導(dǎo)電氧化對(duì)鋁合金YAG脈沖激光焊接的影響

海 洋

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導(dǎo)電氧化對(duì)鋁合金YAG脈沖激光焊接的影響

海 洋

（西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

鋁合金輕質(zhì)、易于加工，是航空航天電子產(chǎn)品常用的封裝材料，使用時(shí)需要將其表面做導(dǎo)電氧化處理，以提高其耐腐蝕性和表面硬度，避免磨損后形成顆粒物，從而威脅電子產(chǎn)品的可靠性。由于鋁合金腔體氣密封裝通常采用Nd:YAG脈沖激光焊接的方式，所以必須考慮導(dǎo)電氧化對(duì)其焊接的影響。以某型號(hào)鋁合金腔體激光焊接樣件為研究對(duì)象，通過(guò)SEM（掃描電鏡）微觀分析，進(jìn)行了鋁合金具有和不具有表面導(dǎo)電氧化層對(duì)Nd:YAG脈沖激光焊接影響的對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：導(dǎo)電氧化對(duì)焊接有某些參數(shù)要求，但不會(huì)因?yàn)閷?dǎo)電氧化的存在而對(duì)焊接造成破壞性結(jié)果。因此，本文認(rèn)為導(dǎo)電氧化不會(huì)對(duì)Nd:YAG脈沖激光焊接帶來(lái)實(shí)質(zhì)性影響。

導(dǎo)電氧化；鋁合金；Nd:YAG脈沖激光；焊接；表面；SEM

激光焊接工藝是金屬氣密封裝的重要手段之一。激光焊接的主要優(yōu)勢(shì)有熱影響區(qū)域小、不需要使用電極、激光束易于聚焦、可焊接的材質(zhì)種類(lèi)范圍大、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高速焊接等等。目前，關(guān)于激光焊接的研究主要集中在激光特性參數(shù)方面[1-7]。這些研究成果可以指導(dǎo)相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)不同的加工材料，選擇合適的激光功率密度和光束模式、焊接速度、脈沖波形和寬帶、離焦量和保護(hù)氣體等，但卻不能解釋諸如鋁合金表面導(dǎo)電氧化對(duì)激光焊接所帶來(lái)的影響。

由于鋁的某些特性，如硬度、耐磨性和耐蝕性等較差，實(shí)際生產(chǎn)中需通過(guò)鋁的表面技術(shù)，諸如導(dǎo)電氧化、陽(yáng)極氧化或表面涂層等手段來(lái)彌補(bǔ)上述弱點(diǎn)[8]。鋁合金的陽(yáng)極氧化不導(dǎo)電，這與電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中往往要求集成電路封裝外殼必須有良好的導(dǎo)電性相違背[9]，因此，只有對(duì)鋁合金導(dǎo)電氧化工藝予以改性，這樣不僅可提高基體與表層的結(jié)合力，增強(qiáng)鋁材的抗蝕能力，還可以獲得良好的導(dǎo)電性能，從而滿足產(chǎn)品的使用要求[10]。然而國(guó)內(nèi)鮮有關(guān)于導(dǎo)電氧化對(duì)激光焊接影響的報(bào)道。

筆者采用某型號(hào)鋁合金的激光焊接樣件，通過(guò)切片及SEM金相掃描分析，開(kāi)展了導(dǎo)電氧化對(duì)鋁合金腔體Nd:YAG脈沖激光焊接影響的研究，以焊接質(zhì)量及焊縫成分來(lái)評(píng)判導(dǎo)電氧化是否對(duì)焊縫的形成過(guò)程產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 樣件材料

所選某型號(hào)鋁合金為電子電路產(chǎn)品常用封裝材料，其腔體和蓋板材料成分如表1、2所示。該型號(hào)的鋁合金主要合金元素為鎂和硅，具有極佳的加工性能、優(yōu)良的可焊性、擠出性及電鍍性能、良好的抗腐蝕性和韌性、易于拋光、導(dǎo)電氧化效果優(yōu)良等。

