應力篩選試驗對某雷達模塊殼體的影響性分析

魯斌，江海東，陳路加

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

引言

應力篩選實驗考核雷達模塊的長期可靠性，是其制造過程的一個標準化工序，目前采用的的環境條件是溫度循環和隨機振動[1,2]。

某雷達模塊殼體基于擴散焊進行設計和制造，殼體材料選擇輕量化的6063 鋁合金，焊接后經淬火時效達到T6 態，該類殼體是微波數字電路實現高幾何互聯的載體，具有較高的尺寸精度，同時殼體內部設計有液冷流道，實現高功率微波器件的散熱，殼體流道設計的許用壓力值和檢測值常定為1.5 MPa。

該模塊殼體在應力篩選后的通液測試過程中，出現了殼體焊縫失效漏液，導致器件在冷卻液里浸泡，其主要原因是擴散焊過程結構失穩導致壓力無法傳遞從而擴散不充分即焊接缺陷，同時應力篩選過程對其是否產生非設計范圍的破壞性影響還需要進行分析。

1 溫度循環過程影響分析

模塊的溫度循環篩選按照GJB 1032A《電子產品環境應力篩選方法》5.1 條執行，高溫65 ℃、低溫-50 ℃、溫度變化率10 ℃/Min、4 h 一循環、循環10 次[3]。

該溫度范圍遠低于殼體材料6063-T6 的時效溫度（195～205）℃，殼體強度變化的影響可忽略不計。殼體進出液口安裝有水接頭（模塊不與設備裝配則水接頭處于關閉狀態），冷板內部流道形成完全密閉的腔體，溫度變化主要對腔體內部壓強產生影響，以下主要研究在該溫度變化范圍內部壓強P 的變化，是否超過了設計值1.5 MPa。

在相同條件下，氣體膨脹最大、液體膨脹次之、固體膨脹最小，同時固體、液體、氣體的分子運動的平均動能不同，從熱膨脹的宏觀現象來看，溫度越高差距越明顯，以固體為容器的封閉腔體內溫度越高壓力越大。故可定性的認為在（-50～65）℃溫度范圍（該溫度范圍內冷卻液不結冰、不氣化）的溫循過程中，最高溫度65 ℃（T2）殼體腔體內的壓強最大以P2表示，腔體初始溫度以T1表示為室溫20 ℃，腔體內初始壓力為一個大氣壓以P1表示其值為101 kPa。

開始溫循實驗前殼體腔體內裝含有空氣、冷卻液。殼體腔體初始體積（容積）以V 表示，空氣體積占比以x 表示，則在封閉腔體內空氣、冷卻液的體積分別可表示為xV、（1-x）V。最終狀態（T2=65 ℃，P2），殼體腔體體積以V′表示，冷卻液體積以V′液表示，氣體體積以V′氣表示。

進行定量計算，考慮三種極限情況：腔體內全部為氣體x=1，計算P2；腔體內全部為冷卻液x=0，計算P2；殼體內壓力達到設計極限P2=1.5 MPa，計算空氣體積占比x。

1.1 腔體內全部為氣體x=1

封閉腔體氣體滿足理想氣體狀態方程PV=nRT，其中n 為腔體內氣體的物質的量（封閉腔體為定值），R為比率常數氣體體積與溫度、壓強變化滿足如下關系：

殼體腔體體積的變化由兩方面組成，一是腔體內壓力變化造成腔體體積變化以表示，另一是溫度變化殼體熱脹冷縮造成的體積變化以表示。

前者通過固體的體積模量K′來衡量，K′與彈性模量E、材料泊松比ν 具有如下關系，6063-T6 鋁合金彈性模量71 GPa，泊松比為0.31，彈性模量考核固體的剛度，K′由下式計算：

