集成固相焊接方法在液冷板制造中的应用*

2018-05-09宋奎晶张志勇雷党刚

电子机械工程 2018年1期

方坤，朱勇，宋奎晶，张志勇，雷党刚

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；2. 南通振华重型装备制造有限公司，江苏南通 226017； 3. 合肥工业大学, 安徽合肥 230009)

引言

随着雷达不断向高功率、大型化方向发展，雷达系统中功放组件的组装密度越来越高，发热量也越来越大[1-2]。传统液冷板是采用机械加工的方式在组件盒体上成型弯曲流道，并采用搅拌摩擦焊焊接盖板来实现的。这种液冷板中冷却液与液冷板的接触传热面积受限，已经难以满足雷达系统的散热需求[3]。采用翅片式液冷板能够大大增加传热面积，具有散热效率高、温度梯度小、热分布均匀和结构紧凑等显著优点[4-5]，是目前固态功放组件冷却的一种重要方式。

传统液冷板主要采用真空钎焊实现封焊[6]。钎焊焊缝强度低，容易在流道内残留钎料，形成多余物。翅片式液冷板采用搅拌摩擦焊只能实现密封，无法解决大宽度流道在液压下的变形问题；而采用扩散焊能够实现翅片焊接，解决结构刚度问题，但对于薄壁流道，仅采用扩散焊容易在密封处发生微漏。因此，文中采用2种固相焊接方法集成的思路，解决翅片式大宽度流道液冷板的可靠焊接问题。

1 结构工艺性设计分析

翅片式液冷板由翅片式壳体和封盖板组成。工艺路径为：先通过扩散焊实现封盖板下表面与翅片的焊接，保证大宽度流道的结构刚性，然后通过搅拌摩擦焊实现封盖板侧边与壳体的焊接，保证流道的密封性能。

为了明确集成固相焊接结构的工艺性设计要求，打通集成焊接的工艺路径，通过大量的工艺试验，确定了典型结构的技术要求，如图1所示。

图1 翅片式液冷板的特征尺寸

扩散焊主要用于实现翅片的可靠焊接。对扩散焊有影响的结构参数包括盖板厚度H、盖板盒体高度差h、翅片台阶高度差n和盖板侧隙δ。

(1)盖板厚度。一方面，液冷板流道内冷却液一般存在一定的压力，因此需要盖板具有一定的厚度来保证结构刚性；另一方面，由于盖板越薄，对贴合在盖板表面的器件的散热效果就越好，因此盖板厚度尺寸的设计应在保证结构刚性的前提下尽量取小。

(2)盖板盒体高度差。扩散焊要求盖板表面高于盒体表面，以便于施加扩散焊压力。扩散焊下压量为0.3～0.5 mm，因此盖板盒体高度差h≥0.3 mm。

(3)翅片台阶高度差。为了保证翅片与盖板的良好焊接，防止在下压过程中盖板四周的台阶限制翅片与盖板的接触，要求翅片高度大于台阶高度。同时，为了防止盖板在扩散焊后无法紧密接触，要求翅片台阶高度差为(0.1 ± 0.05)mm。

(4)盖板侧隙。盖板与盒体间通常采用间隙配合，若盖板侧隙太小，盖板在下压过程中会带动接触到的盒体边缘发生变形，影响后续搅拌摩擦焊，要求盖板侧隙δ≥0.1 mm。

搅拌摩擦焊主要用于实现封盖板的密封。对搅拌摩擦焊有影响的结构参数包括盖板厚度、盖板盒体高度差、盖板侧隙、台阶宽度b和盒体边缘宽度B。

根据前期研究结果[3]，要求盖板盒体高度差h≤0.1 mm，台阶宽度b等于盖板厚度H，盖板侧隙δ≤0.1 mm。

随着搅拌摩擦焊技术的发展，特别是窄轴肩搅拌头的应用成熟度的提升，目前台阶宽度b≥75%H，控制盖板侧隙δ≤0.2 mm即可。对于盒体边缘宽度，考虑到搅拌针长度和轴肩直径比约为1∶3，而盒体边缘宽度一般要大于轴肩半径，因此要求盒体边缘宽度B≥3H/2。

综合上述2种固相焊接方法的要求，发现两者对盖板盒体高度差的要求不统一。因此为了保证扩散焊后，搅拌摩擦焊前盖板盒体高度差满足搅拌摩擦焊的需求，该值需要根据扩散焊工艺的下压量来设计。当下压量为0.3 mm时，盖板盒体高度差应该控制在0.3～0.4 mm。根据上述讨论，集成固相焊接方法对液冷板结构尺寸的要求见表1。

表1翅片式液冷板尺寸要求mm

名称尺寸盖板盒体高度差h[0.3,0.4]台阶宽度b≥75%H盖板侧隙δ[0.1,0.2]盒体边缘宽度B≥3H/2翅片台阶高度差n0.1±0.05

2 液冷板焊接过程控制

2.1 液冷板制造工艺流程

采用集成固相焊接方法制造液冷板的详细工艺流程如图2所示，在实施过程中必须严格执行。需要重点控制扩散焊和搅拌摩擦焊的中间过程，扩散焊出炉温度需低于80 ℃，同时零件出炉后应立刻进行搅拌摩擦焊，以防止零件形成较多的氧化膜。中间过程应严防搅拌摩擦焊缝被污染，扩散焊后无需任何中间过程即可进行搅拌摩擦焊。

图2 工艺流程图

2.2 扩散焊工艺控制

扩散焊工艺参数为扩散焊温度530 ℃，保温时间1.5 h，压力2.5 MPa，真空度1.33 × 10-5～1.33 × 10-4Pa。出炉温度低于80 ℃。金相照片显示，扩散焊缝结合良好，未发现孔洞、裂纹及未焊合等缺陷。对扩散焊接头的拉伸性能进行的测试显示，接头均断裂于界面处，平均强度为92.4 MPa，可见扩散焊接头的强度也与母材相当。

图3为搭接界面处的微观组织，在200倍金相照片下很难看到原始界面，而在1 000倍金相照片下，可见断续分布的夹杂物。该夹杂物为界面上的氧化膜，其尺寸达到亚微米级，对接头性能影响较小。从接头微观组织来看，扩散效果较好，接头无未焊合缺陷。

图3 界面处的微观组织

2.3 搅拌摩擦焊工艺控制

搅拌摩擦焊搅拌头的轴肩直径为15 mm，搅拌针长6.7 mm。焊接速度为150 mm/min，转弯速度为80 mm/min，转速为1 000 r/min，压入量为0.2 mm。焊缝横截面形貌如图4所示，焊接成型良好。对对接部分的拉伸性能进行的测试显示，接头均断裂于热影响区，平均强度为96.3 MPa，其中母材强度为93～100 MPa。可见退火态的6063铝合金经搅拌摩擦焊后，接头强度也与母材相当。

图4 搅拌摩擦焊焊缝横截面形貌

2.4 焊缝质量检查

流道的焊接质量决定了冷却液通道的强度和密封性等重要性能。为了保证焊缝质量，焊后必须对焊接质量进行检查。本文分别对零件进行了外观检查、超声波探伤和充气检漏。外观检测结果表明，搅拌摩擦焊焊接后焊缝外观无飞边、沟槽等缺陷；超声波检测结果表明，搅拌摩擦焊焊缝内部和扩散焊焊缝的质量均达到了I级焊缝要求；在对液冷板进行精密加工后，采用1.5 MPa充气压力对零件进行了密封性检查，保压15 min。结果表明，液冷板无渗漏，密封性良好，同时盖板无任何变形，刚性好。