吹脹型鋁質(zhì)均熱板脈沖激光焊接工藝研究

楊世凡，李 勇

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

5G技術(shù)的發(fā)展在帶來更強大功能的同時也帶來了更嚴峻的散熱挑戰(zhàn)，在基站散熱方案沒有較大改變的情況下，提出了使用吹脹型鋁質(zhì)均熱板作為散熱翅片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓鑄基殼鋁散熱翅片的方案，以提高散熱翅片溫度均勻性[1]。

均熱板本質(zhì)上是一種熱管，需要在一個密閉真空腔體內(nèi)灌注工質(zhì)以利用工質(zhì)相變達到高效傳熱的目的。均熱板在灌注工質(zhì)后針對注液口的封口焊接工藝直接影響均熱板的使用壽命，但前人對均勻熱板制造工藝的研究甚至熱管制造工藝的研究卻少有關(guān)注封口焊接工藝。針對鋁質(zhì)均熱板，文獻[2]利用激光焊接的方式對超薄鋁平板熱管進行焊接。文獻[3]研究了不同激光功率對超薄鋁平板熱管封口焊縫的影響，表明了激光功率的適當增加有利于提高焊縫深度和寬度，但過高的激光功率可能會導(dǎo)致過度焊接而影響封口質(zhì)量，降低封口酸堿耐受性。

吹脹型鋁質(zhì)均熱板作為一種新型均熱板，其封口焊接工藝同樣至關(guān)重要。吹脹型鋁質(zhì)均熱板板殼為1060+3003鋁合金板材經(jīng)吹脹工藝[4]制成，雖然目前沒有相關(guān)文獻對吹脹型鋁制均熱板封口焊接進行研究，但國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金的焊接進行了大量研究。文獻[5]對鋁合金焊接工藝研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。文獻[6]研究了2A12鋁合金真空電子束焊接過程中的氣孔缺陷控制。文獻[7]研究了激光掃描焊接在6061-T6鋁合金焊接工藝中的特性，發(fā)現(xiàn)了激光掃描焊接有利于抑制等離子體產(chǎn)生，能有效提高焊接穩(wěn)定性。王金鳳[8]研究了小功率激光器在純鋁薄板焊接工藝中的應(yīng)用，得出了焊接電流、脈沖寬度、脈沖頻率對焊縫成形的影響逐漸減弱，并得到了合適的工藝參數(shù)。文獻[9]利用正交實驗探究了激光功率、焊接速度及離焦量對6061鋁合金焊接的影響，得到了最佳的焊接參數(shù)。文獻[10]利用無損檢測、金相觀察的方式分析了5A06鋁合金激光焊接接頭的微觀組織及缺陷。張大文等人[11]對比了脈沖激光和連續(xù)激光對5052鋁合金板焊接效果，結(jié)果表明脈沖激光焊接能獲得更加理想的焊縫。

對1060和3003鋁合金薄板厚度均為0.6mm的吹脹型鋁質(zhì)均熱板的封口焊接工藝進行研究，為實際吹脹型鋁質(zhì)均熱板的生產(chǎn)提供參考。

2 實驗設(shè)備及方法

2.1 實驗設(shè)備及材料

實驗使用ML-WFA50S脈沖激光焊機進行焊接實驗，該設(shè)備激光波長1064nm，脈沖寬度（0.1～20）ms，最大平均輸出功率400W，最大峰值功率8kW，最大脈沖頻率100Hz。焊接實驗結(jié)果使用影像測量儀CNC-3020觀察焊縫，并取焊縫截面，用600目砂紙打磨后用10%NaOH溶液腐蝕截面后測量焊縫熔深，以研究不同激光工藝參數(shù)對焊縫的影響。

待焊實驗材料為吹脹型鋁質(zhì)均熱板板坯，是利用吹脹工藝制造出內(nèi)部具有一定中空流道并帶有注液管的鋁質(zhì)板殼[1，4]，如圖2所示。其鋁質(zhì)板殼材料為0.6mm厚的1060鋁合金和0.6mm厚的3003鋁合金熱軋而成，其主要化學(xué)成分，如表1所示。

圖2 吹脹型鋁質(zhì)均熱板板坯制造流程Fig.2 Manufacturing of the Shell of Roll Bond Aluminum Vapor Chamber

表1 1060鋁合金與3003鋁合金化學(xué)成分表Tab.1 Chemical Composition Table of 1060 Aluminum Alloy and 3003 Aluminum Alloy