后者通過熱膨脹系數計算。對于金屬容器有研究表明，當溫度升高產生熱膨脹時，容器外壁對容器內壁要比容器內壁對外壁的熱膨脹變形影響小的多，且試驗中外壁熱膨脹實測值與傳統的線性公式（自由膨脹）的計算差值相差不大，容器內壁上分子熱運動所受的約束力大于外壁，所以內壁熱膨脹系數小于外壁[4]。根據以上研究和分析，若殼體外形體積輪廓體積用V外表示，金屬線膨脹系數用αt表示，則熱膨脹后的外形輪廓體積可以表示為V外[1+αt（T2-T1）]3；殼體內腔初始容積為V，熱膨脹后容器內腔體體積小于V[1+αt（T2-T1）]3，即溫度升高熱膨脹后內腔體積范圍為V～V[1+αt（T2-T1）]3，其具體值與容器壁厚和形狀均相關，本文通過理論計算的方式給出通用的指導意見。熱膨脹后最大值可由式（5）計算：

αt取該溫度范圍平均值25×10-6/K，為便于計算比較最大值的大小，得下式：

綜上，最終狀態腔體體積V′范圍具有如下關系：

結合（1）、（2）、（7）可得：

代入相關數值壓力P2范圍（0.115 0～0.115 4）MPa。

1.2 腔體內全部為液體x=0

一定物質的量的液體的體積是溫度和壓強函數，其計算過程涉及到體積膨脹系數和體積模量。通過解耦法計算，分為兩步，第一步由等壓體積膨脹系數計算保持初始壓力P1、溫度由T1變化到T2的理想狀態液體體積V′理；第二步由等溫體積模量計算保持溫度T2，壓力由P1變化到P2的理想狀態的液體體積V′液。

體積膨脹系數用α 表示，是指當壓強不變時溫度改變1 K 時其體積的變化和它在初始溫度的體積之比，為方便計算取該溫度范圍（（20～65）℃）α 均值5.7×10-4/K 計算。

由于固體或液體的膨脹系數很小，在溫度不甚高時，可直接由下式計算V′理為：

體積模量是一種表征流體可壓縮性的材料特性，即當溫度不變時改變作用于其上的壓力時，流體單位體積的變化有多容易，以下用K 表示，為方便計算取該溫度范圍（（20～65）℃）K 均值2.1 GPa，可計算為：

結合（7）、（9）、（10）可得（11）：

代入相關數值可得壓力P2范圍為（45.7～52.62）MPa。

1.3 殼體內壓力達到設計極限P2=1.5 MPa

殼體的腔體體積V′、氣體體積V′氣、液體體積V′液具有如下關系：

將（1）、（2）、（7）、（9）、（10）代入（12）可得（13）：

代入P2=1.5 MPa 計算x 的范圍為0.023 4～0.026 3。

氣體的壓縮性遠大于液體，相同條件下排液越多，壓力越小。通過以上定量計算：溫循前將液體完全排空（x=1）則壓力不大于0.115 4 MPa 遠小于設計值1.5 MPa；溫循前完全不排液（x=0），則壓力不小于45.7 MPa 遠大于設計值1.5 MPa；溫循前排液量占比大于0.026 3 可保證壓力不大于1.5 MPa，該值可作為溫循前排液的考核條件。

經排查所有模塊在溫循前均拆除了上下水接頭側放排液，經計算該姿態可排除60 %以上的液體，溫循過程中的壓力在設計值范圍內，即溫循過程對殼體的破壞作用可以排除。

2 隨機振動過程影響分析

模塊的隨機振動按照GJB 1032A《電子產品環境應力篩選方法》5.2 條執行，振動試驗條件為（20～2 000）Hz 篩選，GJB 150.16，加速度均方根值6.06 g，振動時間5 min，與設計條件一致[5]。

進一步檢查振動試驗的裝配方式，模塊通過前端兩個定位銷盲插在工裝背板的定位孔中定位，通過安裝法蘭四顆螺釘與工裝側板固定，模塊與工裝定位和固定方式與實際裝機相同。工裝設計和下文中的XYZ 方向示意如圖1 所示。

