沈 練，李 冉，魏超群，趙維艷，朱鵬飛，徐世春，戚雁武

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

0 引言

微型節(jié)流制冷型紅外焦平面探測器具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕便、降溫迅速等特點，而被廣泛地應(yīng)用在導(dǎo)引頭和制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域。該種器件通常需要滿足快速啟動的要求，即在幾秒內(nèi)就達(dá)到器件的制冷工作溫度，其制冷工作原理是在絕熱和不對外做功的條件下，高壓氣體經(jīng)過多孔物質(zhì)或小孔實現(xiàn)節(jié)流膨脹，最終使氣體溫度下降[1]。制冷機工作過程中，會吸收環(huán)境中的熱量，使氣體發(fā)生液化，從而冷凝成水；而與制冷機耦合的杜瓦冷指除了需要承受瞬時溫度變化外，還會處于制冷后冷凝水附著的情況。

杜瓦冷指是與制冷機耦合的關(guān)鍵部件，除了充當(dāng)冷端進(jìn)行熱量傳遞外，亦是作為探測器芯片的安裝面，起到結(jié)構(gòu)支撐作用[2]。其焊接質(zhì)量好壞直接影響到探測器芯片的成像質(zhì)量，也影響到制冷機的制冷效果，是紅外焦平面探測器組件的重要部件。因此對于微型節(jié)流制冷型紅外焦平面探測器杜瓦冷指的結(jié)構(gòu)研究尤其是材料的選擇，除了需要考慮其較好的傳熱效率，還應(yīng)關(guān)注由于冷凝水的存在，在長期放置后產(chǎn)生的銹蝕隱患。

冷平臺材料選擇依據(jù)低漏熱和應(yīng)力最優(yōu)原則[3]，常采用TC4 鈦合金（杜瓦冷指端面環(huán)）與4J36 合金（杜瓦冷指端面芯）的釬焊形式，如圖1所示。TC4鈦合金具有較為優(yōu)異的低熱傳導(dǎo)系數(shù)及高屈服強度，從熱力學(xué)角度評價是最合適作為冷指薄壁的材料之一[3]。4J36 合金是杜瓦冷指中常用的冷平臺材料，其在－250℃～200℃較大溫區(qū)內(nèi)均有著較低的膨脹系數(shù)，與芯片的適配性較好，因此制冷后引起的變形小，對芯片的作用應(yīng)力小，且該材料焊接性能較好[4]。但4J36 的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱傳導(dǎo)較慢，制冷效率較低；同時需要通過鍍鎳工藝來保證鎳層覆蓋，防止制冷后長期放置帶來的銹蝕隱患。與4J36 合金相比，純Ni 具備較大的導(dǎo)熱系數(shù)，熱傳導(dǎo)快，制冷效率高；同時本身具有較好防銹蝕的作用，無需增加鍍鎳工藝，可作為微型節(jié)流制冷型紅外焦平面探測器杜瓦冷平臺材料的選擇之一。

圖1 杜瓦冷指焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of dewar cold finger welding

本文在考慮使用純Ni 替代4J36 合金的前提下，通過數(shù)值模擬分析了TC4 鈦合金與純Ni 釬焊結(jié)構(gòu)的適用性，并從釬焊方法和釬料類型的焊縫微觀組織以及接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性等方面對TC4 鈦合金與純Ni 的釬焊工藝進(jìn)行了研究。

1 TC4/Ni 釬焊結(jié)構(gòu)的適用性分析

為了獲得芯片與冷平臺更好的熱適配結(jié)果，往往會選擇彼此膨脹系數(shù)相近的材料，而滿足上述條件的低膨脹系數(shù)合金材料其熱導(dǎo)率通常又較低。因此，為了實現(xiàn)大幅度減小啟動時間，提高制冷效率的目的，單純依靠冷頭外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計已無法滿足，需要從材料本身入手，即替換為具有高熱導(dǎo)率特性的材料。雖然Ni 具備傳熱快、制冷效率高和防銹蝕顯著等優(yōu)點，但考慮到其具有較大的熱膨脹系數(shù)，制冷后產(chǎn)生的熱應(yīng)力和形變會對芯片性能產(chǎn)生一定的影響，故需要增加合理的過渡結(jié)構(gòu)（如圖2所示）加以平衡，達(dá)到減小熱失配的目的。

圖2 杜瓦冷頭過渡結(jié)構(gòu)Fig.2 Dewar cold head transition structure

4J36 合金與純Ni 在低溫下（80 K）的線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)對比如表1所示。

