CN105081573A - 3a21铝合金外壳的激光密封焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，包括以下步骤：（1）视觉对位；（2）激光点焊定位；（3）激光密封焊接，激光密封焊接的工艺参数为：激光脉冲峰值功率3000W～3500W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度4ms～8ms，脉冲重复频率10Hz～20Hz，焊接速度108mm/min～180mm/min，离焦量-1mm～-2mm。本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，能有效地消除3A21铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹和气孔，所封装的3A21铝合金外壳具有焊缝外观美观、气密性高、可靠性高、效率高、成本低等众多优势。

Description

3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺
技术领域
本发明属于微组装组件封装测试工艺技术领域，尤其涉及一种3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺。
背景技术
随着电子整机和系统性能的进一步提高，高技术性能和高可靠性已经成为军用电子装备和其他高技术电子产品的两个关键参数，而电子器件和组件的可靠性在其中占有举足轻重的地位。电子器件和组件多采用先进的微波多芯片组装技术，大量使用微波裸芯片，为保护这些芯片和封装的金属镀层免受各种苛刻环境条件，如潮湿、酸雨和盐雾等的腐蚀和机械损伤，必须对电子器件和组件的金属外壳进行气密性封装，才能长期保持电子器件和组件高的可靠性和稳定性。
目前，用于电子器件和组件气密性封装的金属材料有可伐合金、碳钢、不锈钢、铝合金、铝硅合金、铜合金等。铝合金具有比重小、强度高、导电率高、无磁性、耐锈蚀、热稳定性好、易加工成形和成本低等优点，因而在航空航天、船舶、机械、电器和汽车制造等方面得到广泛的应用。金属外壳的气密性封装方法有环氧粘接法、平行缝焊、锡焊、电子束焊、激光封焊等。激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，高辐射强度的激光束经过光学系统聚焦后，将置于激光焦点附近的加工工件进行加热熔化并连接，形成优良焊接接头。熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用工件材料表面的时间、功率密度和峰值功率等。
目前，用于气密性封装的铝合金微波组件外壳的盖板一般采用牌号为4047、壳体一般采用牌号为6061或6063的铝合金，但是4047铝合金生产工艺复杂、成本较高、材料来源不稳定，严重影响产品的成品率和可靠性。牌号为3A21的铝合金是防锈铝合金，其特点是抗蚀性强以及成本较低，但是采用一般的激光焊接工艺容易产生多种焊接缺陷，如焊缝气孔超标、夹渣、接头力学性能不达标等。由于电子器件和组件内部的电路和裸芯片结构复杂、成本非常高，因此研究一种合适的激光焊接工艺方法用来实现3A21铝合金电子器件和组件外壳的气密性封装具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可有效消除3A21铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹和气孔、效率高、成本低，且能保证封装的3A21铝合金外壳具有高气密性和高可靠性的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，包括以下步骤：
（1）视觉对位：将清洗和真空烘烤后的3A21铝合金外壳固定于手套箱内，所述3A21铝合金外壳包括3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，采用旁轴视觉定位系统对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行自动识别；
（2）激光点焊定位：对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行激光点焊，以固定3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板；
（3）激光密封焊接：采用Nd:YAG固体脉冲激光器对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行激光密封焊接，所述激光密封焊接的工艺参数为：激光脉冲峰值功率3000W～3500W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度4ms～8ms，脉冲重复频率10Hz～20Hz，焊接速度108mm/min～180mm/min，离焦量-1mm～-2mm。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，所述激光点焊的工艺参数为：激光脉冲峰值功率3000W～3500W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度4ms～8ms，离焦量-1mm～-2mm。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，所述步骤（2）中，对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝的各条边分别进行激光点焊。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，每条边上沿边长等距离激光点焊多个点。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，进行步骤（3）时，开启除烟尘装置。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，所述步骤（1）中，所述手套箱内为氮气保护环境，水含量为10ppm以下，氧气含量为10ppm以下。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，所述步骤（1）中，所述清洗的详细步骤为：依次采用丙酮和无水乙醇对3A21铝合金外壳进行清洗，再采用无尘纸擦拭以去除表面油污，最后用氮气吹干。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，所述步骤（1）中，所述真空烘烤的工艺参数为：在温度为110℃～140℃、真空度为5Pa～10Pa的条件下进行真空烘烤，烘烤时间为2～4小时。
