基于高熱流密度元器件散熱的鋁合金冷板電子束焊接技術研究

徐鵬 馬杏

摘要：隨著5A06型鋁合金冷板在高熱流密度電子元器件散熱領域的使用頻率越來越高，使得真空電子束焊接技術在鋁合金冷板的生產中也得到了極大的發展和應用。本文將從冷板的結構設計、焊接工裝設計、焊前準備及焊接參數等方面對5A06型鋁合金冷板的真空電子束焊接技術進行研究，以達到提高焊接質量、焊接效率的目的，滿足和適應新形勢下機械工程化應用的需求。

關鍵字：高熱流密度元器件、真空電子束焊接技術、5A06型鋁合金、冷板

1? 引言

今天電子元器件的高速發展，很大程度上依托于集成電路技術和微電子機械（MEMS）技術的進步。電子元器件的總功率密度要求大幅度增長，同時要求物理尺寸盡可能減小，隨之而來的是電子元器件熱流密度必然增加。現階段計算機CPU運行過程中產生的熱流密度已經達到100W/cm?，半導體激光器甚至達到300W/cm?。與之矛盾的是，電子元器件的可靠性對環境溫度要求非常高，元器件溫度在70～80℃區間內溫度每增加1℃，可靠性將下降5%。由此得出，高溫環境將是影響電子元器件性能、壽命的關鍵因素，所以對元器件進行高效的熱控制顯得尤為重要。

面臨嚴峻的形勢，傳統的被動溫控技術和強制風冷散熱技術已經不能滿足高熱流密度元器件的散熱需求，正在接受著極大地挑戰。取而代之的，間接液體冷卻技術憑借自身優勢在各個領域都得到了極大的應用和發展。間接液體冷卻技術最大的優點就是液體冷卻劑不與電子元器件發生直接接觸，而是通過熱傳導的方式，先把元器件的熱量傳遞給換熱器，再經由換熱器中的冷卻工質將熱量帶走。行業內，通常把這類換熱器統稱為冷板。冷板的形式一般采用回旋狀或蜂窩狀的空芯結構，冷卻工質通常使用的是水、碳氟化合物、硅脂或己二醇等。冷板的材質一般采用鋁合金進行加工，其中以5A06型鋁合金的應用最為廣泛。而5A06型鋁合金冷板因其水道夾層的薄壁結構設計，如果采用預埋水管焊接或整體釬焊方式都需要較大空間，散熱效率比較差，水道的密封性也難以得到有效保證;如果采用鎢極氬弧焊的方式，還存在著焊接變形大、彎曲、同軸度差等問題，質量也不能得到很好的保障。

而本文使用的真空電子束焊接技術通過其焊接速度快、能量集中、熱影響區小、材料種類多、焊接變形小、空間適應性強等優點，使之能夠很好地滿足多種金屬材料焊接的高精度、低變形、高附加值的要求，突破一些難熔性金屬焊接技術。由此本文將使用真空電子束焊接技術來實現高熱流密度元器件散熱的鋁合金冷板的組件焊接。

2? 試驗材料、設備及方案

2.1 試驗材料

本文主要研究對象為工業冷板焊接項目中的5A06型鋁合金冷板的真空電子束焊接技術，冷板的基體厚度為29mm，水道蓋板的厚度為2.5mm，要求焊接完成后冷板內充注1.5MPa氮氣進行水檢，10min無泄漏表明合格。

本文選用的5A06型鋁合金材料為Al-Mg防銹鋁材，具有較高的強度、耐蝕性，同時還有良好的可切削性和可焊接性。

2.2 試驗設備

本文真空電子束焊接采用的試驗設備是桂林獅達公司生產THDW-8型電子束焊機，如圖1。主要技術參數如下：

加速電壓：85kV

電子束流：100mA

電子束功率：8KW

2.3 試驗方案

本文使用的冷板包括冷板基體與水道蓋板兩個部分，冷板的生產過程包括零件加工、清洗、裝配、電子束焊和檢漏等工序，生產流程圖如圖2所示：

3? 試驗結果與分析

3.1 冷板的結構設計分析

通過前期焊接試驗可得如下結論：（1）當單一平面上焊縫過多時，焊接難度大且會產生較大的焊接變形，綜合考慮冷板強度、焊接難度及焊接變形等因素，在結構簡單的多流道并聯的冷板設計中，應盡量采用深孔連接，然后在孔兩端焊接堵頭或者密封條實現密封，如圖3所示，這樣可以減少同一平面的焊縫數量，

