CN204031671U - 一体化金属结构件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种一体化金属结构件，所述一体化金属结构件为电子装置的全部或部分外壳，所述一体化金属结构件包括形成外壳的轮廓的金属主结构体、接合在金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件以及将所述金属主结构体和金属次结构部件接合固定在一起的金属喷积体。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子装置的一体化金属结构件。
背景技术
3C电子装置（Computers,
Communication and Consumer electronics）的一体化金属结构件包括一体化金属外壳和一体化金属中框板。
尽管设计、尺寸形状可以有很大的不同，但一体化金属外壳一般为凹形体结构，基本由两大部分组成。第一部分是构成主要外壳结构和外形的金属主结构体（主壳体）；第二部分是接合在凹形金属主结构体内表面的金属次结构部件，用于安装电子元器件或作为加强筋等。由于一体化金属外壳是外观件，对其外部的形状、颜色和表面质量有很高的要求。
一体化金属外壳可以是电子装置外壳的全部也可以是电子装置外壳的一部分。移动电子装置一体化金属外壳的部分可以开有或拼接有用不会屏蔽无线电信号的材料所覆盖的窗口，用于传输无线电信号，如智能手机和部分平板电脑的一体化金属外壳。一体化金属外壳还开有各种用途的孔和槽，如智能手机和平板电脑的耳机孔、摄像头孔、开关孔、音量孔等等。而笔记本电脑上的一体化金属外壳还可有键盘孔、CD槽等。
电子装置中框板位于电子装置的中间，属于承力结构件。电子装置各种电子元器件大都是安装在中框板的两边。通常，安装了电子器件的中框板被外壳、屏幕或键盘等包围起来，因此不是外观件，制造要求低于作为外观件的外壳。但是有的中框板的一些部位构成为电子装置外壳的一部分，对这些外观部位有更高的要求。虽然各种不同的电子装置一体化金属中框板的差异很大，但与一体化金属外壳一样，基本上由两大部分组成：第一部分是构成中框板主体结构和形状的金属主结构体（主框板）；第二部分是接合在金属主结构体上面的金属次结构部件，用于安装电子元器件或加强中框板的整体强度和刚性。
本实用新型包括一体化金属外壳和一体化金属中框板的一体化金属结构件，是指其金属主结构体与金属次结构部件之间通过本实用新型的金属接合方法而接合在一起的一体化金属整体件（unibody）。这种一体化金属结构件最为关键的特征是，其含有次结构部件的横截面的厚度是不均匀的，而不像由一块金属薄板材形成的外壳的横截面那样厚度是均匀的。美国专利公开US20120020920、US20120050988、US20110144265和美国专利US8241622中分别描述的电子装置的一体化金属外壳便属于这种横截面厚度不均匀的一体化金属结构件。
由于不是外观件，电子装置的一体化金属中框板的制造难度不高。例如，一体化不锈钢中框板，可以通过铆接和电火花焊接将铜螺栓等金属次结构部件固定在不锈钢主结构体上，制备出一体化金属结构件。对于镁合金，可以通过压铸制备出一体化镁合金中框板。但是不锈钢和镁合金的导热系数都不高，不利于电子装置内部的热量的散发。如果用导热系数高的铝合金薄板来生产一体化铝合金中框板，则难以像一体化不锈钢中框板那样，通过铆接和电火花焊接来将金属次结构部件固定到薄铝板上。
由于是外观件，一体化金属外壳的制造难度远远大于一体化金属中框板。通过铆接和电火花焊接的方法将金属次结构部件固定到主结构体会破坏外壳的外观，因而难以使用。低温钎焊工艺难以在铝合金、不锈钢和钛合金等不能被低温钎料浸润的金属材料上实施。摩擦焊和搅拌摩擦焊因会影响薄板外壳的外观性无法用于薄腹板（底板）的金属外壳。用胶粘的方法将金属次结构部件粘接到金属外壳主结构体上往往粘接强度不够，且次结构部件体积必须较大。镁合金可以通过压铸来生产一体化镁合金外壳，但是镁合金外壳的外表面不能像铝合金一样通过阳极氧化形成绚丽且具有保护作用的Al2O3薄层。另外，由于镁合金强度和弹性模量低，外壳腹板的厚度必须大于不锈钢和铝合金外壳的腹板，这对移动电子装置追求薄是很不利的。
美国专利US8241622 公开了一种电子装置外壳的CNC机加工生产方法，可以生产出性能优异、外表美观的一体化铝合金外壳。但是，这种用整块铝合金厚板材通过CNC机加工的方法需要消耗大量的高速CNC设备加工时间，不仅生产成本很高，而且材料利用率很低。另外由于机加工应力和铝合金板材本身内应力的存在，用CNC铣削设备难以将腹板面积较大（如平板电脑）的一体化铝合金外壳的腹板铣削得薄于0.7mm而不变形。而且使用这种全CNC机加工方法来生产机加工难度高的不锈钢或钛合金一体化金属外壳，成本更是高昂。
综上所述，现有电子装置一体化金属结构件及各种生产技术，存在如下几个问题：
