CN111014955B - 一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法，所述方法包括：步骤1，采用光斑尺寸在0.3～0.6mm的激光器，以及激光光斑波形为上升‑平直‑下降的梯形光斑波形；步骤2，将焊接面止口宽度A、焊接缝隙B，盖板厚度C、以及盖板搭接宽度D设置为预设值；步骤3，对盖板施加压力，并将盖板与盒体进行点焊；步骤4，结合步骤1和2，沿着预设焊接轨迹，将盖板与盒体进行激光焊接。本发明有效避免焊接热应力裂纹，避免激光焊接时由于局部热应力过大，导致盖板翘起等问题。

Description

一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法
技术领域
本发明涉及一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法。
背景技术
微波组件作为有源相控阵天线的核心部组件，近些年得到了快速的发展。为了进一步提高微波组件的集成密度和可靠性，以LTCC为代表的多层陶瓷基板在微波组件上的应用越来越广泛。铝合金材料由于存在着与陶瓷基板之间热膨胀系数不匹配的问题而难以适用。硅铝合金以其密度低，热膨胀系数低，热导率高，机加工性能良好等诸多优点，满足当前航空航天用微波组件对壳体材料的需求。为保证组件的长期稳定工作，通常需要通过激光焊接实现微波组件的气密性封装以保证其内部电路长期可靠。硅铝合金由于存在脆性硅颗粒，在焊接过程中高温度梯度作用下容易产生裂纹，对激光焊接参数和焊接面的结构非常敏感。
现有技术中例如专利文献CN 106181038 A《一种高硅铝合金激光气密焊接方法》，其公开了通过限定设置盒体硅含量Psi、盖板材料硅含量Gsi、焊接气密性M、焊接波形数量k之间的关系，以及焊斑的重叠率ρ与激光脉冲频率f、工件与激光束相对移动速度v以及光斑直径d的关系来对焊接过程进行控制。降低焊接开裂风险。但其没有考虑到激光光斑尺寸、盖板与盒体的尺寸配合、焊接轨迹、激光峰值等等与焊封效果相关的参数的影响，并且，其通过波形数量来控制激光功率变化，比较繁琐，而且在波形切换之间是突变的，对于脆性很强的硅铝盒体来说仍然带来潜在的热应力裂纹的风险。该方案所实现的气密性与行业相关标准的要求还有一定距离。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有技术中没有考虑与焊封效果相关的参数的影响，并且，现有技术中通过波形数量来控制激光功率变化，比较繁琐，在波形切换之间是突变，对于脆性很强的硅铝盒体来说仍然带来潜在的热应力裂纹的风险。
(二)技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法，所述方法包括：步骤1，采用光斑尺寸在0.3～0.6mm的激光器，以及激光光斑波形为上升-平直-下降的梯形光斑波形；步骤2，将焊接面止口宽度A、焊接缝隙B，盖板厚度C、以及盖板搭接宽度D设置为预设值；步骤3，对盖板施加压力，并将盖板与盒体进行点焊；步骤4，结合步骤1和2，沿着预设焊接轨迹，将盖板与盒体进行激光焊接。
可选地，所述梯形光斑波形满足下式：
Tr＝(Msi-27)％×Ts
Td＝(Msi-27)％×Ts
其中，Msi％为盒体材料的硅含量，Ts为激光脉冲宽度，Tr为激光光斑波形上升所需时间，Td为激光光斑波形下降所需时间。
可选地，所述盒体材料为硅含量为27％～50％的硅铝合金。
可选地，所述焊接面止口宽度A为0.6mm～1mm，焊接缝隙B≥0.2mm，盖板厚度C为0.5mm～1.5mm、以及盖板搭接宽度D为0.04mm～0.12mm。
可选地，所述预设焊接轨迹包括：焊斑的重叠长度Lp与焊接总长度Lm满足下列关系：
Lp＝K％×Lm
其中，K＝5～10。
可选地，所述步骤3包括：在盖板上放置重量为Wp的压块，所述压块的重量Wp与盖板面积Sg满足下列关系：Wp＝m×(Sg/10)，其中m为0.5～1，将放置了所述压块的盖板与盒体进行点焊。
可选地，所述点焊的焊接点个数与点焊焊缝长度wl之间满足下列关系：当所述点焊焊缝长度wl为10～20mm时，设置一个焊接点。
可选地，所述激光焊接的激光峰值功率为2～2.5kW，焊接速度为140～300mm/min，光斑频率为15～40Hz，激光焊接离焦量取-1～0mm，激光脉冲宽度为3～6ms。
可选地，所述激光焊接的激光峰值功率为2.3kW，焊接速度为210mm/min，光斑频率为20Hz，激光焊接离焦量取-0.5mm，脉冲宽度为4ms。
可选地，所述激光器为Nd：YAG固体脉冲激光器。
(三)有益效果
本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明针对激光光斑的尺寸大小，设定了合适的配合间隙。将焊接面止口宽度A控制在0.6～1mm范围内，能够有效避免由于应力过大导致在脆性更强的盒体位置出现裂纹。通过焊接缝隙B的设置，保证盖板与盒体具有足够的搭接长度，确保在后期各种加压环境下，盒体对盖板具有足够的支撑强度。通过盖板厚度C的设置，保证盖板与盒体具有足够的连接强度又不至于被焊透。
