CN108511857A - 一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构及方法，结构包括：腔体和一端设有焊接接头的盖板，其中在腔体上设置台阶，所述盖板将设有焊接接头的一端搭接在台阶后通过激光封焊形成搭焊边，且盖板与腔体之间设置配合间隙。方法包括：对盖板和腔体进行焊前清洗；将腔体和盖板置于激光封焊机的真空烘箱内进行预烘除湿；采用点焊的方式将盖板带焊接接头的一端和腔体进行点焊固定；根据设定的焊接参数，对点焊固定后盖板带焊接接头的一端和腔体进行连续激光焊接，以完成激光封焊。本发明可有效解决大尺寸铝合金薄盖板封焊中裂纹、气孔等缺陷，提高焊缝质量，实现高气密性激光封焊。

Description

一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构及方法

技术领域

本发明属于激光封焊的技术领域，涉及大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构及方法。

背景技术

激光封焊具有能量密度高、热影响区小、焊接变形小、密封性好、焊接效率高等优点，广泛应用于航空航天等军用电子领域微波组件的封装。激光封焊的高气密性对于保护微波组件内部不受外界环境侵蚀和机械损伤，从而保证产品良好的微波性能和工作稳定性至关重要。

铝合金的激光焊存在以下问题：a.铝合金对激光的初始反射率很大，大部分激光能量会在合金表面被反射掉，合金只能吸收极少的能量；b.铝合金热导率高，合金表面吸收的激光能量扩散快，不利于熔池的形成；c.焊接中焊缝冷却快，易产生裂纹、气孔等缺陷；d.铝合金焊接中易氧化，焊缝质量不易控制。这种问题对于大尺寸薄板铝合金的焊接更为明显，因此，对于大尺寸薄板铝合金的激光封焊，需要采用特定的封焊结构、封焊方法，以降低激光焊接过程中的缺陷，从而保证产品的气密性要求。

发明内容

发明所要解决的课题是：在焊接过程中，由于材料及尺寸特性，焊接后焊缝易产生裂纹、气孔等缺陷。

用于解决所述问题的技术手段是，提出一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构及方法，从而减少大尺寸薄板铝合金焊接后焊缝缺陷，实现产品的高气密性要求。

本发明提出的一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，包括：腔体和一端设有焊接接头的盖板，其中在腔体上设置台阶，所述盖板将设有焊接接头的一端搭接在台阶后通过激光封焊形成搭焊边，且盖板与腔体之间设置配合间隙。

作为本发明的进一步优选方案，所述焊接接头采用锁底自对中接头。

作为本发明的进一步优选方案，所述盖板与腔体之间设置配合间隙为0至0.05mm范围内。

作为本发明的进一步优选方案，所述搭焊边的尺寸为1.0mm至1.5mm。

本发明提出的一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，包括以下步骤：

对盖板和腔体进行焊前清洗；

将焊前清洗后的腔体和盖板置于激光封焊机的真空烘箱内进行预烘除湿；

采用点焊的方式将预烘除湿后的盖板带焊接接头的一端和腔体进行点焊固定；

根据设定的焊接参数，对点焊固定后盖板带焊接接头的一端和腔体进行连续激光焊接，以完成激光封焊。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法中采用无水乙醇的清洗液对对盖板和腔体焊前清洗。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法中点焊固定采用交叉对称打点方式。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法中焊接参数包括焊接速度/脉冲频率比、激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和焊接速度。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法中设定的焊接速度/脉冲频率比为1mm/s﹕5Hz。

作为本发明的进一步优选方案，所述方法中连续激光焊接包括将焊缝的起始段重复焊接及结束段拐至盖板上。

发明效果

本发明所述的焊接结构和焊接方法能够有效解决大尺寸铝合金薄盖板封焊中裂纹、气孔等缺陷，提高焊缝质量，最终实现某机载产品的高气密性激光封焊。

附图说明

图1是本发明激光封焊结构的示意图。

图2是本发明中不同焊接速度和脉冲频率的焊缝焊点重叠程度示意图。

图3是本发明中激光峰值功率对焊缝熔宽和热影响区宽度的影响示意图。

图4是本发明中不同脉冲宽度波形图。

图5是本发明中脉冲宽度对焊缝熔宽和热影响区宽度的影响曲线图。

图6是本发明中脉冲频率对焊缝熔宽和热影响区的影响曲线图。

图7是本发明中焊接终点布置图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明设计了一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，包括：腔体1和一端设有焊接接头2的盖板3，其中在腔体1上设置台阶，所述盖板3将设有焊接接头2的一端搭接在台阶后通过激光封焊形成搭焊边，且盖板3与腔体1之间设置配合间隙。