（1）用整块铝合金通过CNC机加工来生产一体化铝合金结构件，生产成本高、材料利用率低。
（2）没有工艺能低成本地生产出比CNC机加工一体化铝合金外壳的腹板更薄的一体化铝合金外壳。
（3）没有低成本生产不锈钢、钛合金等非铝合金一体化金属外壳的方法。
（4）没有使用以铝合金薄板为主来生产一体化铝合金中框板的方法。
因此，有必要实用新型一种机加工少、材料利用率高、腹板可很薄、生产成本低的新型电子装置一体化金属结构件及其生产方法，以克服上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种电子装置的一体化金属结构件。解决了现有技术中电子装置的一体化金属结构件生产成本高、材料利用率低、可选用的金属材料单一、腹板厚度难以进一步减薄等问题。
为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种一体化金属结构件，所述一体化金属结构件为电子装置的全部或部分外壳，所述一体化金属结构件包括形成外壳的轮廓的金属主结构体、接合在金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，以及位于所述金属主结构体与所述金属次结构部件接合处将两者接合固定在一起的金属喷积体。
作为本实用新型的进一步改进，所述金属次结构与金属主结构需冷喷接合相交处的两个切面之间的夹角介于70°~180°之间。
作为本实用新型的进一步改进，不同的金属次结构部件由相同的或不同的金属材料制成。
为实现上述实用新型目的，本实用新型还提供了一种一体化金属结构件，所述一体化金属结构件包括金属主结构体、金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合固定在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
作为本实用新型的进一步改进，所述金属附着层的厚度不小于10µm、不超过500µm。
作为本实用新型的进一步改进，不同的金属次结构部件由相同的或不同的金属材料制成。
作为本实用新型的进一步改进，所述一体化金属结构件为移动电子装置的全部或部分外壳，外壳包括形成外壳的轮廓的金属主结构体、接合在金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
作为本实用新型的进一步改进，所述一体化金属结构件为电子装置的内部中框板，所述内部中框板包括形成中框板的主体的金属主结构体、接合于金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型的一体化金属结构件通过金属喷积体或镀金属的方法，可实现一体化金属结构件的低温钎焊与传统金属加工工艺相结合的加工工艺，从而降低了现有技术中电子装置的一体化金属结构件生产成本高、材料利用率低问题，并可生产出性能更为优异的电子装置一体化金属结构件。
附图说明
图1为本实用新型电子装置的一体化金属结构件（外壳）立体示意图。
图2为图1所示电子装置一体化金属结构件的A-A截面示意图。
图3为图1所示电子装置一体化金属结构件的金属主结构体示意图。
图4为图3所示金属主结构体的B-B截面示意图。
图5为本实用新型笔记本电脑的一体化金属结构件（主机键盘外壳）立体示意图。
图6为本实用新型电子装置的一体化金属结构件（中框版）立体示意图。
图7为本实用新型气动冷喷装置示意图。
图8A-8B为本实用新型金属主结构体与金属次结构部件通过气动冷喷形成的喷积体而金属接合的示意图。
图9为本实用新型生产一体化金属结构件的工艺流程示意图。
图10为本实用新型生产一体化铝合金外壳的工艺流程示意图。
图11为本实用新型生产智能手机一体化金属外壳的工艺流程示意图。
图12为本实用新型生产智能手机一体化金属外壳改进后的工艺流程示意图。
图13为本实用新型生产笔记本电脑一体化金属外壳的工艺流程示意图。
图14为本实用新型生产一体化金属外壳的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的各实施方式进行详细地描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
