某型舰载机箱钎焊工艺设计

龚雅娟胡远

（中船重工集团第七二二研究所武汉430079）

某型舰载机箱钎焊工艺设计

龚雅娟胡远

（中船重工集团第七二二研究所武汉430079）

论文以某型电子设备为例，通过对真空钎焊原理进行分析，并结合实际生产中所积累的经验，确定了铝合金加固机箱的钎焊工艺。

机箱；真空钎焊；工艺规范；工装夹具设计

Class NumberU674

1 引言

随着海军信息化建设的发展，铝合金加固机箱作为机载电子设备的关键部件之一，装备数量不断增加、应用范围不断扩大，逐步从装备水面舰艇拓展到装备水下潜艇、空中飞机、岸基通信台站等不同类型作战平台，需要满足不同应用环境的使用要求。机箱由3A21防锈铝板、散热翅片等零件组成，钎缝多，箱体平行度及垂直度要求高，技术要求严格，因此机箱钎焊的优劣直接关系到电子设备的使用性能。本文以某型电子设备为例，通过对真空钎焊原理进行分析，并结合实际生产中所积累的经验，较为详细地介绍了加固机箱真空钎焊工艺方法，钎焊工装夹具设计，钎焊工艺参数的选定。

2 铝真空钎焊的原理

钎焊时钎料熔化为液态而母材保持为固态，液态钎料在母材的间隙中或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用（溶解、扩散或产生金属间化合物）、冷却凝固形成牢固的接头，从而将母材联结在一起。它不同于熔化焊接，钎焊仅是钎料熔化，母材不熔化；在熔化焊接中焊材和母材都熔化［1］。

图1 （a）在接头处安置钎料，并对焊件和钎料进行加热；图1（b）钎料熔化并开始流入钎缝间隙；图1（c）钎缝填满整个钎缝间隙，凝固后形成钎焊接头。

铝及其合金的钎焊性与其他金属相比较差，因为其对氧的亲和力很大，表面很容易形成一层致密而稳定、且熔点很高（2050℃）的氧化膜，很难去除。室温时的氧化膜厚度为5nm左右；在500℃～600℃的钎焊温度下，膜厚剧增至100nm～200nm，这层氧化膜的性质则非常稳定，能够充分抵抗大气的侵蚀，它又能在旧膜被破坏时随时生成新膜，阻碍钎料和母材的润湿和结合，成为钎焊时的主要障碍之一。由于钎料的熔点同铝及铝合金的熔点相差不大，如钎焊温度控制不当，会造成过度溶蚀，甚至引起母材熔化；还可能因钎焊加热引起过时效或退火等软化现象，导致钎焊接头性能降低。在铝及其合金钎焊时需要破坏氧化膜，不然熔化的钎料不能与母材润湿；焊后又需要维持保护膜的完整，否则接头将会产生严重的腐蚀，这就是其钎焊工艺实施的难点所在，因此真空钎焊的方法应运而生［2］。

真空钎焊的工作原理是通过机械泵-扩散泵机组将真空室内空间抽到一定的真空度，此时绝大部分气体，包括氧气及潮气可被清除，使得钎焊件处在真空环境下，有效地排除空气对工件的有害影响，焊接时不需施加钎剂，所钎焊的接头光亮致密，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能［3］。

3 机箱钎焊工艺规范

3.1 产品介绍

本文研究的加固机箱箱体由左右侧板、中隔板和前后框五个部件焊接而成，左右侧板和中隔板内部设计成耐热通风结构，通风结构部分中间为翅片板两侧由封板和印制板插槽构成夹层。如何控制机箱焊接变形并保证焊后各配合尺寸为工艺难点和重点。

3.2 焊前清洗

真空钎焊前对工件的清理是十分必要的，通常包含除氧化膜和除油两道工序。由于铝合金极易氧化，表面生成一层致密而坚硬的氧化物薄膜，该薄膜很容易吸收水分，它不仅妨碍焊缝的良好熔合，而且是生成气孔和夹渣的根源之一。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜［4］。我们一般采用去油、去氧化皮、光泽中和及烘干等四道工序，在“去油”和“去氧化皮”工序中需要采用碱洗且每道工序完成后都要求用流动的清水进行清洗，保证去除掉工件上残留的化学物质。碱洗的时间最好控制在10s～15s以内，因为碱液在去除氧化膜时不是均匀地蚀去一层，而经常将母材蚀出高低不平的凹坑和留下一些碎屑，而且在碱液中每分钟大致使铝母材减薄约25μm。每次清水清洗后，若金属表面不能全部被水浸润（表面有水滴、流痕）则表示尚未清洗干净，应重新进行该次操作。对工件上各孔特别是盲孔，去油后用压缩空气枪吹去孔内水渍、油污和残屑［5］。

3.3 零件的装配和定位

3.3.1 箱体的装配

将各零件、部件按图纸要求精确组装成形并在各件连接面放置、固定妥钎料，组成箱体。钎料以钎缝相同的形状，直接放置在两被钎焊的零件之间，通过螺钉紧固使其对零件施加一定的压力，以保证填满间隙，同时根据两待焊零件接触表面尺寸修剪钎料。

在装配之前用酒精对螺钉进行浸泡，以便清洁螺钉；装配过程中，操作者要戴清洁的白细纱手套，以防止零件因手的接触被二次污染。装配时注意安装波纹板要避开封板上的风道口；中隔板与前框焊缝处是焊接强度薄弱部位，零件的加工误差累计到该处间隙较大，为弥补间隙，此处一般夹持两层钎料（即δ0.2mm）。箱体组装完毕后，对箱体进行校正，按设计和工艺文件要求检查装配后的加固机箱的各尺寸公差、形位公差。

