CN115430910A - 一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳及激光封焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳为硅铝合金材料，且管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大，本发明提高了管壳的可焊接性。本发明还公开了一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本发明的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，包括选取薄壁梯度硅铝管壳及盖板，装夹硅铝管壳，对管壳与盖板进行点焊固定，以及激光封焊管壳与盖板，本发明，有效地改善管壳焊接接头质量和降低管壳残余应力，从而提升激光焊接质量。

Description

一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳及激光封焊方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，还涉及一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展和不断提高的元器件及其组装技术要求，现代空间电子产品大量采用模块化的混合集成电路，混合集成电路通过焊接密闭封装在管壳中。封装的管壳对芯片具有机械支撑、电信号传输以及密封保护功能。其中，密封保护功能对于混合集成电路产品尤为重要，可保证产品在经历地面试验、发射、空间运行等各种复杂环境时，内部电路免受外部环境的冲击振动和太空辐射。

在管壳封焊时腔体内部的最高温度不能超过电子元器件及芯片的耐受温度，不能超过管壳内部各种焊料的熔化温度，以免管壳内部电路损坏。为更好地保护管壳内部芯片等元器件，要求焊接后的管壳具有很高的气密性，这就需要管壳的封焊质量好，不能存在未焊透、或者焊后产生微裂纹等缺陷。激光焊接工艺具有能量集中、可瞬时加热、热影响区小、无需填充焊料和路径控制精确等优点，成为管壳封装的首选焊接工艺。高硅铝合金材料具有质量轻、强度高、导热性好、热膨胀系数小、热稳定性好、易加工成形和成本低等优点，成为电子封装管壳与盖板的首选材料。

大量的实验研究表明，管壳若采用单一的硅铝合金材料，管壳材料的热膨胀系数将无法同时匹配基板和盖板的热膨胀系数，因此焊后管壳会产生较大的残余应力，管壳内部的基板也会随着管壳产生翘曲与局部应力集中。为了得到较好的焊接质量，可以采用不同含硅量的硅铝合金材料制造管壳，管壳结构中的硅铝合金材料呈梯度分布。但是，在激光封焊过程中，若激光热输入功率过大，梯度管壳侧壁温度过高，会破坏侧壁结构或高温导致管壳内部的电子元器件失效。若激光输入功率不足，管壳与盖板焊缝连接不可靠。同时，因为管壳与盖板在激光封焊过程中受热不均匀，可能会导致管壳出现焊接变形、产生较大焊接残余应力，甚至使管壳产生脆性断裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，为梯度硅铝材料，提高了管壳的可焊接性。

本发明的另一目的是提供一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，有效地改善管壳焊接接头质量和降低管壳残余应力，从而提升激光焊接质量。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳内部焊接有基板，管壳顶部与盖板焊接，管壳为硅铝合金材料，且管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大；

三个梯度中，第三梯度对应管壳底壁所在的厚度范围，第三梯度硅铝合金材料中的硅含量最高，第三梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与基板的热膨胀系数匹配；第一梯度对应管壳顶部及靠近顶部处，第一梯度硅铝合金材料中的硅含量最低，第一梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与盖板的热膨胀系数匹配；第二梯度对应管壳剩余部分，第二梯度硅铝合金材料中的硅含量介于第一梯度和第三梯度之间。

本发明的特点还在于，

按照管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层、管壳中层和管壳上层，第三梯度对应管壳底层，管壳底层厚度最小，第二梯度对应管壳中层，管壳中层厚度最大，第一梯度对应管壳上层，管壳上层的厚度介于管壳底层和管壳中层的厚度大小之间。

本发明采用的第二种技术方案是，一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本发明的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，具体按照如下步骤实施：

步骤1，材料选取：选取薄壁梯度硅铝管壳及盖板；

步骤2，装夹：将管壳限位装夹在散热板上，管壳内壁顶部设置有肩台，将盖板放置在管壳的肩台上使盖板嵌入管壳顶部，盖板上表面与管壳顶端端面齐平，在盖板顶部放置压紧块限制盖板移动；