本实用新型首先使用冲压、挤压、轧制、锻造、铸造和/或机加工等金属加工工艺，将所选主金属材料成型为金属主结构体，同时还使用上述金属加工工艺将所选部件金属材料成型为各种金属次结构部件；然后通过低温金属接合方法将金属主结构体与金属次结构部件接合固定在一起形成一体化金属结构件。所述低温金属接合法在实施过程中被接合金属部位的升温低于300℃。为了实现低温金属接合，本实用新型使用气动冷喷，将可低温钎焊金属的粉体材料（如铜粉、镍粉、锡粉或银粉）冷喷在不能低温钎焊的金属主结构体设定的地方，形成可低温钎焊的涂层，如果需要也在金属次结构部件需与金属主结构体接合的表面通过气动冷喷形成可低温钎焊的金属附着层，也即金属涂层或简称涂层；本实用新型也可使用镀金属法，将铜或镍等可直接钎焊的金属在不能低温钎焊的金属结构件需接合的部位形成可低温钎焊的金属附着层（镀层）；接着使用低温钎焊将金属次结构部件低温金属接合固定在金属主结构体上覆盖有涂层或镀层的金属附着层的部位；本实用新型还可直接通过气动冷喷，将金属粉体材料在金属主结构体与金属次结构部件需接合的部位形成金属喷积体，并将它们金属接合固定起来，得到一体化金属结构件；本实用新型也可使用上述三种低温金属接合方法的组合，来制备一体化金属结构件。最后通过精加工，获得终形电子装置一体化金属结构件。本实用新型中，不能被低温钎焊的金属主结构体即所述金属主结构体为不能被低温钎料浸润的金属材料制成。
图1所示为本实用新型应用于移动电子装置（如平板电脑）一体化金属结构件（外壳/背壳）10的典型结构立体示意图，图2为图1所示一体化金属外壳10的A-A截面图。其由金属主结构体20与通过本实用新型的方法接合固定在金属主结构体内表面24和26上的金属次结构部件12a、12b、12c和14构成。16a、16b和16c是内部边框14上的边框次结构，属于边框的一部分。28为一体化金属结构件的外表面。金属主结构体用于形成外壳的轮廓，接合在金属主结构体上的金属次结构部件用于安装电子元件或强化金属主结构体。
本实用新型的智能手机等小型移动电子装置的一体化金属外壳（背壳）除尺寸比平板电脑的外壳小外，也有类似图1所示的典型结构。
属于金属次结构部件的凸台12a、螺栓柱12b和12c是用于安装电子器件的，上面可有螺纹孔。属于金属次结构部件的内部边框14可以是连续的，也可以是不连续的，上面也可有螺纹孔。内部边框14的厚度和高度即可以是均匀的，也可以是有变化的。内部边框14上的边框次结构16a、16b和16c表示内部边框上各种特殊设计的立体结构。图1、图2和图3中所示金属主结构体20可由钣金冲压、锻造、挤压、轧制、机加工、压铸和非晶金属生产等工艺形成。图4为图3中金属主结构体20的B-B截面图。金属主结构体的内表面由金属主结构体内底面24和金属主结构体边框内表面26构成。
金属主结构体20的金属材料可以是不能直接低温钎焊的金属，包括铝合金、、镁合金、钢材、不锈钢、钛合金、金属基复合材料（Metal Matrix
Composites，也称强化金属）等，也可以是可直接低温钎焊的金属，如铜合金和镍合金。金属主结构体20的金属材料除上述常规具有晶粒结构（Crystallites）的金属材料，还可选用高强度的非晶（amorphous）金属材料，也称金属玻璃，如非晶铝合金和ZrTiCuNiBe非晶合金等。各金属次结构部件的部件金属材料可与金属主结构体20的主金属材料相同或不同，而且制备每个金属次结构部件的部件金属材料也可以不同。本实用新型对用于制备金属主结构体20的薄金属板的厚度没有特别的限制，主要取决于金属主结构体（如电子装置外壳）本身整体强度和刚性的设计要求，材料本身的强度越高，金属薄板的厚度可以越薄。如对强度达到1600MPa的ZrTiCuNiBe非晶合金，可使用0.2mm的薄板。
外壳10的腹板22和由主结构体20的边缘与内部边框14构成的外壳边框上通常还开有各种功能的孔和槽，如智能手机和平板电脑的摄像头孔、闪光灯孔、耳机孔、开关孔、音量按键孔等等。图中未绘出这些孔槽。在本实用新型中，金属次结构部件12a、12b、12c和14可以选用与金属主结构体20相同的金属材料，也可选用不同的材料，以提高一体化金属结构件的性能。而且各个金属次结构部件也可以根据需要选用不同的部件金属材料，既可以是不能直接低温钎焊的金属，也可以是能直接低温钎焊的金属。
18a、18b、18c和18d四个L形内部角边可以完全是内部边框14的一部分，同属于一种材料，也可以使用与内部边框14不同的材料来制备。外壳的四个角是移动电子装置摔落时最容易受损变形的地方。四个L形内部角边18a、18b、18c和18d可使用强度和刚性比内部边框14高的金属来制备，并通过本实用新型的方法与内部边框14和金属主结构体20接合为一体，提高了移动电子装置摔落时四个角部抗受损变形的能力。
所有的金属次结构部件12a至12c、14和18a至18d均是通过本实用新型的低温金属接合方法而固定在主体壳内底面24和主体壳边框内表面26相应的部位上。根据具体设计，对于较大尺寸的金属次结构部件（如内部边框14），可以不需要该部件全部与金属主结构体20内表面对应的部位通过低温金属接合而固定在一起，而只是将金属次结构部件（如14）的局部与20的内表面金属接合固定在一起即可。
