不同熱膨脹材料配合引起翹起問題解決方案的探究

成年斌

（佛山市國星光電股份有限公司，廣東佛山528000）

LED面板燈作為2003年做為其他用途的一個產品，直到2009年正式被封為一款高端大氣上檔次的室內照明燈具才出現在市場上。2014年是眾所周知的LED爆發(fā)元年，眾多產品銷量因其帶有的環(huán)保特性逐漸被大家認知，且一路暢銷起來。隨著LED面板燈技術的發(fā)展，其價格逐漸接近合理，從而滿足大眾的需求[1]。

側發(fā)光面板燈是面板燈產品中重要的組成部分，它在市場上的定義就是高大上，然而高大上的產品，并不適合在市場上形成規(guī)?；纳a。只有降低成本才可能進一步擴大銷量。近年LED側發(fā)光產品的市場需求暴漲，在不失“高大上”的同時客戶對品質的追求日益提高，對側發(fā)光面板燈的性能要求也就日益增加。本文基于客戶對面板燈產品日益增長的性能提升需求與追求成本降低之間的矛盾，針對結構配合中的翹起問題，建立分析模型，結合材料的熱膨脹特性，分析其翹起原因，并提出解決方案，從而緩解這一對矛盾。

1 熱膨脹

大多數物體都具有熱脹冷縮的特性，日常生活中經常發(fā)生熱脹冷縮的現象。金屬是常見的材料，在生產生活中都具有重要的作用。日常生活中應用的金屬通常是性質較為穩(wěn)定的材料，具有良好的抗腐蝕性、堅固耐磨及抗壓力強的優(yōu)點。將金屬制作成各種工具可以為人們的日常生活帶來便利。而金屬也存在熱膨脹的特性，這一特性可能隨著氣溫的變化顯現出來，并影響日常的使用[2]。

熱膨脹是物質世界普遍存在的一種物理現象，溫度的變化在生產中隨處可見，人們對材料熱變形規(guī)律的認識也在不斷發(fā)展，物理熱效應引起的熱膨脹占主導作用。材料的平均線膨脹系數并不能反映某溫度下材料的真實熱變形，一般采用瞬時線膨脹系數來表征材料在加熱過程的物理相變行為。不同成分和組織金屬材料的熱膨脹系數是不同的，金屬材料的化學成分影響其升溫過程中的相轉變臨界點溫度，進而影響其在溫度變化過程中的總膨脹量[3]。

由于熱變形是材料熱物性在具體零件具體條件下的宏觀反映，因此可按通常的熱膨脹計算公式知識對材料變形規(guī)律進行計算。

線性熱膨脹是與溫度變化相應的試樣單位長度變化，以ΔL/L表示（ΔL是測得的長度變化，L0是基準溫度t0狀態(tài)下的試樣長度）。熱膨脹常以百分率或百萬分之幾（10-6）表示。基準溫度一般為20°C[4]。線性熱膨脹系數am計算公式如下

其中，L2是溫度t2下的試樣長度，單位為mm；L1是溫度t1下的試樣長度，單位為mm；t2-t1反映的是t1與t2間的溫度差，可以記為Δt；L2-L1反映的是在Δt下尺寸變化量，可記為ΔL。

于是式（1）也可以簡寫成

2 翹起問題的產生

秉承低成本戰(zhàn)略進軍規(guī)模化市場，減少6063鋁框架重量是一個很不錯的方向。隨著行業(yè)的發(fā)展，鋁框架型材的薄壁化已成為必然，而增加6063鋁合金的強度是保證薄壁化的首要條件[5]。用測量的硬度來換算金屬材料的抗拉強度，在實際應用中具有簡便與迅速的優(yōu)點。硬度試驗是一種最為簡便的力學性能測試手段，它不僅測試方法簡單，操作容易，而且試驗快捷，在實際工作中得到廣泛的應用[6]。

面板燈產品屬于大型的燈具，常規(guī)型號有3030、3060、30120、6060及60120。行業(yè)規(guī)格尺寸以cm為單位，如3030的尺寸為300 mm×300 mm，60120尺寸為600 mm×1 200 mm。