圖1 振動試驗工裝

進行了兩次測試第一次測試點布置如圖2 所示，圖中序號為加速度傳感器粘貼位置，重點測試工裝底板①、頂板②、模塊電源流道位置③、模塊TR 位置④、模塊中間位置⑤、工裝側板⑥、定位銷安裝背板⑦⑧處的振動響應。按試驗要求進行X 方向的應力篩選，測試各布置點X、Y、Z 方向加速度均方根值見表1。

表1 第一組應力測試結果(X、Y、Z 向加速度均方根g 及放大系數)

圖2 振動試驗及測點分布

由測試結果可知：篩選激勵在最頂端模塊各處響應放大在2.2～2.4 倍范圍內；在背板頂端響應放大3.2 倍；同時，在非激勵方向Y、Z 向，在模塊和夾具上有明顯振動響應，電源散熱流道處Z 向6.55 g 輸出響應突出。

為進一步判斷響應在工裝上和模塊上的分布規律，第二組測試點布置如圖3 所示：工裝底板①、工裝上與組件固定位置②③（③高于②）、模塊TR 和中間位置④⑤、安裝前面板中間⑥、⑦⑧與第一組試驗相同，測試結果如表2。

表2 第二組應力測試結果(X、Y、Z 向加速度均方根g 及放大系)

圖3 第二組實驗測點布置

分析測試結果可知：篩選激勵在最頂端模塊各處響應還在2.2～2.4 倍范圍左右；夾具底部處5.86 g，夾具與模塊連接點處由下到上為8.89 g、13.27 g 和模塊處響應（13～14）g 響應形成激勵傳遞鏈；同時，在非激勵方向Y、Z 向，在模塊和夾具上有明顯振動響應，兩支耳中間位置的Z 向8.77 g 輸出響應突出；工裝上的響應跨度為（5.86～19.11）g，響應跨度3 倍以上。

根據以上測試果分析可知：

1）夾具在輸入激勵X 方向，在側板頂部響應值放大1.5 倍，在背板中部響應值放大2 倍左右，在背板頂部響應值放大3 倍左右；

2）同組篩選模塊，高度越高激勵響應放大越明顯，初步判定，夾具強度不足，底部和頂部激勵輸出不一致；

3）在篩選模塊中，頂部模塊激勵方向響應值放大2.1～2.4 倍，頂端模塊在非激勵方向Z 有最大8.77 g 的響應輸出，初步判定為夾具強度不足，在X 向激勵條件下發生扭曲，產生其他方向激勵響應。

對比模塊在振動工裝上的裝配和裝機裝配，工裝背板為實際裝配狀態下厚度100 mm 的冷板，工裝側板（與模塊固定的安裝板）為實際裝配狀態下的插箱，插箱通過角件與骨架連接，裝機裝配剛性遠超應力篩選試驗過程。

3 結論

1）該模塊溫度循環過程由于進行了排液操作，最高溫度腔體內壓在設計值范圍內未對焊縫造成過壓破壞。

2）振動過程該模塊質量大，工裝剛性不足，在工裝頂部產生了較大比率的激勵響應，殼體及焊縫產生了過振動。

3）適應性建議：針對溫循過程應提前排液，通過設計排液工裝保證排液量大于2.63 %，使排液后最高溫度下內部壓力不大于設計值1.5 MPa（不同設計承壓值的殼體其溫循前排液量通過公式13 計算給出排液比率）；針對工裝設計，根據振動試驗方向做針對性的結構增強，對質量較大的部件振動試驗前做激勵分析和力學仿真，對于大批量和剛性弱產品的隨機振動工裝設計，應根據仿真結果選擇監測點實測激勵放大倍數保證工裝上各處對模塊的振動輸入條件準確、一致方可試驗。