优选地，所述的焊接接头形式是焊接结构的最基本要素，因此焊接接头的设计是在充分考虑结构特点、材料特性、接头工作条件和经济性的前提下，在首先选定焊接方法之后，正确合理地布置焊缝，确定接头的类型。它在焊接结构中，焊接接头主要起连接作用和密封作用。考虑到产品应力释放性、气密性、机械强度、可维修性、加工容易程度及盖板厚度0.45mm等要求，本发明中采用锁底自对中接头，如图1所示。该焊接接头2的盖板3加工简单，只需保证外形及厚度尺寸，盖板3平整。腔体1围框需要加工一个台阶，以达到锁底对中定位作用，定位准确，能满足盖板与壳体围框主要起联系接头的作用，焊接密封性能好。

所述的搭焊边尺寸是指盖板3搭接在腔体1台阶上的尺寸，搭焊边在激光封焊中起支撑盖板，防止盖板在封焊中变形的作用，考虑到产品结构及激光封焊要求，本发明提供的搭焊边尺寸为1.0mm至1.5mm。

以及，所述的盖板3与腔体1之间的配合间隙要求是保证激光封焊后，焊缝高气密性的重要因素。激光封焊过程中，激光能量会将焊接区的金属熔合形成焊缝，激光能量集中，熔化的金属量有限，若盖板与腔体配合间隙过大，则熔化的金属不足以填充间隙，造成焊缝出现凹坑等缺陷，影响焊接气密性。基于此，本发明优选的盖板3与腔体1的配合间隙为0至0.05mm范围内，即间隙≤0.05mm。

所述的盖板3的最小圆角是激光封焊中产生气孔、裂纹等缺陷的关键区域，考虑到产品结构及激光封焊要求，本发明提供的盖板最小圆角为R1。

在基础上，本发明还提出一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，包括以下步骤：

对盖板和腔体进行焊前清洗；

将焊前清洗后的腔体和盖板置于激光封焊机的真空烘箱内进行预烘除湿；

采用点焊的方式将预烘除湿后的盖板带焊接接头的一端和腔体进行点焊固定；

根据设定的焊接参数，对点焊固定后盖板带焊接接头的一端和腔体进行连续激光焊接，以完成激光封焊。

其中，所述的焊前清洗包括盖板封焊边清洗和腔体封焊边清洗，优选清洗液为无水乙醇，清洗的目的主要是去除盖板及腔体封焊边缘杂质，包括表面镀层，前工序中残留的助焊剂、胶体等多余物。盖板的清洗方法为先超声清洗，后手工清洗，其中超声清洗的流程为将产品置于超声清洗机的清洗槽中浸泡5min-10min，随后启动超声波清洗机，清洗时间为5min-10min；手工清洗的流程为用棉球沾取无水乙醇擦拭盖板的封焊边，为了达到清洗目的，手工清洗需重复进行3-5次。清洗完成后，盖板需用气枪吹干，并放入鼓风干燥箱中烘烤100～150℃、30min，烘烤完成后放入干燥柜或氮气柜中待用。腔体封焊边的清洗为手工清洗，清洗的流程为用棉球沾取无水乙醇擦拭盖板的封焊边，为了达到清洗目的，手工清洗需重复进行3-5次，清洗完成后用干燥的棉球将腔体封焊边擦干，腔体封焊边清洗完成后需在40倍显微镜下观察清洗情况，检查封焊边的多余物是否清洗干净，若存在无水乙醇清洗不掉的多余物，可采用手术刀片轻轻刮除，刮除时需注意避免损伤封焊边，清洗完成后，腔体需用气枪吹干。

所述的焊前预烘是将腔体和盖板置于激光封焊机的真空烘箱内进行预烘除湿，以控制产品内部的水汽含量，预烘前激光封焊机的真空烘箱内的水氧含量需控制在50ppm以内，本发明提供的预烘温度为115℃，预烘时间为连续预烘8h-16h，封焊时的工作露点应低于-20℃。

所述的盖板点焊固定是在激光封焊前，在激光封焊机的手套箱内采用点焊的方式将盖板和腔体点焊固定，以避免在激光封焊过程中由于盖板尺寸大且薄而造成盖板的起翘、变形等，本发明提供的点焊参数与后述激光封焊参数一致，点与点之间间距为10mm-15mm，点焊时优选采用交叉对称打点方式，避免点焊时引起盖板起翘。