(2)本发明将盒体材料范围向低硅含量扩展，将现有技术中盒体硅含量最低50％扩展到了27％，有助于实现包括梯度硅铝材料在内的多种硅铝合金的气密性封焊。
(3)本发明提供了灵活且更加精确的波形控制，可以针对不同硅含量的盒体材料调整相应的焊接光斑波形。波形线性变化能够更加有效地避免焊接热应力裂纹出现。
(4)本发明针对焊接轨迹设定重叠长度，能够实现熔深更加一致的焊接，提高焊缝组织的可靠性，有助于保证气密性和长期可靠性。
(5)本发明的焊接工艺参数全面且具体，提出了激光峰值功率的具体范围。
(6)本发明在实施整体封焊前，需要对盖板施加压力并点焊，并提出了针对不同面积大小盖板的压块重量设置方法。能够有效避免激光焊接时由于局部热应力过大，导致盖板翘起等问题。
(7)本发明中的气密性封焊能够达到的漏率效果优于2×10-8(Pa·m3)/s。(优于现有技术中的5×10-8(Pa·m3)/s)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法中的梯形光斑波形示意图；
图2是本发明实施例提供的适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法中的焊封结构示意图；
图3是本发明实施例提供的适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法中的预设焊接轨迹示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明实施例提供了一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法，所述方法包括下列步骤1-4的内容：
步骤1，采用光斑尺寸在0.3～0.6mm的激光器，以及激光光斑波形为上升-平直-下降的梯形光斑波形。
其中，该激光器为Nd：YAG固体脉冲激光器，即为在钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子的激光器。
该梯形光斑波形如图1所示，该梯形光斑波形满足下式：
Tr＝(Msi-27)％×Ts
Td＝(Msi-27)％×Ts
其中，Msi％为盒体材料的硅含量，Ts为激光脉冲宽度，Tr为激光光斑波形上升所需时间，Td为激光光斑波形下降所需时间。所述盒体材料为硅含量为27％～50％的硅铝合金，激光脉冲宽度为3～6ms，优选地，脉冲宽度为4ms。采用此种波形方法，能够针对不同硅含量的硅铝材料灵活变化，提供合适的预热和降温时间，即可以针对不同硅含量的盒体材料调整相应的焊接光斑波形，波形为线性变化，即激光能量的渐变，能够很好的实现能量的缓升-平稳-缓降过程，能够更加有效地避免焊接热应力裂纹出现。
另外，本发明中盒体材料的硅含量为27％～50％的硅铝合金，盖板材料的硅含量为15％～30％的硅铝合金。本发明将盒体封焊处的硅含量向低含量方向扩充，更符合当前硅铝合金盒体制备的现状。
步骤2，参见图2，将焊接面止口宽度A、焊接缝隙B，盖板厚度C、以及盖板搭接宽度D设置为预设值。
具体地，所述焊接面止口宽度A为0.6mm～1mm，焊接缝隙B≥0.2mm，盖板厚度C为0.5mm～1.5mm、以及盖板搭接宽度D为0.04mm～0.12mm。
上述A、B、C、D的尺寸对封焊效果(即得到无裂纹、气孔的焊缝组织，合格的气密性，长期可靠性等)是非常重要的。具体地，该焊接面止口宽度A的选值0.6mm～1mm较优，能够将焊接面控制在比较窄的0.6～1mm范围内，在焊接过程中盒体部分的位置在热应力的作用下有足够的自由度进行变形，避免由于应力过大导致在脆性更强的盒体位置出现裂纹。采用焊接缝隙B≥0.2mm，保证盖板与盒体具有足够的搭接长度，确保在后期各种加压环境下，盒体对盖板具有足够的支撑强度。例如采用氦质谱进行漏率测试时，常用的一种处理方式是将盒体放置在两个大气压的He气条件下保压4小时。盖板厚度为0.5mm～1.5mm，使得盖板厚度在合理范围能变化。若盖板太薄很容易焊透，若盖板太厚，而焊缝熔深又有限，难以保证盖板与盒体具有足够的连接强度。由于焊接结构与光斑尺寸息息相关，该盖板搭接宽度D需要配合光斑尺寸来进行确定，优选0.04mm～0.12mm。盖板搭接宽度D可以针对0.45～0.6mm光斑尺寸，选择合适的配合间隙，保证激光加热作用下能够形成足够宽的熔池将盒体与盖板连接在一起，确保焊接牢固可靠。
步骤3，对盖板施加压力，并将盖板与盒体进行点焊。
具体地，该步骤3包括：在盖板上放置重量为Wp的压块，所述压块的重量Wp与盖板面积Sg满足下列关系：Wp＝m×(Sg/10)，其中m为0.5～1，将放置了所述压块的盖板与盒体进行点焊，所述点焊的焊接点个数与点焊焊缝长度wl之间满足下列关系：当点焊焊缝长度wl为10～20mm时，设置一个焊接点。