對TC4＋4J36 與TC4＋Ni 釬焊結(jié)構(gòu)的冷平臺封裝后進(jìn)行Ansys 有限元仿真，網(wǎng)格劃分如圖3所示，采用六面體類型單元，最小單元尺寸0.6 mm，整個模型單元共計4387 個，節(jié)點5825 個。并對比了兩種結(jié)構(gòu)在80 K 工作溫度下的芯片應(yīng)力和應(yīng)變以及降溫時間情況，結(jié)果見圖4 和圖5。

圖3 杜瓦冷頭封裝結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of dewar cold head packaging structure model

圖4 兩種結(jié)構(gòu)在80 K 工作溫度下芯片應(yīng)力和應(yīng)變情況Fig.4 Stress and strain of the two structures at 80 K

圖5 兩種冷指端面結(jié)構(gòu)芯片降溫時間曲線對比情況Fig.5 Comparison of cooling time curves of two cold finger end structure chips

從表2 中可以看出，通過過渡結(jié)構(gòu)平衡熱膨脹系數(shù)差異引起熱失配后，TC4＋4J36 與TC4＋Ni 釬焊結(jié)構(gòu)對應(yīng)的芯片處最大應(yīng)力分別為29.33 MPa 和34.72 MPa，最大應(yīng)變分別為2.75 μm 和2.93 μm，兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果差異較小，在可接受范圍內(nèi)。從降溫時間上來看，TC4＋4J36 結(jié)構(gòu)降至80 K 所需的時間為20 s，而TC4＋Ni 結(jié)構(gòu)僅需9 s。

表2 兩種冷指端面結(jié)構(gòu)的芯片應(yīng)力、應(yīng)變及降溫時間結(jié)果對比匯總Table 2 Comparison and summary of chip stress,strain and cooling time results of two cold finger end structures

可以看出，增加過渡結(jié)構(gòu)的TC4＋Ni 冷指端面，在滿足芯片應(yīng)力及變形要求的基礎(chǔ)上，極大地提升了制冷效率，并兼具更優(yōu)的耐蝕性，符合微型節(jié)流制冷型紅外焦平面探測器杜瓦冷指的適用性需求，故對該結(jié)構(gòu)的釬焊工藝研究具有工程實用意義。

2 試驗條件及方法

2.1 基體材料

本試驗采用TC4 合金和純Ni 作為基體材料。表3為TC4 鈦合金的化學(xué)成分，表4 為純Ni 的化學(xué)成分。

表3 TC4 的化學(xué)成分Table 3 TC4 alloy chemical composition(wt/%)

表4 純Ni 的化學(xué)成分Table 4 Ni Chemical composition(wt/%)

2.2 釬焊材料

為了避免由于溫度較高，引起TC4 鈦合金β 相晶粒長大影響材料性能的問題，釬焊溫度必須低于其相變溫度（約960℃）。Ag-Cu 系釬料是常用于釬焊鈦合金的釬料類型之一[5]，其釬焊溫度遠(yuǎn)低于TC4 相變溫度，同時具有屈服強度低及塑性好的特點，可以最大限度地釋放焊接殘余應(yīng)力。

本試驗采用AgCu28 和AgCuNi 作為釬焊材料，其主要成分、熔點及規(guī)格為如表5所示。兩種釬料規(guī)格均為φ0.5 焊料絲，并經(jīng)過酸洗及真空處理，保證表面氧化層的去除及清潔度。

表5 釬料的化學(xué)成分、熔點及規(guī)格Table 5 Chemical composition,melting point and specification of filler metal

2.3 釬焊方法

常溫下鈦合金較穩(wěn)定，但隨溫度升高到大于250℃后，對氫、氧、氮等元素的吸收能力開始增強，并與上述元素結(jié)合形成強度低且硬而脆的鈦化合物[6]，從而引起焊接接頭脆化，最終影響焊接質(zhì)量。因此，氫氣及氮氣等氣氛焊接無法滿足焊接要求，而對焊接過程環(huán)境中的氧含量加以控制同樣重要。綜上分析，真空釬焊是較為理想焊接的方法。

本試驗采用高溫真空釬焊和高頻真空釬焊的方法。結(jié)合釬焊材料的選擇，釬焊溫度及保溫時間如表6所示。釬焊過程中設(shè)備真空度應(yīng)優(yōu)于5.0×10－3Pa。

表6 釬焊溫度及保溫時間Table 6 Brazing temperature and holding time

2.4 釬焊接頭結(jié)構(gòu)