上述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，优选的，激光密封焊接完成后，将已密封焊接的3A21铝合金外壳进行氮气循环清洗。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，采用Nd:YAG固体脉冲激光器对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行焊接，激光封焊具有热影响区小、热变形小、加工速度高、加工过程无接触、可加工异形结构工件、可在特定保护气氛或者真空环境下进行焊接等优点。
2、本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，选择预热保温波作为激光脉冲波形实施激光密封焊接，有效的消除了3A21铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹。
3、本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，对脉冲激光焊接工艺参数进行了优化，实现了3A21铝合金外壳的气密性封装，气密性封装后的3A21铝合金外壳的气密性满足国军标要求。
4、本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，通过外壳清洗、高温烘烤以及在高纯氮气、无水无氧环境下的手套箱内进行激光密封焊接，有效的消除了3A21铝合金外壳激光焊接焊缝处的气孔。
5、本发明的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，所封装的3A21铝合金外壳具有焊缝外观美观、气密性高、可靠性高、效率高、成本低等众多优势，能保护器件和组件内部的电路免受潮湿、酸雨和烟雾等各种苛刻环境条件的腐蚀和机械损伤，能长期保持器件和组件高的可靠性和稳定性，可广泛应用于雷达、微波、光电、动力电池等领域的器件和组件的密封性封装。
附图说明
图1为本发明实施例1的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺流程图。
图2为本发明实施例1的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺采用的预热波的波形示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例中待激光密封焊接的3A21铝合金外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.7cm3，该3A21铝合金外壳包括3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，焊接接头采用对接的方式，盖板厚度为1mm，壳体与盖板的配合间隙为0.06mm。一种本发明的上述3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，如图1所示，包括以下步骤：
（1）清洗：依次采用丙酮、无水乙醇对3A21铝合金外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该3A21铝合金外壳内外擦拭干净以去除外壳表面的油污等，再用氮气吹干外壳。
（2）真空烘烤：将清洗后的3A21铝合金外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为140℃下、真空度为8Pa的条件下，烘烤外壳4小时，去除外壳表面吸附的水氧等杂质。
（3）视觉对位：将真空烘烤后的3A21铝合金外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氮气，且水、氧含量均为10PPM以下，根据激光焊接头上的旁轴CCD（旁轴视觉定位系统）所采集的视频信号，对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行自动识别，实现激光焊接头和接缝的视觉对位，并空运行已编写好的NC代码检测对位状态。
（4）激光点焊定位：根据壳体和盖板配合间隙的尺寸选择激光聚焦镜的规格和焦点处激光光斑大小，设置激光点焊工艺参数，包括激光峰值功率、脉冲宽度、工作台运动速度等。本实施例中，激光聚焦镜的焦距为200mm，焦点处激光光斑大小为0.6mm，激光峰值功率为3200W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为5ms，离焦量为-1mm。，运行根据外壳尺寸编写的NC代码程序，在铝合金壳体和盖板接缝的各条边上分别实施点焊，以固定3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，每条边实施五等分点焊，以防止焊接过程中盖板的变形。
（5）激光密封焊接：根据外壳的材料、盖板厚度和配合间隙的宽度编写激光焊接工艺程序，包括激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、离焦量、工作台运动速度、焊斑重叠率、焊接波形等参数的设置。本实施例中，激光峰值功率为3200W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为5ms，脉冲频率为12Hz，离焦量为-1mm，工作台运动速度（即焊接速度）为108mm/min，焊斑重叠率为75%。图2为本实施例的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺采用的预热波的波形示意图，由图可知，该波初始加热缓慢，通过热传导机制熔融金属，来降低材料的反射损耗，然后功率加大，能量的传输就不再依赖激光的波长和材料的表面状态了，而是形成了匙孔等离子体，增加能量吸收使其熔深增加，而后能量缓慢降低，控制金属凝固过程冷却速度、降低内部应力，抑制裂纹和气孔的形成。调用编写的激光工艺程序，并运行NC代码程序，进行壳体和盖板配合间隙处的密封性焊接，焊接的过程中开启除烟尘装置。激光密封焊接完成后，将已密封焊接的3A21铝合金外壳放入过渡箱中，实施高纯氮气循环清洗3次后，工件从过渡箱中取出。
本实施例焊接的3A21铝合金外壳的焊缝均匀，无气孔、裂纹等缺陷，采用氦质谱检漏仪测得漏气率小于3×10-3Pa·cm3/s，满足国军标要求。
密封焊接时，激光脉冲峰值功率采用3000W～3500W，脉冲宽度采用4ms～8ms，脉冲频率采用10Hz～20Hz，工作台运动速度（即焊接速度）采用108mm/min～180mm/min，离焦量采用-1mm～-2mm均能达到相同或相似的焊接效果。
实施例2：
本实施例中待激光密封焊接的3A21铝合金外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.4cm3，该3A21铝合金外壳包括3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，焊接接头采用对接的方式，盖板厚度为1.5mm，壳体与盖板的配合间隙为0.1mm。一种本发明的上述3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，如图1所示，包括以下步骤：
