郭俊磊，夏仁善，王 尚，宋玉杰

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471023）

引 言

機(jī)箱是安裝和保護(hù)電子設(shè)備內(nèi)部各種電路結(jié)構(gòu)及元器件的重要結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和交互，對(duì)消除外部環(huán)境對(duì)設(shè)備元器件的干擾，保證信息通訊安全、穩(wěn)定、可靠地工作起著非常重要的作用[1]。

鋁及鋁合金密度低，比強(qiáng)度高，具有較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，因而被廣泛應(yīng)用在機(jī)箱結(jié)構(gòu)制造中[2]。同時(shí)，在航空航天等特殊的國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金真空釬焊工藝是提升機(jī)箱抗電磁干擾能力的重要技術(shù)[3]，而鋁合金陽(yáng)極化工藝則是提高機(jī)箱耐腐蝕、耐霉菌能力的重要方法。

目前，對(duì)于如何采用陽(yáng)極化工藝對(duì)真空釬焊后的高可靠鋁合金機(jī)箱進(jìn)行防腐處理尚缺少系統(tǒng)性研究。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，真空釬焊后的機(jī)箱在硫酸陽(yáng)極化處理后易出現(xiàn)焊縫發(fā)白、槽液殘存等問(wèn)題，長(zhǎng)期存儲(chǔ)易造成機(jī)箱縫隙腐蝕。其主要原因是鋁合金真空釬焊工藝無(wú)法避免焊縫中的細(xì)小縫隙、孔洞等缺陷，這些缺陷在電鍍過(guò)程中使槽液殘留。

為了從根本上解決上述問(wèn)題，需要優(yōu)化焊接方法，提高焊縫致密性。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金機(jī)箱除采用真空釬焊外，還采用真空電子束焊、攪拌摩擦焊等工藝，這些焊接方式在焊縫的致密性、焊縫強(qiáng)度、可操作性及選材上存在一定差異。攪拌摩擦焊是一個(gè)非損耗的攪拌頭旋轉(zhuǎn)插入2個(gè)被焊工件的連接處，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)移動(dòng)時(shí)，塑化金屬在機(jī)械攪拌和頂鍛力作用下形成致密的固相焊縫。其焊縫致密性較好，待焊件連接面配合緊密時(shí)不出現(xiàn)孔洞和裂紋，而且生產(chǎn)效率較高[5–8]。因此選用攪拌摩擦焊作為鋁合金硫酸陽(yáng)極化機(jī)箱箱體的焊接工藝。

1 機(jī)箱攪拌摩擦焊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)箱框架總體構(gòu)造

機(jī)箱的最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品左右側(cè)板最薄處壁厚2 mm，下蓋板中心有180 mm×120 mm的空心結(jié)構(gòu)，上蓋板外部有200 mm×120 mm的散熱齒結(jié)構(gòu)，散熱齒距離外邊緣6 mm。此外，機(jī)箱箱體母材選用6063–T6。

圖1 機(jī)箱最終結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)箱焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從產(chǎn)品最終結(jié)構(gòu)的各關(guān)鍵尺寸可知，機(jī)箱側(cè)板較薄，攪拌摩擦焊時(shí)受攪拌頭頂鍛力的作用，機(jī)箱前框及左右側(cè)板將會(huì)發(fā)生較大變形，無(wú)法直接利用攪拌摩擦焊成型，需要先將產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)整體加寬加厚至圖2所示的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征加工到位后，再進(jìn)行攪拌摩擦焊，最后將攪拌摩擦焊焊后結(jié)構(gòu)補(bǔ)充加工至圖1所示的狀態(tài)。

圖2 產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 焊接機(jī)箱工裝設(shè)計(jì)

為了保證產(chǎn)品在焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性，確保焊后產(chǎn)品內(nèi)腔精度，控制焊接過(guò)程的變形以及提高焊縫質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)箱體攪拌摩擦焊專用工裝進(jìn)行裝卡。箱體工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖及產(chǎn)品裝夾方式如圖3所示。將待焊機(jī)箱置于焊接工裝內(nèi)，使焊縫位于工裝表面，左右側(cè)緊固板緊貼機(jī)箱前面框和底板側(cè)，再將前框卡盤和后框卡盤裝入箱體前后腔側(cè)，最后將補(bǔ)償桿插入箱體與工作平臺(tái)縫隙內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)待焊箱體的緊固，便于攪拌摩擦焊焊接的實(shí)施。