本发明采用在激光焊接盖板和盒体之前，对盖板施压并点焊，能够有效避免激光焊接时由于局部热应力过大，导致盖板翘起等问题，从而保证焊接完成后盖板与盒体保持平整。
步骤4，结合步骤1和2，沿着预设焊接轨迹，将盖板与盒体进行激光焊接。
参见图3，所述预设焊接轨迹包括：焊斑的重叠长度Lp与焊接总长度Lm满足下列关系：
Lp＝K％×Lm
其中，K＝5～10。
激光焊接初始时和结束的时候，盒体温度往往会存在30～80℃的温差。刚开始焊接时，盒体整体温度接近室温，而随着焊接进行，盒体温度会在能量累积过程中逐渐升高，因此初始焊接位置的焊缝的熔深往往比焊接结束时焊缝稍小一些，本发明为了尽可能减小整个焊缝组织差异性，通过部分轨迹的重叠，即通过预设焊接轨迹，对焊接初期时形成的焊缝进行重复焊接，能够有效提高焊缝的熔深，避免局部焊缝组织不牢靠带来的气密性失效等隐患。
所述激光焊接的激光峰值功率为2～2.5kW，焊接速度为140～300mm/min，光斑频率为15～40Hz，激光焊接离焦量取-1～0mm，激光脉冲宽度为3～6ms。
优选地，所述激光焊接的激光峰值功率为2.3kW，焊接速度为210mm/min，光斑频率为20Hz，激光焊接离焦量取-0.5mm，脉冲宽度为4ms。
采用本发明上述激光焊接方法以及采用的激光焊接参数，能够达到的漏率效果优于2×10-8(Pa·m3)/s。
终上所述，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明针对激光光斑的尺寸大小，设定了合适的配合间隙。将焊接面止口宽度A控制在0.6～1mm范围内，能够有效避免由于应力过大导致在脆性更强的盒体位置出现裂纹。通过焊接缝隙B的设置，保证盖板与盒体具有足够的搭接长度，确保在后期各种加压环境下，盒体对盖板具有足够的支撑强度。通过盖板厚度C的设置，保证盖板与盒体具有足够的连接强度又不至于被焊透。
(2)本发明将盒体材料范围向低硅含量扩展，将现有技术中盒体硅含量最低50％扩展到了27％，有助于实现包括梯度硅铝材料在内的多种硅铝合金的气密性封焊。
(3)本发明提供了灵活且更加精确的波形控制，可以针对不同硅含量的盒体材料调整相应的焊接光斑波形。波形线性变化能够更加有效地避免焊接热应力裂纹出现。
(4)本发明针对焊接轨迹设定重叠长度，能够实现熔深更加一致的焊接，提高焊缝组织的可靠性，有助于保证气密性和长期可靠性。
(5)本发明的焊接工艺参数全面且具体，提出了激光峰值功率的具体范围。
(6)本发明在实施整体封焊前，需要对盖板施加压力并点焊，并提出了针对不同面积大小盖板的压块重量设置方法。能够有效避免激光焊接时由于局部热应力过大，导致盖板翘起等问题。
(7)本发明中的气密性封焊能够达到的漏率效果优于2×10-8(Pa·m3)/s。(优于现有技术中的5×10-8(Pa·m3)/s)
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，采用光斑尺寸在0.3~0.6mm的激光器，以及激光光斑波形为上升-平直-下降的梯形光斑波形；
步骤2，将焊接面止口宽度A、焊接缝隙B,盖板厚度C、以及盖板搭接宽度D设置为预设值；
步骤3，对盖板施加压力，并将盖板与盒体进行点焊；
步骤4，结合步骤1和2，沿着预设焊接轨迹，将盖板与盒体进行激光焊接，所述预设焊接轨迹包括焊斑的重叠长度Lp与焊接总长度Lm，Lp满足下述公式：
Lp=K％×Lm
其中，K=5~10；
所述梯形光斑波形满足下式：
Tr= (Msi-27）％×Ts
Td= (Msi-27）％×Ts
其中，Msi％为盒体材料的硅含量，Ts为激光脉冲宽度，Tr为激光光斑波形上升所需时间，Td为激光光斑波形下降所需时间；
所述盒体材料为硅含量为大于27％同时小于或等于50％的硅铝合金；
所述焊接面止口宽度A为0.6mm~1mm，焊接缝隙B≥0.2mm，盖板厚度C为 0.5mm~1.5mm、以及盖板搭接宽度D为0.04mm~0.12mm；
所述激光焊接的激光峰值功率为2~2.5kW，焊接速度为140~300mm/min，光斑频率为15~40Hz，激光焊接离焦量取-1~0mm，激光脉冲宽度为3~6ms。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：在盖板上放置重量为Wp的压块，所述压块的重量Wp与盖板面积Sg满足下列关系：Wp=m×( Sg/10 ) ,其中m为0.5~1，将放置了所述压块的盖板与盒体进行点焊。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接的激光峰值功率为2.3kW,焊接速度为210mm/min，光斑频率为20Hz, 激光焊接离焦量取-0.5mm，脉冲宽度为4ms。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器为 Nd:YAG固体脉冲激光器。
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