鋁合金外殼氣密性封裝的脈沖激光縫焊

趙 ，鄧 斌，萬喜新，王學仕，楊 金，周水清

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

近年來，隨著電子工業及航空、航天工業的迅速發展，以及電子整機和系統性能的不斷提高，對電子器件的要求越來越高，不僅要求器件體積小、質量輕，而且要求器件有很高的氣密性，能夠耐受各種惡劣使用環境下的強沖擊振動和輻照條件，能在較寬的溫度范圍和真空的狀態穩定工作，并有較長的工作壽命。因此，為了保證電子器件和組件的穩定性和長期可靠性，必須對其進行氣密性封裝。

目前，用于電子器件氣密性封裝的金屬材料有可伐合金、碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鋁硅合金、銅合金等。鋁合金具有密度小、強度高、導電率高、無磁性、耐銹蝕、熱穩定性好、易加工成形和成本低等優點，因而在航天、航空、汽車電子和動力電池等方面得到廣泛的應用。金屬外殼的氣密性封裝方法有環氧粘接法、平行縫焊、錫焊、電子束焊、激光縫焊等。激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，高輻射強度的激光束經過光學系統聚焦后，將置于激光焦點附近的加工工件進行加熱熔化并連接，形成優良焊接接頭。熔化現象能否產生和產生的強弱程度主要取決于激光作用工件材料表面的時間、功率密度和峰值功率等。激光縫焊由于具有熱影響區小、熱變形小、加工速度高、加工過程無接觸、可加工異形結構工件、可在特定保護氣氛或者真空環境下進行焊接等優點，將成為電子器件與組件氣密性封裝的主要手段。

1 試驗條件

1.1 試驗設備

試驗所用激光密封焊接設備為中國電子科技集團公司第四十八研究所研制的P02500-1/UM 型手套箱激光縫焊機，設備由激光器、手套箱、運動控制等分系統構成，如圖1 所示。

激光器系統包含德國TRUMPF 公司的TruPulse 556 Nd：YAG 固體脈沖激光器、光纖以及具有同軸CCD 顯示和照明功能的焊接頭。有試驗表明，與連續激光焊接相比，采用脈沖激光焊接鋁合金時，對焊接接頭氣孔的控制更為理想，焊縫的咬邊、塌陷、熱裂紋等缺陷較少，焊接質量更加優異，接頭的抗拉強度和焊縫組織的平均顯微硬度也要更高。運動控制系統采用CNC 數控系統實現自動控制。手套箱系統由手套箱、氣體純化裝置、XYZ 工作平臺、除煙塵裝置、水氧分析儀、真空烘箱等主要部件組成。

圖1 P02500-1/UM 型手套箱激光縫焊機

P02500-1/UM 型手套箱激光縫焊機的主要特點有：（1）進口燈泵浦YAG 固體脈沖激光器，穩定可靠；（2） 精密導軌配合交流伺服電機形成CNC 控制工作臺；（3）可根據工件的形狀進行焊接軌跡編程，自動生成工作臺運動軌跡，可實現焊接全程自動控制；（4）兩套氣體純化再生系統，可同時純化和再生，保證設備的連續正常使用。P02500-1/UM 型手套箱激光縫焊機的主要技術指標如表1 所示。

待焊接工件的材料元素含量分析采用美國熱電IRIS Advantage 1000 等離子體發射光譜儀（ICP）適用于金屬及其合金材料中微量元素的測定，可測定除C、S、N、O、H、F、Cl、Br 元素以外的所有微量元素，元素含量的測量范圍為0.01%～5%，超出測量范圍的元素需通過化學分析法檢測。已密封焊接工件的焊縫觀察采用MOTIC PSM-1000 型光學顯微鏡，判斷焊縫是否存在氣孔和裂紋等焊接缺陷。依據國軍標GJB 548B-2005方法1014.2 密封試驗程序，使用INFICON 公司的UL1000 Fab 型氦質譜檢漏儀對已密封焊接的樣品進行細檢和粗檢。

