可伐合金外壳激光封焊的裂纹原因分析

1、电子工艺技术，2012年1月45日，第33卷，第1期，可伐合金壳体激光密封中的裂纹；摘要：可伐合金作为一种功能材料，在较宽的温度范围(-80 450)内具有与硬质玻璃相近的膨胀系数，可以保证材料的匹配密封。摘要：主要分析了采用激光密封焊接时可伐合金壳体焊缝裂纹产生的原因，并提出了改善焊接裂纹的改进措施，包括优化焊接工艺参数、优化焊接结构设计、焊前清理和热处理。关键词：可伐合金；激光密封焊接；晶体裂纹；热裂纹；电子包装图纸分类编号：TN605文件识别码：a货号：1001-3474 (2012) 01-0045-05激光焊接可伐合金盒裂纹分析(中国CETC第38研究所，合肥230031)摘要：可伐

2、合金作为一种功能材料的膨胀系数与硬质玻璃在宽温度范围(-80-450)内的膨胀系数相似，因此可伐合金可以保证主要分析了可伐合金箱体激光焊接裂纹产生的原因，并从优化焊接参数、优化焊接结构设计、焊前清洗和热处理等方面提出了提高焊接质量的解决方案。关键词：可伐合金；激光焊接；晶体裂缝；热裂纹；电子封装文件代码：a物品id : 1001-3474(2012)01-0045-05 Kovar合金(4J29)作为电子封装行业中最常用的金属外壳材料，其线膨胀系数与钼系玻璃最接近，在与钼系玻璃密封的过程中产生小密封。4J29封接合金作为一种功能材料，在较宽的温度范围(-80 450)内，其膨胀系数与硬质玻璃相

3、近，可以保证材料的匹配封接。因此，4J29密封合金被广泛用作相控阵雷达收发模块、放大器、微波模块、航天继电器、电子管、晶体管和集成电路中的引线和结构材料。目前，以可伐合金为外壳材料的制造商大多采用平行缝焊对外壳进行气密封装，封装成品率较高，效率较快。然而，平行缝焊对壳体结构有一定的要求。盖板必须位于底座上，其边缘与底座边缘基本齐平。它只能应用于矩形或圆形高电阻材料的气密包装，但不适用于低电阻材料，也不能应用于不规则形状的盒子的包装。盖板较薄，焊缝较浅，不能应用于高强度要求的元件箱的气密包装。主要优点是焊接速度快，批量自动化操作简单，调整参数少，在手套箱和惰性气体环境下操作，不需要抽真空，水和氧

4、含量的过程控制，焊缝温度较高。此外，激光焊接和钎焊2和3可用于不规则可伐合金盒的气密包装，但它们都有各自的优点和缺点。与焊接相比，激光密封具有以下优点：(1)激光密封为非接触焊接，不需要焊料，不污染包装盒，不影响其性能，外形美观；作者简介：雷当刚(1979-)，男，硕士，毕业于西北工业大学，高级工程师，主要从事搅拌摩擦焊、激光密封焊、真空钎焊等焊接技术研究。基金项目：国防基础科研项目(项目编号：b1120060474)。电子工艺技术2012年1月46日(2)激光密封功率密度高，作用时间短，热影响区小，焊接时引入箱体的热量很少，消除了密封对内部部件和底座玻璃绝缘子的不利影响；(3)激光密封产品密

5、封在氮气或其他保护气体中，消除了锡封、充氮和空气密封带来的污染，特别是松香污染，大大提高了产品的可靠性；(4)激光密封产品能承受真空冷热浸泡和真空冷焊实验；(5)激光密封可焊材料穿透深度大，强度高，焊接强度低；(6)激光密封焊接可以在特定的保护气氛下进行，可以控制工艺水中的氧含量；(7)激光焊点小，精度高，焊缝形状光滑，易于实现自动控制，特别适用于大量箱子的密闭包装；(8)重复性好，焊接质量高，易于实现气密性极高的精密密封焊接；(9)焊接可以在任何环境下进行，无论是在真空中还是在惰性气体中。为了防止焊接过程中的表面氧化，一些新材料需要在高纯氮气或惰性气体环境中进行。我们研究所的一个产品采用可伐

