基于錫焊的便攜式X射線機(jī)油箱密封設(shè)計(jì)

王志才 陳凱亮 蘇樹鈿 林偉杰 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （廣東 汕頭 515041）

基于錫焊的便攜式X射線機(jī)油箱密封設(shè)計(jì)

王志才 陳凱亮 蘇樹鈿 林偉杰 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （廣東 汕頭 515041）

便攜式X射線機(jī)油箱主要是采用銅板材質(zhì)進(jìn)行錫焊，其密閉性的好壞決定產(chǎn)品的質(zhì)量。本文基于此類產(chǎn)品油箱的案例，分析了油箱漏油產(chǎn)生的原因，并有針對(duì)性地提出解決方案。通過相關(guān)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，改善了油箱錫焊的效果及焊接質(zhì)量，保證了油箱的密閉性，為便攜式X射線機(jī)產(chǎn)品的可靠性提高了保證。

X射線機(jī) 油箱 錫焊 可靠性

圖1. 一款小型化X射線機(jī)

X射線機(jī)適用于人體或動(dòng)物的骨骼透視成像診斷，能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)骨骼的傷病情況，以便醫(yī)生正確治療。隨著技術(shù)發(fā)展，X射線機(jī)的小型化成為可能（圖1）。由于小型化X射線機(jī)的便攜性，特別適合地震救災(zāi)、急救的診斷需求，迅速將設(shè)備帶到傷者面前做診斷，即避免了搬運(yùn)傷者可能造成的二次傷害，又能第一時(shí)間為傷者做出診斷，具有非常廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

變壓器油箱是便攜式X射線機(jī)的關(guān)鍵部件。變壓器油箱一般由油箱殼、球管、主變壓器及相關(guān)的電路板等部件外，還包含了變壓器油。變壓器油在油箱里面起到的是增強(qiáng)絕緣和散熱的作用。由于便攜式X射線機(jī)小型化的需求，油箱的體積是越小越好，因此一般油箱殼采用銅板材進(jìn)行設(shè)計(jì)，油箱殼各個(gè)部件之間采用錫焊進(jìn)行連接與密封。

由于變壓器油箱的可靠性直接影響便攜式X射線機(jī)產(chǎn)品的可靠性，一般變壓器油箱要面對(duì)的主要質(zhì)量問題就是漏油。漏油的后果十分嚴(yán)重，它不僅影響外觀，而且可能導(dǎo)致絕緣擊穿、短路或燒損[1]。因此，如何基于錫焊工藝的要求，控制好油箱的密閉性，是攜式X射線機(jī)產(chǎn)品需要面對(duì)的重要課題。

下面以汕頭市超聲儀器研究所有限公司一款變壓器油箱的分析、優(yōu)化過程，對(duì)基于錫焊工藝要求，控制油箱的密閉性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.原實(shí)施方案介紹及問題分析

1.1 原實(shí)施方案介紹

在便攜式X射線機(jī)的樣機(jī)階段，該變壓器油箱的的油箱殼采用的是1mm厚的銅板進(jìn)行搭建，主體由油箱罩、前蓋、后蓋和頂板組成。其中，油箱罩、前蓋與后蓋均采用鈑金折彎的方式實(shí)現(xiàn)。其簡化示意圖如圖2所示。

油箱在焊接時(shí)，采用波峰焊錫爐局部預(yù)上錫，然后用大功率焊槍錫焊方式實(shí)現(xiàn)。其焊接順序?yàn)橛拖湔峙c頂板先完成焊接，之后焊接前蓋，然后進(jìn)行球管、主變壓器等內(nèi)部部件的安裝，最后焊接后蓋，完成封閉。

圖2. 油箱殼示意圖

圖3. 油箱直角接縫的隱患點(diǎn)

圖4. 油箱罩與頂板之間的隱患點(diǎn)

1.2 方案存在的問題分析

但是該方案實(shí)施后，雖然有做相關(guān)的焊接效果的防漏油測(cè)試，但在安裝到樣機(jī)上后使用一段，還是發(fā)現(xiàn)部分油箱出現(xiàn)了漏油的情況。

分析其漏油的原因，主要有以下幾個(gè)方面：

壓力。設(shè)計(jì)未充分考慮產(chǎn)品工作時(shí)油箱溫度升高，變壓器油膨脹而產(chǎn)生的壓力。而在目前油箱材料的厚度條件下，受到壓力能產(chǎn)生的變形量較小，因此，導(dǎo)致了焊點(diǎn)受力損傷，從而導(dǎo)致漏油。

外殼的薄弱點(diǎn)。由于外殼是采用鈑金折彎而成，所以在折彎的直角位處形成接縫（如圖3），而這些直角的接縫對(duì)焊接的要求較高，容易造成焊接隱患。另外，油箱罩與頂板之間的搭接，是錫進(jìn)行焊接的（如圖4）。錫在此時(shí)不僅僅起到密封作用，還起到連接緊固的作用。在油膨脹或收縮時(shí)會(huì)起到主要的受力作用。這種情況下，存在影響錫的密封效果的隱患。