表1 P02500-1/UM 型手套箱激光縫焊機主要技術指標

1.2 試驗材料

按合金化系列，鋁及鋁合金可分為1 系（工業純鋁）、2 系（鋁- 銅）、3 系（鋁- 錳）、4 系（鋁-硅）、5 系（鋁- 鎂）、6 系（鋁- 鎂- 硅）、7 系（鋁-鋅-鎂-銅）、8 系（其他）。對于電子器件和組件的激光縫焊工藝而言，通常盒體材料選用牌號為6061 或6063 的鋁合金，蓋板材料選用牌號為4047 的鋁合金，而動力電池外殼的密封焊接主要采用牌號為3003 的鋁合金。在本試驗中，盒體與蓋板分別采用市購的標稱為6063 和4047 牌號的鋁合金材料，經等離子體發射光譜儀和化學分析法檢測，其各自化學成分和6063 以及4047 牌號鋁合金的標準化學成分含量對比如表2 所示。

試驗工件的焊接接頭采用對接的方式，工件表面未作任何鍍層、氧化或者毛化處理，蓋板厚度為1 mm，工件尺寸如圖2 所示。

1.3 試驗方法

焊接試驗程序為：待焊接工件經無水乙醇清洗后，放入真空烘箱內加熱至120 ℃并在真空環境中保持1 h，以去除工件表面吸附的水氧；充高純氮氣待烘箱內降至常溫后，將工件放至手套箱內的工作臺上并固定；根據工件尺寸編寫數控加工代碼；選取合適的激光焊接工藝參數，包括激光脈沖峰值功率、脈寬、脈沖重復頻率等；在接縫各邊上分別用點焊進行蓋板的預固定，防止焊接過程中蓋板翹曲；調用激光工藝程序，運行數控加工代碼程序，進行密封性焊接；工件從過渡箱中取出，根據相應規范進行工件的焊縫表面形貌和氣密性檢測。

表2 盒體與蓋板材料化學成分（除Al 外，質量分數，%）

圖2 試驗工件

2 試驗結果與討論

當激光束射到鋁金屬表面后，立即在鋁金屬表面產生一系列及其復雜的物理化學和冶金上的變化過程。由于鋁合金對激光反射率高，熱傳導性強，且在焊接過程中產生的光致等離子體對激光的屏蔽作用，導致焊接過程不穩定。同時，由于鋁合金內部的低熔點元素如Mg、Zn 等的存在會形成氣孔、熱裂紋等缺陷。此外，工件盒體與蓋板的裝配間隙（應≤0.06 mm）對激光縫焊也有較大的影響。總之，為了獲得良好的焊縫質量及密封效果，焊接材料、激光焊接工藝參數、焊接接頭設計、盒體與蓋板的裝配間隙等影響因素均需綜合考慮。

2.1 工件材料的影響

鋁合金屬于典型的共晶型合金，激光焊接鋁合金產生的裂紋主要是結晶裂紋, 并產生在焊縫金屬內。焊接時，在極短的時間內，工件的焊接部位從熔融到凝固過程中產生了復雜的物理化學冶金變化，金相組織也發生了變化。鋁合金的主要合金元素是Cu、Mg、Mn、Si、Zn 等，這些合金元素可以提高鋁合金的機械性能，但合金元素的種類和數量對焊接熱裂紋影響較大，焊接時合金結晶的溫度區間越寬，焊縫金屬結晶時在柱狀晶邊界形成Al-Si、Mg-Si、Al-Mg2-Si 等低熔點共晶，產生熱裂的傾向性越大。

如圖3 所示，在相同的焊接工藝參數下，采用#1 蓋板的工件其焊縫處有明顯裂紋，且裂紋沿焊縫中心處基本貫穿整個工件的焊縫，漏氣率約為1×10-4(Pa·m3)/s，達不到氣密性要求，同時在焊縫表面和熱影響區沉積黑色物質；而采用#2 蓋板的工件其焊縫沒有明顯裂紋，焊斑均勻，經細檢漏氣率基本優于1×10-9(Pa·m3)/s，完全滿足國軍標的要求。