為了獲得高強度的冷指端面焊接結(jié)構(gòu)，在保證焊接強度的前提下，本試驗對4 種釬焊接頭結(jié)構(gòu)（包括直邊、臺階、螺紋以及錐形）進(jìn)行了研究，釬焊后機加取樣的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 四種焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of four welding structures

2.5 試驗方案

本試驗依據(jù)正交試驗組合方式確定釬焊材料及釬焊方法的較佳選擇，并重點關(guān)注釬焊后的焊縫微觀組織特征（包括對脆性相生成和元素偏析情況的控制等）。同時在確定釬焊材料與釬焊方法較佳方案后，再對4 種釬焊接頭結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行研究。

將釬焊試件線切割獲得焊縫斷面，并用砂紙打磨后利用掃描電鏡觀察焊縫微觀組織，通過能譜測試釬焊界面的元素分布，分析元素擴散情況。同時按要求加工為力學(xué)性能測試試樣后在高壓檢測臺和壓力測試機上進(jìn)行接頭充耐壓及剪切強度性能測試。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 釬焊材料對焊縫微觀組織的影響

圖7 為AgCu28 釬料高溫真空釬焊焊縫微觀組織形貌。焊縫區(qū)域以Ag-Cu 合金的共晶相（淺白色相，A 處）為主，而靠近Ni 母材側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了一定程度的成分偏析現(xiàn)象。當(dāng)釬料熔化時，由于濃度梯度存在且DNi＞DCu（擴散系數(shù)），因此大量Ni 擴散進(jìn)入Ag-Cu 共晶相中，基于Cu 跟Ni 的無限固溶特性，形成Ni-Cu 固溶體（深色相，B、C 處）。同時少量Cu 和Ag 向Ni 母材擴散，由于DCu＞DAg（擴散系數(shù)），導(dǎo)致該區(qū)域共晶釬料中Cu 的量不足，無法維持釬料成分在共晶點附近[6]。D 處為靠近TC4 側(cè)，主要是以細(xì)微針狀組織形式存在，數(shù)量較少，元素間的擴散及反應(yīng)程度較低。通過能譜分析（見表7）主要為Ti 和Cu 兩種元素，結(jié)合Ti-Cu 二元合金相圖分析可知主要為TiCu，此種金屬化合物為脆性相[7]，數(shù)量過多會對焊縫接頭強度造成重要影響，因此焊接時需要控制其生成數(shù)量。

表7 主要成分分析結(jié)果Table 7 Main composition analysis results

圖7 AgCu28 釬料高溫真空釬焊掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM photo of high temperature vacuum brazing with AgCu28 Solder

高溫真空釬焊將工件和釬料進(jìn)行整體加熱，能夠精確地控制溫度并使溫度均勻化，避免了與Ti 元素過度反應(yīng)生成大量脆性相，保證焊縫較好的屈服強度及塑性，提高接頭強度。

圖8 為AgCuNi 釬料高溫真空釬焊焊縫微觀組織形貌。當(dāng)AgCuNi 釬料釬焊純Ni 材料時，在同樣升降溫速率、釬料熔化保溫時間下，IMC 層厚度相較于AgCu28＋高溫真空釬焊組合明顯增加（由0.42 mm 增加至0.55 mm），成分偏析現(xiàn)象也更加嚴(yán)重，且偏析從靠近純Ni 側(cè)開始，逐漸向焊縫中間區(qū)域遷移[8]。

圖8 AgCuNi 釬料高溫真空釬焊掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM photo of high temperature vacuum brazing with AgCuNi solder

對于釬焊含有Ni 元素或存在鍍Ni 層的母材，以及向釬料中添加Ni 元素時，釬焊焊縫會出現(xiàn)明顯的成分偏析現(xiàn)象；相較于AgCu28 釬料，AgCuNi 釬料的釬焊溫度更高，因此也增加了Ni 元素與Ag-Cu 釬料的互擴散程度，加劇了焊縫偏析[8]。

對比兩種釬料在高溫真空釬焊下的焊縫微觀組織，成分偏析情況很難完全避免。因此，僅需要盡量控制偏析現(xiàn)象的程度，除了必要的冶金結(jié)合反應(yīng)外，盡可能保證焊縫區(qū)域為Ag-Cu 共晶相，依靠其較低屈服強度及較好的塑性等特點，緩解應(yīng)力并降低接頭中的殘余應(yīng)力，提高接頭性能。而相較于AgCuNi 釬料，AgCu28 釬料由于Ni、Cu 遷移和固溶引起的焊縫元素偏析情況更低，對于TC4＋Ni 的焊接結(jié)構(gòu)有較明顯的優(yōu)勢。