一体化金属结构件10可以是电子装置的全部外壳或部分外壳。有些移动电子装置一体化金属结构件开有传输无线电信号的窗口，用不会屏蔽无线电信号的材料覆盖。含有无线电信号窗口的移动电子设备外壳的设计有各种变化。图1至图4中双点划线标出的窗29是这种无线电信号窗口的一种设计：在这种设计中，一体化金属外壳10在29处是一长方形孔，上面覆盖有不会屏蔽无线电信号的材料。图1中的点划线C-C和D-D表示另一种设计（如智能手机）：点划线C-C和D-D之间的是一体化金属外壳部分10a，两条点划线的两外端部分是分别带有覆盖了不会屏蔽无线电信号材料的信号传输部分；中间部分的一体化金属外壳10a与两端的信号传输部分装配在一起构成整个外壳；图3中的点划线E-E和F-F之间的部分是对应这种一体化外壳10a的金属主结构体20a。在图1中所示的外壳还可有第三种设计：点划线C-C的右边部分全部为一体化金属外壳，而只有点划线C-C的左边为含有无线电信号传输窗口的部分，两部分接合在一起构成整个外壳。
图5所示为本实用新型应用于移动电子装置一体化金属结构件之一的笔记本电脑主机的一体化金属键盘外壳30的典型内部结构立体示意图。金属次结构部件加强筋32a、32b和32c是用于强化一体化金属外壳的整体强度和刚性。属于金属次结构部件的螺栓柱34a-34d是用于安装电子器件的，中间可有螺纹孔。加强筋如32a所示，加强筋上也可以有用于安装电子器件或底盖的螺纹孔。36a-36d为属于金属次结构部件的四个L形边角，上面分别有螺纹孔，用于安装笔记本电脑主机底盖；36a-36d也是相互连在一起如图1中14的整体内边框。
图5中金属主结构体40可由钣金冲压等金属加工工艺制备。腹板42上开有键盘孔38a和导线孔38b。其它各种孔和槽未在图中绘出。属于金属次结构部件的螺栓柱34a-34d、加强筋32a-32c和四个L形边角36a-36d也是通过低温金属接合固定在主体壳内底面44和主体壳边框内表面46设定的部位。制备金属主结构体40和金属次结构部件的金属材料的选择可与上述图1至图4的说明的材料选取原则相同。
图6所示为本实用新型应用于移动电子装置一体化金属结构件之一的一体化金属中框板50的典型结构立体示意图。其中金属次结构部件包括用于安装电子器件的螺栓柱52a、52b和凸台54。60为金属主结构体，包括中框板腹板62和边框68。56a和56b为在腹板62中开的腹板孔，用于穿过导线或减重。58为边框68上的功能槽。64为腹板内底面，66为边框内表面。
中框板金属主结构体60可用导热性好、比重轻的铝合金板冲压形成。金属次结构部件螺栓柱52a、52b和凸台54，通过本实用新型的低温金属接合方法固定在主体壳内底面64上。在一些设计中，凸台54可以在冲压主结构体60时直接形成。由于中框板的两边无内外之分，根据设计需要，金属次结构部件实际上可以固定在中框板的任意一边。
本实用新型上述金属主结构体和金属次结构部件首先可使用锡合金等低温钎料通过低温钎焊接合在一起。钎焊温度不高，不会影响金属材料的性能和结构件的形状，是传统金属低温接合方法之一。但是，如果这些金属件是用铝合金等不能被低温钎料浸润的（hydrophobic）金属制备的，则不能直接进行低温钎焊。为解决这一难题，本实用新型使用气动冷喷技术在不能直接进行低温钎焊的金属主结构体和金属次结构部件需钎焊的部位，用铜粉、镍粉、锡粉、铜合金、镍合金、锡合金或银合金的一种或多种的混合粉末等冷喷上可被低温钎料浸润的（hydrophilic）金属涂层，然后再进行低温钎焊。本实用新型也可使用气动冷喷将金属粉末冷喷在所述金属主结构体和金属次结构部件所需接合的部位形成金属喷积体，将它们接合固定在一起。
图7为本实用新型形成所述金属涂层或所述金属喷积体的气动冷喷装置70的示意图。气动冷喷涂（Cold Gas
Dynamic Spray）是使用高速气体驱动金属或非金属的粉体喷涂在物体表面的一种现代新技术。被喷涂的工件在喷涂过程中升温比热喷涂低得多，故为“冷喷”，因而对被喷材料的性能影响很小。该技术的理论在荷兰Elsevier出版公司于2007年出版的A. Papyrin教授等编辑的《Cold Spray
Technology》专著中有详述。在市场上已有气动冷喷设备出售，如DYMET®、Kinetiks™和SST™等。气动冷喷涂主要应用于金属表面的防腐喷涂等。
气动冷喷装置70包括气动冷喷枪72、高速喷管74、喷嘴76、高压气体导管78、粉体材料输送管80、气动冷喷枪电气控制器82、气动冷喷枪72的操作机械手84、机械手控制器86、工件传输台90和工件夹具92。需喷涂的金属主结构体20、40或60放在工件夹具92中，并通过真空吸附等方式固定在夹具中。经粉体材料输送管80输入的粉体颗粒由高速气体经过高速喷管74驱动加速，通过喷嘴76喷出形成射流88，使一部分高速粒子在被喷表面累积形成涂层94或喷积体。
