鋁合金盒體的攪拌摩擦焊封裝

(南京航空航天大學(xué)，南京 210016)

0 前言

航空用微電子元件一般集成于電路板之上。為確保其服役期間的正常使用，會(huì)將電路板封裝于鋁合金或硅鋁復(fù)合材料的元件盒內(nèi)，以防止油污，沙塵，信號(hào)干擾，人為損壞等問題。激光焊接由于具有較高的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，成為了該類元件盒封裝的主要方法[1-6]。然而，由于激光工藝的不易控制性與低穩(wěn)定性，生產(chǎn)的封裝接頭常存在氣相析出孔隙、熱裂紋等缺陷，成品率較低。同時(shí)，內(nèi)部元件的高溫?fù)p傷，鋁、鎂合金的高反射率等問題也是激光在航空電子器件封裝中尚待解決的難題[7-9]。

攪拌摩擦焊接技術(shù)作為一種先進(jìn)的固相連接技術(shù)，其原理為加工時(shí)材料在相對(duì)低溫的近熔融狀態(tài)下被攪拌針帶動(dòng)、擠壓，產(chǎn)生塑性變形與遷移，最終形成致密可靠的固相接頭。該技術(shù)焊接過程具有無(wú)飛濺、無(wú)弧光等優(yōu)點(diǎn)，連接接頭殘余應(yīng)力變形小，焊接質(zhì)量高，目前已廣泛應(yīng)用于鋁合金鎂合金等輕金屬的連接，及鋁硅、鋁鋰復(fù)合材料的連接[10-11]。考慮以上因素，攪拌摩擦焊接技術(shù)本身在盒體、壓力容器封裝方面的國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用雖相對(duì)較少，但卻有著巨大的潛在優(yōu)勢(shì)[12-13]。文中以此為出發(fā)點(diǎn)，展開了6061鋁合金盒體的攪拌摩擦焊接封裝的應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)了一套完整的焊接方法與加工裝置，最終成功實(shí)現(xiàn)了封裝試驗(yàn)。同時(shí)，對(duì)盒體的殘余變形，氣密性檢測(cè)及其泄漏缺陷進(jìn)行了研究分析，將其與現(xiàn)有激光封裝技術(shù)進(jìn)行了比較。

1 封裝試驗(yàn)及方法

現(xiàn)有6061鋁合金電子元件盒如圖1所示，盒體尺寸為180 mm×110 mm×25 mm；壁厚5 mm；盒蓋厚度2 mm。其盒身與盒蓋均為進(jìn)行攪拌摩擦焊接封裝加工，封裝軌跡為一圓角矩形。接頭采用搭接-對(duì)接的復(fù)合形式，如圖2所示，該接頭可實(shí)現(xiàn)盒身與盒蓋的快速定位裝配，利于夾持固定。為減小盒體焊接的熱影響區(qū)，所用攪拌頭工具軸肩直徑為4 mm；攪拌針為圓柱形，直徑為1.4 mm，攪拌針長(zhǎng)1.8 mm，加工時(shí)主軸傾角取3°。

圖1 封裝用電子元器件盒

相比現(xiàn)有的平板對(duì)接、搭接焊或管道環(huán)焊等常見攪拌摩擦焊接形式，盒體攪拌摩擦封裝在加工應(yīng)用上主要存在以下2個(gè)制約點(diǎn)。

圖2 封裝接頭形式

(1)在盒身、盒蓋的封裝焊接中，存在著“機(jī)床進(jìn)給方向單一”與“焊接軌跡方向變化”的矛盾。由于受“攪拌針細(xì)長(zhǎng)”、“攪拌頭主軸存在較大固定傾角”限制，現(xiàn)有普通機(jī)床只允許進(jìn)行單一直線向的焊接以保證主軸剛度和加工質(zhì)量。然而盒體的封裝軌跡為一閉合矩形，長(zhǎng)寬方向焊縫的加工方向勢(shì)必呈垂直關(guān)系，其難以在一個(gè)加工工步中完成。

(2)攪拌摩擦裝置主軸下壓力巨大，裝夾時(shí)需將壓板大面積覆蓋于工件之上。由于矩形軌跡靠近盒蓋外邊，傳統(tǒng)的壓板勢(shì)必會(huì)覆蓋待加工的焊縫，導(dǎo)致攪拌頭在加工中必須多次換位重新裝夾以避免撞刀現(xiàn)象。

上述矛盾嚴(yán)重降低了攪拌摩擦封裝的加工效率，限制了其應(yīng)用。因此，文中以已有的3軸小型攪拌摩擦焊接機(jī)床為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行了改造,在原有工作臺(tái)上增設(shè)了C軸轉(zhuǎn)臺(tái)，工件置于其上。此外，使用電控90°轉(zhuǎn)角氣缸夾具用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)大面積固定壓板，均布于工件四周。

