6063 铝合金散热器真空钎焊后基材强度提升探索

王一焱，董阳华，尹东海

（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025）

直流输电工程具有输送容量大、输电距离长、技术先进，优势明显的特点，核心器件在正常运行时通过晶闸管的大电流产生大量的热量，使晶闸管、电抗器等元件温度急剧上升。为防止这些元件因温度过高而损坏，对各个元器件的冷却十分重要。水冷散热器便是冷却的关键元件，其质量和性能直接关系到整阀运行。随着需求提高，在满足原有散热性能需求的基础上，还需散热器表面强度足够承受压力防止变形进而避免影响散热效果。因此提升钎焊后散热器表面强度势在必行。

本文通过在工艺过程中增加一道热处理工序，并比对了原材料、钎焊后和热处理后材料的力学性能和金相组织。试验结果证明，热处理后散热器的表面强度有效提高，为后续工艺及生产提供一定参考。

1 工艺方案优化

散热器经真空钎焊后，其表面经机械加工后使用。但经过真空钎焊过程后强度明显下降，产品性能不能满足工程现场的承压及强度要求。

6063 铝合金为6 系中等强度铝合金，焊接性能优良，可进行热处理[1]。供货6063 铝合金为T6处理状态，该铝合金抗拉强度为215MPa[2]，其强度满足工程配件使用要求。

考虑6063 铝合金为可热处理强化铝合金，为了增强钎焊后散热器基材强度，优化工艺方案，钎焊后增加热处理工序。

6063 铝合金可在510～530℃左右达到良好的固溶效果，几经优化后选用518℃作为固溶温度，因散热器最厚处可达45mm，为保证固溶效果，固溶时间定为大于等于5 小时；固溶后考虑防止相变及使晶粒尽量细小，防止晶粒粗大，采用水冷方式进行冷却以加快冷却速度。固溶后的时效处理非常关键，时效不仅可使强化项弥析出、扩散到基材中，还可释放应力。为达到最佳的热处理效果，时效温度选为160℃，时效时间定为8h，时效后采用空冷方式冷却。

2 试验过程及分析

试样选取分别为原铝材、真空钎焊样品及随炉试样（随炉试样为与散热器尺寸一样的铝型材）和焊接后热处理强化试样，分别进行力学性能测试[3]及金相组织分析。

力学测试试样根据GB/T 228.1-2010 《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》取样，按照板材拉伸试件制样，试样尺寸为表1 所示。试样宽度15mm，厚度4mm。

6063 铝合金原材抗拉强度如表1 所示。

钎焊后铝材抗拉强度如表2 所示。

布氏硬度如表3 所示。

表1 铝合金原材抗拉强度

表2 钎焊后铝材抗拉强度

表3 铝合金原材布氏硬度

由原材的抗拉强度及钎焊后铝合金抗拉强度、布氏硬度可知，铝合金原材抗拉强度平均值为216.055MPa，基本符合查表数值，而钎焊后铝合金强度平均值为98.608MPa，钎焊后强度大幅下降，不到原材的一半；原材硬度平均值为66.525（HBW），钎焊后硬度平均值为33.407（HBW），也为原材的一半。

可见，经过钎焊后的铝合金强度、硬度均大幅下降，可以把该过程看做材料的退火过程，不能满足现场使用要求。

为使材料性能进一步提升，达到基本等同于原材的各项性能指标，改进工艺流程后，增加了钎焊后热处理工序。热处理后再次进行产品性能测试，依照前试验，分别进行了抗热处理后材料的拉强度和硬度测试，测试数据如表5 和表6 所示。

热处理后材料布氏硬度如表6 所示。

表4 钎焊后铝材布氏硬度

表5 热处理后铝材抗拉强度

表6 热处理后铝材硬度

经过力学性能测试后发现增加热处理工序后，铝合金抗拉强度平均值可达到228.566MPa；硬度平均值也达到79.66（HBW），两个性能指标均较钎焊后的材料翻倍提升，甚至略高于原母材的强度和硬度。

可见改进工艺流程，增加钎焊后热处理强化工序可达到预期效果，产品性能可比肩原材性能，完全满足设计及使用要求。

为了进一步研究其过程及机理，分别观察了母材、钎焊后材料及增加热处理工序材料的组织。取三个工艺阶段的试样，分别制成标准金相试样后在金相显微镜下观察。

原材为6063 铝合金，T6 处理为固溶热处理后进行人工时效，由金相组织可以看出，该状态铝合金组织晶粒大小均匀，强化相均匀、细小，这样从根本上解释了该材料具有较高的强度和硬度的原因。

图1 原材组织

将钎焊过程看成是一次退火过程，退火后强度和硬度均会大幅下降[4]。由图2 钎焊后的金相组织可看到，经过钎焊过程，铝合金晶粒变粗大，细小相长大、合并且呈现分布不均的状态，显微组织的变化引起了材料性能的变化，力学性能试验也印证了这一点。钎焊后的抗拉强度和硬度均大幅下降。

为提升钎焊后产品力学性能，采取热处理工艺，由图3 可见，热处理后强化相变小，分布逐渐均匀化，固溶和时效工艺使得析出的强化相重新弥散、析出，增加了基体组织的强度。

图2 钎焊后基材组织

图3 热处理后基材组织

3 结论

本文研究了6063 铝合金钎焊后强度提升及相应的热处理技术，得出了以下结论：

（1）6063 T6 铝合金散热器钎焊后硬度、强度均大幅下降，可看成是退火过程。

（2）钎焊后采用518℃固溶，保温5 小时以上；再经160℃，保温8 小时后空冷的热处理工艺后，材料的强度、硬度均明显提高，甚至略高于原材。

（3）经过热处理后散热器满足设计及工程使用需求。