液冷DAM 盒体真空电子束焊接工艺研究

朱子昂，严银飞，桂中祥

（中国电子科技集团公司第38 研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

电子束焊接是以真空中聚焦的高能密度（可达105～107W/cm2）电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接的特种加工方法，具有焊缝位置精确、重复性好及焊缝化学成分纯净等优点[3]。

本文以某液冷DAM 盒体为研究实例，通过对其结构形式和工艺难点进行分析，从总体工艺路线设计、材料及焊接方法选择、工艺性结构优化设计、真空电子束焊接工艺设计等方面展开研究和论证，制定了工艺过程控制措施，保证此类零件的焊接质量。

1 工艺分析

1.1 结构特点

某液冷DAM 盒体由焊接壳体与盖板焊接而成，如图1 所示。焊接壳体上加工有液冷水道，其水道流向如图1 所示，其具有如下特点：

（1）水道结构复杂，长度大。盒体外形尺寸为330 mm × 328 mm × 55.5 mm（长×宽×高），沿主要热源位置分布2 条并联蛇形水道，总长约2500 mm。水道在热流密度高的区域设有格栅状散热翅片，翅片宽1 mm，间距1 mm，有效增强热源区散热效果。

（2）水道水密性要求高。DAM 组件含大量电子器件，水道一旦渗漏，损失巨大，因此水道要求能在1 MPa 水压下长期工作不渗漏。

（3）焊接壳体与盖板的装配精度高。为保证水道焊缝质量及水密性，装配后盖板单边间隙要求小于0.05 mm。配合公差设计为：壳体（0，+0.05）mm，盖板（-0.05，0）mm。

1.2 工艺难点

通过对盒体的结构特点分析发现，水道的焊接是一个连续、长焊缝、热集中的过程，易产生焊接变形导致水道渗漏。焊接壳体与盖板加工精度要求高，若不能满足装配精度要求，将导致焊缝水密性不足。格栅状散热翅片宽1 mm，间距1 mm，加工效率低。散热翅片跨度大（57 mm），盖板壁厚薄（2 mm），导致结构刚性差，在水压下长期工作盖板有鼓包变形的风险。以上难点给工艺实现带来了困难。选择合适的壳体材料和焊接方法及经过验证和固化的焊接工艺参数，工艺性结构优化设计，合理的零件加工流程是解决这些难点的有效途径。

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2 工艺实现

2.1 总体工艺路线

结合液冷DAM 盒体的工艺分析，制定的总体工艺路线如图2 所示。

图2 液冷DAM 盒体制造总体工艺路线

2.2 材料及焊接方法选择

DAM 盒体选用轻量的铝合金材料。常用于液冷DAM 焊接盒体的铝合金材料包括3A21、5A06、6061等。3A21 铝合金焊接性好，适用于各种焊接方法，但强度较低。5A06、6061 铝合金强度和加工性较好，5A06 适用于搅拌摩擦焊或电子束焊接，6061 适用于真空钎焊、搅拌摩擦焊或真空扩散焊。

常用的液冷DAM 盒体焊接方法有真空钎焊、电子束焊和搅拌摩擦焊。真空钎焊接头焊接变形小，但耐压压力较低。搅拌摩擦焊焊接变形较小，耐压压力高，成本低，但锁底台阶宽度要求较宽。电子束焊焊接变形较小，耐压压力高，锁底台阶宽度要求小。

本液冷盒体轻量化要求高，结构紧密，锁底台阶宽度较小，壳体锁底台阶宽度与盖板毛坯厚度比为1.5 mm ：3 mm = 0.5，使用搅拌摩擦焊有塌陷风险，并且对水密耐压性要求高。综合考虑，采用5A06 铝合金材料及真空电子束焊焊接方法。

2.3 工艺性结构优化设计

壳体上有4 组散热翅片，跨距57 mm，翅片厚度1 mm，间距1 mm，如图3 所示，机械加工时间长、效率低。经设计，将翅片交替分布在焊接壳体和盖板两侧，翅片间距增为2 mm，提高了加工效率。此外，由于跨距与盖板厚度比值过大，结构刚性差，在通液压力下有鼓包变形的风险。对此，在内腔中增加两处“桥墩”结构，焊接时将桥墩与盖板焊接在一起，可以有效增强散热翅片的结构刚度，抵御变形。

图3 散热翅片工艺性结构优化设计

2.4 焊接工艺设计

2.4.1 零件加工

焊接壳体较厚，刚性好，加工水道内腔时一次加工成型。工艺关键控制焊接盖板槽尺寸精度，加工完成后用盖板适配，盖板与壳体配合单边间隙小于0.05 mm 为合格。

焊接盖板厚度3 mm，刚性较差，单面翅片采用数控铣方式加工，加工后零件易变形。因此，工艺设计为“粗加工——去应力热处理——精加工”过程，粗加工时外形单边留1 mm 余量，通过热处理去除加工应力后再精加工到位。

2.4.2 化学清洗

焊接前需对焊接壳体和盖板进行化学清洗，去除表面油污、氧化物及异物。首先采用丙酮和去除表面胶痕、冷却液；之后将零件浸泡在80 ℃，5%纯碱溶液中，去除油污等附着物；之后用去离子水冲洗，去除残留碱液；之后将零件浸泡在30%HNO3+ 10%HF +60%H2O 溶液中，去除氧化膜；再用去离子水冲洗，去除残留酸液；最后将零件烘干。

2.4.3 焊前装配

焊前装配工艺控制关键措施如下：

（1）多余物控制，装配前检查装配面无多余物。

（2）装配间隙控制，装配焊接壳体与盖板后，使用塞尺检查装配间隙，单边间隙小于0.05 mm，通过修挫及敲击使盖板与壳体紧密贴合。

（3）使用样冲固定盖板四周，样冲点间距小于30 mm。

2.4.4 真空电子束焊

盒体真空电子束焊时，首先使用点焊固定盖板，点焊盖板焊接路径上的每个线段。之后进行连续焊，焊接时起、收弧点均设置在焊接路径直线段上。焊接开始时电流采用缓升方式，结束时电流采用缓降方式，以避免焊接应力集中。

经试验，点焊时优化焊接参数如下：聚焦电流If=525 ～535 mA，电子束流Ib= 7 ～10 mA，焊接速度V= 13 ～18 mm/s。连续焊时优化焊接参数如下：聚焦电流If= 535 mA，电子束流Ib= 16 mA，焊接速度V=15 mm/s。

2.5 样件检测

采用上述制造方法，得到的液冷DAM 盒体焊后实物图及样件X 光检测图如图4 所示，样件焊缝饱满、连续，无裂纹、咬边等焊接缺陷。焊后将样件放入水中进行充气检验，在充气1.5 MPa 压力下，保压30 min，期间焊缝未渗出气泡，焊缝的致密性合格。

图4 焊后液冷DAM 盒体（左）和样件X 光检测（右）

3 结语

本文针对某具有水道结构复杂、长度大，轻量化和水密性要求高的液冷DAM 壳体焊接工艺展开研究，通过分析其结构特点和工艺难点，从总体工艺路线设计、材料及焊接方法选择，工艺性结构优化设计，真空电子束焊接工艺设计等方面展开研究和论证，制定了有效的工艺控制措施，提高了液冷DAM 盒体的加工效率和焊接质量。检测结果表明，盒体焊缝饱满、连续，无裂纹、咬边等焊接缺陷，水密性满足指标要求。