6、合金作为外壳材料。由于结构的限制，平行缝焊不能用于部件的气密包装，但必须使用激光焊接进行焊接。但经过初步试验，发现氩弧焊激光焊接后焊缝纵向存在裂纹，在高倍显微镜下发现裂纹位于焊缝中部。本文主要分析了裂缝产生的原因，并提出了一些改进措施，以减少裂缝的发生。1.裂纹成因分析热裂纹与冷裂纹的主要区别如下：(1)热裂纹产生于不同的温度和时间：它发生在焊缝结晶过程中，即从结晶开始到723之前。冷裂纹：焊后数小时内焊件冷却至300以下时出现。(2)不同位置和方向的热裂纹：大部分出现在焊缝金属中，少数沿纵向和横向延伸到母材中。冷裂纹：大部分出现在熔合线的基本金属侧，大部分是纵向的，少数是横向的。(3)不同金

7、相组织的热裂纹沿晶界开裂，冷裂纹穿透晶粒内部，即穿晶开裂。(4)不同外观特征的热裂纹：断面有明显的氧化色，为蓝色和黑色。冷裂纹：光亮断裂，脆性断裂，无氧化色。(5)不同原因的热裂纹：低熔点共晶和焊缝金属中的杂质引起晶间偏析，形成液体夹层。金属冷却引起的拉伸应力导致液体夹层拉开并形成裂纹；冷裂纹：硬化组织，热影响区的马氏体组织，减少成型和增加脆性。在氢的作用下，氢在结晶过程中扩散到热影响区，氢原子在孔中结合成氢分子，造成很大的压力。焊接应力的作用。通过对比，我们判断焊接可伐合金壳体中的裂纹多为热裂纹，也有少量冷裂纹。热裂纹通常在焊接后直接出现，这主要是由于焊接过程中热量输入过多或应力过于集中造成

8、的。首先，它们沿着焊缝表面出现，因此减少焊接热输入或适当调整焊接顺序就足够了。4J29密封合金的化学成分见表1。其热膨胀系数为6.210-6/(25 500)，导热系数为17 W/(m)，密度为8.1 g/cm3。根据国际焊接学会的碳当量公式和冷裂纹敏感性指数，碳当量Ceq=2.047%。一般认为，当CEQ为0.45%时，材料有一定的冷裂纹倾向，焊接时应采取适当的预热措施。计算表明，4J29合金对再热裂纹不敏感。表1 4j 29密封合金的品牌和化学成分化学成分W/% CPSMNSNICOFE4j 290 . 030 . 020 . 020 . 500 . 3028 . 5029 . 5016

9、. 8017 . 80由热裂纹指数公式HES=W(C)W(S)W(P)W(W)确定。根据3 w (Mn) w (Cr) w (Mo) w (V)的计算，热裂纹指数Hes=6.84%(根据实际母材成分计算)。当热裂纹指数大于3.6%时，表明合金在一定的焊接条件下会产生热裂纹。根据元素分析的可焊性，可以看出4J29焊接时容易产生热裂纹和冷裂纹。当使用高热输入焊接参数焊接高约束接头时，焊接接头中也会出现各种形式的热裂纹。因此，有必要从焊接材料选择、焊接结构设计、焊接工艺、焊后热处理和焊前热处理等方面来避免裂纹的产生。第33卷第1期47号可伐合金的熔点为1 460，铁镍合金4J42的熔点高达1 440

10、。根据部件的外观要求，可伐盒和盖板表面一般进行镀镍、镀金或镀镍。纯镍的熔点是1 453，而纯金的熔点是1 063。焊接热源对工件的热效应是局部的、时变的，导致被焊接工件上的温度场不均匀。温度分布不均匀是焊接残余应力和变形的根源。在焊接热源的作用下，焊接区域以远高于周围区域的速度快速加热，并局部熔化。焊接区材料被加热并膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的限制，导致(弹性)热应力。当加热区域的温度升高时，屈服极限降低，并且热应力可以部分地达到屈服极限，使得焊接区域材料可以在加热期间被模制和压缩。相反，在冷却阶段，高温金属在压缩塑性变形区域的冷却收缩受到周围较冷金属的限制，并且由于不能同步收缩而塑性拉伸，

