异种铝合金等；铝基复合材料可以是如图2所示的T型接头，或如图3所示的斜边型接头。
步骤2，对加工完的工件进行焊前清洗；
步骤3，将铝基复合材料工件放入铝合金工件相匹配的槽中；
步骤4，如图4所示，将装配完成的工件放入真空扩散焊接设备中进行真空扩散焊。真空扩散焊设备包括底板2和相匹配的压头1，装配完成的工件放在底板2和压头1之间，并采用若干滑块3和压块4填充。由此真空扩散焊设备上压头对铝合金5施加压力，使铝基复合材料6和铝合金5接触的环形曲面完成真空扩散焊；
步骤5，完成真空扩散焊后进行热处理强化：
将密封焊接后的工件在520℃的环境中保温80分钟，然后再采用氮气进行急速冷却。
将工件在固溶淬火后的2小时内放置在170℃的环境中保温8小时，然后再自然冷却。
步骤6，如图5、图6所示，将异种铝合金(6063+5A06)的盖板装配在液冷微通道上，对液冷微通道不等厚度接头区域采用真空电子束焊接的方式，高压枪需偏向厚度较大的工件一侧0.1mm，实现异形闭合回路的精密焊接；
步骤7，如图7所示，将电子束流的束斑放大到直径为0.5mm，形成一个仅具有加热作用，而不熔化金属的工艺条件，实现焊缝整体应力的松弛，从而实现焊接应力与变形的控制；
步骤8，精加工到所需产品尺寸。
示例2：
步骤1，将多功能复合构件中的工件加工成所需尺寸，包括铝基复合材料、铝合金以及异种铝合金等；铝基复合材料可以是如图2所示的T型接头，或如图3所示的斜边型接头。
步骤2，对加工完的工件进行焊前清洗；
步骤3，将铝基复合材料工件放入铝合金工件相匹配的槽中；
步骤4，如图4所示，将装配完成的工件放入真空扩散焊接设备中进行真空扩散焊。真空扩散焊设备包括底板2和相匹配的压头1，装配完成的工件放在底板2和压头1之间，并采用若干滑块3和压块4填充。由此真空扩散焊设备上压头对铝合金5施加压力，使铝基复合材料6和铝合金5接触的环形曲面完成真空扩散焊；
步骤5，完成真空扩散焊后进行热处理强化：
将密封焊接后的工件在525℃的环境中保温70分钟，然后再采用氮气进行急速冷却。
将工件在固溶淬火后的2小时内放置在175℃的环境中保温7小时，然后再自然冷却。
步骤6，如图5、图6所示，将异种铝合金(6063+5A06)的盖板装配在液冷微通道上，对液冷微通道不等厚度接头区域采用真空电子束焊接的方式，高压枪需偏向厚度较大的工件一侧0.15mm，实现异形闭合回路的精密焊接；
步骤7，如图7所示，将电子束流的束斑放大到直径为1mm，形成一个仅具有加热作用，而不熔化金属的工艺条件，实现焊缝整体应力的松弛，从而实现焊接应力与变形的控制；
步骤8，精加工到所需产品尺寸。
示例3：
步骤1，将多功能复合构件中的工件加工成所需尺寸，包括铝基复合材料、铝合金以及异种铝合金等；铝基复合材料可以是如图2所示的T型接头，或如图3所示的斜边型接头。
步骤2，对加工完的工件进行焊前清洗；
步骤3，将铝基复合材料工件放入铝合金工件相匹配的槽中；
步骤4，如图4所示，将装配完成的工件放入真空扩散焊接设备中进行真空扩散焊。真空扩散焊设备包括底板2和相匹配的压头1，装配完成的工件放在底板2和压头1之间，并采用若干滑块3和压块4填充。由此真空扩散焊设备上压头对铝合金5施加压力，使铝基复合材料6和铝合金5接触的环形曲面完成真空扩散焊；
步骤5，完成真空扩散焊后进行热处理强化：
将密封焊接后的工件在530℃的环境中保温60分钟，然后再采用氮气进行急速冷却。
将工件在固溶淬火后的2小时内放置在180℃的环境中保温9小时，然后再自然冷却。
步骤6，如图5、图6所示，将异种铝合金(6063+5A06)的盖板装配在液冷微通道上，对液冷微通道不等厚度接头区域采用真空电子束焊接的方式，高压枪需偏向厚度较大的工件一侧0.2mm，实现异形闭合回路的精密焊接；
步骤7，如图7所示，将电子束流的束斑9放大到直径为1.5mm，形成一个仅具有加热作用，而不熔化金属的工艺条件，实现焊缝整体应力的松弛，从而实现焊接应力与变形的控制；
步骤8，精加工到所需产品尺寸。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，包括：
(1)对于工件中铝基复合材料与铝合金的连接区域，采用真空扩散焊的方式实现密封焊接；
(2)对于工件中异种铝合金组成的液冷微通道不等厚度接头区域，采用真空电子束焊接的方式实现精密焊接，并在焊接后通过散焦处理实现焊缝区域位置应力的松弛。
2.根据权利要求1所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，在采用真空扩散焊的方式实现密封焊接后，需要进行热处理强化。
3.根据权利要求2所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述热处理强化包括固溶淬火和时效处理。
4.根据权利要求3所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述固溶淬火的方法为：
将密封焊接后的工件在520～530℃的环境中保温60～80分钟，然后再采用氮气进行急速冷却。
5.根据权利要求4所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述时效处理的方法为：
将工件在固溶淬火后的一定时间内放置在170～180℃的环境中保温8～10小时，然后再自然冷却。
6.根据权利要求1所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，当进行真空电子束焊接时，高压枪发出的电子束流需偏向厚度较大的工件一侧一定距离S。
7.根据权利要求6所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，距离S的范围为0.1～0.2mm。
8.根据权利要求6所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述散焦处理的方法为：
将高压枪发出的电子束流的束斑放大，形成一个仅具有加热作用而不融化金属的工艺条件，实现焊缝区域位置应力的松弛。
9.根据权利要求8所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述电子束流的束斑放大到直径为0.5～1.5mm。
10.根据权利要求1所述的多功能复合构件连接与去应力的组合工艺方法，其特征在于，所述不等厚度接头区域是指不等厚度比大于13:1的焊接接头区域。
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