微波密封器件無腐蝕感應(yīng)釬焊工藝研究

楊　林，朱建軍，趙仁祥，黃　峰

(南京電子技術(shù)研究所，　江蘇 南京 210039)

引　言

感應(yīng)加熱技術(shù)于20世紀(jì)初剛剛開始應(yīng)用于工業(yè)部門，它利用電磁感應(yīng)原理通過渦流對(duì)工件進(jìn)行加熱。感應(yīng)加熱具有加熱速度快、材料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無環(huán)境污染、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，功率控制領(lǐng)域開始全面應(yīng)用數(shù)字控制，DSP控制芯片以其高速、高精度以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，使感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1]，尤其感應(yīng)釬焊在航空、航天、導(dǎo)彈技術(shù)中更是發(fā)揮著重要的作用。感應(yīng)釬焊利用電磁感應(yīng)原理加熱工件使釬料熔化，液態(tài)(或半固態(tài))釬料在毛細(xì)作用下填充接頭間隙，切斷(或減小)感應(yīng)電流后釬料凝固，實(shí)現(xiàn)被焊零件的連接[2]。

微波器件是傳遞微波信號(hào)的關(guān)鍵組件，需要在密封狀態(tài)下工作。由于傳統(tǒng)釬焊工藝無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金微波器件與聚四氟材料封蓋的連接，多年來一直采用膠接工藝密封。但是密封器件通常在溫度變化劇烈的環(huán)境中使用，膠接材料易老化，在使用一段時(shí)間后，會(huì)產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，密封的可靠性得不到保證，產(chǎn)品在使用過程中經(jīng)常需要替換零件重新膠接，影響執(zhí)行任務(wù)和造成較大維護(hù)成本。

本文通過鋁合金密封器件的局部表面處理工藝研究、感應(yīng)器(即感應(yīng)線圈)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、搭建合理的測(cè)溫系統(tǒng)和工藝過程研究，實(shí)現(xiàn)了鋁合金微波器件的感應(yīng)釬焊。采用感應(yīng)釬焊工藝替代膠接工藝，大大提高了鋁合金微波器件的密封性和可靠性，解決了困擾微波密封器件多年的泄漏難題，為電子行業(yè)微波器件的密封提供了一種可靠、穩(wěn)定的工藝技術(shù)。

1　試驗(yàn)材料與工藝方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣件為鋁合金材質(zhì)的微波器件與聚四氟覆銅板的封蓋釬焊。由于一般的釬劑無法在鋁合金表面實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕，所以軟釬焊性能比較差。對(duì)鋁合金焊接面采用手工電刷鍍銅層工藝進(jìn)行表面處理，在聚四氟銅板表面進(jìn)行化學(xué)沉銀，使兩種材料具備可焊性。釬焊接頭為法蘭盤形式，焊接面為環(huán)形，需要形成連續(xù)致密的釬焊縫。

釬焊材料：無鉛、免清洗焊膏ALPHA OM-338。焊膏成分：錫銀銅(96.5%Sn、3.0%Ag、0.5%Cu)。熔點(diǎn)：215 ℃～225 ℃。釬焊溫度：220 ℃～245 ℃。

1.2　工藝方法

感應(yīng)加熱釬焊設(shè)備型號(hào)為XG-40B，頻率區(qū)域?yàn)?0～40 kHz，功率范圍為0～40 kW，具有預(yù)設(shè)加熱功率、加熱時(shí)間、保溫功率和保溫時(shí)間的功能界面。

根據(jù)微波器件釬焊接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)感應(yīng)線圈，獲得加熱區(qū)域均勻一致的溫度場(chǎng)。通過對(duì)漏印網(wǎng)板的圖形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊膏添加量的精確控制。

2　研究過程

2.1　感應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)選定的鋁合金微波器件接頭，采用內(nèi)磁場(chǎng)加熱釬焊接頭的形式，加熱體積較大的法蘭盤。感應(yīng)釬焊內(nèi)磁場(chǎng)加熱效率最高，是最常用的一種加熱方式。法蘭盤的尺寸約為5.0 mm × 18.0 mm × 38.5 mm，采用外徑3.0 mm內(nèi)徑2.2 mm的純銅管，匝數(shù)為2匝，設(shè)計(jì)制作感應(yīng)器。感應(yīng)器如圖1所示。感應(yīng)器表面采用絕緣處理，防止2匝線圈接觸短路。

圖1　感應(yīng)器形狀示意圖

采用4通道的數(shù)據(jù)采集器USB-9211A和鎧裝熱電偶搭建感應(yīng)加熱的測(cè)溫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的速度達(dá)到每75 ms記錄一組溫度值。在工件焊縫區(qū)域?qū)ΨQ位置設(shè)定4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，記錄感應(yīng)加熱過程的溫度變化。圖2為記錄的溫度曲線，從圖中可以看出感應(yīng)加熱的溫度場(chǎng)比較均勻，設(shè)置的保溫時(shí)間約為10 s。

圖2　溫度場(chǎng)的測(cè)試曲線

2.2　焊膏預(yù)置工藝研究

根據(jù)覆銅板上焊接面的環(huán)形結(jié)構(gòu)以及尺寸大小，采用漏印網(wǎng)板印制焊膏。漏印網(wǎng)板如圖3所示，采用激光加工成型。網(wǎng)板厚度為125 μm，鏤空的尺寸為0.7 mm × 1.4 mm，數(shù)量約為83個(gè)。通過漏印網(wǎng)板可以嚴(yán)格控制焊膏面積和焊膏量，保證了預(yù)置焊膏的均勻一致[3-5]。