降低焊接難度，減少焊接變形;（2）水道蓋板與基體水道的裝配間隙應控制在0.02～0.04mm，這樣在焊接過程中不會產生漏束現象，保證焊接質量;（3）對于有圓角過渡的水道蓋板，圓角半徑應大于R3，以防止運動系統差補精度不足帶來的焊縫偏離;（4）根據冷板的設計要求，選用角接頭設計形式，半臺階根部到臺階邊緣為0.5mm，可以有效避免后續在陽極氧化工序中酸堿液的大量殘留，減少長期工作下水道腐蝕的隱患。

基于上述試驗結果，確定冷板基體與水道蓋板如圖4所示。

3.2冷板基體與水道蓋板加工冷板的加工

冷板基體的水道加工根據設計選擇數銑進行加工，水道蓋板加工前需進行熱較平，再由數銑或線切割加工成型，數銑加工精度高，但是單件加工效率較差;線切割的加工精度和效率都比較高，但是加工面會形成氧化層，需要通過化學清洗的方式去除。

3.3 焊接工裝的設計

為了使工件準確裝夾并對中，有必要采用焊接工裝進行裝夾定位。考慮到電子束非常容易受到散電磁場的干擾，從而影響焊接質量，因此焊接工裝必須選用非磁性材料制作。工裝材料在實際生產中多選用2A12型或5A06型鋁合金材料，本次研究選用的是5A06型鋁合金。為了彌補鋁合金螺紋的強度缺陷，可在焊接工裝板上加裝重型不銹鋼插銷螺套來提高抗拉和抗扭強度。

3.4 冷板的清洗與裝配

鋁合金材料在進行焊接時，要求焊前必須嚴格清除工件焊口表面的氧化膜和油污，清洗的質量將直接影響焊接的質量。本次試驗首先用工業清洗劑進行除油操作，然后用10%的NaOH水溶液進行浸洗7min，再用檸檬酸水煮進行中和光化，中和光化后用清水沖洗，清洗的作用是去除殘留在零件表面的酸液，最后使用壓縮空氣將零件吹至干燥。工件在經過清洗工序后會重新形成氧化膜，所以從工件清洗完成到進行焊接前的存放時間應盡量縮短，一般應在清洗完成后的4～8小時內施焊。

清洗完成后的工件在裝配過程中，不得用手觸碰或不清潔的工具接觸焊縫，裝配前需用丙酮擦拭焊縫表面，然后將水道蓋板與冷板基體裝配，如焊縫接口不平，可用清潔的紫銅塊輕輕敲擊至焊縫接口平整。

3.5 電子束焊接

對于厚度超過5～10mm的厚大鋁件，進行焊接前必須預熱，可以使焊口附近溫度達到所需要的焊接溫度，預熱的目的是減少變形、氣孔等缺陷。預熱時，將冷板放入烘箱中，加熱到150℃，保溫15min。將預熱后的冷板安裝在焊接工裝上，利用定位塊和壓條進行定位。將工件送入焊室，抽真空。

在焊接前根據資料設計了專題試驗，試驗主要研究加速電壓70kV、焊接速度700mm/min、表面聚焦時，不同焊接電流與焊縫熔深的關系，通過試驗，確定了熔深與焊接電流的關系如表1所示：

· 為了防止焊接中水道蓋板局部翹起，首先要在焊縫上對稱選取若干小段，先用10mA電流進行局部焊接固定，然后用15mA電流對整條焊縫進行焊接。焊接完成后利用電子束掃描焊接或者將焊縫用電子束再熔化一次，有利于消除焊縫氣孔，改善焊縫成形，如圖5所示。

將冷板從焊室中取出，在環境溫度中自然冷卻，然后安裝寶塔接頭，連接氮氣瓶，緩慢加壓至1.5MPa，水檢10min后無氣泡溢出，如圖6所示，漏率完全可以滿足技術要求。

4? 總結

通過試驗得到如下結論：

（1）冷板焊接結構設計時需盡量減少同一平面的焊縫數量以減少焊接變形，水道蓋板與基體水道的裝配間隙應控制在0.02～0.04mm，以避免出現漏束問題;

（2）水道蓋板加工前需進行熱較平，線割后必須采用化學方法去除氧化層;焊接工裝必須選用非磁性材料以防止電子束出現偏離;

（3）冷板在裝配過程中，必須注意防護，以免對焊縫造成污染，若焊縫接口不平，可用清潔的紫銅塊輕輕敲擊水道蓋板至焊縫接口平整;

（4）為防止焊接中水道蓋板局部翹起，需要對稱選取若干小段，采用10mA電流進行局部焊接固定，然后用15mA電流對整條焊縫進行焊接。焊接完成后利用電子束掃描焊接或者將焊縫用電子束再熔化一次，以消除焊縫氣孔;

（5）焊接完成后自然冷卻至室溫，充入1.5MPa的氮氣，水檢10min發現無氣泡溢出，漏率滿足技術要求。

參考文獻：

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