可焊性差問題。油箱材料為銅材質(zhì)，表面較容易氧化，且由于材料中含有其他的金屬成份，在錫焊時(shí)，導(dǎo)致材料表面，特別是直角位置上錫能力較差。上錫的困難也給油箱的產(chǎn)品可靠性帶來一定的隱患。

綜上，針對(duì)存在的問題，對(duì)癥下藥，才有可能徹底解決存在的油箱漏油問題，以確保便攜式X射線機(jī)的質(zhì)量可靠性。

2.優(yōu)化方案

2.1 概述

針對(duì)存在的問題，需要逐項(xiàng)優(yōu)化解決，以提高油箱錫焊的可靠性。壓力方面，需要計(jì)算具體壓力值，并選擇合理的板厚材料；外殼薄弱點(diǎn)方面，需要選擇合理的加工工藝，而可焊性方面問題，則需要考慮材料替換的可能性。

下面對(duì)各點(diǎn)優(yōu)化方案逐項(xiàng)進(jìn)行介紹。

2.2 壓力問題的優(yōu)化

在化學(xué)分析的溶液體積測(cè)量不確定度評(píng)估中，溫度變化導(dǎo)致溶液體積變化的計(jì)算普遍使用體脹法，其計(jì)算式為：

其中ΔV為溶液的變化體積，β為溶液的膨脹系數(shù)，V為溶液的初始體積，ΔT為溶液的溫度變化值。

利用以上的計(jì)算式，可以計(jì)算得到油箱內(nèi)油的體積變化壓力。

查數(shù)據(jù)知變壓器油的膨脹系數(shù)β約為0.0007/?C；本產(chǎn)品油箱內(nèi)部的可填充變壓器油的空間，即油的初始體積V為1.8L；根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，使用時(shí)溫升約為15?C。將以上的數(shù)據(jù)代入公式可知，油箱內(nèi)油的變化體積為：

在原方案的油箱（1mm銅板）內(nèi)部加氣壓（0.12mPa），油箱發(fā)生膨脹，此時(shí)用排水法測(cè)得其體積變化約為0.014L左右，低于油箱在使用情況下的油體積膨脹變化。存在產(chǎn)生壓力大于油箱的承載能力的問題，從而造成了油箱殼體密封性破壞的隱患。

因此，有需要在原方案的基礎(chǔ)上，就油箱的板厚進(jìn)行了調(diào)整。采用0.3mm厚的銅板制作了樣品，并采用同樣的方式測(cè)得其膨脹體積約為0.046L左右，大于油箱在使用情況下油的變化體積0.0189L。

考慮到一定的設(shè)計(jì)余量及產(chǎn)品一致性問題，采用溫升為20?C來核算，則油箱內(nèi)油的變化體積為

仍低于0.3mm厚銅殼的膨脹體積。

盡管初始的測(cè)試及計(jì)算是基于0.3mm銅板進(jìn)行的，但最終選擇了0.5mm的銅板。其計(jì)算過程不再贅述，主要基于幾個(gè)方面的原因考量：一方面考慮到實(shí)際油箱壓力給出的余量較大；另一方面銅板太薄，在錫焊過程中會(huì)有一定的困難；再一方面從公司采購方便的角度，0.5mm的銅板較多使用。

圖5. 油箱罩與頂板之間的優(yōu)化

另外，需要注意油箱灌油密封時(shí)的溫度問題。變壓器油的體積受溫度影響比較明顯。上述計(jì)算的溫升，是基于實(shí)際灌油時(shí)的環(huán)境溫度計(jì)算的，即在這個(gè)溫度條件下灌入這么多的油量，才得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。如果，環(huán)境溫度變低了，灌入相同的油量，最終可能受到的壓力是變大的，而對(duì)殼體的壓力要求也提高。因此，實(shí)際在生產(chǎn)中，必須在工藝上嚴(yán)格控制灌油時(shí)的環(huán)境溫度與油量，避免實(shí)際結(jié)果偏離了理論計(jì)算。

2.3 外殼薄弱點(diǎn)的優(yōu)化

在阿奇舒勒總結(jié)的系統(tǒng)進(jìn)化八大法則中，提高理想度法則認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)是朝著提高技術(shù)系統(tǒng)理想度的方向發(fā)展的[3]。理想度用公式表達(dá)為：

理想度=所有有用功能/所有有害功能油箱的前蓋與后蓋的薄弱點(diǎn)優(yōu)化可以借鑒此法則來做分析。由于之前油箱制作是樣機(jī)的緣故，因此均采用鈑金折彎方式實(shí)現(xiàn)。于是在它們折彎的直角位處形成接縫，這些直角的接縫對(duì)錫焊的要求是比較高的。

根據(jù)上面理想度公式，如果要提高理想度，可以通過降低有害功能的方式。前蓋與后蓋共8個(gè)折彎之間接縫，最理想的解決方案就是沒有這8個(gè)接縫，這樣，有害度最低，理想度最高。