通过控制气动冷喷的工艺参数以及粉体的粒度分布和配方等粉体参数，粉体在被喷表面的着粉率可在10-90%变化。气动冷喷设备70包括有图中没有绘出的粉体回收装置，不对外排放废物。气动冷喷所形成的涂层或喷积体是完全的金属体涂层。通过冷喷工艺和粉体参数控制，涂层内部的孔隙率最好时可小于0.5%，最坏时一般不会高于3%。通过冷喷工艺参数和粉体参数的控制，涂层或喷积体与被喷表面的接合强度和涂层/喷积体内部的材料强度可在30-150MPa的范围左右，满足本实用新型的需要。涂层94的厚度由喷涂时间决定。作为钎焊涂层，94的厚度不小于10µm，便可形成有效的可被低温钎料浸润的金属涂层。如果涂层太薄，由于涂层金属（如铜或银）可能会在钎焊过程中部分溶入熔化的钎料中，造成过薄的金属涂层部分消失。从生产效率和成本考虑，钎焊涂层94的厚度应不超过500µm。
机械手84控制喷枪72沿被喷射表面移动冷喷的速度在10-200mm/秒范围内以匀速移动为佳。粉体输入速度在10-500克/分范围内进行控制则效果较好。在形成喷积体时，移动喷枪72使喷积体由一层层涂层堆积形成比在一固定点形成堆积体的效率更高。
在图7中，喷管74应与被喷表面24、44或64垂直，喷嘴76到被喷表面的距离d在5-40mm之间。喷管74与被喷表面垂直时，喷涂效果最佳。但是，在喷涂主体壳的边框内表面26、46或66时，喷管74难以与被喷表面完全垂直，而形成一个小于90°的夹角，这一夹角不小于45°为佳，否则难以形成有效的涂层。
装置70的驱动可以是加压的空气、氮气、氦气，或它们的两种或三种的混合气体。氦气效果最好也最昂贵，氮气次之。在对喷积体的强度要求不是很高时，加压空气作为驱动气体可满足需求。为使驱动气体在喷管74中获得很高的速度，将压力在0.5-4Mpa的驱动气体经过气体加热器加热到250-700ºC后，经过拉瓦尔（Laval）高速喷管74而成为高速气流，并驱动导入气体中的粉末颗粒从喷嘴76喷出，形成颗粒速度达250-1000米/秒的高速射流88。根据需要，喷管74的喷口形状可设计为圆形或长方形等形状。高压热气体在经过喷管74膨胀加速后，温度有所降低。驱动气体加热器可在冷喷枪72里面，也可在外面（图中未绘出）。如将粉末加热到200-350°C后再与高速气流混合喷出，可提高喷涂效率。在市场上已有的气动冷喷设备可以用于本实用新型。在本实用新型的气动喷涂过程中，对被喷金属板材，控制被喷部位的升温不超过300ºC，以避免被喷金属结构件由于热应力过高而产生无法恢复的变形，以及对被喷铝合金薄板外观面的阳极氧化的效果产生不利影响。
形成钎焊涂层使用的粉体材料，选自铜粉、镍粉、锡粉或银粉的一种、多种粉的混合，或各自的合金粉或合金粉的混合，以形成可被低温钎料浸润的金属涂层。而形成喷积体使用的粉体材料，选自铝粉、锌粉、铜粉、镍粉、铝合金粉、锌合金粉、铜合金粉、镍合金粉的一种或多种的混合粉体，或各自的合金粉或合金粉的混合。粉体中可加入1-10%陶瓷粉如Al2O3，可提高喷涂效率，但很大部分陶瓷颗粒不会喷积在被喷表面，粉体材料的粒度分布为1-120µm，平均粒度为5-60µm较佳，颗粒形状可以是球形也可以是不规则形状。从气动冷喷设备供应商处可获得满足本实用新型基本要求的粉体材料。
图7所示的被喷工件是金属主结构体20、40或60。在喷涂金属次结构部件时或冷喷接合不同金属件时，需使用相应的夹具进行气动冷喷。尽管进行气动冷喷时，高速粒子会对被喷表面进行类似喷砂的清洁，一般不需再进行特别表面处理，但是被喷表面必须要保证没有油污。对于冷喷粉体比较难沉积的材料，使用喷砂预处理表面可提高喷涂效率。
图8A和图8B为本实用新型用气动冷喷形成的金属喷积体来低温金属接合金属主结构体与金属次结构部件的示意图。如图8A所示，使用气动冷喷在矮内边框15的顶部与金属主壳体20的边框内表面26上形成金属喷积体96a，将15与20牢固地金属接合在一起。如需要，可在15与20接触的根部气动冷喷形成金属喷积体96b，进一步进行固定。在冷喷过程中，喷积体96a或96b沉积的金属表面的升温不超过300ºC。需说明的是，两个需冷喷接合的面可以是如图8A所示的都是平面，也可以是曲面，或者一个是平面另一个是曲面。属于金属次结构的矮内边框15与金属主结构20的需冷喷接合相交处的两个切面之间的夹角a应在70°-180°之间，以不小于90°为宜，否则难以在需接合的两个面上冷喷形成有效的金属喷积体来接合两个面。当夹角a为180°时，代表矮内边框15的顶部面15a为曲面时的极端情形；这时曲面15a与主壳体边框内表面26相交处有部分面与26平行，夹角a应为180°。然后如图8B所示，精机加工金属喷积体96a和96b，使其与矮内边框15一起构成内部边框14（参见图2），进而获得为一体化金属结构件10。