機(jī)床改裝結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。加工過程中，攪拌頭起初沿直線方向前進(jìn)加工，當(dāng)封裝至焊縫拐角時(shí)，工件隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、寬焊縫位置的互換，同時(shí)x，y軸與之配合以保證攪拌頭與工件的相對(duì)位置不變，隨后攪拌頭即可繼續(xù)沿直線前進(jìn)，封裝下一棱邊。氣動(dòng)夾具持續(xù)下壓于焊縫之上以確保接頭平整并受預(yù)設(shè)NC程序控制，其在攪拌頭加工靠近時(shí)彈起甩出，攪拌頭離開后再次歸位夾緊，以避免撞刀現(xiàn)象。

圖3 改裝4軸機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周后完成整個(gè)矩形軌跡的封裝焊接，焊接完成后使用金屬膠密封鑰匙孔部分。經(jīng)過試驗(yàn)，多組加工參數(shù)下均成功實(shí)現(xiàn)了盒體的攪拌摩擦快速封裝，加工參數(shù)組合與焊縫形貌見表1，各組焊縫表面均無(wú)明顯缺陷，僅有旋轉(zhuǎn)速度10 000 r/min、焊接速度為200 mm/min的試驗(yàn)組由于焊接線能量較低，焊縫表面后退側(cè)魚鱗紋相對(duì)粗糙。試驗(yàn)中使用ST9450紅外熱成像儀檢測(cè)盒身整體加工溫度約為100 ℃，遠(yuǎn)小于激光焊接溫度300 ℃[14]。

表1 封裝試驗(yàn)參數(shù)與焊縫表面

2 盒體殘余變形分析

盒體的變形量是封裝焊接中的重要考察指標(biāo)。攪拌摩擦封裝相比與激光焊接，其盒體的變形除受溫度變化影響外，攪拌頭的巨大下壓力，夾具的拘束作用亦不可忽視，焊接變形相對(duì)較大。文中使用Dasiy-686三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)盒體封裝前后的變形展開測(cè)量?？紤]盒體長(zhǎng)、寬方向變形較小，僅對(duì)高度方向變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。取盒蓋上均布16點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)如圖4所示，以焊接前后各點(diǎn)高度差作為變形量，使用origin擬合得到盒蓋上表面變形，不同試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖5～圖9所示。整體來(lái)看，以圖4中P1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，盒體變形量沿長(zhǎng)度方向迅速升高；沿寬度方向棱邊(P1→P13)(P4→P16)逐步增加，(P2→P14)、(P3→P15)則是先下降后上升的規(guī)律。各組試驗(yàn)最小的變形量均出現(xiàn)在P1角點(diǎn)處，變形量約為0.01 mm；最大變形于P16角點(diǎn)，變形量可至2.5 mm。近似厚度下的平板的激光焊接的最大變形量約為0.3 mm[15]，釬料焊接為5 mm[16]，攪拌摩擦封裝焊接變形水平處于二者之間。

圖4 焊縫軌跡與測(cè)量點(diǎn)分布

圖5 旋轉(zhuǎn)速度8 000 r/min，焊接速度150 mm/min時(shí)的焊接殘余變形高度

圖6 旋轉(zhuǎn)速度10 000 r/min，焊接速度150 mm/min時(shí)焊接殘余變形高度

圖7 旋轉(zhuǎn)速度 12 000r/min，焊接速度150 mm/min時(shí)的焊接殘余變形高度

圖8 旋轉(zhuǎn)速度10 000 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)的焊接殘余變形高度

圖9 旋轉(zhuǎn)速度10 000 r/min，焊接速度200 mm/min時(shí)的焊接殘余變形高度

比較不同焊接速度組如圖6，圖8和圖9可知，在10 000 r/min旋轉(zhuǎn)速度條件下，隨著焊接速度的升高，盒體最大殘余變形呈下降趨勢(shì)。其原因在于焊接速度的升高減小了焊接熱輸入，進(jìn)而縮小了焊縫上的溫度梯度，冷卻較快，故盒體塑性應(yīng)變下降，在兩者共同作用下，殘余變形量降低[17-18]。

比較不同旋轉(zhuǎn)速度組圖5～圖7可知，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，盒體變形量呈現(xiàn)先下降后增大的規(guī)律。1號(hào)組攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低、熱輸入較低，導(dǎo)致其材料流動(dòng)性差，無(wú)法均勻、穩(wěn)定地從前進(jìn)側(cè)移動(dòng)至后退側(cè)，材料內(nèi)部的塑性應(yīng)力較大[19]，后續(xù)殘余變形較大；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提升至10 000 r/min后，熱輸入升高，材料流動(dòng)性加強(qiáng)，在攪拌針帶動(dòng)下流動(dòng)平穩(wěn)均勻，材料流的塑性應(yīng)力降低，盒體殘余變形進(jìn)而迅速減小；然而隨著旋轉(zhuǎn)速度的進(jìn)一步升高，工件加工的高溫區(qū)域會(huì)迅速擴(kuò)張，后續(xù)冷卻較慢，導(dǎo)致盒體殘余變形上升。

