6063铝合金激光焊工艺及热裂纹控制研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

随着铝合金逐渐取代铜合金成为制造微波器件腔体的主要材料，现实生 产需要寻找铝合金良好的封装工艺方法，以满足微波器件对气密性、导电导 波性、工作稳定性等方面的要求。激光脉冲焊作为一种新型的铝合金微波器 件气密性封装方法，具有能量集中、变形小、精度高、可靠性好等优点。 6063铝合金具有较好的机械性能，但热裂敏感性高。为解决这个问题，本 文提出了激光夹箔脉冲焊的概念，即在焊接接头处预先填加焊材，通过调整 焊缝合金成分含量的方法，较好地解决了材料的焊接凝固裂纹问题，并根据 微波器件的实际尺寸要求，通过理论计算并结合实验修正的方法，确定了激 光夹箔脉冲焊的脉冲宽度、功率密度、脉冲波形、焊接速度等多项工艺参数 的取值范围，获得了理想的6063铝合金焊接接头。本文还通过建立MARC 有限元模型，应用得到的这些工艺参数模拟了6063铝合金焊接接头温度变 化情况。经过考察准稳态激光焊接各时刻焊件温度场的分布情况，以及激光 光斑所在的焊缝表面、焊缝中心部位、焊缝根部等部位的温度变化随时间变 化情况的分析，认为在确定的焊接工艺参数下对6063铝合金微波器件焊接 是可行的。焊件温度场数值模拟模型的建立为判断焊接热源对微波器件腔内 电子元件造成的热影响程度提供了工具，同时也对焊缝组织生长及凝固裂纹 分析提供了参考。

关键词 激光焊;6063铝合金;有限元分析;凝固裂纹

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Microwave device being made by Al-alloys instead of Cu-alloys, production needs satisfied ways for Al-alloy microwave device packaging to reach the device's criterion of the seal, electrical conductivity, stability and so on. As a new type of way for Al-alloy microwave device packaging, pulse laser welding have many advantages, such as power concentrate, small shape distortion, high precision, fine dependability. 6063 Al-alloy is good at mechanical properties, but sensitive at hot cracking. For solving this problem, this paper bring forward a concept of pulse laser welding with prefab Al-alloy foil in weld joints. Though adjusting alloys elements content, the result of welding solidification crack controlling was satisfied. At the same time, according to the device size, the paper find out parameters about the pulse wide, power density, the pulse wave shape, the welding speed by foil filler laser welding with count and experiment ways, and get perfect weld joints of 6063A1-alloy. Further more, the paper built up a finite element model of temperature, use the parameters to simulate welding piece's temperature change. By observing the welding device temperature field distribution in quasi-stable state laser welding, and analyzing the temperature changing of laser welding line surface, inner and root, the paper judged that 6063 Al-alloy microwave device use pulse laser welding to be viable with the exact parameters. By building of the model of welding device temperature field, it supplies a tool for estimating the welding heat resource to make effect to electronic element in package. it is also helpful for analyzing welding line form and solidification cracking development.

Keywords laser welding; 6063 Al-alloy; finite element analysis; solidification cracking

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第1章绪论

1.1 课题背景

随着电子整机和系统性能的进一步提高，高技术性能和高可靠性已成为军 用电子装备和其它高技术电子产品的两个制高点，而微波器件、组件的可靠性 在其中占有举足轻重的地位。在微波器件应用广泛的军事电子设备的使用中， 会遇到各种苛刻的环境条件，如潮湿、酸雨和盐雾等。在这种情况下，器件可 能因电化学腐蚀而失效Ill。因此，对器件进行性能优良的气密性封装，有效保 护器件免受外界环境的影响至关重要。

微波器件的结构通常很复杂，复杂的壳体形貌是为了更好的收集微波信 号，因此其制造精度将直接影响微波器件收集信号的灵敏度，所以需要尽可能 地控制和减少加工制造过程中出现的各种变形。机械加工完了后，微波器件壳 体内部(即内腔)将布置各种各样的电子元件，电子元件之间的连接是用软钎焊 来实现的，所以后一道工序即封口密封中不能采用高热输入的密封方法，以免 内腔的软钎焊接头过热失效。微波器件内部的电子元件需用惰性气体来保护， 防止不必要的氧化。

另外，微波器件需要传输电信号，因此需要处处都有良好的导电性，而微 波器件外壳本身采用的是合金，所以一般都具有良好的导电性，因此实际上密 封接头处导电性的好坏将直接影响微波器件的信号传输性能，所以封口密封中 采用的密封方法必须使密封接头具有一定的导电性。

采用什么样的密封工艺能使密封接头拥有上述性能，这是微波器件加工制 造当中的关键问题之一，某种意义上它将直接决定微波器件的使用寿命。目 前，铝合金已逐步取代铜合金，成为制造微波器件的主要材料，使结构以最小 质量提供所需强度，从而满足最大的强度与质量比的要求 [ 21

本课题微波器件材料采用的6063铝合金属于低合金化的Al-Mg-Si系高塑 性铝合金，热处理强化后具有中等强度，冲击韧性高，对缺口不敏感;有极好 的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻造成结构复 杂的锻件，淬火温度范围宽，淬火敏感性低;焊接性能和抗蚀性优良，无应力 腐蚀开裂倾向。但由于在Al-Mg-Si系铝合金中，Mg2Si约1%时，焊接裂纹敏 感性最高，而6063铝合金正好在这一成分范围内 [ 31。因此探索用激光焊这种