为了实现低温金属接合，本实用新型也可以使用电镀或化学镀等镀金属法在不能直接钎焊的钢和铝等金属表面镀上可直接低温钎焊的金属附着层。如镀铜法或镀镍法可将铜或镍镀到钢或铝上，形成可低温钎焊的镀层。镀层的厚度应大于10µm，以便有足够的附着力同时可有效的被低温钎料浸润。如果镀层太薄，由于镀层金属（如铜）可能会在钎焊过程中部分溶入熔化的钎料中，造成过薄的金属镀层部分消失。从生产效率和成本考虑，镀层的厚度应不超过100µm。铝表面镀铜法包括下列步骤：（1）碱洗去油；（2）表面碱蚀或酸蚀；（3）在浸锌液中浸锌；（4）镀铜，在电镀液中以铜为阳极铝为阴极将铜镀在铝上；（5）清洗。步骤1碱洗可使用浓度1-5克/升的氢氧化钠NaOH溶液，铝材表面很干净时，可以不必碱洗。步骤2的碱蚀或酸蚀不是必需的，只有在镀层附着力差时才使用，碱蚀可使用高浓度氢氧化钠NaOH溶液，酸蚀可使用硝酸HNO3溶液。步骤3可使用氢氧化钠NaOH、氧化锌ZnO、氯化铁FeCl3和酒石酸钾钠KNaC4H4O6配制的溶液中浸锌，以去除铝表面氧化膜，提高表面活性；浸锌还可有一些其它的变化。步骤4的电镀液是铝表面镀铜工艺中最重要的，电镀液的配方有多种，应使用无氰的环保电镀液，如焦磷酸盐-硫酸铜电镀液，具体配方可采用：170-190克/升焦磷酸盐K2P2O7、35-45克/升硫酸铜CuSO4z5H2O、20-30克/升磷酸氢二钾K2HPO4、5-10克/升硝酸铵NH4NO3；然后以铜为阳极铝为阴极，在约3-5伏的电压下将铜镀在铝上。只进行步骤2的酸蚀而不进行步骤3的浸锌，也可在通过步骤4的方法在铝上镀铜，但是镀层的附着力要低一些。
铝表面镀镍法采用常用的化学镀镍磷合金镀层的方法，包括下列步骤：（1）碱洗去油；（2）表面碱蚀或酸蚀；（3）在浸锌液中浸锌；（4）在镀镍溶液中将镍-磷镀在铝上；（5）清洗。步骤1、2和3可与上述镀铜工艺相同。步骤4中的镀镍溶液可采用工业应用的化学镀镍-磷配方，主要成分有镍盐NiSO4和磷酸钠Na3PO2。为了使镍-磷镀层有好的低温钎焊性能，应控制镍-磷镀层中磷的含量小于5%（重量比）。磷过高，镀层的钎焊性能差。
另外，在对外壳内部指定部位进行镀铜或镍之前，必须保护不需要镀铜或镍的外观面和其它部位不被腐蚀，如使用四氯乙烯（Tetrachloroethylene）可剥涂胶保护。
本实用新型可使用各种工业用锡合金低温钎料。从环保考虑，应选用无铅低温钎料，如SnCu、SnAg、SnAgCuSb、SnAgBiCu、SnAgBiIn、SnBiZn、SnAlZn、SnBiSb等。使用的低温钎料熔点应低于300°C，以不高于280°C为佳，以保证被钎焊的金属的升温不超过300ºC，减少钎焊时对结构件产生的热应力。无铅低温钎料的拉伸强度一般在30-80MPa的范围，钎料与被其浸润了的被焊金属表面的接合强度与钎料的强度相当，可满足本实用新型的需要。
根据设计需要金属次结构部件与金属主结构体的接触面的大部分通过本实用新型的方法接合在一起，也可以是只有几个部分接合在一起。例如，内部边框14可以设计为间隔一段距离有一接合部位与主体壳20接合在一起。
本实用新型通过将薄的金属主壳体与金属次结构部件内部边框牢固地接合在一起形成一个结构整体，大幅提高了本实用新型的薄腹板一体化金属结构件的整体强度和刚性，非常适合移动电子设备的一体化结构件的应用。
本实用新型一体化金属结构件的生产方法的基本工艺流程100如图9所示。图10至图14为本实用新型一体化金属结构件生产方法的具体生产工艺流程示意图。
以下，将通过具体实施方案来进一步详述使用本实用新型的方法生产出本实用新型的电子装置一体化金属结构件。
本实用新型第一实施方案是制备如图1所示的电子装置一体化铝合金外壳10。图10是具体工艺流程102的示意图。使用5052-H32铝合金薄板，经过钣金冲压工艺形成图3所示的铝合金主壳体20。也可使用5052-H32铝合金薄板或其它可冲压成型且阳极氧化后美观又有足够强度的铝合金薄板来冲压制备铝合金主壳体20。使用供铸造用铝合金经过压铸工艺制备图1所示的内部边框14；内部边框14需与主结构体20接合的面与20相对应的面之间留有0.1-2.0mm左右的间隙，用于容纳气动冷喷涂层和低温钎料。使用可低温钎焊的黄铜，加工出图1所示的凸台12a、螺栓柱12b和12c；黄铜可以直接低温钎焊，且容易攻螺纹，价格也较低；也可使用其它可低温钎焊的铜合金如青铜，包括纯铜。虽然铜合金比重比铝合金高，但是这些部件很小，因而对外壳重量的影响也很小；设计时这几个小部件与主壳体之间也要留有0.1-2.0mm左右的间隙，用于容纳气动冷喷涂层和低温钎料。
通过气动冷喷或镀金属法在金属主结构体和次结构部件的相关部位形成可低温钎焊涂层或镀层，在实施方案一中是在铝合金主壳体20周边的内表面和铝合金内部边框14需钎焊的表面上冷喷不小于10µm厚的铜、镍、锡或银涂层。
将所有金属结构部件通过低温钎焊与金属主结构体接合在一起获得一体化金属结构坯件，在本实施方案中是使用Sn/58Bi低温钎料将铝合金边框14和黄铜凸台12a、螺栓柱12b与12c钎焊在5052铝合金主壳体20的设定部位，从而获得一体化铝合金外壳坯件。该低温钎料环保无铅，熔点为138°C，拉伸强度约为60MPa，延伸率约为10%。如使用Sn/57Bi/1.3Zn低温钎料, 拉伸强度和延伸率分别提高到约72MPa和27%。如使用其它无铅钎料，熔点不应超过250°C，以避免使一体化金属结构件产生难以恢复的热应力形变。
