鋁合金盒體的攪拌摩擦焊封裝

2020-05-07 05:35

焊接 2020年1期

(南京航空航天大學，南京 210016)

0 前言

航空用微電子元件一般集成于電路板之上。為確保其服役期間的正常使用，會將電路板封裝于鋁合金或硅鋁復合材料的元件盒內(nèi)，以防止油污，沙塵，信號干擾，人為損壞等問題。激光焊接由于具有較高的自動化程度和生產(chǎn)效率，成為了該類元件盒封裝的主要方法[1-6]。然而，由于激光工藝的不易控制性與低穩(wěn)定性，生產(chǎn)的封裝接頭常存在氣相析出孔隙、熱裂紋等缺陷，成品率較低。同時，內(nèi)部元件的高溫損傷，鋁、鎂合金的高反射率等問題也是激光在航空電子器件封裝中尚待解決的難題[7-9]。

攪拌摩擦焊接技術作為一種先進的固相連接技術，其原理為加工時材料在相對低溫的近熔融狀態(tài)下被攪拌針帶動、擠壓，產(chǎn)生塑性變形與遷移，最終形成致密可靠的固相接頭。該技術焊接過程具有無飛濺、無弧光等優(yōu)點，連接接頭殘余應力變形小，焊接質量高，目前已廣泛應用于鋁合金鎂合金等輕金屬的連接，及鋁硅、鋁鋰復合材料的連接[10-11]?？紤]以上因素，攪拌摩擦焊接技術本身在盒體、壓力容器封裝方面的國內(nèi)外研究與應用雖相對較少，但卻有著巨大的潛在優(yōu)勢[12-13]。文中以此為出發(fā)點，展開了6061鋁合金盒體的攪拌摩擦焊接封裝的應用研究，設計了一套完整的焊接方法與加工裝置，最終成功實現(xiàn)了封裝試驗。同時，對盒體的殘余變形，氣密性檢測及其泄漏缺陷進行了研究分析，將其與現(xiàn)有激光封裝技術進行了比較。

1 封裝試驗及方法

現(xiàn)有6061鋁合金電子元件盒如圖1所示，盒體尺寸為180 mm×110 mm×25 mm；壁厚5 mm；盒蓋厚度2 mm。其盒身與盒蓋均為進行攪拌摩擦焊接封裝加工，封裝軌跡為一圓角矩形。接頭采用搭接-對接的復合形式，如圖2所示，該接頭可實現(xiàn)盒身與盒蓋的快速定位裝配，利于夾持固定。為減小盒體焊接的熱影響區(qū)，所用攪拌頭工具軸肩直徑為4 mm；攪拌針為圓柱形，直徑為1.4 mm，攪拌針長1.8 mm，加工時主軸傾角取3°。

圖1 封裝用電子元器件盒

相比現(xiàn)有的平板對接、搭接焊或管道環(huán)焊等常見攪拌摩擦焊接形式，盒體攪拌摩擦封裝在加工應用上主要存在以下2個制約點。

圖2 封裝接頭形式

(1)在盒身、盒蓋的封裝焊接中，存在著“機床進給方向單一”與“焊接軌跡方向變化”的矛盾。由于受“攪拌針細長”、“攪拌頭主軸存在較大固定傾角”限制，現(xiàn)有普通機床只允許進行單一直線向的焊接以保證主軸剛度和加工質量。然而盒體的封裝軌跡為一閉合矩形，長寬方向焊縫的加工方向勢必呈垂直關系，其難以在一個加工工步中完成。

(2)攪拌摩擦裝置主軸下壓力巨大，裝夾時需將壓板大面積覆蓋于工件之上。由于矩形軌跡靠近盒蓋外邊，傳統(tǒng)的壓板勢必會覆蓋待加工的焊縫，導致攪拌頭在加工中必須多次換位重新裝夾以避免撞刀現(xiàn)象。

上述矛盾嚴重降低了攪拌摩擦封裝的加工效率，限制了其應用。因此，文中以已有的3軸小型攪拌摩擦焊接機床為基礎對其進行了改造,在原有工作臺上增設了C軸轉臺，工件置于其上。此外，使用電控90°轉角氣缸夾具用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)大面積固定壓板，均布于工件四周。

