魯斌，江海東，陳路加

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

引言

應(yīng)力篩選實驗考核雷達(dá)模塊的長期可靠性，是其制造過程的一個標(biāo)準(zhǔn)化工序，目前采用的的環(huán)境條件是溫度循環(huán)和隨機(jī)振動[1,2]。

某雷達(dá)模塊殼體基于擴(kuò)散焊進(jìn)行設(shè)計和制造，殼體材料選擇輕量化的6063 鋁合金，焊接后經(jīng)淬火時效達(dá)到T6 態(tài)，該類殼體是微波數(shù)字電路實現(xiàn)高幾何互聯(lián)的載體，具有較高的尺寸精度，同時殼體內(nèi)部設(shè)計有液冷流道，實現(xiàn)高功率微波器件的散熱，殼體流道設(shè)計的許用壓力值和檢測值常定為1.5 MPa。

該模塊殼體在應(yīng)力篩選后的通液測試過程中，出現(xiàn)了殼體焊縫失效漏液，導(dǎo)致器件在冷卻液里浸泡，其主要原因是擴(kuò)散焊過程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致壓力無法傳遞從而擴(kuò)散不充分即焊接缺陷，同時應(yīng)力篩選過程對其是否產(chǎn)生非設(shè)計范圍的破壞性影響還需要進(jìn)行分析。

1 溫度循環(huán)過程影響分析

模塊的溫度循環(huán)篩選按照GJB 1032A《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》5.1 條執(zhí)行，高溫65 ℃、低溫-50 ℃、溫度變化率10 ℃/Min、4 h 一循環(huán)、循環(huán)10 次[3]。

該溫度范圍遠(yuǎn)低于殼體材料6063-T6 的時效溫度（195～205）℃，殼體強(qiáng)度變化的影響可忽略不計。殼體進(jìn)出液口安裝有水接頭（模塊不與設(shè)備裝配則水接頭處于關(guān)閉狀態(tài)），冷板內(nèi)部流道形成完全密閉的腔體，溫度變化主要對腔體內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生影響，以下主要研究在該溫度變化范圍內(nèi)部壓強(qiáng)P 的變化，是否超過了設(shè)計值1.5 MPa。

在相同條件下，氣體膨脹最大、液體膨脹次之、固體膨脹最小，同時固體、液體、氣體的分子運(yùn)動的平均動能不同，從熱膨脹的宏觀現(xiàn)象來看，溫度越高差距越明顯，以固體為容器的封閉腔體內(nèi)溫度越高壓力越大。故可定性的認(rèn)為在（-50～65）℃溫度范圍（該溫度范圍內(nèi)冷卻液不結(jié)冰、不氣化）的溫循過程中，最高溫度65 ℃（T2）殼體腔體內(nèi)的壓強(qiáng)最大以P2表示，腔體初始溫度以T1表示為室溫20 ℃，腔體內(nèi)初始壓力為一個大氣壓以P1表示其值為101 kPa。

開始溫循實驗前殼體腔體內(nèi)裝含有空氣、冷卻液。殼體腔體初始體積（容積）以V 表示，空氣體積占比以x 表示，則在封閉腔體內(nèi)空氣、冷卻液的體積分別可表示為xV、（1-x）V。最終狀態(tài)（T2=65 ℃，P2），殼體腔體體積以V′表示，冷卻液體積以V′液表示，氣體體積以V′氣表示。

進(jìn)行定量計算，考慮三種極限情況：腔體內(nèi)全部為氣體x=1，計算P2；腔體內(nèi)全部為冷卻液x=0，計算P2；殼體內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計極限P2=1.5 MPa，計算空氣體積占比x。

1.1 腔體內(nèi)全部為氣體x=1

封閉腔體氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，其中n 為腔體內(nèi)氣體的物質(zhì)的量（封閉腔體為定值），R為比率常數(shù)氣體體積與溫度、壓強(qiáng)變化滿足如下關(guān)系：

殼體腔體體積的變化由兩方面組成，一是腔體內(nèi)壓力變化造成腔體體積變化以表示，另一是溫度變化殼體熱脹冷縮造成的體積變化以表示。

前者通過固體的體積模量K′來衡量，K′與彈性模量E、材料泊松比ν 具有如下關(guān)系，6063-T6 鋁合金彈性模量71 GPa，泊松比為0.31，彈性模量考核固體的剛度，K′由下式計算：