圖3　漏印網(wǎng)板示意圖

2.3　工藝參數(shù)的優(yōu)化

輸入功率和加熱時(shí)間是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵參數(shù)，相同的輸入功率，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，熱輸入越大；相同的加熱時(shí)間，輸入功率越大，熱輸入也越大，溫度越高。本文通過正交試驗(yàn)法研究輸入功率和加熱時(shí)間的相互關(guān)系，獲得合理的工藝參數(shù)，并固化于工藝文件中。

圖4為感應(yīng)釬焊示意圖，從圖中可以看到，將聚四氟覆銅板印制焊膏的面與法蘭口相對(duì)裝配，然后采用工裝固定，預(yù)裝完成后整體放入感應(yīng)器內(nèi)部。采用固化的工藝程序進(jìn)行感應(yīng)加熱，感應(yīng)加熱結(jié)束后，取下工件完成釬焊。該工藝實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量一致性較好。

圖4　感應(yīng)釬焊示意圖

3　結(jié)果與分析

3.1　焊接接頭的外觀質(zhì)量

圖5為鋁合金微波器件接頭的焊后實(shí)物，從圖中可以看出，釬焊接頭表面一致，無釬料溢出，采用三坐標(biāo)測(cè)試覆銅板的平面度，小于0.06 mm，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的裝配要求。

圖5　微波器件的焊接接頭

3.2　剖切檢測(cè)

采用掃描電鏡對(duì)釬焊縫截面進(jìn)行分析，圖6為掃描電鏡拍攝的照片，圖中從上往下依次是鋁合金、鎳銅鍍層、錫銀釬料、銅層、四氟乙烯。鋁合金與錫銀釬料之間為鎳銅鍍層，界面清晰可見，說明釬料完全潤(rùn)濕。由于感應(yīng)加熱的速度很快，因此沒有發(fā)生共熔也沒有生成相變。錫銀釬料與聚四氟銅板的界面結(jié)合也比較完全，銅層下部為聚四氟材料，由于光線問題，黑色和亮色都是氟。

圖6　掃描電鏡照片

在鋁合金和釬焊縫之間的鍍層處進(jìn)行能譜分析，由于鍍層較薄，因此取點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖7所示。從圖中可以看出，主要成分為鎳、錫和鋁，鎳是鋁合金鍍層的成分，錫是釬料中的成分，鋁是母材中的成分，百分比含量如圖中所示。

圖7　鍍層的能譜分析

釬焊縫處的能譜分析如圖8所示，從圖中可以看出，包含的主要成分為錫、銀和銅，與焊膏的成分相比，錫含量基本沒有變化，銀的含量有所降低，銅的含量有所增加。釬焊縫組織成分沒有較大變化，對(duì)焊縫質(zhì)量沒有影響。

圖8　釬焊縫的能譜分析

3.3　釬焊縫的無損檢測(cè)

采用無損檢測(cè)設(shè)備HAWK-160XI檢測(cè)釬焊縫內(nèi)部質(zhì)量。通過X射線實(shí)時(shí)成像獲得的探傷照片(圖9)可以直觀地觀察焊接內(nèi)部情況，照片中的焊縫上亮的部分為缺陷，灰色部分為釬料，計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)釬著率約為87.1%。當(dāng)焊縫不存在貫穿性氣孔或夾渣時(shí)，即可以滿足工件的氣密性要求。對(duì)于此種接頭形式，無損檢測(cè)是一種比較直觀有效的檢測(cè)手段。

圖9　X射線探傷檢測(cè)釬焊縫

3.4　試驗(yàn)考核驗(yàn)證

根據(jù)產(chǎn)品樣件的使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，對(duì)鋁合金微波器件進(jìn)行了數(shù)十小時(shí)綜合高低溫試驗(yàn)，進(jìn)行了X、Y、Z3個(gè)方向的振動(dòng)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)以及低氣壓高功率試驗(yàn)等。對(duì)經(jīng)過考核試驗(yàn)的鋁合金微波器件進(jìn)行密封性能檢測(cè)，結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)束語

通過對(duì)感應(yīng)加熱的感應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了矩形接頭的感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)均勻一致。

感應(yīng)釬焊的快速加熱能夠降低鍍層與釬料合金相的產(chǎn)生，可以有效提高焊縫可靠性。

采用感應(yīng)焊接工藝代替膠結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了微波器件的局部釬焊，保障了微波器件的密封性能要求。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)(第1卷)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015: 486-535.

[2]龍偉民, 王海濱, 喬培新, 等. 感應(yīng)釬焊溫度控制的研究[C]//第十次全國(guó)焊接會(huì)議論文集, 哈爾濱, 2001: 235-238.

[3]TSUBOI H, IKEDA K, KURATA M, et al. Eddy current analysis for the pipe welding[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1998, 34(4): 1234-1236.

[4]張斌, 禹勝林. 鋁合金封裝外殼耐蝕性和可焊性工藝研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2003(5): 44-45, 49.

[5]張瑋, 禹勝林, 王旭艷. 高密度組裝技術(shù)在信號(hào)處理機(jī)上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2010, 32(7): 67-69.