機床改裝結構示意如圖3所示。加工過程中，攪拌頭起初沿直線方向前進加工，當封裝至焊縫拐角時，工件隨轉臺轉動以實現(xiàn)長、寬焊縫位置的互換，同時x，y軸與之配合以保證攪拌頭與工件的相對位置不變，隨后攪拌頭即可繼續(xù)沿直線前進，封裝下一棱邊。氣動夾具持續(xù)下壓于焊縫之上以確保接頭平整并受預設NC程序控制，其在攪拌頭加工靠近時彈起甩出，攪拌頭離開后再次歸位夾緊，以避免撞刀現(xiàn)象。

圖3 改裝4軸機床工作臺結構

轉臺旋轉一周后完成整個矩形軌跡的封裝焊接，焊接完成后使用金屬膠密封鑰匙孔部分。經(jīng)過試驗，多組加工參數(shù)下均成功實現(xiàn)了盒體的攪拌摩擦快速封裝，加工參數(shù)組合與焊縫形貌見表1，各組焊縫表面均無明顯缺陷，僅有旋轉速度10 000 r/min、焊接速度為200 mm/min的試驗組由于焊接線能量較低，焊縫表面后退側魚鱗紋相對粗糙。試驗中使用ST9450紅外熱成像儀檢測盒身整體加工溫度約為100 ℃，遠小于激光焊接溫度300 ℃[14]。

表1 封裝試驗參數(shù)與焊縫表面

2 盒體殘余變形分析

盒體的變形量是封裝焊接中的重要考察指標。攪拌摩擦封裝相比與激光焊接，其盒體的變形除受溫度變化影響外，攪拌頭的巨大下壓力，夾具的拘束作用亦不可忽視，焊接變形相對較大。文中使用Dasiy-686三坐標測量儀對盒體封裝前后的變形展開測量。考慮盒體長、寬方向變形較小，僅對高度方向變形進行統(tǒng)計分析。取盒蓋上均布16點為測量點如圖4所示，以焊接前后各點高度差作為變形量，使用origin擬合得到盒蓋上表面變形，不同試驗參數(shù)測量結果如圖5～圖9所示。整體來看，以圖4中P1點為坐標原點，盒體變形量沿長度方向迅速升高；沿寬度方向棱邊(P1→P13)(P4→P16)逐步增加，(P2→P14)、(P3→P15)則是先下降后上升的規(guī)律。各組試驗最小的變形量均出現(xiàn)在P1角點處，變形量約為0.01 mm；最大變形于P16角點，變形量可至2.5 mm。近似厚度下的平板的激光焊接的最大變形量約為0.3 mm[15]，釬料焊接為5 mm[16]，攪拌摩擦封裝焊接變形水平處于二者之間。

圖4 焊縫軌跡與測量點分布

圖5 旋轉速度8 000 r/min，焊接速度150 mm/min時的焊接殘余變形高度

圖6 旋轉速度10 000 r/min，焊接速度150 mm/min時焊接殘余變形高度

圖7 旋轉速度 12 000r/min，焊接速度150 mm/min時的焊接殘余變形高度

圖8 旋轉速度10 000 r/min，焊接速度100 mm/min時的焊接殘余變形高度

圖9 旋轉速度10 000 r/min，焊接速度200 mm/min時的焊接殘余變形高度

比較不同焊接速度組如圖6，圖8和圖9可知，在10 000 r/min旋轉速度條件下，隨著焊接速度的升高，盒體最大殘余變形呈下降趨勢。其原因在于焊接速度的升高減小了焊接熱輸入，進而縮小了焊縫上的溫度梯度，冷卻較快，故盒體塑性應變下降，在兩者共同作用下，殘余變形量降低[17-18]。

比較不同旋轉速度組圖5～圖7可知，隨著攪拌頭旋轉速度的增加，盒體變形量呈現(xiàn)先下降后增大的規(guī)律。1號組攪拌頭旋轉速度過低、熱輸入較低，導致其材料流動性差，無法均勻、穩(wěn)定地從前進側移動至后退側，材料內(nèi)部的塑性應力較大[19]，后續(xù)殘余變形較大；當旋轉速度提升至10 000 r/min后，熱輸入升高，材料流動性加強，在攪拌針帶動下流動平穩(wěn)均勻，材料流的塑性應力降低，盒體殘余變形進而迅速減?。蝗欢S著旋轉速度的進一步升高，工件加工的高溫區(qū)域會迅速擴張，后續(xù)冷卻較慢，導致盒體殘余變形上升。

