工装设计对冷板焊接质量的影响

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【摘 要】本文针对冷板在真空钎焊过程中容易出现流道堵塞问题,研究了刚性工装和柔性工装对流道堵塞问题的影响.实验结果表明采用刚性工装焊接的冷板流道堵塞严重,而采用柔性工装没有出现流道堵塞问题,经水密性测试,冷板焊接质量满足设计要求.

【关 键 词】冷板；3A21铝合金；真空钎焊；通道堵塞；密封

0引言

随着雷达等电子设备逐渐向小型化、集成化发展,各种元器件的集成度越来越高,封装密度越来越大,导致电子设备的热流密度急剧上升.传统的风冷技术已无法满足高热流密度器件的散热需求,需采用更为高效的液冷冷却技术,而液冷冷却技术的关键部件为液冷冷板,其质量的高低直接影响到整部雷达工作的可靠性[1-3].液冷冷板通常采用先机械加工再真空钎焊的方法成形,但由于冷板焊前装配、定位不当,真空钎焊过程中容易出现流道堵塞问题.目前,为适应雷达等产品的小型化发展趋势,冷板和流道的设计尺寸均在不断减小,上述问题表现的愈加突出.工装设计被公认为影响真空钎焊质量的一项重要因素[4-5],高焊接质量的产品需要合理的工装设计.因此,本文重点研究工装设计类型对冷板焊接质量的影响.

1试验方法

1.1实验材料

实验所选母材为3A21铝合金,钎料为0.1mm厚的Al-Si-Mg箔材.工装采用的材料为1Cr18Ni9Ti.

1.2冷板结构

冷板分为槽板和盖板,其流道形貌局部图见图1所示,流道截面尺寸为2×3mm.冷板盖板为为3mm的板材.

1.3工装设计与焊接结构装配

本实验设计刚性工装和柔性工装两种类型.刚性工装即为螺钉紧固式工装,其夹紧固定方式为螺钉旋紧方式.由于其耐热性远远高于待焊件,而线膨胀系数又远低于待焊件,因此焊接加热过程中往往忽略工装的膨胀,视其为刚性不变,但实际上会因为待焊件的膨胀而出现少许变形.柔性工装即C-型弹簧片压紧式工装,利用弹簧片的收缩力将工件夹紧,使工件在焊接过程中的受压状态基本保持不变.冷板焊接装配按照自上而下的顺序为：不锈钢垫板、冷板槽板、焊料、冷板盖板、不锈钢垫板.

1.螺钉；2.U-型工装；3.C-型弹簧片；4.不锈钢垫板；

5.冷板槽板；6.冷板盖板；7.焊料

1.4真空钎焊

设备采用中国电子科技集团公司第二研究所生产的ZHS-120铝真空钎焊炉.工作真空度为3×10-a；升温速率控制在约10℃/min,经过300℃、400℃、和550℃时各保温30min,待炉温升至600℃时,保温10min；工件随炉冷却至150℃时,取出冷至室温.

2试验结果与讨论

2.1冷板工业CT分析

对采用两种工装焊接后的冷板进行了外观和内部流道分析.

2.2水压实验结果

对于采用柔性工装焊接的冷板,流道内没有出现堵塞及焊料堆积现象,需进一步进行水压测试,验证其水密性,测试参数要求：0.8MPa,保压30min.实验结果表明：在规定的压力和保压时间下,冷板无渗水、漏水现象,判断试验件全部合格.

2.3工装设计对冷板质量的影响分析

在冷板的焊接工装设计中,需要考虑不同材料受热变形问题.按照两种材料热膨胀系数计算产生的膨胀量差.其中：ΔL是热膨胀产生变化的膨胀量差；L是夹持距离,这里取10mm；ΔT是钎焊温度减去室温,这里取580℃；α1和α2分别是被夹持件和夹持件的平均线膨胀系数（/K）.

本实验刚性工装材质选用耐热不锈钢,牌号为：1Cr18Ni9Ti,其线膨胀系数为18×106/K,而铝合金的线膨胀系数为25×106/K.由于线膨胀系数的不同,冷板在焊接过程中受热膨胀,经计算在焊接温度的膨胀量为0.04mm,说明冷板所受到的夹持力随焊接温度的升高而不断增加,当温度升高到钎料熔点时,熔融钎料在较大夹持力作用下将沿着焊缝流动,进而流向冷板外部或流道内部,由图4（a）显示钎料向冷板外部流动出现钎料块,图4（b）显示钎料向流道内部流动导致流道堵塞.通过对比,采用柔性的C-型工装焊接的冷板,由于冷板的受热膨胀量可以随着柔性的C-型工装变形而得到有效释放,焊接过程中的夹持力几乎保持不变,焊接成形后没有出现明显的钎料流动现象,可以有效避免流道堵塞问题.

3结论

由于不锈钢的线膨胀系数大于铝合金,所以刚性工装在受热膨胀过程中产生较高的夹持力,引起液体钎料流向冷板外部和流道内部,最终导致冷板堵塞；柔性工装由于夹持力变化不大且均匀,受冷板热膨胀的影响较小,没有出现钎料向流道内堆积和外溢现象,经水压0.8MPa,保压30min测试冷板无泄漏.

【参考文献】

[1]宋君.相控阵雷达冷板的加工技术研究[J].电子机械工程,2002,18（3）：59-62.

[2]张兆光.固态有源相控阵雷达冷却技术探讨[J].现代雷达,1996,18（1）：88-95.

[3]安占军.冷板加工工艺研究[C]//第十七届全国钎焊及特种连接技术交流会论文集：394-395.

[4]贾建中.真空铝钎焊夹具设计浅析[J].电子机械工程,2005,21（1）：49-51.

[5]冯展鹰.铝合金毫米波构件真空钎焊工艺[J].电子机械工程,2010,26（6）：45-47.

[责任编辑：丁艳]