对坯件进行精加工，获得一体化金属结构精件。精加工可包括精机加工、激光加工和化学腐蚀等工艺。对一体化铝合金外壳精件进行阳极氧化，使外观面形成美观的阳极氧化保护层。在进行阳极氧化前，可在非铝金属次结构部件上涂敷保护涂层，如四氯乙烯（Tetrachloroethylene）可剥涂胶，避免被阳极氧化酸性溶液腐蚀；阳极氧化完成后，如需要可去除保护涂层。最后通过激光刻字等细节处理，获得美观的一体化铝合金外壳终件。用本实施方案制备的10英寸平板电脑的一体化铝合金外壳的腹板厚度t=0.5mm，而现有全机加工技术制备的一体化铝合金外壳的腹板最薄约为0.7mm，比本实用新型厚了约40%。
本实用新型第二实施方案还是制备如图1所示的电子装置一体化不锈钢外壳10。与第一实施方案不同的是：主壳体20使用厚度t=0.4mm的304不锈钢薄板冲压制备，内部边框14是用镁合金压铸制备，以利用低比重的镁合金来抵消部分高比重的不锈钢对外壳重量的不利影响；也可像第一实施方案一样使用铝合金来制备边框14。凸台12a、螺栓柱12b与12c仍使用黄铜制备。图10的工艺流程102在去掉阳极氧化工艺后，仍可适用于本实施方案。另外，不锈钢主壳体20上的可钎焊涂层是用气动冷喷形成的。由于不锈钢的强度和刚性比铝合金高，因此可以使用比铝合金薄板更薄的不锈钢薄板来生产主壳体。
本实用新型第三实施方案是制备如图1所示位于点划线C-C和D-D之间的智能手机一体化铝合金外壳部分10a。在本实施方案中，图3中点划线E-E和F-F之间的主壳体20a是使用0.5mm厚的5052-H34、6063-T6或7003-T6铝合金薄板经冲压制备而成。所有金属次结构部件均用铜或铜合金来加工制备，包括图1中点划线C-C和D-D之间的内部边框14a和14b，以及凸台12a、螺栓柱12b和12c。由于智能手机一体化金属外壳的边框薄，使用铜合金内部边框14a和14b的增重人们难以感觉到。但是由于铜合金的强度和刚性高于铝合金，有利于提高一体化铝合金外壳的整体强度和刚性。凸台12a的数量、形状和位置可根据需要具体设计，并可从主壳体20a的一端伸出来，用于安装固定智能手机整体外壳一端或两端的无线电信号窗口部分。如设计需要，铜合金内部边框14a和14b也可长出主壳体20a，用于安装固定智能手机整体外壳一端或两端的部分。图11是本实施方案的工艺流程104的示意图。
本实用新型第四实施方案还是如第三实施方案，制备如图1所示位于点划线C-C和D-D之间的智能手机一体化铝合金外壳部分10a。但在本实施方案中，图1中点划线C-C和D-D之间的主壳体20a与内部边框14a和14b是同时挤压成型的U形6063-T6或7003-T6铝合金，即内部边框14a和14b与主壳体20a是由同一块铝合金挤压形成的。U形铝合金挤压型材的边框厚度大于腹板厚度。6063或7003铝合金挤压成型后可在挤压机出口直接水冷淬火（quenching），然后经矫直和时效后（aging）达到T6状态，最后切割并机加工为腹板厚度小于边框厚度的主壳体。凸台12a、螺栓柱12b和12c的材料、制备和低温钎焊固定到主壳体上与第三实施方案中的相同。图12是本实用新型第四实施方案的工艺流程106的示意图。
本实用新型第五实施方案是制备如图5所示笔记本电脑主机键盘一体化铝合金外壳30。用铝合金薄板冲压制备带有键盘孔38a、导线孔38b和一些其它孔槽的铝合金主壳体40。铝合金薄板的厚度可选在0.4-3.0mm之间。金属次结构部件加强筋32a-32c和L形边角36a-36d用铝合金制备，螺栓柱34a至34d用铜合金制备。然后将这些金属次结构部件用低温钎焊固定到铝合金主壳体40里面相应的位置上。在本实施方案中，加强筋32b和32c的一端与加强筋32a的接合部位也可通过低温钎焊固定在一起。最后通过阳极氧化和细节加工处理获得笔记本电脑主机键盘一体化铝合金外壳。为提高外壳四个角的摔后抗变形能力，可使用强度和弹性模量高的钢材或铜合金来制备4个L形边角36a-36d。
本实用新型第六实施方案还是制备如图5所示笔记本电脑主机键盘一体化铝合金外壳30。主壳体40也还是用铝合金制备。但是，所有金属次结构部件使用比重轻的镁合金通过压铸制备获得。这时，次结构部件设计为相互连在一起的整体次结构部件，从而可一次压铸成型，进一步降低了生产成本。然后通过本实用新型的方法用低温钎焊将整体镁合金次结构部件与铝合金主壳体固定在一起，最后通过阳极氧化和细节加工处理获得笔记本电脑主机键盘一体化铝合金外壳。图13是本实用新型第六实施方案的工艺流程108的示意图。本实施方案中也可使用压铸铝合金来制备整体次结构部件。