步骤3，点焊：设置激光器的脉冲激光参数，脉冲激光参数包括激光封焊的输入功率、光斑直径，调节离焦量，设置点焊路径，运行激光程序，对管壳与盖板进行点焊固定；

步骤4，激光封焊：观察点焊效果，确认盖板无翘曲、漏焊后设置激光连续焊接路径，运行程序，激光焊接机以设定好的激光焊接参数、焊缝路径，完成管壳与盖板的焊接。

本发明的特点还在于，

步骤2中通过多个约束块限位装夹管壳，多个约束块在管壳外侧从不同方向对管壳施加约束，散热板为散热铝板。

步骤3中对管壳与盖板的点焊为对称点焊。

步骤3中激光点焊采用的激光器为ND:YAG脉冲激光器，设置激光焊接的脉冲激光参数包括：热输入功率为160～170W、脉宽为5ms、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm。

步骤4激光焊接机在焊接过程中，采用吸除烟雾装置及时消除烟雾对脉冲激光束的影响，采用散热铝板作为管壳的支撑，让焊接中管壳与盖板快速降温。

步骤4中设定的激光焊接参数包括：激光平均功率为1600～2000W、脉冲频率为18Hz、脉宽为5ms、焊接速度为3～5mm/s、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm。

本发明的有益效果是：

本发明一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，为梯度硅铝材料，分别与基板和盖板的热膨胀系数的匹配性高，与传统单一材料的管壳相比，能够有效提高焊件表面成形稳定性，减小焊接残余应力，可焊接性好。

本发明一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，操作简单便捷，通过设定特定的装夹方式与焊接工艺参数，提高了焊接接头与薄壁管壳的质量，焊后不易产生气孔、裂纹等；工艺参数可选范围较大，易获得较好的封焊效果，进而提高结构的强度及可靠性。

附图说明

图1是本发明一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳的装夹示意图；

图2是本发明一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法中盖板与管壳嵌入对接剖面图；

图3是本发明一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法中盖板与管壳点焊示意图；

图4是本发明一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法管壳封焊后焊缝表面形貌与焊接接头剖面图。

图中，21.盖板，22.管壳上层，23.管壳中层，24.管壳底层，25.散热铝板，26.约束块，27.焊缝，28.脉冲激光束，29.吸除烟雾装置，30.压紧块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳尺寸为100×80×8.5mm，管壳侧壁厚度为0.8mm，管壳内部焊接有基板，管壳顶部与盖板21焊接，管壳为硅铝合金材料，且管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大。

三个梯度中，第三梯度对应管壳底壁所在的厚度范围，第三梯度硅铝合金材料中的硅含量最高，为Al-65Si～Al-80Si合金，即硅铝合金中硅的质量分数为65％～80％，第三梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与基板的热膨胀系数匹配(相近)；第一梯度对应管壳顶部及靠近顶部处，第一梯度硅铝合金材料中的硅含量最低，为Al-35Si～Al-40Si合金，即硅铝合金中硅的质量分数为35％～40％，第一梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与盖板21的热膨胀系数匹配(相近)；第二梯度对应管壳剩余部分，作为过渡，第二梯度硅铝合金材料中的硅含量介于第一梯度和第三梯度之间，为Al-45Si～Al-60Si合金，即硅铝合金中硅的质量分数为45％～60％。

按照管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层24、管壳中层23和管壳上层22，第三梯度对应管壳底层24，基板与管壳底层24直接接触，管壳底层24厚度最小，为2mm；第二梯度对应管壳中层23，管壳中层23厚度最大，为4mm；第一梯度对应管壳上层22，盖板21与管壳上层22直接接触，管壳上层22的厚度介于管壳底层24和管壳中层23的厚度大小之间，为2.5mm。

本发明的薄壁梯度硅铝管壳依据不同硅含量大小顺序排列依次沉积，形成梯度材料锭坯；对锭坯进行分拨冶金、热等静压处理，切割使梯度材料锭坯呈凹槽状，最终得到梯度硅铝合金管壳。