表1 鋁合金腔體材料化學(xué)成分

Tab.1 Chemical components of Al alloy cavity material

表2鋁合金蓋板材料化學(xué)成分

Tab.2 Chemical components of Al alloy cover plate material

1.2 導(dǎo)電氧化處理

樣件分別做本色導(dǎo)電氧化處理（銀白色）、彩色導(dǎo)電氧化處理（土黃色）和無(wú)導(dǎo)電氧化處理。

導(dǎo)電氧化處理后，氧化物薄膜厚度約為0.3 ~0.5 μm，導(dǎo)電性良好。

導(dǎo)電氧化一般工藝流程如下：鋁合金零件→常溫除油→水洗→堿液腐蝕→精蝕→水洗→硝酸水溶液(質(zhì)量比1∶1) 酸洗→水洗→化學(xué)導(dǎo)電氧化→水洗→封閉→水洗→純凈水洗→干燥。

1.3 激光焊接參數(shù)

Nd:YAG激光器效率高、體積小、質(zhì)量輕、冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單、金屬對(duì)Nd:YAG激光束的吸收率高，且Nd:YAG激光器一般具有尖峰結(jié)構(gòu)的波形，激光輻射的動(dòng)力特性范圍大，有利于提高深度熔化效果，相對(duì)連續(xù)激光器，脈沖激光器所需的平均功率小[11]。在Nd:YAG脈沖激光焊接金屬過(guò)程中，影響焊縫成形、熔深及焊接質(zhì)量的主要是激光功率、脈沖寬度、焊接速度、離焦量、保護(hù)氣體流量等[12]。

激光焊接系統(tǒng)為RESEM公司生產(chǎn)，型號(hào)GB-600，激光器品牌為GSI，最大平均功率為600 W，波長(zhǎng)1064 nm，輸出最大能量100 J。制作激光焊接樣件時(shí)，主要通過(guò)調(diào)整脈沖寬度、焊接功率、頻率等幾個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行。具有導(dǎo)電氧化和不具有導(dǎo)電氧化的鋁合金焊接樣件的焊接參數(shù)，如脈沖寬度和功率輸出百分比等，列出范圍如下：

激光脈沖寬度：0.6~0.7 ms；

激光焊接輸出功率百分比：45%~81%；

保護(hù)氣氛：99.999%高純氮；流量1.0 m3/h。

實(shí)際加工時(shí)，本色導(dǎo)電氧化、彩色導(dǎo)電氧化和無(wú)導(dǎo)電氧化樣件所用參數(shù)都在上述范圍內(nèi)，且參數(shù)差別并不大。

1.4 樣件切片及SEM掃描實(shí)物

圖1所示為樣件及切片實(shí)物圖，第一排及第二排左起第一個(gè)為做了不同表面處理的樣件，而第二排左起第二個(gè)為樣件做切片后的狀態(tài)（選取其中一個(gè)做示意圖），樣件尺寸為34 mm×34 mm×20 mm。

（a）本色導(dǎo)電氧化

（b）彩色導(dǎo)電氧化

（c）無(wú)導(dǎo)電氧化

（d）切片

圖1 樣件及切片實(shí)物照片

Fig.1 Photos of samples and slices

金相切片及SEM分析的檢測(cè)方法：按照下面標(biāo)準(zhǔn)1）對(duì)試樣用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌后進(jìn)行研磨拋光，直到劃痕和污斑消失，漂洗干凈后，在金相顯微鏡下觀察檢查。然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)2）用SEM對(duì)焊點(diǎn)截面的成分進(jìn)行觀察測(cè)量。