本实用新型第七实施方案是制备如图1所示的电子装置一体化金属外壳10。与第一实施方案一样，主壳体20和内部边框14可使用铝合金，凸台12a、螺栓柱12b和12c使用铜合金。铜合金的凸台12a、螺栓柱12b和12c也是与第一实施方案相同，先使用气动冷喷在铝合金主壳体20的内底面24设定的部位喷上铜涂层，然后用低温钎焊固定在24上。与第一实施方案不同而如图8A所示，铝合金内部边框14是通过气动冷喷形成喷积体96a与铝合金主壳体20固定在一起。这样便形成了一体化铝合金外壳坯件，然后通过机加工获得图8B所示的一体化铝合金外壳精件。最后通过外表阳极氧化得到美观的一体化铝合金外壳。图14是本实用新型第七实施方案的工艺流程110的示意图。本设施方案的金属主壳体20也可使用不锈钢和钛合金等，这时工艺流程110中的阳极氧化处理工艺不需要。
本实用新型第八实施方案是制备如图6所示电子装置一体化金属中框板50。带有腹板孔56a和56b及边框槽58的中框板金属主结构体60用0.5mm厚的5052-H32薄板经冲压制备获得。金属次结构部件螺栓柱52a和52b与凸台54使用黄铜合金制备而得。然后通过本实用新型的方法用低温钎焊将黄铜次结构部件与铝合金主结构体60固定在一起，形成电子装置一体化铝合金中框板。实施方案可使用图10所示的工艺流程102。由于不是外观件不需要进行阳极氧化处理。
本实用新型的上述实施方式和各实施方案并非对本实用新型应用限定。本实用新型并不只局限于可以成型电子装置的一体化金属结构件，任何具类似金属结构的设计，均可使用本实用新型来制备。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式和实施方案加以描述，但并非每个实施方式和各实施方案仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式和实施方案中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式和方案。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式和实施方案的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所做的等效实施方式和实施方案或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种一体化金属结构件，所述一体化金属结构件为电子装置的全部或部分外壳，其特征在于：所述一体化金属结构件包括形成外壳的轮廓的金属主结构体、接合在金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，以及位于所述金属主结构体与所述金属次结构部件接合处将两者接合固定在一起的金属喷积体。
2.如权利要求1所述的一体化金属结构件，其特征在于：所述金属次结构与金属主结构需冷喷接合相交处的两个切面之间的夹角介于70°~180°之间。
3.如权利要求1所述的一体化金属结构件，其特征在于：不同的金属次结构部件由相同的或不同的金属材料制成。
4.一种一体化金属结构件，其特征在于：所述一体化金属结构件包括金属主结构体、金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合固定在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
5.如权利要求4所述的一体化金属结构件，其特征在于：所述金属附着层的厚度不小于10µm、不超过500µm。
6.如权利要求4所述的一体化金属结构件，其特征在于：不同的金属次结构部件由相同的或不同的金属材料制成。
7.如权利要求4所述的一体化金属结构件，其特征在于：所述一体化金属结构件为移动电子装置的全部或部分外壳，外壳包括形成外壳的轮廓的金属主结构体、接合在金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
8.如权利要求4所述的一体化金属结构件，其特征在于：所述一体化金属结构件为电子装置的内部中框板，所述内部中框板包括形成中框板的主体的金属主结构体、接合于金属主结构体上用于安装电子元件或强化金属主结构体的金属次结构部件，所述金属主结构体在与所述金属次结构部件接合在一起的部位具有可被低温钎料浸润的金属附着层，且所述金属主结构体具有所述金属附着层的部位与所述金属次结构部件之间具有将两者接合固定在一起的低温钎料。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106544674A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-03-29 | 苏州胜利精密制造科技股份有限公司 | 一种镁压铸工件和铝件结合的表面处理工艺 |
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