高硅鋁合金殼體激光封焊缺陷及機制分析

周明智，雷黨剛，李 正

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

高硅鋁合金殼體激光封焊缺陷及機制分析

周明智，雷黨剛，李 正

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

采用激光焊對硅含量為50%(質(zhì)量分數(shù))的高硅鋁合金殼體和硅含量為27%的硅鋁合金蓋板進行封焊實驗。通過對焊縫區(qū)微觀組織的觀察，獲得了焊縫區(qū)的組織特征及存在的缺陷。分析認為，焊接過程中溫度和應力的急劇變化引發(fā)高硅鋁材料內(nèi)部的硅裂是焊縫微裂紋產(chǎn)生的主要原因，也是殼體封焊后氣密性不能滿足要求的主要因素。在此基礎上，通過對焊接參數(shù)優(yōu)化改進，提高了接頭的質(zhì)量。

高硅鋁合金；激光封焊；裂紋；參數(shù)優(yōu)化

引 言

隨著微波器件向大功率、輕量化和高性能方向發(fā)展，對基片襯底材料、框架、殼體和封裝蓋板等封裝材料的性能提出了更高的要求。高硅鋁合金由于具有較高的熱導率、膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)、低密度及良好的機械加工性能等一系列優(yōu)點，正成為國內(nèi)外封裝材料的研究熱點[1-3]。

有氣密封焊要求的殼體零件對封焊工藝要求高。這是因為待封裝的殼體內(nèi)已安裝電子器件，如果焊接熱輸入大，殼體溫升過高，易導致內(nèi)部器件因焊點脫落而失效；另一方面，為保護內(nèi)部芯片等有源器件，要求焊縫連接可靠，不能存在未焊透、微裂紋等影響氣密封裝的缺陷。為獲得與陶瓷基板相近的膨脹系數(shù)，高硅鋁材料內(nèi)硅含量一般都在50%左右，給焊接方法和規(guī)范的選擇帶來一定的難度。因此，一段時間以來，高質(zhì)量焊接問題是制約該種材料推廣應用的一項關鍵的瓶頸技術。能量集中的激光焊在工藝控制方面有獨特優(yōu)勢，一直被認為是實現(xiàn)鋁合金及鋁基復合材料連接的優(yōu)選方案[4-5]。本文針對高硅鋁殼體的激光封焊技術進行實驗研究，獲得高硅鋁材料焊接接頭區(qū)的組織特征，分析缺陷的形成機制，進而對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提高了焊接接頭的質(zhì)量。

1 實 驗

實驗材料選用噴射沉積制備的高硅鋁材料，其中殼體選用含硅量50%(質(zhì)量分數(shù))的鋁硅合金(CE11)，蓋板選用含硅量27%的硅鋁合金(CE17)，兩種材料的微觀金相組織如圖1所示。

圖1 鋁硅材料的金相組織結構

殼體和蓋板的接頭為嵌入對接方式，蓋板厚1 mm，接頭搭接寬度0.5 mm，如圖2(a)所示。加工好的殼體及蓋板焊接試樣如圖2(b)所示。焊前對材料表面進行機械處理除去氧化膜，然后用丙酮清洗焊接面。設備采用功率為500 W的脈沖激光焊接器，封焊在氬氣氣氛保護的手套箱內(nèi)進行。

圖2 接頭設計形式及焊接試樣

2 結果及分析

實驗的焊接參數(shù)：電流190 A，脈寬2.5 ms，速度200 mm/min。焊接樣件焊縫宏觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，焊縫表面質(zhì)量良好、焊縫美觀，焊縫表面魚鱗紋均勻流暢，說明本研究選用的高硅鋁材料在焊接時具有良好的流動性。