圖3 焊接工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)箱攪拌摩擦焊制造工藝過(guò)程

根據(jù)硫酸陽(yáng)極化機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式，綜合考慮焊縫致密性、機(jī)箱使用材料、生產(chǎn)效率及成本等因素，左右側(cè)板與上下蓋板間的尺寸精度及配合公差是關(guān)系到產(chǎn)品焊后硫酸陽(yáng)極化處理優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

2.1 加工流程圖

硫酸陽(yáng)極化機(jī)箱加工過(guò)程涉及到零件加工、焊前預(yù)裝配、焊接工裝設(shè)計(jì)、攪拌摩擦焊、去應(yīng)力退火、精加工、電鍍處理等制造過(guò)程，產(chǎn)品加工工藝流程見圖4。

圖4 硫酸陽(yáng)極化攪拌摩擦焊箱體加工流程圖

左右側(cè)板散熱齒部位厚度增加至與安裝耳齊平，底板厚度增加至11 mm，上蓋板厚度也增加至11 mm，前后面框長(zhǎng)度增加15 mm，對(duì)接焊縫深4.5 mm，鎖底搭接臺(tái)寬4.5 mm（攪拌摩擦焊需進(jìn)行鎖底焊接）。

2.2 零部件的機(jī)加工

機(jī)箱焊接質(zhì)量的優(yōu)劣與零件尺寸加工精度有著重要的關(guān)系。要保證焊縫質(zhì)量，就必須保證待焊零件焊縫處的錯(cuò)變量和粗糙度，錯(cuò)變量需要控制在0.2 mm以下，粗糙度需要控制在1.6 μm以下。同時(shí)為了提高產(chǎn)品的裝配精度，焊接面限位結(jié)構(gòu)的尺寸公差需控制在0.03 mm以內(nèi)。此外，為了保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量，待焊部位的平面度不小于0.1，兩側(cè)平行焊縫之間的平行度不大于0.1。

2.3 機(jī)箱攪拌摩擦焊

根據(jù)鋁合金機(jī)箱攪拌摩擦焊的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)箱各側(cè)板之間拼接面的配合公差小于0.1 mm，焊接時(shí)攪拌頭的轉(zhuǎn)速為600～ 800 r/min，焊接速度為100～300 mm/min。焊前箱體的垂直度控制在0.1以內(nèi)，機(jī)箱各面平面度控制在0.15以內(nèi)。機(jī)箱箱體焊后的垂直度為0.2～0.25，機(jī)箱各面的平面度為0.15～0.2。

2.4 焊后熱處理

攪拌摩擦焊的產(chǎn)品焊后熱處理分為去應(yīng)力退火和鋁合金強(qiáng)化處理2個(gè)方面。由于機(jī)箱焊后具有較大的內(nèi)應(yīng)力，在后續(xù)的補(bǔ)充加工過(guò)程中容易出現(xiàn)加工變形，因此機(jī)箱焊后需要帶著焊接工裝進(jìn)行去應(yīng)力退火，去應(yīng)力退火溫度控制在250°C～320°C，時(shí)間控制在9～12 h。

經(jīng)歷攪拌摩擦焊后，箱體在焊接過(guò)程中受到熱循環(huán)作用，使得焊縫組織再結(jié)晶，強(qiáng)度下降[9]。為了保證最終的加工狀態(tài)與產(chǎn)品技術(shù)要求的T62狀態(tài)一致，需要對(duì)焊后箱體進(jìn)行強(qiáng)化處理。強(qiáng)化處理參數(shù)為固溶溫度520°C～530°C、固溶時(shí)間80～90 min、時(shí)效溫度180°C～200°C及時(shí)效時(shí)間10～12 h。

強(qiáng)化處理后，箱體各面的平面度與焊后保持一致，垂直度由焊后的0.2～0.25變?yōu)?.3～0.35。為了保證產(chǎn)品可補(bǔ)充加工至最終要求的機(jī)箱尺寸，在機(jī)箱框架固溶后進(jìn)行垂直度矯形，將固溶后機(jī)箱的垂直度0.3～0.35矯形至0.15～0.2。