3.2 釬焊方法對焊縫微觀組織的影響

圖9 為AgCu28 釬料高頻真空釬焊焊縫微觀組織形貌。從圖中可以看出，區(qū)域Ⅰ的焊縫與其余焊縫區(qū)域存在較大差異，分別選取區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ進(jìn)行局部放大觀察，如圖10 和圖11所示。

圖9 AgCu28 釬料高頻真空釬焊掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM photo for high frequency vacuum brazing of AgCu28 solder

圖10 區(qū)域Ⅰ的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM photo of region I

圖11 區(qū)域Ⅱ的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.11 SEM photo of region Ⅱ

圖10 可以看出，區(qū)域Ⅰ的焊縫部分主要以Ag-Cu 共晶相（淺色相）的形式存在，同時存在少量的成分偏析。該區(qū)域與高溫真空釬焊的焊縫微觀組織形貌基本一致。

對區(qū)域Ⅱ進(jìn)行掃描電鏡觀察，從圖11 可以看出，焊縫中Ag-Cu 共晶相基本消失，取而代之的是生成大量枝晶狀體金屬間化合物，母材與焊縫間的界限較為模糊[9]。通過能譜分析，此時焊縫元素主要為Ti、Cu、Ni 及Ag。而從微觀組織形貌上分析，數(shù)量極少的Ag-Cu 焊料顆粒以共晶形式彌散于焊縫中，其余以Ti2Cu的形式結(jié)合生成大量脆性化合物，形狀類似樹枝狀且較為粗大。在靠近TC4 鈦合金和焊縫側(cè)生成了一條寬度約為87 μm 過渡區(qū)，該區(qū)域主要是以細(xì)微針狀的組織形式存在，大量TiCu 脆性相富集其中，這主要是由于DCu＞DAg（擴散系數(shù)），因此在TC4 側(cè)富集并在高溫下形成TiCu 化合物。

高頻真空釬焊利用高頻電流流經(jīng)工件表面產(chǎn)生電阻熱實現(xiàn)焊接，故其無法準(zhǔn)確控制焊接溫度且由于集膚效應(yīng)的存在（即通過焊接樣件截面上的電流分布不均勻，導(dǎo)致各部分溫差較大），其反應(yīng)特征為：釬料與母材相互反應(yīng)較為劇烈，焊縫區(qū)域中大量Ag 基固溶體流失，僅殘余極少的AgCu28 釬料，同時大量的Ti2Cu、TiCu 等脆性化合物生成，導(dǎo)致整個焊縫在較低應(yīng)力作用下，就可能引起裂紋的產(chǎn)生，最終整個釬焊接頭失效。

對比AgCu28 釬料在高溫真空釬焊和高頻真空釬焊下的焊縫微觀組織，由于高頻真空釬焊時釬焊溫度難以控制，僅能通過釬料的熔化情況進(jìn)行判定，且焊接過程中的集膚效應(yīng)存在，因此母材與釬料過度反應(yīng)的情況無法有效避免。而高溫釬真空焊可精確地控制溫度并使其均勻化，避免反應(yīng)過度進(jìn)行，盡可能減少脆性相的生成，使整個焊縫以AgCu 共晶形式存在，依靠其優(yōu)異的屈服強度及塑性，保證接頭強度。

3.3 釬焊接頭結(jié)構(gòu)充耐壓及剪切強度測試

1）充耐壓測試

充耐壓測試是考核杜瓦冷指在設(shè)計壓力下安全工作所必須的承載能力的方法（測試示意圖如圖12所示）。

圖12 充耐壓檢測試意圖Fig.12 Test intent of charge and withstand pressure test

采用高溫真空釬焊＋AgCu28 釬料制備4 種結(jié)構(gòu)冷指端面，并封接成杜瓦冷指。在高壓檢測臺下依次完成3 組充壓試驗（充壓壓力分別為2 MPa、3 MPa和4 MPa 下保壓時間10 min，每組完成3 次）和1 組耐壓試驗（2 MPa 高壓氣體下保壓5 min，且檢漏儀測量漏率小于5×10－10Pa?m3/s）。

釬透率統(tǒng)計及充耐壓試驗結(jié)果如表8所示。螺紋結(jié)構(gòu)是采用螺紋咬合及釬焊兩種方式共同連接，由于螺紋間的配合精度要求較高，致使加工難度增加，較難保證焊縫間隙的均勻性，因此對焊料流淌性控制較差，容易形成虛焊，最終焊接完成后冷指端面芯和環(huán)即發(fā)生了脫落；直邊結(jié)構(gòu)的釬透率高，但承受壓力作用時為純剪切應(yīng)力，強度較低，在充壓2 MPa 時就發(fā)生了焊縫破壞；臺階與錐形結(jié)構(gòu)都具有較好的試驗結(jié)果，經(jīng)歷充耐壓試驗后均檢測合格并滿足使用需求。

