微波組件激光封焊的溫度場仿真*

欒兆菊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

微波組件激光封焊的溫度場仿真*

欒兆菊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于高斯面熱源加三維錐體熱源的組合熱源模型和ANSYS有限元軟件，建立了高硅鋁合金微波組件殼體的激光焊接數(shù)值分析模型。使用三角周期函數(shù)實(shí)現(xiàn)熱源功率的循環(huán)加載。通過激光焊接過程的熱仿真，分析了密封焊接過程中，微波殼體四條邊的溫度分布規(guī)律以及溫度變化趨勢。仿真結(jié)果表明，焊縫中心的溫度隨著焊接過程的持續(xù)進(jìn)行而不斷升高，焊接速度的提高也導(dǎo)致焊縫中心溫度增加。此外，焊接過程中，鋁硅殼體溫度也持續(xù)上升，第4道焊縫收弧時(shí)，該點(diǎn)附近底板溫度已經(jīng)達(dá)到210 ℃，會(huì)損害底板上電子元器件的性能。

微波組件；高硅鋁合金；激光焊接；數(shù)值仿真

引 言

現(xiàn)代雷達(dá)的微波組件多采用高密度互連基板和裸芯片組裝，有利于實(shí)現(xiàn)微波組件的高集成化、高速化、小型化和輕型化[1]。為了保護(hù)微波組件中的裸芯片免受環(huán)境腐蝕和機(jī)械破壞，必須將這些裸芯片封裝在微波殼體內(nèi)，以保證微波組件長時(shí)間、高可靠性工作[2]。目前，多采用環(huán)氧膠連接法、低溫釬焊法、電子束焊接法以及激光焊接法等實(shí)現(xiàn)微波殼體的密封[3]。激光焊接由于具有能量密度高、熱輸入量小、焊縫窄、致密性好和易于拆蓋返修等優(yōu)點(diǎn)，因此，在軍用精密電子組裝領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[4]。

然而實(shí)踐表明，盡管激光焊接的熱影響區(qū)較小，但由于其能量密度高，焊接過程中微波組件殼體內(nèi)部的溫度急劇升高，從而影響微波組件殼體內(nèi)部電子元件性能[5]。因此，針對微波組件殼體的激光封焊，不僅要確保氣密性達(dá)標(biāo)，而且要嚴(yán)格控制微波組件殼體內(nèi)部的溫度，以保證微波組件內(nèi)部通過釬焊方式連接的電子元器件的功能不受損害。本文針對新型電子封裝材料——高硅鋁合金，采用數(shù)值仿真的方法，研究高硅

鋁合金微波殼體激光焊接時(shí)的溫度場分布，為實(shí)際的激光焊工藝參數(shù)的合理選擇提供指導(dǎo)。

1 微波組件殼體有限元模型

某型號(hào)產(chǎn)品中使用的微波組件殼體如圖1所示，材料采用高硅鋁合金，其中蓋板的含硅量為20%～30%，四面?zhèn)缺诘暮枇繛?0%。微波組件殼體的外形尺寸為45 mm×23 mm×7.5 mm，壁厚為1 mm。本文根據(jù)該殼體的實(shí)際尺寸，采用ANSYS軟件進(jìn)行實(shí)體建模。

圖1 微波組件殼體示意圖

高硅鋁合金微波組件殼體的激光焊接模型采用瞬態(tài)非線性分析的三維有限元模型，選用SOLID70單元進(jìn)行熱分析。同時(shí)，為了能更好地劃分網(wǎng)格，還選用了MESH200單元來輔助網(wǎng)格劃分。這種單元對于網(wǎng)格劃分具有輔助功能，在ANSYS運(yùn)算過程中，不參與任何運(yùn)算，因此不會(huì)對仿真的結(jié)果產(chǎn)生影響。采用ANSYS軟件中的映射網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格形狀比較規(guī)則，能根據(jù)仿真要求進(jìn)行劃分，有利于施加載荷和定義邊界條件。此外，將焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分得密一些，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分相對稀疏一些，兼顧仿真的精度和效率。微波殼體網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖2所示。

圖2 微波殼體網(wǎng)格劃分結(jié)果

激光焊接試驗(yàn)過程中采用脈沖激光焊接，焊接電流為210 A，焊接速度分別為200 mm/min和240 mm/min，脈沖頻率為30 Hz，脈寬為2 ms。圖2中的O點(diǎn)為焊縫起點(diǎn)，圖2中箭頭指向?yàn)楹附臃较颉?/p>