2.2 焊接封口工藝設(shè)計

吹脹型鋁質(zhì)均熱板焊接封口工藝流程，如圖3所示。利用封口模具將與注液管相連的流道進行加壓封口后利用切刀將注液管切除，在封口模具保壓的條件下激光以一定速度沿切面長度方向進行焊接，焊接過程中。要求焊接平面光滑無毛刺，考慮到焊接過程中封口模具一直處于保壓狀態(tài)，為防止焊接過程封口模具對焊縫的影響，要求焊接平面距離封口模具上表面1mm。

圖3 吹脹型鋁質(zhì)均熱板焊接封口工藝流程Fig.3 Sealing and Welding Process of Roll Bond Aluminum Chamber

2.3 實驗參數(shù)選擇

由于吹脹型鋁質(zhì)均熱板作為散熱元器件而非受力結(jié)構(gòu)件使用，其封口焊接主要是為保證密封質(zhì)量和使用壽命，因此一般只需檢驗焊縫缺陷、焊縫外觀及焊縫焊深。而影響脈沖激光焊接焊縫質(zhì)量的因素有很多，包括保護氣體流量、激光峰值功率、激光脈沖頻率、激光脈沖寬度、焊接速度等。本實驗在保持氬氣流量10L/MIN、方波輸入的條件下，通過單因素變量法，分別探究激光峰值功率、激光脈沖頻率、焊接速度、焊接脈寬對吹脹型鋁質(zhì)均熱板封口焊接的影響。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 峰值功率的影響

在方波輸入的條件下，峰值功率直接決定了單脈沖的瞬時輸入熱流密度，是決定焊縫熔深的主要因素。

圖5 不同峰值功率下的焊縫截面Fig.5 The Section of Weld Seam with Different Peak Power

在脈沖寬度8ms，脈沖頻率10Hz，焊接速度1mm/s的條件下不同峰值功率得到的焊縫表面、焊縫截面及熔深曲線，如圖4～圖6所示。在峰值功率為0.5kW時，材料表面不能觀察到焊縫，這是因為激光功率達不到鋁合金的閾值功率密度，無法形成小孔效應(yīng)[12]。峰值功率為1kW至2kW時，焊縫表面能觀察到魚鱗紋，飛濺少，焊縫連續(xù)均勻，且隨著峰值功率的增加，焊縫寬度逐漸增加。由于焊接表面寬度較小，當峰值功率達到2kW時，焊縫已基本覆蓋焊接表面。當峰值功率達到2.5kW時，焊接過程中飛濺增多，焊接裂紋和氣孔增多。當峰值功率達到3kW時，焊接變得不穩(wěn)定，焊縫表面凹凸不平，已觀察不到魚鱗紋，焊接過程中出現(xiàn)明顯飛濺。這是由于過大的功率密度使金屬蒸氣壓大增，擾亂熔池金屬流動，帶動金屬液體離開熔池。由圖可以看出，隨峰值功率的增大，熔深逐漸增大，且焊縫中心會呈現(xiàn)逐漸上凸的現(xiàn)象。當峰值功率小于3kW時，熔深從焊縫中心到邊緣遞減，較為均勻，且現(xiàn)圓弧狀，當峰值功率達到3kW時，熔深在焊縫中心較小范圍內(nèi)出現(xiàn)驟增的現(xiàn)象。

圖4 不同峰值功率下的焊縫表面Fig.4 The Surface of Weld Seam with Different Peak Power

圖6 熔深隨峰值功率變化曲線Fig.6 The Curve of Melting Depth with Different Peak Power

3.2 脈沖頻率的影響

在其他條件不變的情況下，脈沖頻率影響了熔池的重疊率，既影響焊縫表面魚鱗紋的成型，也間接影響了局部加熱時間。

脈沖寬度8ms、焊接速度1.5mm/s，不同峰值功率條件下，脈沖頻率分別為6Hz、8Hz、10Hz、12Hz、14Hz時的焊縫表面，如圖7所示。在同一峰值功率下，隨著脈沖頻率的提高，焊縫魚鱗紋間距均逐漸減小，密度提高。峰值功率為1kW時，焊縫表面沒有明顯缺陷，峰值功率達到1.5kW和2kW時，脈沖頻率達到12Hz，焊縫表面出現(xiàn)裂紋，峰值功率達到2.5kW時，脈沖頻率達到10Hz時，焊縫表面出現(xiàn)裂紋和氣孔。不同脈沖頻率下焊縫截面圖及熔深變化趨勢曲線，如圖8、圖9所示。隨著脈沖頻率的增大，熔深隨之加大，焊縫截面氣孔也隨之增加。

圖7 不同峰值功率下隨脈沖頻率變化的焊縫表面Fig.7 The Surface of Weld Seam that Varies with Pulse Frequency under Different Peak Power

圖8 不同峰值功率下隨脈沖頻率變化的焊縫截面Fig.8 The Section of Weld Seam that Varies with Pulse Frequency under Different Peak Power