標(biāo)準(zhǔn)1) IPC-TM-650 2.1.1E: 2004 Microsectioning, Manual Method；

標(biāo)準(zhǔn)2) GB 17359—1998微束分析能譜法定量分析。

檢測(cè)環(huán)境：溫度25~26 ℃；濕度（55~60）%RH。

檢測(cè)儀器：1）體視顯微鏡； 型號(hào)：SMZ1000。

2）雙盤(pán)研磨機(jī)；型號(hào)：ASIDA-YM22。

3）金相顯微鏡；型號(hào)：LV150。

4）掃描電鏡；型號(hào)：Supra55VP。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先，從焊縫的成型狀態(tài)做對(duì)比分析。焊接完畢后，本色導(dǎo)電氧化樣件、彩色導(dǎo)電氧化樣件以及無(wú)導(dǎo)電氧化樣件焊縫的成型狀態(tài)基本一致，如圖2所示（彩色導(dǎo)電氧化樣件）。這說(shuō)明，無(wú)論對(duì)該型號(hào)鋁合金的表面做本色導(dǎo)電氧化處理、彩色導(dǎo)電氧化處理還是不做導(dǎo)電氧化處理，都不會(huì)對(duì)焊接后焊縫的成型狀態(tài)帶來(lái)影響。

圖2 樣件焊縫形成后的實(shí)物圖

其次，從樣件的切片照片進(jìn)行對(duì)比分析。如圖3~5，依次為本色導(dǎo)電氧化樣件切片、彩色導(dǎo)電氧化樣件切片和無(wú)導(dǎo)電氧化樣件切片的金相圖，圖中用文字注明了腔體、蓋板及焊縫位置?？梢钥闯觯N樣件在焊接之后所形成的焊縫與腔體和蓋板的結(jié)合效果良好，焊縫熔深比較理想（蓋板厚度的1/3，0.2~0.3 mm）。只是圖5無(wú)導(dǎo)電氧化樣件中腔體焊接位置附近有空洞存在，可能會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響，但該空洞的產(chǎn)生很有可能是腔體本身的原因，而不是表面處理造成的。另外，圖3~5的樣件焊縫處還存在較長(zhǎng)的裂口，這可能是焊縫在形成過(guò)程中，瞬間冷卻受熱不均，導(dǎo)致焊縫底部拉裂。

（a）左邊????????（b）右邊

所以對(duì)切片圖進(jìn)行對(duì)比分析后，也可以基本判斷：導(dǎo)電氧化不會(huì)對(duì)該型號(hào)鋁合金激光焊接焊縫與腔體和蓋板的結(jié)合效果帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響。

（a）左邊????????（b）右邊

（a）左邊????????（b）右邊

最后，對(duì)樣件焊縫成分進(jìn)行SEM掃描對(duì)比分析，主要分析的成分物質(zhì)有鋁、硅、碳和氧。如圖6（a）、（b）、（c）所示，依次為本色導(dǎo)電氧化樣件、彩色導(dǎo)電氧化樣件和無(wú)導(dǎo)電氧化樣件焊縫成分掃描照片。圖6（a）、（b）中第二排左起依次為鋁、硅、碳、氧的成分分析圖，而圖6（c）中第二排左起依次為鋁、硅、氧、碳的成分分析圖。從圖中可以看出，三種樣件在焊接完畢后，主要成分仍舊保持高度一致，沒(méi)有因?yàn)閷?dǎo)電氧化處理而引入外部雜質(zhì)，或是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，在無(wú)裂縫、物相組成等不變的情況下，鋁合金材料的力學(xué)特性主要由其組成成分的比例所決定，如果其成分比例未發(fā)生改變，那么其力學(xué)性能幾乎不會(huì)改變。所以，通過(guò)該對(duì)比分析，在一定程度上證明了導(dǎo)電氧化不會(huì)對(duì)激光焊接帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響。