（1）清洗：依次采用丙酮、无水乙醇对3A21铝合金外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该3A21铝合金外壳内外擦拭干净以去除外壳表面的油污等，再用氮气吹干外壳。
（2）真空烘烤：将清洗后的3A21铝合金外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为140℃下、真空度为7Pa的条件下，烘烤外壳4小时，去除外壳表面吸附的水氧等杂质。
（3）视觉对位：将真空烘烤后的3A21铝合金外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氮气，且水、氧含量均为10PPM以下，根据激光焊接头上的旁轴CCD（旁轴视觉定位系统）所采集的视频信号，对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行自动识别，实现激光焊接头和接缝的视觉对位，并空运行检测对位状态。
（4）激光点焊定位：根据壳体和盖板配合间隙的尺寸选择激光聚焦镜的规格和焦点处激光光斑大小，设置激光点焊工艺参数，包括激光峰值功率、脉冲宽度、工作台运动速度等。本实施例中，激光聚焦镜的焦距为200mm，焦点处激光光斑大小为0.6mm，激光峰值功率为3300W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为6ms，离焦量为-2mm。根据外壳尺寸编写NC代码，运行NC代码程序，在铝合金壳体和盖板接缝的各条边上分别实施点焊，以固定3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，每条边实施五等分点焊，以防止焊接过程中盖板的变形。
（5）激光密封焊接：根据外壳的材料、盖板厚度和配合间隙的宽度编写激光焊接工艺程序，包括激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、离焦量、工作台运动速度、焊斑重叠率、焊接波形等参数的设置。本实施例中，激光峰值功率为3300W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度为6ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为-2mm，工作台运动速度为135mm/min，焊斑重叠率为75%。图2为本实施例的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺采用的预热波的波形示意，由图可知，该波初始缓慢加热，通过热传导机制熔融金属，来降低材料的反射损耗，然后功率加大，能量的传输就不再依赖激光的波长和材料的表面状态了，而是形成了匙孔等离子体，增加能量吸收使其熔深增加，而后能量缓慢降低，控制金属凝固过程冷却速度、降低内部应力，抑制裂纹和气孔的形成。调用编写的激光工艺程序，并运行NC代码程序，进行壳体和盖板配合间隙处的密封性焊接，焊接的过程中开启除烟尘装置。激光密封焊接完成后，将已密封焊接的3A21铝合金外壳放入过渡箱中，实施高纯氮气循环清洗3次后，工件从过渡箱中取出。
本实施例焊接的3A21铝合金外壳的焊缝均匀，无气孔、裂纹等缺陷，采用氦质谱检漏仪测得漏气率小于3×10-3Pa·cm3/s，满足国军标要求。
密封焊接时，激光脉冲峰值功率采用3000W～3500W，脉冲宽度采用4ms～8ms，脉冲频率采用10Hz～20Hz，焊接速度采用108mm/min～180mm/min，离焦量采用-1mm～-2mm均能达到相同或相似的焊接效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，包括以下步骤：
（1）视觉对位：将清洗和真空烘烤后的3A21铝合金外壳固定于手套箱内，所述3A21铝合金外壳包括3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板，采用旁轴视觉定位系统对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行自动识别；
（2）激光点焊定位：对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行激光点焊，以固定3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板；
（3）激光密封焊接：采用Nd:YAG固体脉冲激光器对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝进行激光密封焊接，所述激光密封焊接的工艺参数为：激光脉冲峰值功率3000W～3500W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度4ms～8ms，脉冲重复频率10Hz～20Hz，焊接速度108mm/min～180mm/min，离焦量-1mm～-2mm。
2.根据权利要求1所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述激光点焊的工艺参数为：激光脉冲峰值功率3000W～3500W，脉冲波形为预热保温波，脉冲宽度4ms～8ms，离焦量-1mm～-2mm。
3.根据权利要求2所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，对3A21铝合金壳体和3A21铝合金盖板的接缝的各条边分别进行激光点焊。
4.根据权利要求3所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，每条边上沿边长等距离激光点焊多个点。
5.根据权利要求1～4任一项所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，进行步骤（3）时，开启除烟尘装置。
6.根据权利要求1～4任一项所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述步骤（1）中，所述手套箱内为氮气保护环境，水含量为10ppm以下，氧气含量为10ppm以下。
7.根据权利要求1～4任一项所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述步骤（1）中，所述清洗的详细步骤为：依次采用丙酮和无水乙醇对3A21铝合金外壳进行清洗，再采用无尘纸擦拭以去除表面油污，最后用氮气吹干。
8.根据权利要求1～4任一项所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述步骤（1）中，所述真空烘烤的工艺参数为：在温度为110℃～140℃、真空度为5Pa～10Pa的条件下进行真空烘烤，烘烤时间为2～4小时。
9.根据权利要求1～4任一项所述的3A21铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，激光密封焊接完成后，将已密封焊接的3A21铝合金外壳进行氮气循环清洗。
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