雖然通過鋁型材生產工藝的優(yōu)化，以時效的工藝增加框架的硬度與強度，從而獲得薄壁化的鋁型材，起到降低成本的目的。但是在大尺寸的情況下，存在變形翹起的問題很明顯。這種變形翹起問題，無疑與客戶追求高大上的品質要求相違背。

結合某公司客戶提出60120側發(fā)光面板燈產品，在點亮2 h后，產品的4個角出現翹起現象，翹起高度普遍為10～15 mm（約1個手指的高度），如圖1所示。這種翹起問題將會導致安裝在天花之后，會產生很大的安裝縫隙，產品也會出現明顯的變形，出現邊沿漏光的現象，這種翹起嚴重影響產品美感與客戶體驗。

圖1 翹起

3 翹起模型

3.1 波浪形變形

通過剖析翹起問題的側發(fā)光60120面板燈產品，發(fā)現當將產品背后的螺絲全部卸下來之后，原本處于翹起狀態(tài)的鋁型材框架瞬間得到緩解，從原來翹起大于10 mm的高度降低至小于3 mm的高度，此時觀察0.2 mm厚度的鍍鋅板背板，發(fā)現背板出現波浪形的變形，如圖2所示。

圖2 背板變形

3.2 弓狀變形

LED側發(fā)光面板燈的LED燈板是貼在鋁框架內壁的。背板與鋁型材框架是兩種不同類型的金屬材料，在該產品中利用自攻螺絲將其兩者鎖付并固定在一起。不同的材料有著不一樣的熱膨脹系數，在LED產品點亮時，LED燈產生的熱量大部分傳遞至鋁型材框架上，還有少部分通過緊密的鎖付貼合傳遞至背板上。鋁型材框架與鍍鋅板受熱后，產生不一樣的形變。作為發(fā)熱源的LED燈板是呈條形狀貼合在框架內壁上的，由于產品的長度遠遠大于框架，假設這種熱形變就只發(fā)生在鋁型材框架長邊方向上，那可以近似地將鋁型材框架和鍍鋅背板通過螺絲鎖付貼合后，在受熱狀態(tài)下的熱膨脹結構模型以弓狀圖表示出來，如圖3所示。

圖3 翹起模型

3.3 翹起模型建立

（1）鍍鋅背板。由于板厚只有0.2～0.3 mm，且材料為鐵鍍鋅板，在標準20°C狀態(tài)下，熱膨脹率為12.3×10-6，可視之為一條弓上的弦。

（2）鋁型材框架。主要材料為6063-T5的拉鋁，熱膨脹率為23.2×10-6，在標準20°C狀態(tài)下，將近鍍鋅背板的兩倍，在同樣的受熱情況下鋁型材框架的型變量比鍍鋅背板要大，因此視之為弓。

（3）兩種不同材料貼合。通過螺絲將兩種不同的材料緊緊鎖付貼合在一起，當PCB點亮時，不斷散發(fā)熱量，近似看成兩者在同樣的加溫環(huán)境中。

（4）結構簡化。由于產品受熱區(qū)域的長邊遠遠大于截面尺寸，近似地將立體成品結構簡化成二維平面示意圖。

（5）翹起計算。鋁與鐵兩種金屬材料，在20～100°C溫度條件下，其熱膨脹率可視為定值。采用式（2）計算翹起。

對材料變形規(guī)律進行計算可推演線性熱膨脹與溫度之間的變化關系。通過式（2）可得出材料形變量的公式，即

由于形變量ΔL＜＜L0，在計算翹起高度時可采用勾股定理對h進行近似計算。

4 再現翹起實驗與翹起模型計算

4.1 再現翹起實驗

在某公司的協助下，選擇相應側發(fā)光面板燈樣品進行測試驗證，實驗數據匯總如表1所示

表1 側發(fā)光面板燈樣品測試數據

表1中獲得實驗數據的實驗條件與工具分別為：1）持續(xù)點亮2 h后進行測試。2）利用溫度測試儀器在每條邊框架與背板測試4個溫度點。3）利用卡尺與塞尺對翹起高度進行測試。