1. 表面；2.COAl；3. Al；4. Si；5. C；6. O

（a）本色導(dǎo)電氧化樣件

1. 表面；2.COAl；3. Al；4. Si；5. C；6. O

（b）彩色導(dǎo)電氧化樣件

1. 表面；2.COAl；3. Al；4. Si；5. C；6. O

3 結(jié)論

（1）采用Nd:YAG脈沖激光并分別設(shè)置參數(shù)焊接了某型號(hào)鋁合金的本色導(dǎo)電氧化樣件、彩色導(dǎo)電氧化樣件和無(wú)導(dǎo)電氧化樣件，樣件的焊接質(zhì)量均滿足要求。通過(guò)對(duì)三種樣件焊縫成型形態(tài)觀察和分析，發(fā)現(xiàn)這三種樣件的焊縫形態(tài)沒(méi)有本質(zhì)差別，這說(shuō)明導(dǎo)電氧化不會(huì)對(duì)某型號(hào)鋁合金焊接后焊縫成型形態(tài)帶來(lái)影響。

（2）對(duì)樣件做了切片試驗(yàn)，觀察了焊縫與腔體和蓋板的結(jié)合情況。從樣件的金相切片照片中可以看出，三種樣件的焊縫與腔體和蓋板的結(jié)合效果良好，焊縫的熔深為蓋板厚度的1/3，這說(shuō)明導(dǎo)電氧化不會(huì)對(duì)某型號(hào)鋁合金焊接后焊縫與腔體和蓋板的結(jié)合效果帶來(lái)影響。只是在樣件腔體和蓋板結(jié)合處的焊縫底部位置，由于焊接時(shí)急速冷卻受熱不均會(huì)造成焊縫低位的拉裂。

（3）對(duì)樣件切片后做了SEM成分掃描分析，發(fā)現(xiàn)三種樣件在焊接后成分高度保持一致，這說(shuō)明導(dǎo)電氧化不會(huì)帶來(lái)化學(xué)反應(yīng)。因此，導(dǎo)電氧化只是對(duì)焊接參數(shù)有要求，但是不會(huì)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性影響。

（4）由于電子電路產(chǎn)品要求封裝外殼必須做導(dǎo)電氧化處理，且通過(guò)上述分析，也得知導(dǎo)電氧化對(duì)某型號(hào)鋁合金的激光焊接不會(huì)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性影響，但是仍然需要考慮導(dǎo)電氧化后對(duì)激光光束反射所帶來(lái)的影響。因此，筆者建議做導(dǎo)電氧化處理時(shí)，盡可能采用本色或者對(duì)激光光束反射效果較差的彩色（如土黃色）。

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（編輯：陳渝生）

Impact of conductive oxide on Al alloy Nd:YAG pulse laser welding

HAI Yang

(Southwest Electronics Technology Research Institute, Chengdu 610036, China)

Al alloy which has advantages of lightweight and easy machining is commonly used as packaging materials on aeronautics and astronautics electronic products. When using, it need to do the conduct anodizing surface treatment to the Al alloy for improving its corrosion resistance and surface hardness, and avoiding forming particles after wear and tear, and finally reducing the threat of reliability. Because the Al alloy cavity sealing usually use Nd:YAG pulse laser welding technology, the influence of conduct anodizing on the welding must be considered. To use a type of Al alloy cavity laser melding sample as the object of study, through SEM (scanning electron microscope) microscopic analysis, the comparative study of impact between two kinds of Al alloys with and without surface conductive oxidation on Nd:YAG pulse laser welding samples was conducted. The results show that the conductive oxide process has parameters requirements on laser welding, but the conductive oxide won’t cause destructive consequence on the laser welding. According to this finding, it is thought that the conductive oxide will not bring substantial effect on Al alloy of Nd:YAG pulse laser welding.

conductive oxide; Al alloy; Nd:YAG pulse laser; welding; surface; SEM

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.018

TN605

A

1001-2028（2017）08-0099-04

2017-07-04

海洋（1984－），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事微波毫米波組件組裝與封裝技術(shù)研究，E-mail: hylx007@163.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-07-31 11:32

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1132.018.html