工裝設計對冷板焊接質量的影響

尹恩懷 安占軍 李 超

(中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安710068)

0 引言

隨著雷達等電子設備逐漸向小型化、集成化發展，各種元器件的集成度越來越高，封裝密度越來越大，導致電子設備的熱流密度急劇上升。傳統的風冷技術已無法滿足高熱流密度器件的散熱需求，需采用更為高效的液冷冷卻技術，而液冷冷卻技術的關鍵部件為液冷冷板，其質量的高低直接影響到整部雷達工作的可靠性[1-3]。液冷冷板通常采用先機械加工再真空釬焊的方法成形，但由于冷板焊前裝配、定位不當，真空釬焊過程中容易出現流道堵塞問題。目前，為適應雷達等產品的小型化發展趨勢，冷板和流道的設計尺寸均在不斷減小，上述問題表現的愈加突出。工裝設計被公認為影響真空釬焊質量的一項重要因素[4-5]，高焊接質量的產品需要合理的工裝設計。因此，本文重點研究工裝設計類型對冷板焊接質量的影響。

1 試驗方法

1.1 實驗材料

實驗所選母材為3A21鋁合金，釬料為0.1mm厚的Al-Si-Mg箔材。工裝采用的材料為1Cr18Ni9Ti。

1.2 冷板結構

冷板分為槽板和蓋板，其流道形貌局部圖見圖1所示，流道截面尺寸為2×3mm。冷板蓋板為為3mm的板材。

圖1 冷板流道結構示意圖

1.3 工裝設計與焊接結構裝配

本實驗設計剛性工裝和柔性工裝兩種類型。剛性工裝即為螺釘緊固式工裝，其夾緊固定方式為螺釘旋緊方式。由于其耐熱性遠遠高于待焊件，而線膨脹系數又遠低于待焊件，因此焊接加熱過程中往往忽略工裝的膨脹，視其為剛性不變，但實際上會因為待焊件的膨脹而出現少許變形。柔性工裝即C-型彈簧片壓緊式工裝，利用彈簧片的收縮力將工件夾緊，使工件在焊接過程中的受壓狀態基本保持不變。冷板焊接裝配按照自上而下的順序為：不銹鋼墊板、冷板槽板、焊料、冷板蓋板、不銹鋼墊板，見圖2（a）和（b）所示，分別為采用柔性工裝和剛性工裝裝配的焊接結構示意圖。

圖2 柔性工裝與剛性工裝裝卡后示意圖

1.4 真空釬焊

設備采用中國電子科技集團公司第二研究所生產的ZHS-120鋁真空釬焊爐。工作真空度為3×10-3Pa；升溫速率控制在約10℃/min，經過300℃、400℃、和550℃時各保溫30min，待爐溫升至600℃時，保溫10min；工件隨爐冷卻至150℃時，取出冷至室溫。

2 試驗結果與討論

2.1 冷板工業CT分析

對采用兩種工裝焊接后的冷板進行了外觀和內部流道分析。圖3（a）為采用柔性工裝焊接的冷板外觀照片，可以看出釬料鋪展均勻，無明顯的焊接缺陷，焊縫外觀質量較高。圖3（b）為采用柔性工裝焊接冷板的工業CT影像，冷板通道內部無雜物及釬料堆積。圖4（a）為采用剛性工裝焊接的冷板外觀照片，由圖可知釬料外溢嚴重。圖4（b）為采用剛性的U-型工裝焊接的冷板工業CT影像，冷板通道內部出現多處堵塞，見圖4（b）中箭頭所指部位。

圖3 采用柔性工裝焊接冷板的外部形貌和工業CT影像

圖4 采用柔性工裝和剛性工裝焊接冷板外部形貌和工業CT影像

2.2 水壓實驗結果

對于采用柔性工裝焊接的冷板，流道內沒有出現堵塞及焊料堆積現象，需進一步進行水壓測試，驗證其水密性，測試參數要求：0.8 MPa，保壓30min。實驗結果表明：在規定的壓力和保壓時間下，冷板無滲水、漏水現象，判斷試驗件全部合格。

2.3 工裝設計對冷板質量的影響分析

在冷板的焊接工裝設計中，需要考慮不同材料受熱變形問題。按照兩種材料熱膨脹系數計算產生的膨脹量差。計算公式為：

ΔL=L×ΔT×Δα=L×ΔT×(α2-α1)

其中：ΔL是熱膨脹產生變化的膨脹量差；L是夾持距離，這里取10 mm；ΔT是釬焊溫度減去室溫，這里取580℃；α1和α2分別是被夾持件和夾持件的平均線膨脹系數（/K）。

本實驗剛性工裝材質選用耐熱不銹鋼，牌號為：1Cr18Ni9Ti，其線膨脹系數為18×106/K，而鋁合金的線膨脹系數為25×106/K。由于線膨脹系數的不同，冷板在焊接過程中受熱膨脹，經計算在焊接溫度的膨脹量為0.04mm，說明冷板所受到的夾持力隨焊接溫度的升高而不斷增加，當溫度升高到釬料熔點時，熔融釬料在較大夾持力作用下將沿著焊縫流動，進而流向冷板外部或流道內部，由圖4（a）顯示釬料向冷板外部流動出現釬料塊，圖4（b）顯示釬料向流道內部流動導致流道堵塞。通過對比，采用柔性的C-型工裝焊接的冷板，由于冷板的受熱膨脹量可以隨著柔性的C-型工裝變形而得到有效釋放，焊接過程中的夾持力幾乎保持不變，焊接成形后沒有出現明顯的釬料流動現象，可以有效避免流道堵塞問題。

3 結論

由于不銹鋼的線膨脹系數大于鋁合金，所以剛性工裝在受熱膨脹過程中產生較高的夾持力，引起液體釬料流向冷板外部和流道內部，最終導致冷板堵塞；柔性工裝由于夾持力變化不大且均勻，受冷板熱膨脹的影響較小，沒有出現釬料向流道內堆積和外溢現象，經水壓0.8 MPa，保壓30min測試冷板無泄漏。

［1］宋君.相控陣雷達冷板的加工技術研究[J].電子機械工程，2002，18（3）：59-62.

［2］張兆光.固態有源相控陣雷達冷卻技術探討[J].現代雷達，1996，18（1）：88-95.

［3］安占軍.冷板加工工藝研究[C]//第十七屆全國釬焊及特種連接技術交流會論文集：394-395.

［4］賈建中.真空鋁釬焊夾具設計淺析[J].電子機械工程，2005，21（1）：49-51.

［5］馮展鷹.鋁合金毫米波構件真空釬焊工藝[J].電子機械工程，2010，26（6）：45-47.