3 盒體氣密性分析

盒體氣密性是電子封裝的基本要求之一。為探究攪拌摩擦封裝工藝的氣密性特性，采用工業(yè)氣泡法對(duì)盒體展開氣密測(cè)試。參考已有標(biāo)準(zhǔn)GJB 5584—2006《電子式火箭控制盒通用規(guī)范》，HB 937—2000《航空氣密油箱》，取0.3 MPa下無(wú)氣泡泄漏作為合格標(biāo)準(zhǔn)。盒身側(cè)壁位置加工管螺紋，外接氣壓計(jì)與定壓氣泵。試驗(yàn)時(shí)，將工件其浸沒于水缸之中，通過定壓氣泵逐段提升盒內(nèi)表壓至給定數(shù)值(0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa)，之后將盒體置于水槽中保壓3 min，觀察焊縫上的有無(wú)漏氣現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果見表2。所有盒體均滿足了已有標(biāo)準(zhǔn)，在0.3 MPa下未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象?？疾旌罄m(xù)壓力試驗(yàn)，1組與5組于0.5 ～0.6 MPa階段出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象，泄漏位置位于P13點(diǎn)后的焊縫(如圖4紅圈所示)。除以上兩組，其余各組耐壓值均在0.6 MPa以上。

表2 氣密性試驗(yàn)結(jié)果

1組和5組試驗(yàn)泄漏缺陷的位置、形貌基本一致，以1組漏氣缺陷為例進(jìn)行分析，其外觀如圖10所示。考察工件受力，盒體內(nèi)氣壓的作用效果在接頭的上表現(xiàn)為拉力與彎矩，故盒體的密封耐壓能力本質(zhì)上為封裝接頭的受彎、受拉承受能力。焊縫內(nèi)若存在填充不勻所致的微觀缺陷，在受到應(yīng)力作用后產(chǎn)生微裂紋并會(huì)逐步擴(kuò)大，最終延伸至焊縫表面，形成泄漏開口(如圖10a所示)。通過以上接頭的缺陷機(jī)理可以對(duì)盒體泄漏的位置，形貌進(jìn)行分析。

開口均出現(xiàn)于接頭后退側(cè)的攪拌針側(cè)面。其原因?yàn)閳A柱形攪拌針本身側(cè)面材料流動(dòng)較差，焊接加工時(shí)易出現(xiàn)后退側(cè)填充不充分的現(xiàn)象，造成孔洞、隧道缺陷等缺陷[20]，在應(yīng)力作用下便會(huì)發(fā)生泄漏。圖10b所示的開口截面帶有明顯的隧道特征。

泄漏開口均位于長(zhǎng)邊焊縫近P13角點(diǎn)位置，該處為焊接路徑上的第一轉(zhuǎn)角。加工P13角位置時(shí)，攪拌頭與轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)進(jìn)行配合轉(zhuǎn)動(dòng)，原本直線焊接時(shí)的材料流動(dòng)平衡會(huì)被打破，更易產(chǎn)生接頭缺陷；同時(shí)，相比其他轉(zhuǎn)角，第一轉(zhuǎn)角加工區(qū)域由于焊接開始不久，溫度場(chǎng)更低，材料的流動(dòng)性更差，也會(huì)加大產(chǎn)生缺陷的幾率。綜合以上兩點(diǎn)，此位置產(chǎn)生了泄漏。同理考察試驗(yàn)組別，由于1組與5組的焊接熱輸入較低，其焊接溫度場(chǎng)較低，所以相比其他組更易產(chǎn)生漏氣缺陷[21-22]。

4 結(jié)論

(1)使用增設(shè)C軸轉(zhuǎn)臺(tái)和氣動(dòng)夾頭的攪拌摩擦焊接機(jī)床成功完成了鋁合金盒體的封裝加工，實(shí)現(xiàn)了盒蓋、盒體的高效、優(yōu)質(zhì)連接。

(2)盒體封裝相比激光焊接更加穩(wěn)定，2 mm厚盒蓋的高度方向上的殘余變形峰值約為2.5 mm，大于激光焊接，小于釬焊。經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，在旋轉(zhuǎn)速度10 000 r/min，焊接速度200 mm/min的試驗(yàn)參數(shù)下能夠獲得最低的變形效果，其值約為1.5 mm。

(3)隨焊接速度的提高，盒體殘余變形降低；隨旋轉(zhuǎn)速度的提高，盒體變形呈先下降后增長(zhǎng)規(guī)律。

(4)所有封裝工件均滿足氣密性要求。在氣密性破壞試驗(yàn)中，熱輸入少的工件耐壓極限更低。

(5)盒體泄漏源于焊接接頭內(nèi)在微觀缺陷的受力發(fā)展，其泄漏開口位置一般出現(xiàn)于焊縫第一拐點(diǎn)之后，位于攪拌針后退側(cè)側(cè)面。