CN105458503A - 一种复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺 - Google Patents

一种复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合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：对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝各边进行等距离多个点的激光点焊，以固定铝合金壳体和铝合金盖板；（3）激光密封焊接：对铝合金壳体和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1700W～2200W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度2ms～4ms，脉冲重复频率10Hz～30Hz，焊接速度108mm/min～270mm/min，离焦量0mm～-2mm。本发明能有效的消除复合铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹和气孔，所封装的复合铝合金外壳具有焊缝外观美观、气密性高、可靠性高、效率高、成本低等优点。

Description

一种复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺
技术领域
本发明主要涉及到微组装组件封装测试工艺技术领域，特指一种适用于复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺。
背景技术
随着现代先进集成电路和微波技术的迅猛发展，电子器件和组件的封装质量对整机系统性能的影响程度不断增大。据统计，在目前限制微波器件性能的因素中，30%的器件失效与电子封装有关。封装不仅对芯片具有机械支撑和环境保护的作用，使其避免大气中的水气、杂质和各种化学气氛的污染和侵蚀，从而使器件内部芯片能稳定地发挥正常的电气功能；而且对器件和电路的热性能乃至可靠性也起到重要作用。目前一个电路的封装成本已几乎与芯片的成本相当，可以说封装对器件的性能有着决定性的影响。
微波集成电路组件的密封封装对于宇航应用产品及某些军用产品时非常重要的，它能有效地克服组件内电路短路故障及腐蚀现象。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。常用的金属外壳密封方法有：环氧胶粘接、软钎焊、平行缝焊、电子束焊接和激光封焊等。激光封焊是利用激光束优良的方向性和高功率密度的特点，通过光学系统将激光束聚集在很小的区域和很短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区，从而使被焊物形成牢固的焊点和焊缝，具有热影响区小、可靠性和密封性好、无接触等特点，它不仅生产率高，而且焊缝性能好，所有焊缝强度等于或优于母材，并且对封口形状无要求，因此，当封装材料为铝合金、铜等低电阻材料或封口形状不规则时，激光封焊是很好的选择。
用于气密性封装的铝合金微波组件外壳的盖板通常采用牌号为4047或4A11、壳体一般采用牌号为6061或6063的铝合金，6061及6063铝合金属于6系Al-Mg-Si铝合金，有良好的可塑性和可焊性，但抗蚀性一般，影响产品的成品率和可靠性，必须通过氧化等手段增加其抗蚀性，从而增加了成本。而牌号为5A05牌号的铝合金属于Al-Mg系防锈铝合金，其特点是具有优良的抗蚀性和良好的塑性，但是采用一般的激光焊接工艺却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5A05的铝合金壳体与4047或4A11盖板配合的复合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就在于：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种效率高、成本低、能够提高焊接密封效果的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，以有效消除5A05的壳体与4047或4A11盖板配合的复合铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹和气孔，且能保证封装的复合铝合金外壳具有高气密性和高可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种复合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复合铝合金外壳固定于手套箱内，所述复合铝合金外壳包括铝合金壳体和铝合金盖板，采用旁轴视觉定位系统对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝进行自动识别；
（2）激光点焊定位：对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝各边进行等距离多个点的激光点焊，以固定铝合金壳体和铝合金盖板；
（3）激光密封焊接：对铝合金壳体和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1700W～2200W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度2ms～4ms，脉冲重复频率10Hz～30Hz，焊接速度108mm/min～270mm/min，离焦量0mm～-2mm。
作为本发明的进一步改进，所述铝合金壳体为5A05铝合金壳体，所述铝合金盖板为4047或4A11铝合金盖板。
作为本发明的进一步改进，优选的，所述激光点焊的工艺参数为：激光脉冲峰值功率1700W～2200W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度2ms～4ms，离焦量0mm～-2mm。
作为本发明的进一步改进，优选的，所述步骤（2）中，对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝的各条边分别进行激光点焊。
作为本发明的进一步改进，优选的，每条边上沿边长等距离激光点焊多个点。
作为本发明的进一步改进，优选的，进行步骤（3）时，开启吸烟尘装置。
作为本发明的进一步改进，优选的，所述步骤（1）中，所述手套箱内为氩气保护环境，水含量为20PPM以下，氧气含量为20PPM以下。
作为本发明的进一步改进，优选的，所述步骤（1）中，所述清洗的详细步骤为：依次采用甲醇和异丙醇对复合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。
作为本发明的进一步改进，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120℃～150℃、真空度为10Pa～15Pa的条件下进行真空烘烤，烘烤时间为3～5小时。
作为本发明的进一步改进，优选的，在激光密封焊接完成后，将已密封焊接的复合铝合金外壳进行氩气循环清洗。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中采用Nd:YAG固体脉冲激光器进行激光密封焊接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，采用激光器对铝合金壳体和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；尤其适合5A05的壳体与4047或4A11盖板配合的复合铝合金外壳。
2、本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，选择矩形波作为激光脉冲波形实施激光密封焊接，有效的消除了复合铝合金外壳激光焊接焊缝处的裂纹。
3、本发明的复合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，实现了复合铝合金外壳的气密性封装，气密性封装后的复合铝合金外壳的气密性满足标准要求。
4、本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，进一步通过外壳清洗、高温烘烤以及在高纯氩气、无水无氧环境下的手套箱内进行激光密封焊接，有效的消除了复合铝合金外壳激光焊接焊缝处的气孔。
5、本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，所封装的复合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、酸雨和盐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为本发明复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺的流程示意图。
图2为本发明在具体应用实例中所采用的矩形波形示意图。
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复合铝合金外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.7cm3，该复合铝合金外壳包括5A05铝合金壳体和4047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。如图1所示，本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，包括以下步骤：
（1）清洗：依次采用甲醇、异丙醇对复合铝合金外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该复合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：将清洗后的复合铝合金外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为130℃下、真空度为10Pa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：将真空烘烤后的复合铝合金外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氩气，且水、氧含量均为20PPM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5A05铝合金壳体和4047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2000W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度为3ms，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5A05铝合金壳体和4047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2000W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度为3ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为-1mm，工作台运动速度（即焊接速度）为135mm/min，焊斑重叠率为75%。图2为本实施例的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺采用的矩形波的波形示意图，由图可知，该波矩形波开始就输入较高能量，并且以稳定的强度输入能量。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，焊接的过程中开启吸烟尘装置。激光密封焊接完成后，将已密封焊接的复合铝合金外壳放入过渡箱中，实施高纯氩气循环清洗2次后，工件从过渡箱中取出。
本实施例焊接的5A05铝合金壳体和4047铝合金盖板的复合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，满足标准要求。
密封焊接时，激光脉冲峰值功率采用1700W～2000W，脉冲宽度采用2ms～4ms，脉冲频率采用10Hz～30Hz，工作台运动速度（即焊接速度）采用108mm/min～270mm/min，离焦量采用0mm～-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复合铝合金外壳为30mm×30mm，内腔体积约为3.4cm3，该复合铝合金外壳包括5A05铝合金壳体和4A11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0.08mm。如图1所示，本发明的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，包括以下步骤：
（1）清洗：依次采用甲醇、异丙醇对复合铝合金外壳进行浸泡，浸泡后用无尘纸将该复合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：将清洗后的复合铝合金外壳置于真空烘箱内的加热板上，在温度为145℃下、真空度为13Pa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：将真空烘烤后的复合铝合金外壳置于手套箱内的工作台上，用工装夹具固定，手套箱内充满高纯氩气，且水、氧含量均为20PPM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5A05铝合金壳体和4A11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1800W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度为3ms，离焦量为-1mm。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5A05铝合金壳体和4A11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1800W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度为3ms，脉冲频率为18Hz，离焦量为-0.5mm，工作台运动速度为162mm/min，焊斑重叠率为75%。图2为本实施例的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺采用的矩形波的波形示意，由图可知，该波矩形波开始就输入较高能量，并且以稳定的强度输入能量。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，焊接的过程中开启吸烟尘装置。激光密封焊接完成后，将已密封焊接的复合铝合金外壳放入过渡箱中，实施高纯氩气循环清洗2次后，工件从过渡箱中取出。
本实施例焊接的5A05铝合金壳体和4047铝合金盖板的复合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，满足标准要求。
密封焊接时，激光脉冲峰值功率采用1700W～2200W，脉冲宽度采用2ms～4ms，脉冲频率采用10Hz～30Hz，焊接速度采用108mm/min～270mm/min，离焦量采用0mm～-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 (10)