圖9 不同峰值功率下熔深隨脈沖頻率變化曲線Fig.9 The Curve of Melting Depth that Varies with Different Pulse Frequency under Different Peak Power

分析認為由于脈沖頻率過高，總熱輸入增加，脈沖激光產(chǎn)生的匙孔數(shù)量增加，相鄰匙孔距離小，相鄰熔池相互影響較大，熔池金屬回填匙孔速度降低，氣孔產(chǎn)生概率增回。焊縫溫度較高，熔化區(qū)和熱影響區(qū)擴大，使熔深增加。在脈沖激光遠離后，鋁合金導(dǎo)熱率較大，焊縫在快速冷卻的過程中產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

3.3 焊接速度的影響

焊接速度直接影響了加熱時間和焊接效率。脈沖寬度8ms，脈沖頻率10Hz，不同峰值功率條件下，焊接速度分別為0.5mm/s、1mm/s、1.5mm/s、2mm/s、2.5mm/s時的焊縫表面、焊縫截面及熔深，如圖10～圖12所示?？梢钥闯觯谄渌麠l件不變的情況下，熔深隨著焊接速度的增大而減小，焊縫魚鱗紋間距隨焊接速度提高而增大。當焊接速度為0.5mm/s時，焊縫基本熔為一體，無法分辨出魚鱗紋。當焊接速度達到1.5mm/s時，焊縫表面魚鱗紋明顯，表面光亮。當焊接速度為1.5mm/s提升至2mm/s時，熔深降低影響較小。

圖1 脈沖激光焊機（左）與影像測量儀（右）Fig.1 Pulse Laser Welding Machine（Left）and Image Measuring Instrument（Right）

圖10 不同峰值功率下隨焊接速度變化的焊縫表面Fig.10 The Surface of Weld Seam that Varies with Welding Speed under Different Peak Power

在脈沖頻率不變的條件下，降低焊接速度，相鄰激光匙孔間距變小，在一定程度上與提高脈沖頻率起到了相同的效果，但會降低加工效率。為保證加工效率和焊接質(zhì)量，焊接速度選擇2mm/s比較合適。

3.4 焊接脈寬的影響

在方波輸入的條件下，焊接脈寬決定了單脈沖加熱時間。脈沖頻率10Hz，焊接速度1mm/s、不同峰值功率的條件下焊縫表面及焊縫截面隨脈沖寬度變化的曲線圖，如圖13～圖15所示。由圖可以看出，隨著脈沖寬度的增加，熔深隨之增加，但同時氣孔等焊縫缺陷也隨之增加。當脈沖寬度達到14ms時，焊縫表面出現(xiàn)灰白色氧化物。這是由于過長的加熱時間使焊縫溫度過高，當保護氣體散開后，焊縫還維持較高溫度，易被氧化。

圖13 不同峰值功率下隨脈沖寬度變化的焊縫表面Fig.13 The Surface of Weld Seam that Varies with Pulse Width under Different Peak Power

圖15 不同峰值功率下熔深隨脈沖寬度的變化曲線Fig.15 The Curve of Melting Depth that Varies with Different Pulse Width under Different Peak Power

在方波輸入條件下，焊接脈寬和峰值功率共同決定了單脈沖激光能量。當峰值功率在1kW至2kW范圍內(nèi)時，通過提高脈沖寬度而不是提高峰值功率能以更低的能量獲得更大的熔深。

圖14 不同峰值功率下隨脈沖寬度變化的焊縫截面Fig.14 The Section of Weld Seam that Varies with Pulse Width under Different Peak Power

4 結(jié)論

利用脈沖激光焊接能夠?qū)Υ得浶弯X質(zhì)均熱板進行封口焊接，脈沖頻率、焊接速度、脈沖寬度、峰值功率對封口焊接質(zhì)量具有重大影響。（1）提高峰值功率和脈沖寬度均能提高熔深，但過大的峰值功率和脈沖寬度均會使焊接缺陷增多。當峰值功率為0.5kW時，無法產(chǎn)生焊縫，當峰值功率達到3kW時，焊接變得不穩(wěn)定。當峰值功率在（1～2）kW范圍內(nèi)時，能得到較為穩(wěn)定的焊接過程，通過增大脈沖寬度而不是峰值功率有利用更低的激光能量獲得更大的熔深。當脈寬達到14ms時，由于加熱時間過長，溫度過高，焊后焊縫易被氧化。（2）提升脈沖頻率、降低焊接速度有利于提高熔深，但過高的脈沖頻率、過低的焊接速度會導(dǎo)致加熱溫度過高，相鄰熔池間相互影響作用加大，使得氣孔、裂紋等缺陷產(chǎn)生的概率增加。