3 盒體氣密性分析

盒體氣密性是電子封裝的基本要求之一。為探究攪拌摩擦封裝工藝的氣密性特性，采用工業(yè)氣泡法對盒體展開氣密測試。參考已有標準GJB 5584—2006《電子式火箭控制盒通用規(guī)范》，HB 937—2000《航空氣密油箱》，取0.3 MPa下無氣泡泄漏作為合格標準。盒身側壁位置加工管螺紋，外接氣壓計與定壓氣泵。試驗時，將工件其浸沒于水缸之中，通過定壓氣泵逐段提升盒內(nèi)表壓至給定數(shù)值(0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa)，之后將盒體置于水槽中保壓3 min，觀察焊縫上的有無漏氣現(xiàn)象，試驗結果見表2。所有盒體均滿足了已有標準，在0.3 MPa下未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象?？疾旌罄m(xù)壓力試驗，1組與5組于0.5 ～0.6 MPa階段出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象，泄漏位置位于P13點后的焊縫(如圖4紅圈所示)。除以上兩組，其余各組耐壓值均在0.6 MPa以上。

表2 氣密性試驗結果

1組和5組試驗泄漏缺陷的位置、形貌基本一致，以1組漏氣缺陷為例進行分析，其外觀如圖10所示。考察工件受力，盒體內(nèi)氣壓的作用效果在接頭的上表現(xiàn)為拉力與彎矩，故盒體的密封耐壓能力本質上為封裝接頭的受彎、受拉承受能力。焊縫內(nèi)若存在填充不勻所致的微觀缺陷，在受到應力作用后產(chǎn)生微裂紋并會逐步擴大，最終延伸至焊縫表面，形成泄漏開口(如圖10a所示)。通過以上接頭的缺陷機理可以對盒體泄漏的位置，形貌進行分析。

開口均出現(xiàn)于接頭后退側的攪拌針側面。其原因為圓柱形攪拌針本身側面材料流動較差，焊接加工時易出現(xiàn)后退側填充不充分的現(xiàn)象，造成孔洞、隧道缺陷等缺陷[20]，在應力作用下便會發(fā)生泄漏。圖10b所示的開口截面帶有明顯的隧道特征。

泄漏開口均位于長邊焊縫近P13角點位置，該處為焊接路徑上的第一轉角。加工P13角位置時，攪拌頭與轉臺會進行配合轉動，原本直線焊接時的材料流動平衡會被打破，更易產(chǎn)生接頭缺陷；同時，相比其他轉角，第一轉角加工區(qū)域由于焊接開始不久，溫度場更低，材料的流動性更差，也會加大產(chǎn)生缺陷的幾率。綜合以上兩點，此位置產(chǎn)生了泄漏。同理考察試驗組別，由于1組與5組的焊接熱輸入較低，其焊接溫度場較低，所以相比其他組更易產(chǎn)生漏氣缺陷[21-22]。

4 結論

(1)使用增設C軸轉臺和氣動夾頭的攪拌摩擦焊接機床成功完成了鋁合金盒體的封裝加工，實現(xiàn)了盒蓋、盒體的高效、優(yōu)質連接。

(2)盒體封裝相比激光焊接更加穩(wěn)定，2 mm厚盒蓋的高度方向上的殘余變形峰值約為2.5 mm，大于激光焊接，小于釬焊。經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，在旋轉速度10 000 r/min，焊接速度200 mm/min的試驗參數(shù)下能夠獲得最低的變形效果，其值約為1.5 mm。

(3)隨焊接速度的提高，盒體殘余變形降低；隨旋轉速度的提高，盒體變形呈先下降后增長規(guī)律。

(4)所有封裝工件均滿足氣密性要求。在氣密性破壞試驗中，熱輸入少的工件耐壓極限更低。