經(jīng)過討論分析，改變了前、后蓋的加工方式。采用拉伸模方式實(shí)現(xiàn)前蓋與后蓋的加工。拉伸?？梢砸淮涡詫⑺璧乃臈l折彎邊成型，而不會(huì)形成8個(gè)直接的接縫，消除了縫隙隱患，減少了錫焊的工作量，也降低了漏油的幾率。

另外，油箱罩與頂板之間的錫焊結(jié)構(gòu)也做了優(yōu)化。如圖5所示，通過將油箱罩和頂板鉚接起來，在油箱變形時(shí)能起到主要的承力作用，從而降低了對(duì)錫焊的要求，增加了錫密封的穩(wěn)定性。

2.4 可焊性問題的優(yōu)化

在前面闡述壓力問題優(yōu)化的時(shí)候，將油箱銅板的厚度降低到了0.5mm，其實(shí)這對(duì)可焊性來說也是有幫助的。原先銅板較厚，錫焊時(shí)散熱較快，導(dǎo)致焊接的可靠性降低。而降低銅板厚度后，其散熱的速度也有所降低，有利于改善錫焊的效果。

而主要問題——錫焊時(shí)材料表面上錫能力較差，則采用替換焊接材料方式解決。當(dāng)然這不是簡單的把銅板換成其他材料，而是采用局部噴鍍的方式，對(duì)需要錫焊的銅板面進(jìn)行噴鍍，使之先附著上錫層，解決表面氧化問題及波峰焊錫爐預(yù)上錫存在的板材表面不平整問題，同時(shí)增強(qiáng)上錫能力及錫液流動(dòng)性，加強(qiáng)錫液對(duì)焊接縫隙的滲透力。通過這樣的方式，徹底解決了錫焊效果不佳的問題。

2.5 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效是減少焊接應(yīng)力的一種有效方法，其目的是防止運(yùn)輸、運(yùn)行過程中應(yīng)力作用引起焊縫裂紋而導(dǎo)致滲漏[4]。在油箱完成焊接后，工藝上要求增加振動(dòng)時(shí)效環(huán)節(jié)。其具體步驟是：將油箱平穩(wěn)固定在振動(dòng)臺(tái)上，振幅控制在0.35mmmm，掃頻循環(huán)15次，掃頻速率為1倍頻程/min，頻率循環(huán)范圍是從5Hz到35Hz再到5Hz。

2.6 優(yōu)化方案的總結(jié)

其實(shí)在做提高油箱錫焊的可靠性優(yōu)化的過程中，遇到的問題不僅僅是上述幾項(xiàng)。需要采取的措施也不僅僅是上述內(nèi)容。例如錫焊變形問題，錫焊專用夾具制作問題，自動(dòng)化錫焊問題等等，都在優(yōu)化過程中進(jìn)行了解決，這里限于篇幅不一一展開。

通過整體的優(yōu)化，同時(shí)嚴(yán)格落實(shí)了生產(chǎn)過程的工藝控制，在便攜式X射線機(jī)進(jìn)行批量化試產(chǎn)階段，油箱的可靠性得到了很大的改善。

3.小結(jié)

便攜式X射線機(jī)的變壓器油箱，由于是采用銅材質(zhì)進(jìn)行錫焊工藝。基于此工藝的特點(diǎn)，做好油箱的設(shè)計(jì)，工藝的控制，油箱的可靠性才有保證，才能保證便攜式X射線機(jī)產(chǎn)品在臨床上有更好的應(yīng)用。

[1] 蘇習(xí)琴, 聶軍濤, 馬有新. 油浸式變壓器滲漏油原因及其預(yù)防措施[J]. 機(jī)電技術(shù), 2010,33(4):74-75.

[2] 蘇同波, 聶勇, 劉亞熙. 一種用于精確水壓控制的壓力傳遞裝置[J]. 裝備制造技術(shù), 2012,40(8):161.

[3] 陳光主編. 創(chuàng)新思維與方法:TRIZ的理論與應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2011.

[4] 李勁松, 韓瑩, 馮寶純. 核電變壓器油箱焊縫滲漏控制措施[J]. 變壓器, 2015,52(6):42-43.

Design of Portable X-ray Tank Fuel Seal Based on Soldering

WANG Zhi-cai CHEN Kai-liang SU Shu-dian LIN Wei-jie Shantou Institute of Ultrasonic Instruments Co.,Ltd (Guangdong Shantou 515041)

The fuel tank of portable X-ray machine mainly uses copperplate materials for soldering, and the sealing quality decides the product quality. Based on similar case of such fuel tank, this paper analyzes the causes of oil leakage, and puts forward the solution aiming at it. Through the optimization of related design, the effects of fuel tank soldering and the welding quality are improved. This ensures the sealing of the fuel tank, and improves the reliability of portable X-ray machine.

X-ray machine, fuel tank, soldering, reliability

1006-6586(2017)11-0115-03

R197.39

A

2016-04-10

王志才，電子工程師，主要從事電路板焊接工藝制作，超聲儀器PCB設(shè)計(jì)、整機(jī)布線工藝設(shè)計(jì)等工作。