后者通過熱膨脹系數(shù)計算。對于金屬容器有研究表明，當(dāng)溫度升高產(chǎn)生熱膨脹時，容器外壁對容器內(nèi)壁要比容器內(nèi)壁對外壁的熱膨脹變形影響小的多，且試驗中外壁熱膨脹實測值與傳統(tǒng)的線性公式（自由膨脹）的計算差值相差不大，容器內(nèi)壁上分子熱運(yùn)動所受的約束力大于外壁，所以內(nèi)壁熱膨脹系數(shù)小于外壁[4]。根據(jù)以上研究和分析，若殼體外形體積輪廓體積用V外表示，金屬線膨脹系數(shù)用αt表示，則熱膨脹后的外形輪廓體積可以表示為V外[1+αt（T2-T1）]3；殼體內(nèi)腔初始容積為V，熱膨脹后容器內(nèi)腔體體積小于V[1+αt（T2-T1）]3，即溫度升高熱膨脹后內(nèi)腔體積范圍為V～V[1+αt（T2-T1）]3，其具體值與容器壁厚和形狀均相關(guān)，本文通過理論計算的方式給出通用的指導(dǎo)意見。熱膨脹后最大值可由式（5）計算：

αt取該溫度范圍平均值25×10-6/K，為便于計算比較最大值的大小，得下式：

綜上，最終狀態(tài)腔體體積V′范圍具有如下關(guān)系：

結(jié)合（1）、（2）、（7）可得：

代入相關(guān)數(shù)值壓力P2范圍（0.115 0～0.115 4）MPa。

1.2 腔體內(nèi)全部為液體x=0

一定物質(zhì)的量的液體的體積是溫度和壓強(qiáng)函數(shù)，其計算過程涉及到體積膨脹系數(shù)和體積模量。通過解耦法計算，分為兩步，第一步由等壓體積膨脹系數(shù)計算保持初始壓力P1、溫度由T1變化到T2的理想狀態(tài)液體體積V′理；第二步由等溫體積模量計算保持溫度T2，壓力由P1變化到P2的理想狀態(tài)的液體體積V′液。

體積膨脹系數(shù)用α 表示，是指當(dāng)壓強(qiáng)不變時溫度改變1 K 時其體積的變化和它在初始溫度的體積之比，為方便計算取該溫度范圍（（20～65）℃）α 均值5.7×10-4/K 計算。

由于固體或液體的膨脹系數(shù)很小，在溫度不甚高時，可直接由下式計算V′理為：

體積模量是一種表征流體可壓縮性的材料特性，即當(dāng)溫度不變時改變作用于其上的壓力時，流體單位體積的變化有多容易，以下用K 表示，為方便計算取該溫度范圍（（20～65）℃）K 均值2.1 GPa，可計算為：

結(jié)合（7）、（9）、（10）可得（11）：

代入相關(guān)數(shù)值可得壓力P2范圍為（45.7～52.62）MPa。

1.3 殼體內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)計極限P2=1.5 MPa

殼體的腔體體積V′、氣體體積V′氣、液體體積V′液具有如下關(guān)系：

將（1）、（2）、（7）、（9）、（10）代入（12）可得（13）：

代入P2=1.5 MPa 計算x 的范圍為0.023 4～0.026 3。

氣體的壓縮性遠(yuǎn)大于液體，相同條件下排液越多，壓力越小。通過以上定量計算：溫循前將液體完全排空（x=1）則壓力不大于0.115 4 MPa 遠(yuǎn)小于設(shè)計值1.5 MPa；溫循前完全不排液（x=0），則壓力不小于45.7 MPa 遠(yuǎn)大于設(shè)計值1.5 MPa；溫循前排液量占比大于0.026 3 可保證壓力不大于1.5 MPa，該值可作為溫循前排液的考核條件。

經(jīng)排查所有模塊在溫循前均拆除了上下水接頭側(cè)放排液，經(jīng)計算該姿態(tài)可排除60 %以上的液體，溫循過程中的壓力在設(shè)計值范圍內(nèi)，即溫循過程對殼體的破壞作用可以排除。

2 隨機(jī)振動過程影響分析

模塊的隨機(jī)振動按照GJB 1032A《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》5.2 條執(zhí)行，振動試驗條件為（20～2 000）Hz 篩選，GJB 150.16，加速度均方根值6.06 g，振動時間5 min，與設(shè)計條件一致[5]。

進(jìn)一步檢查振動試驗的裝配方式，模塊通過前端兩個定位銷盲插在工裝背板的定位孔中定位，通過安裝法蘭四顆螺釘與工裝側(cè)板固定，模塊與工裝定位和固定方式與實際裝機(jī)相同。工裝設(shè)計和下文中的XYZ 方向示意如圖1 所示。

