铝合金波导器件表面质量分析与工艺优化

陆建军, 张权, 侯凯, 杨鑫鑫

（1.中国人民解放军空军驻上海地区军事代表室,上海 200090；2.上海无线电设备研究所,上海 200090）

铝合金波导器件表面质量分析与工艺优化

陆建军1, 张权1, 侯凯2, 杨鑫鑫2

（1.中国人民解放军空军驻上海地区军事代表室,上海 200090；2.上海无线电设备研究所,上海 200090）

某波导器件材料为LD 31铝合金,经机械加工、钎焊和化学清洗后,表面出现异常明显的晶粒形貌,电性能测试后发现驻波系数超出设计要求。使用光学显微镜观察,器件表面铝合金材料晶界已出现腐蚀现象。对出现异常的器件进行抗拉强度试验,发现抗拉强度下降了20%～30%。对器件表面测量,粗糙度大于Ra 3.2。经分析和试验验证后,对钎焊工艺进行优化,同时对化学清洗工艺进行调整,采用调整后工艺的器件未出现上述问题,电性能测试符合设计要求。

铝合金；波导器件；钎焊；化学清洗

0 引言

波导器件作为电磁波传输的通道,在各类雷达产品中应用广泛。近年来,伴随着波导缝隙阵列天线的发展,波导器件的设计结构越来越复杂,使用的材料也从铜合金转变为铝合金等轻质合金,波导器件较高的加工精度要求和后处理过程在一定程度上限制了其发展。对于一般的波导器件,表面加工精度要求能够达到Ra 1.6,毫米波波导器件则要求达到Ra 0.8,而且其形位公差也有着更加严格的要求。波导器件电性能的好坏直接影响到了雷达系统的工作效能。

1 质量现象

某波导器件使用LD 31铝合金作为母材,通过焊接的方式组合而成,需要保证焊缝无缺陷,焊根大小合适等要求,焊接方法为氮气保护炉中钎焊。焊接完成后的器件使用化学清洗方式进行清洁,最后进行导电氧化处理。某批波导器件导电氧化完成后发现表面晶粒宏观形貌明显异常并且较粗大,如图1所示。

图1 波导器件局部表面晶粒宏观形貌

使用网络测试分析仪对器件进行电性能测试,发现器件电性能中的驻波系数高于设计指标,对器件电磁波传输造成一定的能量损耗。由于波导传输腔体位于器件内部,无法进行有效观察,使用粗糙度仪对器件外表进行测量,等效内部粗糙度,发现粗糙度大于Ra 3.2,远远高于设计要求Ra 1.6。使用OLYMPUS PM3型光学显微镜对完整器件表面和切割后的器件内部进行观察,发现宏观晶粒明显的试样均有不同程度的晶界腐蚀和晶粒粗大现象,晶粒度为5～6级。将宏观晶粒明显且粗大的器件切割后制备成拉伸试样,使用SHIMADZU AG-1万能拉伸机对试样进行抗拉强度测试,发现抗拉强度下降了20%～30%,表1为不同形貌试样对应的抗拉强度。

2 材料与工艺要求

某铝合金波导器件工艺流程涉及机械加工、热加工和化学清洗等。根据表面质量问题现象,器件材料出现了晶粒粗大和晶界腐蚀的微观组织缺陷。晶粒粗大往往与原材料来料状态以及热加工过程有关,而晶界腐蚀则与化学腐蚀有关。

2.1 原材料

原材料状态为LD31-CZ状态,对晶粒度进行检查,为1级,材料成分与组织状态经检验后符合GB/T 3246.1-2000《变形铝及铝合金制品组织检验方法》要求。

2.2 焊接

波导器件的焊接方法为氮气保护炉中钎焊,将箔状焊料夹持固定在待焊面,再覆以钎剂,钎剂的作用为去除氧化膜和加强焊料流动性,将器件加热至焊料熔点以上固定温度使焊料熔化、流动并填充待焊面或缝,完成焊接[1]。该波导器件使用的焊料为箔状AlSiSn Ag Ti定制钎料,钎剂为自配无腐蚀氟氯酸钾半固态混合物。经查,焊料与钎剂的成分、浓度均符合工艺要求。器件焊接流程,如图2所示。

流程中均温段温度为550℃,保温时间5 min,其主要作用为使钎剂熔化,作用于待焊面及其周围,去除氧化膜,使焊料更好的润湿和流动。焊接段升温时间为15 min。焊接段温度为605℃,保温时间5 min,以焊料完全润湿待焊面并流动铺展为结束。焊后初清洗使用5%柠檬酸溶液将器件浸泡,去除多余钎剂和污物。

表1 试样抗拉强度

图2 波导器件焊接流程

LD31铝合金的过烧开始温度为550℃～560℃,该温度范围内或以上,材料晶粒极易长大,并易对材料抗拉强度和晶界烧损带来较大影响。

2.3 化学清洗

该波导器件焊后化学清洗的主要目的是为导电氧化进行准备工作,原有工艺要求如表2所示。

表2 某波导器件导电氧化工艺

铝合金由于在氧化或大气环境中极易形成稳定、致密的Al2O3氧化膜,通常在进行后续镀覆或导电氧化过程中必须将氧化膜去除。表3中的U152溶液实际上为碱液的低浓度混合溶液,较常规的NaOH溶液腐蚀性小,适合于精密零件的氧化膜清除。