本发明一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本发明的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，具体按照如下步骤实施：

步骤1，材料选取：选取本发明的薄壁梯度硅铝管壳及盖板21，本发明的薄壁梯度硅铝管壳中底部采用回流焊工艺焊接陶瓷基板，对基板上的电子芯片金丝引线键合，盖板21尺寸为98×78×1.5mm，盖板21为Al-25Si～Al-30Si合金，厚度为1.5mm；

步骤2，装夹：如图1所示，通过六块重量为1N的铝块作为约束块在管壳外侧从不同方向对管壳施加约束，将管壳限位装夹在200×200×5mm的散热铝板25上，管壳内壁顶部设置有肩台，如图2所示，将盖板21放置在管壳的肩台上使盖板21嵌入管壳顶部，盖板21上表面与管壳顶端端面齐平，管壳与盖板21的缝隙为0.05～0.1mm，在盖板21顶部放置一个接触面积为20mm×20mm～50mm×50mm、重4N～10N的金属压紧块30压紧盖板21，限制盖板21移动，保证管壳与盖板21在激光焊接过程中不产生位移；

步骤3，点焊：采用波形可调的ND:YAG脉冲激光器，设置激光器的脉冲激光参数，包括：热输入功率为160～170W、脉宽为5ms、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm，设置点焊路径，如图3所示，从长边的中点开始点焊，1-20均为焊点，按照焊点编号从小到大进行点焊，顺序依次是1-2-3-4直到20，每条边上的点相隔10mm，运行激光程序，对管壳上层22与盖板21进行点焊固定，点焊为对称点焊，分开点焊的目的是让管壳的温度快速冷却下去，不影响后续的管壳封焊；

步骤4，激光封焊：观察点焊效果，确认盖板21无翘曲、漏焊后设置激光连续焊接路径，运行程序，激光焊接机以设定好的激光焊接参数、焊缝路径，完成管壳与盖板的焊接，其中，激光平均功率为1600～2000W、激光工作频率为18Hz、脉宽为5ms、焊接速度为3～5mm/s、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm，在一个工作周期内激光打开时间为5ms，关闭激光50.6ms，以焊点1为起点，顺时针进行管壳激光封焊，完成管壳上层22与盖板21的焊接，焊接过程中，采用吸除烟雾装置29及时消除烟雾对脉冲激光束28的影响，采用散热铝板25作为管壳的支撑，让焊接中管壳与盖板21快速降温。

实施例1

本实施例提供一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大，按照管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层24、管壳中层23和管壳上层22，管壳底层24采用Al-80Si合金，管壳中层23采用Al-60Si合金，管壳上层22采用Al-40Si合金。

本实施例还提供一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本实施例的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，将薄壁梯度管壳根据本发明设定方式装夹在散热铝板25上，将盖板21嵌入管壳顶部，盖板21采用Al-30Si合金，管壳上层22与盖板21之间预留有焊缝27，该缝隙宽度为0.05～0.1mm；在环境气体为20℃氮气下采用ND:YAG脉冲激光器将管壳上层22与盖板21点焊，然后进行激光封焊，其中激光封焊过程中激光平均功率为1600W、焊接速度为3mm/s、离焦量为-0.5mm，完成管壳上层22与盖板21的焊接。

完成管壳上层22与盖板21的焊接后，对焊缝、熔池深度、管壳焊接残余应力进行检验。

实施例2

本实施例提供一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大，按照管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层24、管壳中层23和管壳上层22，管壳底层24采用Al-70Si合金，管壳中层23采用Al-55Si合金，管壳上层22采用Al-38Si合金。