通過對比#1 蓋板與#2 蓋板的材料內部元素成分含量發現，#1 蓋板雖然標稱的是4047 牌號的鋁合金材料，但是其中Mg 元素含量是#2 蓋板材料中Mg 含量的約280 倍，更接近于5 系鋁合金材料；而#2 蓋板材料中Si 元素含量是#1 蓋板材料中Si 含量的200 倍。#1 蓋板鋁合金材料內Mg 含量過高，焊縫金屬結晶時容易在柱狀晶邊界形成低熔點共晶，因此焊接時產生裂紋的傾向性很高。此外，采用#1 蓋板焊接后在焊縫表面和熱影響區產生的黑色物質主要含量是Mg，這是由于Mg 的沸點和蒸發熱比Al 的一般還低的緣故。#2 蓋板鋁合金材料元素成分含量與4047 牌號的鋁合金標準元素含量相近，以Si 為主要合金元素，延展性好，熔點低，熔體流動性好，且最終不會使產品產生脆性，可以防止焊縫裂紋和空洞的產生，而且它對激光的表面反射率低，使激光的利用率高。同時經過對比發現，試驗工件盒體材料中的元素含量與牌號為6063 的鋁合金材料標準元素含量接近。

圖3 實驗件焊縫圖片(均放大50 倍)

2.2 激光焊接工藝的影響

在采用脈沖激光器對工件進行密封焊接時，影響最終焊接質量的工藝參數有激光脈沖峰值功率、脈寬、脈沖重復頻率、離焦量、焊接速度、焊斑重疊率等，各項參數的選取需要綜合考慮。

2.2.1 脈沖峰值功率

激光脈沖峰值功率是決定焊縫熔深的主要因素。當其他工藝參數不變時，隨脈沖峰值功率的增大，焊縫深寬比增大。峰值功率較小時，不能提供足夠焊接熱量，蓋板和盒體不能相互熔合形成密封接頭，焊縫中心出現開裂的現象，如圖4（a）所示；但是峰值功率過大時，容易產生飛濺，且焊斑大小不均勻，如圖4（b）所示。經反復試驗，激光脈沖峰值功率設為2 200～2 500 W 時，能獲得較好的焊接效果且滿足氣密性要求，如圖4（c）所示。

圖4 不同功率的焊縫圖片（均放大50 倍）

2.2.2 脈沖寬度

激光脈沖寬度是每個脈沖作用的時間，影響熔深和熱影響區。脈寬越寬，熔深越大，熱影響區就越大，但是脈寬過寬的話，會引起如圖4（b）所示的部分區域焊斑過大、焊斑不均的情況。試驗中發現，當脈寬為3～6 ms 時，能夠獲得較好的激光縫焊效果。

2.2.3 離焦量

由于激光焦點處的光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔，故脈沖激光焊接通常需要一定的離焦量。在鋁合金激光焊接中，離焦量的變化對焊縫的表面成形和熔深都有很大的影響。研究表明，離焦量對焊縫成形的影響為拋物線趨勢，存在最佳離焦量。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦，一般要求焊接深度較大時采用負離焦，而很薄的材料焊接時多采用零離焦或者正離焦。試驗發現，離焦量為1～2 mm（負離焦）時，可獲得較好的激光焊接密封效果，且焊縫均勻美觀。

2.2.4 脈沖重復頻率和焊接速度

脈沖重復頻率需要與焊接速度相匹配，從而決定焊斑的重疊率，并最終影響焊接工件的氣密性。試驗發現脈沖重復頻率在10～20 Hz，焊接速度在108～180 mm/min，焊斑重疊率在70%以上時，能取得較好的焊接密封效果和焊縫成形。

經過工藝試驗研究，鋁合金試驗工件脈沖激光縫焊較合理的工藝參數組合為：激光脈沖峰值功率2 200～2 500 W，脈沖寬度3～6 ms，脈沖重復頻率10～20 Hz，焊接速度108～180 mm/min，離焦量-1～-2 mm。

3 結 論

采用Nd:YAG 固體脈沖激光器對蓋板為4047、盒體為6063 的鋁合金材料工件進行密封焊接試驗研究，通過分析材料中元素含量、脈沖激光焊接工藝參數等不同的影響因素，成功實現良好的焊縫質量，經氦質譜檢漏儀細檢，氦氣漏氣率低于1×10-9(Pa·m3)/s，滿足GJB548B-2005 微電子器件試驗方法和程序的密封要求。

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