圖1 振動試驗工裝

進(jìn)行了兩次測試第一次測試點布置如圖2 所示，圖中序號為加速度傳感器粘貼位置，重點測試工裝底板①、頂板②、模塊電源流道位置③、模塊TR 位置④、模塊中間位置⑤、工裝側(cè)板⑥、定位銷安裝背板⑦⑧處的振動響應(yīng)。按試驗要求進(jìn)行X 方向的應(yīng)力篩選，測試各布置點X、Y、Z 方向加速度均方根值見表1。

表1 第一組應(yīng)力測試結(jié)果(X、Y、Z 向加速度均方根g 及放大系數(shù))

圖2 振動試驗及測點分布

由測試結(jié)果可知：篩選激勵在最頂端模塊各處響應(yīng)放大在2.2～2.4 倍范圍內(nèi)；在背板頂端響應(yīng)放大3.2 倍；同時，在非激勵方向Y、Z 向，在模塊和夾具上有明顯振動響應(yīng)，電源散熱流道處Z 向6.55 g 輸出響應(yīng)突出。

為進(jìn)一步判斷響應(yīng)在工裝上和模塊上的分布規(guī)律，第二組測試點布置如圖3 所示：工裝底板①、工裝上與組件固定位置②③（③高于②）、模塊TR 和中間位置④⑤、安裝前面板中間⑥、⑦⑧與第一組試驗相同，測試結(jié)果如表2。

表2 第二組應(yīng)力測試結(jié)果(X、Y、Z 向加速度均方根g 及放大系)

圖3 第二組實驗測點布置

分析測試結(jié)果可知：篩選激勵在最頂端模塊各處響應(yīng)還在2.2～2.4 倍范圍左右；夾具底部處5.86 g，夾具與模塊連接點處由下到上為8.89 g、13.27 g 和模塊處響應(yīng)（13～14）g 響應(yīng)形成激勵傳遞鏈；同時，在非激勵方向Y、Z 向，在模塊和夾具上有明顯振動響應(yīng)，兩支耳中間位置的Z 向8.77 g 輸出響應(yīng)突出；工裝上的響應(yīng)跨度為（5.86～19.11）g，響應(yīng)跨度3 倍以上。

根據(jù)以上測試果分析可知：

1）夾具在輸入激勵X 方向，在側(cè)板頂部響應(yīng)值放大1.5 倍，在背板中部響應(yīng)值放大2 倍左右，在背板頂部響應(yīng)值放大3 倍左右；

2）同組篩選模塊，高度越高激勵響應(yīng)放大越明顯，初步判定，夾具強(qiáng)度不足，底部和頂部激勵輸出不一致；

3）在篩選模塊中，頂部模塊激勵方向響應(yīng)值放大2.1～2.4 倍，頂端模塊在非激勵方向Z 有最大8.77 g 的響應(yīng)輸出，初步判定為夾具強(qiáng)度不足，在X 向激勵條件下發(fā)生扭曲，產(chǎn)生其他方向激勵響應(yīng)。

對比模塊在振動工裝上的裝配和裝機(jī)裝配，工裝背板為實際裝配狀態(tài)下厚度100 mm 的冷板，工裝側(cè)板（與模塊固定的安裝板）為實際裝配狀態(tài)下的插箱，插箱通過角件與骨架連接，裝機(jī)裝配剛性遠(yuǎn)超應(yīng)力篩選試驗過程。

3 結(jié)論

1）該模塊溫度循環(huán)過程由于進(jìn)行了排液操作，最高溫度腔體內(nèi)壓在設(shè)計值范圍內(nèi)未對焊縫造成過壓破壞。

2）振動過程該模塊質(zhì)量大，工裝剛性不足，在工裝頂部產(chǎn)生了較大比率的激勵響應(yīng)，殼體及焊縫產(chǎn)生了過振動。

3）適應(yīng)性建議：針對溫循過程應(yīng)提前排液，通過設(shè)計排液工裝保證排液量大于2.63 %，使排液后最高溫度下內(nèi)部壓力不大于設(shè)計值1.5 MPa（不同設(shè)計承壓值的殼體其溫循前排液量通過公式13 計算給出排液比率）；針對工裝設(shè)計，根據(jù)振動試驗方向做針對性的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，對質(zhì)量較大的部件振動試驗前做激勵分析和力學(xué)仿真，對于大批量和剛性弱產(chǎn)品的隨機(jī)振動工裝設(shè)計，應(yīng)根據(jù)仿真結(jié)果選擇監(jiān)測點實測激勵放大倍數(shù)保證工裝上各處對模塊的振動輸入條件準(zhǔn)確、一致方可試驗。