本实施例还提供一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本实施例的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，将薄壁梯度管壳根据本发明设定方式装夹在散热铝板25上，将盖板21嵌入管壳，盖板21采用Al-27Si合金，管壳上层22与盖板21之间预留有焊缝27，该缝隙宽度为0.05～0.1mm；在环境气体为20℃氮气下采用ND:YAG脉冲激光器将管壳上层22与盖板21点焊，然后进行激光封焊，其中激光平均功率为1800W、焊接速度为4mm/s、离焦量为0mm，完成管壳上层22与盖板21的焊接。

完成管壳上层22与盖板21的焊接后，对焊缝、熔池深度、管壳焊接残余应力进行检验。

实施例3

本实施例提供一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大，按照管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层24、管壳中层23和管壳上层22，管壳底层24采用Al-65Si合金，管壳中层23采用Al-50Si合金，管壳上层22采用Al-35Si合金。

本实施例还提供一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对本实施例的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，将薄壁梯度管壳根据本发明设定方式装夹在散热铝板25上，将盖板21嵌入管壳顶部，盖板21采用Al-25Si合金，管壳上层22与盖板21之间预留有焊缝27，该缝隙宽度为0.05～0.1mm；在环境气体为20℃氮气下采用ND:YAG脉冲激光器将管壳上层22与盖板21点焊，然后进行激光封焊，其中激光平均功率为2000W、焊接速度为5mm/s、离焦量为0.5mm，完成管壳上层22与盖板21的焊接。

完成管壳上层22与盖板21的焊接后，对焊缝、熔池深度、管壳焊接残余应力进行检验。

对比例1

本对比例的管壳采用单一材料Al-50Si合金。

本对比例的封焊方法为：将单一材料管壳根据本发明设定方式装夹在散热铝板上，将盖板嵌入管壳顶部，盖板采用Al-27Si合金，管壳与盖板的缝隙为0.05～0.1mm；在环境气体为20℃氮气下采用ND:YAG脉冲激光器将管壳与盖板点焊，然后进行激光封焊，其中激光平均功率为1800W、焊接速度为4mm/s、离焦量为0mm，完成管壳与盖板的焊接。

完成管壳与盖板的焊接后，对焊缝、熔池深度、管壳焊接残余应力进行检验。

对实施例1、实施例2、实施例3及对比例1中激光焊接的管壳进行性能测试，结果如表1所示。其中取样点1距离焊缝下方1.5mm，点2距离焊缝下方6.5mm，分别测量这两个点在激光焊接后的残余应力。

表1激光焊接管壳的性能测试数据

分析发现，焊接功率和焊接速度是激光焊接中的关键参数。若焊接功率偏小，则管壳与盖板无法焊透，不能形成良好的熔池；本发明的梯度硅铝管壳侧壁厚度为0.8mm，若焊接功率偏大，则会形成较大的熔池，这将破坏管壳侧壁结构。焊接速度会影响单位时间内的热输入量，焊接速度过慢，则热输入量过大，管壳容易焊穿；焊接速度过快，则热输入量小，造成管壳与盖板焊不透。本发明的梯度硅铝管壳激光封焊后焊缝27熔池深度以在0.5～0.7mm之间，熔池宽度在0.6～1mm之间，抗拉强度不超过100Mpa为理想指标。实施例1的激光功率和焊接速度均较小，不能提供足够的热量，熔池宽度和深度较小，导致盖板与管壳未完全焊透。实施例2的熔池宽度与深度均满足需要，对组件进行气密性检测，管壳与盖板已焊透，无裂纹产生。实施例3的焊接功率和焊接速度均提高，激光束熔化的区域变大，管壳四个圆角易被焊穿，产生裂纹，焊缝存在气孔，密封性能不好。对比例1的管壳材料为单一的Al-50Si合金，其热膨胀系数与陶瓷基板、盖板的热膨胀系数相差值较大，封焊后检测到管壳与焊缝产生裂纹，基板翘曲，效果不佳。

