工装设计对冷板焊接质量的影响

时间：2024-05-20

尹恩怀安占军李超

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安710068)

0 引言

随着雷达等电子设备逐渐向小型化、集成化发展，各种元器件的集成度越来越高，封装密度越来越大，导致电子设备的热流密度急剧上升。传统的风冷技术已无法满足高热流密度器件的散热需求，需采用更为高效的液冷冷却技术，而液冷冷却技术的关键部件为液冷冷板，其质量的高低直接影响到整部雷达工作的可靠性[1-3]。液冷冷板通常采用先机械加工再真空钎焊的方法成形，但由于冷板焊前装配、定位不当，真空钎焊过程中容易出现流道堵塞问题。目前，为适应雷达等产品的小型化发展趋势，冷板和流道的设计尺寸均在不断减小，上述问题表现的愈加突出。工装设计被公认为影响真空钎焊质量的一项重要因素[4-5]，高焊接质量的产品需要合理的工装设计。因此，本文重点研究工装设计类型对冷板焊接质量的影响。

1 试验方法

1.1 实验材料

实验所选母材为3A21铝合金，钎料为0.1mm厚的Al-Si-Mg箔材。工装采用的材料为1Cr18Ni9Ti。

1.2 冷板结构

冷板分为槽板和盖板，其流道形貌局部图见图1所示，流道截面尺寸为2×3mm。冷板盖板为为3mm的板材。

图1 冷板流道结构示意图

1.3 工装设计与焊接结构装配

本实验设计刚性工装和柔性工装两种类型。刚性工装即为螺钉紧固式工装，其夹紧固定方式为螺钉旋紧方式。由于其耐热性远远高于待焊件，而线膨胀系数又远低于待焊件，因此焊接加热过程中往往忽略工装的膨胀，视其为刚性不变，但实际上会因为待焊件的膨胀而出现少许变形。柔性工装即C-型弹簧片压紧式工装，利用弹簧片的收缩力将工件夹紧，使工件在焊接过程中的受压状态基本保持不变。冷板焊接装配按照自上而下的顺序为：不锈钢垫板、冷板槽板、焊料、冷板盖板、不锈钢垫板，见图2（a）和（b）所示，分别为采用柔性工装和刚性工装装配的焊接结构示意图。

图2 柔性工装与刚性工装装卡后示意图

1.4 真空钎焊

设备采用中国电子科技集团公司第二研究所生产的ZHS-120铝真空钎焊炉。工作真空度为3×10-3Pa；升温速率控制在约10℃/min，经过300℃、400℃、和550℃时各保温30min，待炉温升至600℃时，保温10min；工件随炉冷却至150℃时，取出冷至室温。

2 试验结果与讨论

2.1 冷板工业CT分析

对采用两种工装焊接后的冷板进行了外观和内部流道分析。图3（a）为采用柔性工装焊接的冷板外观照片，可以看出钎料铺展均匀，无明显的焊接缺陷，焊缝外观质量较高。图3（b）为采用柔性工装焊接冷板的工业CT影像，冷板通道内部无杂物及钎料堆积。图4（a）为采用刚性工装焊接的冷板外观照片，由图可知钎料外溢严重。图4（b）为采用刚性的U-型工装焊接的冷板工业CT影像，冷板通道内部出现多处堵塞，见图4（b）中箭头所指部位。

图3 采用柔性工装焊接冷板的外部形貌和工业CT影像

图4 采用柔性工装和刚性工装焊接冷板外部形貌和工业CT影像

2.2 水压实验结果

对于采用柔性工装焊接的冷板，流道内没有出现堵塞及焊料堆积现象，需进一步进行水压测试，验证其水密性，测试参数要求：0.8 MPa，保压30min。实验结果表明：在规定的压力和保压时间下，冷板无渗水、漏水现象，判断试验件全部合格。

2.3 工装设计对冷板质量的影响分析

在冷板的焊接工装设计中，需要考虑不同材料受热变形问题。按照两种材料热膨胀系数计算产生的膨胀量差。计算公式为：

ΔL=L×ΔT×Δα=L×ΔT×(α2-α1)

其中：ΔL是热膨胀产生变化的膨胀量差；L是夹持距离，这里取10 mm；ΔT是钎焊温度减去室温，这里取580℃；α1和α2分别是被夹持件和夹持件的平均线膨胀系数（/K）。

本实验刚性工装材质选用耐热不锈钢，牌号为：1Cr18Ni9Ti，其线膨胀系数为18×106/K，而铝合金的线膨胀系数为25×106/K。由于线膨胀系数的不同，冷板在焊接过程中受热膨胀，经计算在焊接温度的膨胀量为0.04mm，说明冷板所受到的夹持力随焊接温度的升高而不断增加，当温度升高到钎料熔点时，熔融钎料在较大夹持力作用下将沿着焊缝流动，进而流向冷板外部或流道内部，由图4（a）显示钎料向冷板外部流动出现钎料块，图4（b）显示钎料向流道内部流动导致流道堵塞。通过对比，采用柔性的C-型工装焊接的冷板，由于冷板的受热膨胀量可以随着柔性的C-型工装变形而得到有效释放，焊接过程中的夹持力几乎保持不变，焊接成形后没有出现明显的钎料流动现象，可以有效避免流道堵塞问题。