4.2 翹起模型計算

以70 W的60120側發(fā)光面板燈產品為案例，鋁框架與背板長度為L0=1 200 mm，6063-T5材質的鋁型材的熱膨脹率在20°C情況下為23.2×10-6，鍍鋅背板的熱膨脹率在20°C情況下為12.3×10-6。點亮2 h后出現翹起現象，通過測試得出鋁框架表面溫度為45.67°C，鍍鋅背板表面溫度為40.49°C，此時鋁框架膨脹后尺寸為ΔL鋁、鍍鋅背板膨脹后尺寸ΔL鐵及翹起高度h分別為

同理計算50 W的60120側發(fā)光面板燈在2 h點亮后的翹起高度為12.74 mm，50 W的6060側發(fā)光面板燈在2 h點亮后的翹起高度為7.24 mm。

通過模型計算可知，計算值與實際測試值之間存在誤差小于1.0 mm，計算值偏小于實際測試平均值。模型的導入，不能精準地將側發(fā)光面板燈翹起高度計算出來，但卻可以得到一個精度范圍小于1.0 mm的近似值，該近似值對產品設計階段翹起高度具有預測和評估意義。

5 解決翹起問題的螺絲鎖付方案設計

基于上述分析可知，側發(fā)光產品點亮過程中出現翹起的現象是因為框架和背板這兩種不同熱膨脹的金屬材料通過螺絲緊緊鎖付配合引起的。然而，目前通過螺絲鎖付的固定方式是側發(fā)光面板燈主流的使用方式。綜合考慮成本與工藝能力，短期內難以做出其他大的結構變化。結合螺絲鎖付功能與翹起的原因分析，本文提出一種新型的面板燈螺絲鎖付配合的方式。

5.1 背板螺絲孔的設計方案

背板上的螺絲孔位設計成橢圓或者圓形的結構，最小直徑為D，如圖4所示。

5.2 螺絲的設計

螺絲是一個極低成本的配件，具有加工簡單的特點。在螺帽與螺紋之間設計一個小臺階，小臺階高度為H，H略大于背板厚度，小臺階的直徑大于螺紋d卻小于螺孔D，螺帽尺寸設計也大于螺孔D，如圖5所示。

圖4 背板螺孔的尺寸設計

圖5 螺絲的特殊設計

5.3 背析與鋁框架的連接

通過螺孔與螺絲的特殊性設計，使得螺絲在縱向方向將產品完全鎖付好，在橫向方向上存在微小的位移空間，如圖6所示。

由圖6可知，該結構既能保證產品的可靠性，又能解決因框架和背板這兩種不同熱膨脹的金屬材料通過螺絲緊緊鎖付配合引起的翹起問題。

圖6 方案示意

6 小結

側發(fā)光面板燈產品在近年可以迅速規(guī)?；M入市場，關鍵點還是其價格逐漸讓人們所接受。目前面板燈市場已經進入競爭白惡化時期，低成本戰(zhàn)略是迅速擴張的有效戰(zhàn)略。然而客戶對面板燈的性能與品質需求也是日益增加的，這與低成本戰(zhàn)略形成了鮮明的矛盾點。

鋁框架占有面板燈產品成本的大部分，薄壁化框架是必然的趨勢，而薄壁化同時也帶來翹起等變形的品質問題。本文通過建立翹起模型分析與實驗驗證，明確了翹起的原因為框架和背板這兩種不同熱膨脹的金屬材料通過螺絲緊緊鎖付配合引起的。

有針對性地根據產品的結構，并結合翹起的原因分析，優(yōu)化背板螺絲孔位及螺絲增加小臺階的設計，得以徹底解決面板燈產品翹起問題。既能保持客戶滿意度，又能為實現大幅度降成本方案提供了支持，從而在同行業(yè)競爭中取得更有利的優(yōu)勢。

本文中解決翹起問題的方案，已通過可行性驗證，并且已在某公司全面推廣應用。