表8 試驗結(jié)果統(tǒng)計Table 8 Test result statistics

2）剪切強度測試

在壓力測試機上對4 種結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行剪切強度測試（示意圖見圖13），測試速度小于2.0 mm/min，設(shè)定作用力上限500N，測試對比結(jié)果如表9所示。

表9 剪切強度測試對比結(jié)果Fig.9 Comparison results of shear strength test

圖13 剪切強度測試示意圖Fig.13 Shear strength test

螺紋結(jié)構(gòu)分離時的平均剪切強度僅為1.44 MPa，焊縫中的虛焊點對其結(jié)合強度影響較大（如圖14所示）；直邊結(jié)構(gòu)分離時的平均剪切強度為15.12 MPa，受純剪切強度的影響，焊縫強度較低，致使芯與環(huán)發(fā)生單側(cè)分離（如圖15所示）；而錐形結(jié)構(gòu)和臺階結(jié)構(gòu)的剪切強度均大于23.42 MPa。結(jié)合充耐壓試驗、釬透率及壓力測試結(jié)果，錐形結(jié)構(gòu)的可靠性最高。

圖14 冷指端面芯和環(huán)脫落（螺紋結(jié)構(gòu)）Fig.14 The cold finger core falls off from the end face of the cold finger（Thread structure）

圖15 單側(cè)分離（直邊結(jié)構(gòu)）Fig.15 Unilateral separation(Straight edge structure)

錐形結(jié)構(gòu)存在一定裝配困難，這是由于原結(jié)構(gòu)中冷指端面芯和環(huán)未設(shè)計定位結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致裝夾時兩者間的配合間隙不均勻，因此需要操作者反復(fù)調(diào)試，確保最佳的裝配位置。

為了提高錐形焊接結(jié)構(gòu)的裝配效率，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計（如圖16所示）。在冷指端面芯處增加了導(dǎo)向柱定位，通過控制配合間隙來保證焊縫均勻性，這樣既能保證裝配效率又能提高裝配精度。

圖16 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比Fig.16 Comparison diagram before and after structural optimization

4 結(jié)論

本文針對微型節(jié)流制冷型紅外焦平面探測器杜瓦冷指的適用性需求，對TC4＋Ni 釬焊結(jié)構(gòu)的杜瓦冷指進(jìn)行了有限元仿真分析和釬焊試驗，采用AgCu28、AgCuNi 釬料與高溫真空釬焊、高頻真空釬焊的正交組合方式研究了釬焊接頭的焊縫微觀組織及結(jié)構(gòu)可靠性，得到以下結(jié)論：

①通過Ansys 有限元仿真分別計算了TC4＋4J36與TC4＋Ni（增加過度結(jié)構(gòu)）杜瓦冷頭對應(yīng)芯片處的最大應(yīng)力、最大變形及冷頭降溫時間。兩者的最大應(yīng)力分別為29.33 MPa 和34.72 MPa，最大變形分別為2.75 μm 和2.93 μm，冷頭降溫時間分別為20 s 和9 s?？梢钥闯?，在均滿足芯片應(yīng)力及變形要求的前提下，后者的冷頭降溫時間為前者的一半，極大提升了制冷效率，同時后者具有更好的長期防銹蝕性。因此使用純Ni 替代4J36 作為冷平臺材料滿足杜瓦冷指的適用性需求。

②通過正交試驗分別對比AgCu28 釬料、AgCuNi釬料在高溫真空釬焊和高頻真空釬焊下的焊縫微觀組織，高溫真空釬焊＋AgCu28 釬料的釬焊方法對于TC4＋Ni 的焊接結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)點，可以更好的控制焊縫元素偏析，同時通過精確地溫度輸入和均勻化，避免了釬料與Ti 元素的過度反應(yīng)，減少脆性相生成，提高了接頭強度及可靠性。

③通過對比直邊、臺階、螺紋以及錐形4 種焊接結(jié)構(gòu)，錐形結(jié)構(gòu)可滿足釬透率大于95%、經(jīng)歷充耐壓試驗漏率合格，剪切強度大于23.42 MPa 的測試要求，具有較高的可靠性，同時對其存在的裝配效率和精度問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。