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)
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。
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。
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
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
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。
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
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。
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。
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。
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