综合上述，根据实际生产实验确定梯度管壳底层为Al-70Si合金，管壳中层为Al-55Si合金，管壳上层为Al-38Si合金，盖板为Al-27Si合金，其激光封焊平均功率为1800W，焊接速度为4mm/s，离焦量为0mm。在此参数下管壳激光封焊后，焊缝27形貌与焊接接头剖面图如图4所示，管壳的密封性较好，无气孔裂纹产生，具有较好的抗拉强度、熔深及表面形貌，满足航天电子管壳封装的要求。

Claims (8)

1.一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，所述管壳内部焊接有基板，所述管壳顶部与盖板(21)焊接，其特征在于，所述管壳为硅铝合金材料，且所述管壳由顶端向底端方向硅铝合金材料中的硅含量呈三个梯度增大；

三个梯度中，第三梯度对应管壳底壁所在的厚度范围，第三梯度硅铝合金材料中的硅含量最高，第三梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与基板的热膨胀系数匹配；第一梯度对应管壳顶部及靠近顶部处，第一梯度硅铝合金材料中的硅含量最低，第一梯度硅铝合金材料的热膨胀系数与盖板(21)的热膨胀系数匹配；第二梯度对应管壳剩余部分，第二梯度硅铝合金材料中的硅含量介于第一梯度和第三梯度之间。

2.根据权利要求1所述的一种适用于激光封焊的薄壁梯度硅铝管壳，其特征在于，按照所述管壳硅铝合金材料中硅含量三个梯度对应位置将管壳分层，分层包括管壳底层(24)、管壳中层(23)和管壳上层(22)，第三梯度对应管壳底层(24)，管壳底层(24)厚度最小，第二梯度对应管壳中层(23)，管壳中层(23)厚度最大，第一梯度对应管壳上层(22)，管壳上层(22)的厚度介于管壳底层(24)和管壳中层(23)的厚度大小之间。

3.一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，用于对权利要求1-2任一项所述的薄壁梯度硅铝管壳进行激光封焊，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1，材料选取：选取薄壁梯度硅铝管壳及盖板(21)；

步骤2，装夹：将管壳限位装夹在散热板上，所述管壳内壁顶部设置有肩台，将盖板(21)放置在管壳的肩台上使盖板(21)嵌入管壳顶部，盖板(21)上表面与管壳顶端端面齐平，在盖板(21)顶部放置压紧块(30)限制盖板(21)移动；

步骤3，点焊：设置激光器的脉冲激光参数，脉冲激光参数包括激光封焊的输入功率、光斑直径，调节离焦量，设置点焊路径，运行激光程序，对管壳上层(22)与盖板(21)进行点焊固定；

步骤4，激光封焊：观察点焊效果，确认盖板(21)无翘曲、漏焊后设置激光连续焊接路径，运行程序，激光焊接机以设定好的激光焊接参数、焊缝路径，完成管壳上层(22)与盖板(21)的焊接。

4.根据权利要求3所述的一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，其特征在于，所述步骤2中通过多块约束块(26)限位装夹管壳，多个所述约束块(26)在管壳外侧从不同方向对管壳施加约束，所述散热板为散热铝板(25)。

5.根据权利要求3所述的一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，其特征在于，所述步骤3中对管壳与盖板(21)的点焊为对称点焊。

6.根据权利要求3所述的一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，其特征在于，所述步骤3中激光点焊采用的激光器为ND:YAG脉冲激光器，设置激光焊接的所述脉冲激光参数包括：热输入功率为160～170W、脉宽为5ms、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm。

7.根据权利要求3所述的一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，其特征在于，所述步骤4激光焊接机在焊接过程中，采用吸除烟雾装置(29)及时消除烟雾对脉冲激光束(28)的影响，采用散热铝板(25)作为管壳的支撑，让焊接中的管壳与盖板(21)快速降温。

8.根据权利要求3所述的一种用于薄壁梯度硅铝管壳的激光封焊方法，其特征在于，所述步骤4中设定的激光焊接参数包括：激光平均功率为1600～2000W、脉冲频率为18Hz、脉宽为5ms、焊接速度为3～5mm/s、光斑直径为0.6～0.8mm，离焦量为-1～1mm。

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