11、但是拉伸塑性应变不足以抵消加热阶段产生的挤压塑性应变，最终导致部件中的残余应力和残余变形；焊接热裂纹是冶金因素和机械因素共同作用的结果。以凝固(结晶)裂纹为例，焊缝金属结晶时固液共存阶段产生的液膜是热裂纹的内在原因。这里焊接金属的延展性非常低，并且处于脆性温度区。由于快速冷却和周围较冷金属的限制，产生了较大的拉伸塑性应变。如果金属的高温塑性储备不足，就会产生焊接热裂纹(凝固裂纹)。镍、铁和铜在高温下可以无限地相互溶解。镍及镍合金大多为奥氏体，其焊接性与奥氏体不锈钢相似，易产生热裂纹和气孔。可伐合金焊接一般不产生冷裂纹，但容易产生热裂纹和液化裂纹。镍和硫、磷、氮和氧可以形成低熔点的共晶。镍及镍合

12、金焊缝金属凝固时，往往形成粗大的枝晶奥氏体晶体，低熔点杂质更容易集中在晶界。在晶粒凝固收缩应力和焊接应力的作用下，晶界处未完全凝固的低熔点物质容易被拉裂形成热裂纹。当焊接热输入过大时，焊缝热影响区晶界上的低熔点共晶会熔化并形成液化裂纹。因此，焊接可伐合金时应选择较小的热输入。可伐合金外壳的结构图如图1和图2所示。图1盖板结构设计图图2可伐合金壳体示意图2改善焊接裂纹的措施经过分析，改善可伐合金激光密封焊焊缝裂纹的主要措施如下：(1)改善激光焊接工艺参数；(2)提高焊接结构的约束程度；(3)焊接前的清洁和热处理。2.1激光焊接工艺参数的改进激光焊接根据其不同的热力学机理可分为激光热传导焊接和激光

13、深熔焊接。通常，当激光此时，光能仅被材料表层吸收，没有非线性效应或针孔效应，光的穿透深度为： Z=-ln(I/I0)/A (1)，其中： Z为光辐射的穿透深度；a是材料的激光吸收系数，为(105106)/cm；对于大多数金属；I0和I分别是材料表面上的光强和入射到焊缝上的光强。从公式(1)可以看出，对于金属材料，当光辐射的穿透深度达到微米级时，光强度接近于零，并且材料内部的加热通过热传导进行。一旦材料的表面温度达到熔点，它就开始熔化，只要表面温度不超过沸点，熔化波前将在材料内部稳定传播。当材料表面从熔点达到沸点时，材料达到最大渗透：Zmax=1.2K/q0(V-m) (2)，其中k为热导率；Q

14、0是功率密度；v是材料的沸点温度；m是材料的熔点温度。最大穿透深度Zmax与功率密度q0成反比，与导热系数k成正比，并随着材料沸点和熔点之间温差的增加而增加。根据热传导方程分析，在一定脉冲宽度条件下，在恒强度表面热源的作用下，达到材料熔点的表面功率密度为： qc1=0.886 mK/(？)1/2(3)，其中：热扩散率；是激光脉冲宽度。当表面达到材料的沸点时，功率密度qc2为： q C2=0.886 VK/()/1/2(4)。取不同的值，得到不同的qc2值。分析了可伐合金壳体激光密封焊接裂纹的原因。2012年1月，电子工艺技术48渗透深度与： Zkmax/Zjmax的关系=(kj)1/2 (5)

15、。可以看出，如果需要大的穿透深度，脉冲宽度应该更长，并且穿透深度的增加随着脉冲宽度的1/2次方而增加。qc1和qc2均随熔点、沸点温度和热导率的增加而增加，但随热扩散率和脉冲宽度的增加而降低。因此，为了减少可伐合金激光焊接中的热裂纹，应通过减小脉冲宽度、增加频率或提高焊接速度来减少热输入。但是，必须保证激光功率达到最低要求，而激光功率是最重要的参数，因此其他参数的作用只能讨论。为了保证可伐合金壳体的气密性，设计的最大穿透深度约为0.2 mm，达到材料沸点的可伐合金表面的功率密度为2.34104 W/cm2，壳体壁厚为1.0 mm，盖板厚度为0.4 mm，配合间隙宽度在0.1 mm以内，光斑直径为1.0 mm，可以完全覆盖焊接面。根据功率密度qc2和光斑直径，可以得出焊接所需的激光功率大于180 W的结论。如果功率密度太小而无法焊接，则容易氧化形成裂纹和塌陷。为保证穿透，应严格控制激光功