1.一种复合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复合铝合金外壳固定于手套箱内，所述复合铝合金外壳包括铝合金壳体和铝合金盖板，采用旁轴视觉定位系统对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝进行自动识别；
（2）激光点焊定位：对铝合金壳体和铝合金盖板的接缝各边进行等距离多个点的激光点焊，以固定铝合金壳体和铝合金盖板；
（3）激光密封焊接：对铝合金壳体和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1700W～2200W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度2ms～4ms，脉冲重复频率10Hz～30Hz，焊接速度108mm/min～270mm/min，离焦量0mm～-2mm。
2.根据权利要求1所述的复合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1700W～2200W，脉冲波形为矩形波，脉冲宽度2ms～4ms，离焦量0mm～-2mm。
3.根据权利要求2所述的复合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，对铝合金壳体和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1～4中任一项所述的复合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，开启吸烟尘装置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的复合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，所述手套箱内为氩气保护环境，水含量为20PPM以下，氧气含量为20PPM以下。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的复合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：依次采用甲醇和异丙醇对复合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。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的复合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120℃～150℃、真空度为10Pa～15Pa的条件下进行真空烘烤，烘烤时间为3～5小时。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的复合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，将已密封焊接的复合铝合金外壳进行氩气循环清洗。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述铝合金壳体为5A05铝合金壳体，所述铝合金盖板为4047或4A11铝合金盖板。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的复合铝合金外壳的激光密封焊接工艺，其特征在于，所述步骤（3）中采用Nd:YAG固体脉冲激光器进行激光密封焊接。
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