以及，所述的焊接工艺参数包括焊接速度/脉冲频率比、激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和焊接速度等。由于铝合金比可伐材料的吸收率小，导热系数大，热膨胀系数大等特点，铝合金的激光焊接比可伐材料要困难很多，因此铝合金的激光焊接工艺参数可变范周也要小很多。上述焊接工艺参数对铝合金壳体密封焊接至关重要，焊接速度/脉冲频率比、激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和焊接速度对熔深、焊缝显微组织、焊接重叠率等质量因素有显著影响，调整合适的焊接参数是减少焊接裂缝、气孔提高焊接质量的有力保证。

由于产品结构特性及盖板厚度仅为0.45mm，在激光封焊中存在如下隐患：

a.功率提高可能导致局部焊接熔深加大，激光可能打穿0.45mm盖板；

b.产品内部靠近激光封焊区域有7805电源芯片等高大器件和高温电缆，用高功率参数焊接容易引起焊接局部温度过高，继而导致局部器件和电缆受损，影响产品电气性能。

因此，本发明对焊接工艺参数进行了下述说明：

所述的焊接速度/脉冲频率比决定着焊点的重叠率，为了保证焊接质量的可靠性，相邻焊点应该具有一定的重叠率，焊点重叠率K的计算公式为：

K＝(D-L)/D＝1-L/D (1)

L＝V/f (2)

式中：K表示焊点重叠度；D表示焊点直径，mm，与激光光纤直径有关，且随工艺参数的变化而变化，其值在0.7mm～1.0mm间；L表示焊点点距，即相邻焊点的圆心距，单位mm；V表示焊接速度，单位mm/s；f表示脉冲频率，单位Hz。

结合公式(1)、(2)，有：

K＝1-V/(Df) (3)

不同焊接速度和脉冲频率下焊缝焊点重叠程度如图2所示。其中，线条4至10分别表示焊接速度在：1mm/s、3Hz；1mm/s、5Hz；1mm/s、7Hz；2mm/s、5Hz；2mm/s、7Hz；2mm/s、10Hz；3mm/s、7Hz的焊缝焊点重叠程度。焊接速度不变，脉冲频率越大，焊点重叠度越高，脉冲频率不变，焊接速度越小，焊点重叠度越高。适当增加焊点重叠度可以消除内部裂纹和细化晶粒，从而提高焊缝质量，一般来说，在其它参数可靠的情况下，焊点重叠度K大于70％可使密封的成品率达到95％，基于生产经验及相关研究，本发明提供的焊接速度与脉冲频率的组合比值为1mm/s﹕5Hz。

所述的激光峰值功率是铝合金腔体焊接中的瞬时最大功率，固态铝合金表而对激光吸收率低，但液态铝合金对激光的吸收率大大增强，因此，在铝合金未熔化前，峰值功率应强，以提供足够的能量使铝合金表面熔化，一旦铝合金表面熔化，则峰值功率应适当降低，否则将使液态金属向外喷出形成形状不规则或呈管状的气孔。

激光峰值功率对焊缝熔宽和热影响区宽度影响如表1和图3所示。焊缝熔宽和热影响区宽度均随峰值功率的增加而增加，当峰值功率较小时，焊缝纹理凹凸不平，随着峰值功率的增加，焊缝表面纹理趋于平滑。峰值功率为2.0kW的焊缝表面质量较差，而峰值功率为4.0kW时，焊缝表面质量明显改善。焊接时，应保证焊缝具有一定的熔宽和较小的热影响区，因此需要合理选择激光峰值功率。

表1不同峰值功率下焊缝熔宽和热影响区宽度

所述的脉冲宽度是每个脉冲作用时间，脉冲宽度越宽即单个激光脉冲与材料的作用时间越长，熔深越深，且熔深的增加随脉宽的1/2次方增加。对于焊接同一金属，同样厚度的材料，脉宽短，需要的功率密度高，激光参数可调范围小，脉宽宽，需要的功率密度低，激光参数可调范围大。对于热影响区有严格要求的焊接区域，脉宽的大小需要严格控制，脉宽越长，热影响区越大。

