尹恩懷 安占軍 李 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安710068)

0 引言

隨著雷達(dá)等電子設(shè)備逐漸向小型化、集成化發(fā)展，各種元器件的集成度越來(lái)越高，封裝密度越來(lái)越大，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度急劇上升。傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已無(wú)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(shù)，而液冷冷卻技術(shù)的關(guān)鍵部件為液冷冷板，其質(zhì)量的高低直接影響到整部雷達(dá)工作的可靠性[1-3]。液冷冷板通常采用先機(jī)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(dāng)，真空釬焊過(guò)程中容易出現(xiàn)流道堵塞問(wèn)題。目前，為適應(yīng)雷達(dá)等產(chǎn)品的小型化發(fā)展趨勢(shì)，冷板和流道的設(shè)計(jì)尺寸均在不斷減小，上述問(wèn)題表現(xiàn)的愈加突出。工裝設(shè)計(jì)被公認(rèn)為影響真空釬焊質(zhì)量的一項(xiàng)重要因素[4-5]，高焊接質(zhì)量的產(chǎn)品需要合理的工裝設(shè)計(jì)。因此，本文重點(diǎn)研究工裝設(shè)計(jì)類型對(duì)冷板焊接質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)

冷板分為槽板和蓋板，其流道形貌局部圖見(jiàn)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(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工裝設(shè)計(jì)與焊接結(jié)構(gòu)裝配

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于待焊件，而線膨脹系數(shù)又遠(yuǎn)低于待焊件，因此焊接加熱過(guò)程中往往忽略工裝的膨脹，視其為剛性不變，但實(shí)際上會(huì)因?yàn)榇讣呐蛎浂霈F(xiàn)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(guò)程中的受壓狀態(tài)基本保持不變。冷板焊接裝配按照自上而下的順序?yàn)椋翰讳P鋼墊板、冷板槽板、焊料、冷板蓋板、不銹鋼墊板，見(jiàn)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(jié)構(gòu)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(shè)備采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所生產(chǎn)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(jīng)過(guò)300℃、400℃、和550℃時(shí)各保溫30min，待爐溫升至600℃時(shí)，保溫10min；工件隨爐冷卻至150℃時(shí)，取出冷至室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷板工業(yè)CT分析

對(duì)采用兩種工裝焊接后的冷板進(jìn)行了外觀和內(nèi)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(wú)明顯的焊接缺陷，焊縫外觀質(zhì)量較高。圖3（b）為采用柔性工裝焊接冷板的工業(yè)CT影像，冷板通道內(nèi)部無(wú)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(yán)重。圖4（b）為采用剛性的U-型工裝焊接的冷板工業(yè)CT影像，冷板通道內(nèi)部出現(xiàn)多處堵塞，見(jiàn)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(yè)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(yè)CT影像

2.2 水壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于采用柔性工裝焊接的冷板，流道內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)堵塞及焊料堆積現(xiàn)象，需進(jìn)一步進(jìn)行水壓測(cè)試，驗(yàn)證其水密性，測(cè)試參數(shù)要求：0.8 MPa，保壓30min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在規(guī)定的壓力和保壓時(shí)間下，冷板無(wú)滲水、漏水現(xiàn)象，判斷試驗(yàn)件全部合格。

2.3 工裝設(shè)計(jì)對(duì)冷板質(zhì)量的影響分析

在冷板的焊接工裝設(shè)計(jì)中，需要考慮不同材料受熱變形問(wèn)題。按照兩種材料熱膨脹系數(shù)計(jì)算產(chǎn)生的膨脹量差。計(jì)算公式為：

ΔL=L×ΔT×Δα=L×ΔT×(α2-α1)

其中：ΔL是熱膨脹產(chǎn)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(shù)（/K）。

本實(shí)驗(yàn)剛性工裝材質(zhì)選用耐熱不銹鋼，牌號(hào)為：1Cr18Ni9Ti，其線膨脹系數(shù)為18×106/K，而鋁合金的線膨脹系數(shù)為25×106/K。由于線膨脹系數(shù)的不同，冷板在焊接過(guò)程中受熱膨脹，經(jīng)計(jì)算在焊接溫度的膨脹量為0.04mm，說(shuō)明冷板所受到的夾持力隨焊接溫度的升高而不斷增加，當(dāng)溫度升高到釬料熔點(diǎn)時(shí)，熔融釬料在較大夾持力作用下將沿著焊縫流動(dòng)，進(jìn)而流向冷板外部或流道內(nèi)部，由圖4（a）顯示釬料向冷板外部流動(dòng)出現(xiàn)釬料塊，圖4（b）顯示釬料向流道內(nèi)部流動(dòng)導(dǎo)致流道堵塞。通過(guò)對(duì)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(guò)程中的夾持力幾乎保持不變，焊接成形后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的釬料流動(dòng)現(xiàn)象，可以有效避免流道堵塞問(wèn)題。

3 結(jié)論

由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)大于鋁合金，所以剛性工裝在受熱膨脹過(guò)程中產(chǎn)生較高的夾持力，引起液體釬料流向冷板外部和流道內(nèi)部，最終導(dǎo)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(méi)有出現(xiàn)釬料向流道內(nèi)堆積和外溢現(xiàn)象，經(jīng)水壓0.8 MPa，保壓30min測(cè)試?yán)浒鍩o(wú)泄漏。

［1］宋君.相控陣?yán)走_(dá)冷板的加工技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程，2002，18（3）：59-62.

［2］張兆光.固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)冷卻技術(shù)探討[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1996，18（1）：88-95.

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

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

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