2 激光焊接溫度場模型

在激光焊接過程中，熱源的選擇對焊接溫度場的計(jì)算精度有很大影響，特別是靠近熱源的高溫區(qū)。針對薄壁高硅鋁合金激光焊接呈現(xiàn)的“螺釘型”焊縫以及激光熱源的特征，選擇組合熱源模型(高斯面熱源加三維錐體熱源)。激光焊接過程中，通過焊件上移動(dòng)的加熱斑點(diǎn)，電弧將熱能傳導(dǎo)給焊件，假定95%的熱能都在加熱斑點(diǎn)內(nèi)，則一定半徑加熱斑點(diǎn)的內(nèi)部熱流分布可以近似用高斯函數(shù)來描述。三維錐體熱源模型的實(shí)質(zhì)是一系列高斯面熱源沿焊件厚度方向疊加，每一個(gè)截面的熱流分布半徑沿厚度方向呈線性衰減，而熱流密度在電弧中心線上保持不變。三維錐體熱源模型示意圖如圖3所示，函數(shù)表達(dá)式如式(1)和式(2)所示，其中r0、ri、re、ze、zi為熔池的幾何尺寸[6]。

圖3 三維錐體熱源模型示意圖

(1)

(2)

式中：q(r,z)為激光傳遞給微波殼體的熱流密度；η2為激光熱效率；Q為激光輸入熱量；ze和zi分別表示待焊殼體上、下表面的Z向坐標(biāo)；re和ri分別表示待焊殼體上、下表面熱流分布半徑；x、y、z表示熱源內(nèi)某點(diǎn)的坐標(biāo)；r為熱源模型的半徑。

此外，由于脈沖激光焊接過程中能量輸入的非連續(xù)性，導(dǎo)致其熱源的加載不同于普通連續(xù)激光焊接。根據(jù)脈沖激光焊接的波形特征，以時(shí)間作為三角函數(shù)的變量，建立脈沖激光焊接熱源加載的條件循環(huán)方程，從而實(shí)現(xiàn)仿真過程中熱源非連續(xù)性循環(huán)加載。脈沖激光焊接熱源加載方程：

(3)

(4)

式中：T為周期；t為時(shí)間；τ為脈沖寬度。式(3)的取值范圍為[-1, 1]，當(dāng)-1≤y≤x時(shí)，加載熱源，x≤y≤1時(shí)不再加載熱源。

3 結(jié)果與分析

圖4中各條焊縫激光焊接的參數(shù)為：激光功率6 kW，焊接電流210 A，焊接速度200 mm/min，脈沖頻率30 Hz，脈寬為2 ms。4條焊縫終點(diǎn)處激光焊接仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 各焊縫終點(diǎn)處溫度場分布

圖4(a)～(d)分別為第1～4條焊縫終點(diǎn)處溫度場分布，焊縫中心的最高溫度分別為1 920 ℃、1 925 ℃、2 001 ℃和2 025 ℃。由此可知，隨著激光焊接過程的持續(xù)，焊縫中心的溫度不斷升高，造成第4條焊縫終點(diǎn)處溫度遠(yuǎn)高于第1條焊縫終點(diǎn)處溫度。微波殼體內(nèi)部空間尺寸較小，激光焊接過程中產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，積聚在殼體內(nèi)部，造成焊縫溫度隨著焊接過程的進(jìn)行不斷升高。此外，從仿真結(jié)果還可以看出，盡管焊縫中心區(qū)域的溫度高，但其影響區(qū)域十分有限。

不同焊接速度時(shí)，第4條焊縫中間位置熱源形狀如圖5所示，焊接速度分別為200 mm/min和240 mm/min，其他焊接參數(shù)均為：激光功率6 kW，焊接電流210 A，脈沖頻率30 Hz，脈寬2 ms。