圖3 焊縫形貌

對焊后的試樣進行指標檢測，發(fā)現(xiàn)氣密性指標不能滿足GJB 548B—2005要求。取不滿足指標的樣件，垂直于焊縫方向剖開并制樣，在光學顯微鏡下對焊縫的組織形貌進行觀察。圖4為焊縫及周邊區(qū)域材料組織特征，由圖可知接頭區(qū)焊接熔池較淺，約為0.4 mm。接頭區(qū)根據(jù)組織形態(tài)可分為焊核區(qū)和熱影響區(qū)。其中焊核區(qū)局部含有氣孔，組織主要為細小的等軸晶(圖5)；焊接熱影響區(qū)大小不明顯，在其內(nèi)部靠近硅含量高的母材區(qū)附近發(fā)現(xiàn)明顯裂紋(圖4中B區(qū))，而靠近硅含量低的母材區(qū)處除少量氣孔外沒發(fā)現(xiàn)其他明顯缺陷(圖5中箭頭所示)。

圖4 焊縫區(qū)組織形貌

圖5 焊縫A區(qū)局部放大

對上述結果進行分析，認為這主要是因為高硅鋁材料在激光焊過程中，材料經(jīng)受了劇烈的加熱和冷卻過程，在此過程中材料經(jīng)歷重熔、硅含量的重新分配、內(nèi)部應力狀態(tài)的急劇變化。在焊縫的焊核區(qū)，兩種不同成分的硅鋁材料首先被加熱融化，然后急劇冷卻，此時材料的含硅量雖然較高，但是由于急劇的冷卻作用控制了硅和鋁基體的長大，形成了大量細小的等軸晶粒，該區(qū)晶粒尺寸遠小于母材區(qū)(圖5)。在焊縫區(qū)和硅含量少的母材連接的熱影響區(qū)，部分硅顆粒發(fā)生融化(圖5中箭頭所示)，晶粒較小，但該區(qū)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。而在另一側(cè)的熱影響區(qū)即靠近母材中硅含量較高的區(qū)域則是裂紋的主要發(fā)生部位。將該部位組織進一步放大如圖6所示，可以清晰看出，有大量的裂紋通過硅顆粒和鋁基體。這是因為焊接過程中該區(qū)部分硅顆粒在焊接冷熱循環(huán)中應力狀態(tài)發(fā)生明顯改變，由壓應力向拉應力急劇轉(zhuǎn)變，導致硅顆粒破裂，其中靠近熔池部分，硅破裂后被融化的鋁液填充(圖6中箭頭所示)，故裂紋沒有進一步擴展。而靠近母材區(qū)的材料，硅含量高，又處于熱影響區(qū)，基體鋁沒有發(fā)生融化，在冷卻過程中的拉應力作用下，大量的脆性硅發(fā)生破裂、擴展并穿過基體鋁合金，最終導致該區(qū)產(chǎn)生宏觀裂紋。

圖6 裂紋區(qū)局部放大

焊接的另一個主要缺陷是氣孔，由圖7可知這種氣孔的特點是球狀、體積小、數(shù)量較多。經(jīng)分析認為，該種氣孔主要為氫氣孔。氫在液態(tài)鋁和固態(tài)鋁中的溶解度差距導致氫氣孔的形成。硅鋁合金在激光焊接過程中，急劇加熱和冷卻作用導致部分氫逸出。一般認為，氫氣孔的形成過程有3個階段：氫聚集形成小的氫氣孔；氫氣孔長大形成氣泡；氣泡上浮逸出。氣泡在熔池中形成后，由于激光焊熔池有一定的深度，硅鋁材料的熱導率較大，冷凝快，氣泡逸出時間短，路徑相對較長；另外硅鋁材料比重小，粘度大，形成的氣泡半徑小，所以在溶池中浮升速度較小。較低的上浮速度和較短的上浮時間使得氣泡很難上浮到表面逸出，因此部分氣泡被凍結在熔池低部及兩側(cè)的熔合區(qū)內(nèi)形成氣孔。

圖7 帶有氣孔的焊縫組織

由上述實驗結果及分析可知高硅鋁合金激光焊接接頭區(qū)主要的缺陷是氣孔和裂紋。其中，析氫孔難以避免，但少量的析氫孔在熔池內(nèi)部是不連續(xù)和連通的，對焊縫氣密性影響不大。因此，焊接熱裂紋是氣密性問題的主要因素。防止焊接熱裂紋可通過以下途徑：

1)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。調(diào)整焊接過程溫度分布梯度，舒緩熱應力。這主要通過調(diào)整焊接電流、脈寬、焊接速度、頻率、離焦量等實現(xiàn)。