采用上述設(shè)計(jì)要求與制造工藝的攪拌摩擦焊機(jī)箱在航天產(chǎn)品中已得到成功應(yīng)用，其實(shí)物如圖5所示。

圖5 攪拌摩擦焊機(jī)箱實(shí)物圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)攪拌摩擦焊焊接機(jī)箱的母材選擇情況，焊接機(jī)箱接頭模擬試板母材選擇6063–T6，接頭模擬試板的參數(shù)與機(jī)箱焊接參數(shù)一致，焊后進(jìn)行強(qiáng)化處理，強(qiáng)化后按照?qǐng)D6所示的位置進(jìn)行金相、室溫拉伸和室溫彎曲的取樣。

圖6 取樣示意圖

3.1 焊縫宏觀形貌

對(duì)攪拌摩擦焊焊后的機(jī)箱焊縫實(shí)物取樣進(jìn)行宏觀金相分析，采用keller試劑進(jìn)行腐蝕，觀察焊接接頭的焊縫成形狀態(tài)。宏觀金相結(jié)果如圖7所示。

圖7 攪拌摩擦焊機(jī)箱焊縫金相圖

從圖7可以看出，攪拌摩擦焊焊縫焊核區(qū)、熱機(jī)械影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)界面清晰，焊縫結(jié)構(gòu)無(wú)弱連接、孔洞、“S”線等缺陷。

3.2 拉伸性能

按照GB/T 2651《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表1 可以看出，試樣3、試樣4 測(cè)試的母材抗拉強(qiáng)度約為289.00 MPa，焊縫處有效抗拉強(qiáng)度約為235.54 MPa，焊縫有效的抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材抗拉強(qiáng)度的81.5%。

3.3 彎曲性能

按照GB/T 2653《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)模擬試板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。在室溫下對(duì)待測(cè)試驗(yàn)件進(jìn)行正向彎曲，正向彎曲180°后，焊縫接頭無(wú)裂紋、斷裂現(xiàn)象，表明焊接模擬接頭的正向彎曲可達(dá)到180°。

3.4 產(chǎn)品性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證攪拌摩擦焊機(jī)箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，按照產(chǎn)品的機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參見GJB 150.15A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第15部分：加速度》、GJB 150.16A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)》、GJB 150.18A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第18部分：沖擊試驗(yàn)》等。在加速度試驗(yàn)中，最大軸向加速度為-7g和+21g，最大橫向、法向加速度為-30g和+30g。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（X,Y,Z向每個(gè)方向6 min）和沖擊試驗(yàn)條件見表2和表3。試驗(yàn)后焊縫未出現(xiàn)斷裂、裂紋、變形等，試驗(yàn)結(jié)果合格。

表2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

表3 沖擊試驗(yàn)條件

按照試驗(yàn)條件對(duì)攪拌摩擦焊焊后機(jī)箱進(jìn)行負(fù)載功能試驗(yàn)。試驗(yàn)后機(jī)箱接頭未出現(xiàn)斷裂、裂紋、變形等結(jié)構(gòu)性損傷，表明焊接結(jié)構(gòu)接頭可滿足產(chǎn)品性能要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以硫酸陽(yáng)極化機(jī)箱為例，對(duì)采用攪拌摩擦焊機(jī)箱的焊接成型方案進(jìn)行了論述，這種成型方式在某單位產(chǎn)品中尚屬首例。對(duì)產(chǎn)品的焊接設(shè)計(jì)、焊接工裝設(shè)計(jì)、機(jī)加工要求、焊接工藝要求、焊后熱處理強(qiáng)化要求等5個(gè)方面的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。針對(duì)研制過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了有效的解決方案。

對(duì)焊后的模擬焊接接頭進(jìn)行了宏觀金相分析、拉伸性能及彎曲性能試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬焊接接頭的抗拉強(qiáng)度超過(guò)母材的80%，正向180°彎曲后焊接接頭無(wú)裂紋、斷裂現(xiàn)象。同時(shí)，機(jī)箱產(chǎn)品按照GJB 150《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的振動(dòng)、沖擊、加速度等試驗(yàn)條件進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，箱體框架焊縫未出現(xiàn)裂紋及斷裂的情況，證明了產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工裝設(shè)計(jì)以及加工過(guò)程控制的可行性。

隨著設(shè)計(jì)和工藝人員的不斷深入探索，鋁合金硫酸陽(yáng)極化機(jī)箱的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接工藝將會(huì)更加合理和科學(xué)。