圖5 不同焊接速度下的熱源形狀

圖5(a)中焊縫熱源中心的溫度為2 472 ℃，而圖5(b)中焊縫熱源中心的溫度僅為1 925 ℃，由此可知，隨著焊接速度的提高，熱源中心的溫度下降。這主要是因?yàn)殡S著焊接速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)某點(diǎn)處的熱輸入量降低，從而造成熱源中心的溫度下降。此外，圖5(a)焊縫飽滿，焊縫中的高溫區(qū)基本延伸到接頭的臺(tái)階區(qū)域，使得蓋板和側(cè)壁充分熔合，保證了微波殼體的密封性能。圖5(b)中焊縫的高溫區(qū)域面積較小，蓋板和側(cè)壁接頭處容易出現(xiàn)未焊合缺陷，從而影響微波殼體的密封性能。最后，圖5(a)中熱源中心溫度高，熱影響區(qū)較大，容易造成微波殼體內(nèi)部的底板承受較高的焊接溫度，從而影響微波殼體內(nèi)部裸芯片的性能，為此，對不同焊接速度下底板和側(cè)壁交界線端點(diǎn)的熱循環(huán)曲線進(jìn)行研究。

根據(jù)前面的分析可知，相同工藝參數(shù)下，第4條焊縫終點(diǎn)處的溫度最高，因此，選取第4條焊縫終點(diǎn)對應(yīng)的底板和側(cè)壁交界線端點(diǎn)為研究對象，將其命名為A點(diǎn)。當(dāng)焊接速度分別為200 mm/min和240 mm/min時(shí)，A點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖6所示。

圖6 微波殼體內(nèi)部A點(diǎn)熱循環(huán)曲線

從圖6中可以看出，兩種速度焊接過程中A點(diǎn)的溫度變化十分劇烈。當(dāng)焊接速度為200 mm/min時(shí)，A點(diǎn)的溫度在30 s內(nèi)從室溫急劇升至210 ℃，而當(dāng)焊接速度為240 mm/min時(shí)，A點(diǎn)的溫度在30 s內(nèi)從室溫急劇升至160 ℃。這主要是因?yàn)榧す鉄嵩茨芰棵芏雀撸瑥亩斐珊附舆^程中溫度急劇升高。值得注意的是，微波殼體材料是鋁硅合金，熱膨脹系數(shù)極低，劇烈的熱循環(huán)容易導(dǎo)致殼體產(chǎn)生微裂紋，從而影響內(nèi)部微波電子元器件的工作。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文開展了微波組件殼體激光焊接過程溫度場仿真研究，得到的主要結(jié)論如下：

1)基于高斯面熱源加三維錐體熱源的組合熱源模型和ANSYS有限元軟件，利用三角周期函數(shù)加載熱源，成功實(shí)現(xiàn)了鋁硅合金微波殼體激光焊接過程的溫度場仿真。

2)激光焊接過程中，焊縫中心的溫度最高，并且以其為中心，向外逐漸降低，隨著焊接過程的進(jìn)行，焊縫中心的溫度不斷升高。因此，可以采用間歇施焊的方法，避免焊接過程溫度過高。

3)提高焊接速度可以降低焊縫中心的溫度，但是存在接頭處不能充分焊合的風(fēng)險(xiǎn)。較低的焊接速度可以得到飽滿的焊縫，但是焊縫中心的溫度較高。

4)微波殼體側(cè)壁和底板交界處經(jīng)歷的熱循環(huán)較為劇烈，當(dāng)焊接速度為200 mm/min時(shí)，交界處最高溫度可達(dá)210 ℃，影響底板上釬焊固定的裸芯片工作。

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欒兆菊(1981-)，女，博士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧蠠岢尚汀?/p>

Numerical Simulation on Temperature Field of Microwave Modules in Laser Seal Welding

LUAN Zhao-ju

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

Based on the combination model of a Gaussian surface heat source plus a three-dimensional cone heat source, using ANSYS finite element software, the numerical analysis model for high silicon content aluminum alloy microwave module shell during laser welding is built. Cyclic loading of the heat source power is achieved by using periodic trigonometric function. According to the heat simulation of laser welding procedure, temperature distribution and change tendency in the four side of the microwave module shell in welding procedure are analyzed. Simulation results show that the temperature of welding line center increases as welding process continues, and the increase of welding speed also raises the temperature. Moreover, shell temperature rises continuously in welding process. At the end of the forth welding line, the temperature near the end at the bottom plate is 220 ℃, and the properties of the electronic components at the bottom plate will be degraded by such a high temperature.

microwave module; high silicon content aluminum alloy; laser welding; numerical simulation

2013-08-05

TG456.7；TN61；TP391.9

A

1008-5300(2013)05-0038-03