2)選擇合適的材料組分，材料含硅量越高，焊接難度越高，發(fā)生裂紋的傾向越大，進一步優(yōu)化調(diào)整接頭部位的硅含量。

3)設計焊接程序，調(diào)整脈沖的波形，配合先點焊固定再分段焊接最后整體焊接的焊接順序，使熱應力分散，避免熱裂紋的產(chǎn)生。

在上述研究的基礎上，進一步調(diào)整焊接路徑及激光脈沖波形。首先將待焊試件殼體和蓋板點焊固定，再將激光焊接的每個脈沖細分為預熱、焊接、修飾多個分段，調(diào)整焊接時的熱輸入，舒緩焊接熱應力。

按前述方法對焊后試樣進行分析，結果發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)試樣焊縫局部出現(xiàn)氣孔外，所焊試樣在顯微鏡下觀察無裂紋產(chǎn)生(圖8)。通過金相顯微組織觀察，焊縫組織質(zhì)量較好。經(jīng)檢測，封焊氣密性指標較優(yōu)化前有明顯提高。

圖8 優(yōu)化后的接頭組織

3 結束語

對硅含量為50%的高硅鋁合金殼體和硅含量為27%的硅鋁合金蓋板進行激光封焊實驗，通過對焊后組織進行分析研究，得到以下結論：

1)高硅鋁材料在激光焊接過程中具有良好的流動性，可獲得表面美觀的焊縫。

2)高硅鋁激光焊接時，焊縫區(qū)的熱裂紋和氣孔是主要的焊接缺陷。其中熱裂紋的成因主要是熱應力的急劇變化而導致熱影響區(qū)的硅顆粒破裂，是影響焊接氣密性的主要因素。

3)通過合理地設置激光焊接參數(shù)和調(diào)整激光脈沖波形，可以有效避免焊接過程中的裂紋缺陷，獲得滿足要求的焊接接頭。

[1] 劉紅偉, 張永安, 朱寶宏, 等. 噴射成形70Si30Al電子封裝材料致密化處理及組織性能研究[J]. 稀有金屬, 2007, 31(4): 446-450.

[2] 武高輝, 修子揚, 張強, 等. 新型Sip/4032Al復合材料熱物理性能研究[J]. 宇航材料工藝, 2007, 37(2): 26-29.

[3] 田沖, 陳桂云, 楊林, 等. 噴射沉積硅鋁電子封裝材料的組織與性能[J]. 功能材料與器件學報, 2006, 12(1): 54-58.

[4] 崔海超, 盧鳳桂, 唐新華, 等. 原位生成鋁基復合材料的激光焊接[J]. 2007, 31(8): 68-72.

[5] 李俐群, 陶汪, 汪彬.Sip/Al復合材料激光釬焊特性與組織形態(tài)[J]. 中國有色金屬學報, 2011, 21(9): 2139-2145.

周明智(1973-)，男，博士，高級工程師，主要從事新材料制備及應用、工藝過程仿真研究工作。

雷黨剛(1979-)，男，碩士，高級工程師，主要從事激光焊工藝技術研究工作。

李 正(1986-)，男，碩士，主要從事精密焊接工藝技術研究工作。

Analysis on the Defects and Mechanism of Laser Seal Weldingof High Silicon Content Aluminum Alloy Shell

ZHOU Ming-zhi，LEI Dang-gang，LI Zheng

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Seal welding experiment using laser welding is carried out for high silicon content aluminum alloy shell with 50% silicon (mass fraction) and Si-Al alloy lid with 27% silicon. Through observing the weld area microstructure, the microstructure characteristics and defects of the weld area are obtained. Analysis indicate that the main reason of the weld micro crack is the silicon particle crack inside high silicon content aluminum alloy material caused by the sudden change of temperature and stress during laser welding process. It is also the main reason for the unsatisfied gas tightness of the shell after seal welding. Based on the analysis, the welding parameters are optimized and the quality of the welding joint are improved.

high silicon content aluminum alloy; laser seal welding; crack; parameters optimize

2013-05-23

TG456.7

A

1008-5300(2013)06-0054-03