3.3.2 箱体的夹具设计及安装定位

为了能保证钎焊箱体的内部翅片板焊接质量牢固、可靠和防止箱体焊接变形及焊接尺寸的准确性，针对本试验设计了三种1Cr18Ni9Ti夹具来保证接头的装配间隙，其结构型式见图2～图5。

1）封板和压条

封板夹具尺寸与左右封板、后框的外形尺寸一致，注意避开电源条和印制板插槽等部位，同时夹具上也要开通风工艺孔（一般与封板上通风口一致），如图2所示。

箱体内腔可供夹持的地方狭窄，一般用宽度不等的窄压条做垫板。

2）内螺杆

为了避免机箱受热变形影响内腔尺寸，用如图3所示的内螺杆支撑在腔体内。螺杆两头安装六角头螺栓使得支撑长度变的可调，还可供其它尺寸的机箱使用。

3）U形夹

U形夹是用来将封板、压条和机箱连接固定的夹具，它通过螺钉调整夹持固定尺寸，见图4所示。

符合要求后，按图5所示安装定位夹具，其中内螺杆对角支撑内腔。

3.4 钎焊过程

在真空钎焊炉中，工件主要靠热辐射进行加热。而辐射传热有其特有的规律，即斯蒂芬玻尔兹曼定律，说明在相同情况下真空炉内升温速度要较其他加热方式慢很多。真空钎焊时，应尽可能缓慢加热，以使换热器内外温度保持一致，否则直接影响钎焊质量。对工业化生产中的预热定温、保温，蓄能定温、保温，钎焊定温、保温以及停电降温，是既能实现上述目的又能提高生产效率的行之有效的工艺流程，其中钎焊温度即保温时间是影响钎焊质量的关键［6］。

真空钎焊的工艺参数主要有：真空度、加热速率、稳定温度及时间、钎焊温度、钎焊保温时间、冷却速率、出炉温度等。它们都直接影响钎料填缝和钎料与基材金属的相互作用过程，对钎焊接头的质量具有决定性作用。因此，必须认真选定。一般要求铝基钎料钎焊时热态工作真空度不大于3× 10-3Pa；推荐铝及铝合金，小、薄组件，低应力装配时加热速率6℃/min～8℃/min，大、厚组件，高应力装配组件加热速率4℃/min～5℃/min；稳定温度和保持时间与组件结构、壁厚、材料传热性质有关。钎焊温度选为高于铝基钎料液相线温度30℃～100℃之间效果较好；保温时间的长短受零件和工装的热容量的影响，热容量大保温时间长些，不同的零件和装炉量的真空钎焊需要实验筛选出钎焊保温时间。铝及铝合金可选择自然随炉冷却或强制充气冷却，当采用向炉内充入气体冷却工件时，必须先将工件自然冷却至400℃以下，充气压力可稍高于钎焊材料的挥发平衡压力，如铝及铝合金充入氮气的压力为1.2Pa～1.3Pa［7］。

4 质量控制

钎焊组件的质量检验主要包括：尺寸检验、接头外部质量检验、接头内部质量检验、接头强度和气密性检验几个部分。钎焊后，组件应100%进行尺寸公差、形位公差、过烧的宏观检验和外部质量检验；组件内部质量、强度、气密性和其它检验及检验要求则按设计文件进行，若设计和工艺文件中均没有注明接头内部质量、强度、气密性等检验标准，则默认为无此类检验要求，可以不进行此类检验［8］。

1）钎缝接头不允许有裂纹现象；

2）钎焊组件表面不允许有起皮、起泡现象；

3）钎焊组件不允许有过烧，如允许轻微过烧应在设计文件中规定。

5 结语

本文以某型电子设备为例，通过对真空钎焊原理进行分析，并结合实际生产中所积累的经验，确定了铝合金加固机箱的钎焊工艺。通过研究铝合金氧化膜的去除机理确定焊前工件的清洗规范；同时针对加固机箱的结构特点，设计了专用的钎焊工装夹具；通过对钎焊工艺参数分析和试验筛选，确定了合理的工艺方案，使加固机箱钎焊生产一致性和质量稳定性得到了较大的提高，同时其钎焊工艺也可广泛推广于其他铝合金焊接机箱，具有一定的通用性和针对性。

［1］邹僖，钎焊［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［2］周万盛姚君山.铝及铝合金的焊接［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］赵越.钎焊技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［4］张启运，庄鸿寿.钎焊手册［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［5］任耀文.真空钎焊工艺［M］.北京：机械工业出版社，1993.

［6］阎承沛.真空热处理工艺与设备设计［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［7］阎承沛.真空与可控气氛热处理［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［8］邱言龙，雷振国，聂正斌.钎焊技术快速入门［M］.上海：上海科学技术出版社，2011.

［9］余红华.铝钎焊技术在电子产品中的应用［J］.电子机械工程，2003，19（3）：55-59.

［10］方洪渊.简明钎焊工手册［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［11］何文林等.铝合金翅片式散热机箱气体保护钎焊［C］//第九届全国钎焊与扩散焊技术交流会论文集，1996.

［12］薛松柏，顾文华.钎焊技术问答［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［13］杜国华.新编焊接技术问答［M］.北京：机械工业出版社，2008.

Brazing Technology Design of A Certain Type of Carrier Chassis

GONG Yajuan
（No.722 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430079）

Taking a certain type of electronic devices for example，through analyzing the principle of vacuum brazing，and combined with the actual production experience accumulated in the soldering process of aluminium alloy strengthening case is deter⁃mined.

case，vacuum brazing，process specification，tooling fixture design

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.040

2017年2月7日，

2017年3月29日

龚雅娟，女，硕士，工程师，研究方向：机械工艺。