表3 不同焊接工艺晶粒长大对比

铬酸与盐酸混合溶液对于铝合金来说,其腐蚀能力较小,不会对材料造成明显的影响。阿罗丁是波音公司发明的商用导电氧化溶液,能够使铝合金表面形成一层致密的金黄色氧化膜,提高零件在大气环境中的存放时间,同时也能够为后续的镀覆或喷涂过程起到提高结合力的作用[2]。

3 分析与解决措施

针对缺陷,对焊接过程以及化学清洗过程进行分析和试验,并提出解决措施。

3.1 焊接

为了判断550℃以上,器件不同保温段、升温段和焊接段时间对晶粒长大的影响,设计并进行了如表3所示的试验。

由表3可发现,晶粒度大小与焊接过程中550℃以上总体保温试件存在较大关系。图3为1、2、3、4号试样焊缝成型效果,如图所示。

图3 试样焊缝效果

1号试样焊缝成型良好,但漫流区域较大；2号试样焊缝成型良好,漫流区域较小；3号试样焊缝成型效果较差；4号试样焊缝成型效果良好,但有明显焊缝粗化现象。为了防止晶粒过度长大,并保证焊接质量,分析认为升温段时间可以进行缩减,2号试样工艺较为合理。

3.2 化学清洗

根据问题分析,可以发现碱液清洗环节中,最有可能对铝合金表面产生腐蚀,从而形成明显的晶粒显现,严重的甚至可以将晶界腐蚀。为此,使用晶粒度5～6级的焊接试件在U 152溶液中清洗10 s～15 s,发现试件表面已能够润水,且洁净无污,酸洗与导电氧化过程不做改变,试件制备完毕后并未发现明显晶粒显现,使用光学显微镜观察,晶界无任何腐蚀现象。

波导器件的作用是传输电磁波,电磁波在传输过程中,如果遇到与设计要求不符的阻碍或者其他杂质,电性能指标将发生变化,特别是驻波系数,反映出天线反射回发射或接收机功率的多少[3],驻波系数偏高会导致电磁波传输能力下降,影响了系统的整体性能。金属波导表面粗糙度较高会影响电磁波传输,某波导器件驻波系数不合格与表面粗糙度有较大关系。碱洗过程中,溶液将金属表面的氧化膜层腐蚀剥落,但过度清洗则会对基体造成腐蚀,宏观表现为粗糙度提高,对减少U 152溶液清洗时间的试件进行了表面粗糙度的检验,其粗糙度小于Ra 1.6。

图4中为工艺改进前后器件表面情况的照片,从图4（b）照片可以看出,表面粗大晶粒已不存在,经显微镜观察,未发现晶界腐蚀现象,表面粗糙度小于Ra 1.6,电性能测试符合设计要求[3]。

图4 工艺改进器件与原器件表面状态对比

4 结论

对于使用LD 31铝合金进行炉中钎焊的波导器件,在保证焊缝质量的前提下,焊接升温过程在时间上适当做缩短调整有益于表面质量的提高；化学清洗过程中,LD 31铝合金较容易出现晶界腐蚀现象,必须对浸渍温度和时间严格控制,将U 152溶液清洗时间缩短为10 s～15 s,器件表面质量将有较大提高。

[1] 陈祝年.焊接工程师手册[S].北京：机械工业出版社,2009：711-712.

[2] 汪定江、潘庆军、夏成宝.军用飞机的腐蚀与防护[M].北京：航空工业出版社,2006：114.

[3] 林昌禄.天线工程手册[S].北京：电子工业出版社,2002：12.

Analysis of Surface Quality and Process Optimization of Aluminum Alloy Wave-guide Device

LU Jian-jun1, ZHANG Quan1, HOU Kai2, YANG Xin-xin2
（1.Military Representative Office by PLA of SAST；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China）

Aluminum alloy wave guide device made by LD 31 aluminum alloy after mechanical fabrication,brazing and chemistry cleanout can be found that crystal appearance show obviously and VSWR is lager than design value by 1 dB.The corrosive were found on grain boundary of wave-guide device using light microscope.The material tensile strength of wave-guide device fall 20%～30%.The surface roughness was greater than Ra 3.2.Optimized brazing process and adjusted chemistry cleanout process after test and analysis.The wave guide no longer appear these problems.

aluminum alloy；wave-guide device；brazing；chemistrycleanout

TN25

A

1671-0576（2014）02-0057-04

2014-02-10

陆建军（1971-）,男,硕士,工程师,主要从事导航、制导与控制技术研究；张权（1980-）,男,本科,工程师,主要从事制导与通信技术研究；侯凯（1981-）,男,硕士,工程师,主要从事波导器件钎焊技术研究。