不同脉冲宽度的激光脉冲波形如图4所示。脉冲宽度主要影响焊缝表面形貌，脉冲宽度较大，焊缝表面质量较差，热影响区较宽，且有一定程度的发黑；脉冲宽度较小，焊缝表面质量较好，热影响区较窄，但对于设备来说，脉冲宽度小，激光参数可焊范周变窄，焊接质量便难于保证。结合参照下述表2的不同脉冲宽度下焊缝熔宽和热影响区宽度影响，及脉冲宽度对焊缝熔宽和热影响区宽度的影响如图5所示，脉冲宽度主要影响焊缝的热影响区，同时，脉冲宽度影响着焊缝的加热时间，因此合理选择脉冲宽度和脉冲波形一方面能控制热影响区，另一方面也能调节焊缝金属的冷却速率，达到减小焊接热应力的目的。

表2不同脉冲宽度下焊缝熔宽和热影响区宽度

所述的脉冲频率和焊接速度是基于前述1mm/s﹕5Hz的比值的，其变化影响着焊缝的成型，脉冲频率越高，焊接能量输入越连续，能降低焊缝金属的凝固速率，减少内应力，同时也会使焊缝区温度升高，若焊缝区温度过高，则会产生金属飞溅、气孔等缺陷，甚至影响组件内部焊点和芯片。结合参照下述表3的不同脉冲频率下焊缝熔宽和热影响区宽度，和脉冲频率对焊缝熔宽和热影响区宽度的影响如图6，由于高的脉冲频率使单位时间内焊缝的能量输入越高，从而热影响区宽度随脉冲频率的增加而增加，但焊缝熔宽基本不随脉冲频率的变化而变化。结合前述分析，焊接工艺参数是通过影响单位时间内的能量输入而影响焊缝热影响区的。

表3不同脉冲频率下焊缝熔宽和热影响区宽度

基于前述分析，本发明在实物产品上对激光封焊工艺参数进行了优化，最终提供了一组针对该工况下的激光封焊工艺参数，峰值功率—3.0kW-3.2kW，脉冲宽度—7ms-9ms，脉冲频率—12Hz-18Hz，焊接速度—3mm/s-3.5mm/s。

本发明提供连续焊缝中起始与终止段的焊缝过程，焊缝的起始段和结束段是最不稳定的区域，也是最容易产生缺陷的区域，泄漏的概率比中间段要高很多，因此在焊接程序上需要加以注意。起始段由于反射等原冈，焊缝不均匀.漏气率比较高，终止段由于激光骤然停止，容易产生裂纹。本发明提供的处理方法是焊缝的起始段重复焊接，结束段拐到盖板上，如图7所示。

通过上述研究，本发明对实物产品进行了激光封焊，并采用氦质谱检漏仪对产品进行了气密性检测，在4.14×105Pa氦气压下静置2h后，封焊件的氦气漏气率低于20×10^{- 3}Pa·cm³/s，在本发明的焊接结构及焊接工艺参数下，产品漏率检测结果为：5.9×10^-3Pa·cm³/s，达到合格标准，实现了产品的高气密性。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，其特征在于，包括：腔体和一端设有焊接接头的盖板，其中在腔体上设置台阶，所述盖板将设有焊接接头的一端搭接在台阶后通过激光封焊形成搭焊边，且盖板与腔体之间设置配合间隙。

2.根据权利要求1所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，其特征在于，所述焊接接头采用锁底自对中接头。

3.根据权利要求1所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，其特征在于，所述盖板与腔体之间设置配合间隙为0至0.05mm范围内。

4.根据权利要求1所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊结构，其特征在于，所述搭焊边的尺寸为1.0mm至1.5mm。

5.一种大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

对盖板和腔体进行焊前清洗；

将焊前清洗后的腔体和盖板置于激光封焊机的真空烘箱内进行预烘除湿；

采用点焊的方式将预烘除湿后的盖板带焊接接头的一端和腔体进行点焊固定；

根据设定的焊接参数，对点焊固定后盖板带焊接接头的一端和腔体进行连续激光焊接，以完成激光封焊。

6.根据权利要求5所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，所述方法中采用无水乙醇的清洗液对对盖板和腔体焊前清洗。

7.根据权利要求5所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，所述方法中点焊固定采用交叉对称打点方式。

8.根据权利要求5所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，所述方法中焊接参数包括焊接速度/脉冲频率比、激光峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和焊接速度。

9.根据权利要求8所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，所述方法中设定的焊接速度/脉冲频率比为1mm/s﹕5Hz。

10.根据权利要求5所述的大尺寸薄盖板铝合金气密性激光封焊方法，其特征在于，所述方法中连续激光焊接包括将焊缝的起始段重复焊接及结束段拐至盖板上。