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成果名稱: 輕質(zhì)合金密封構(gòu)件攪拌摩擦焊智能成套裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā) 與應(yīng)用
完成單位: 黃山學(xué)院
研究起止時間: 2012.01 至2022.12 轉(zhuǎn)讓范圍: 可國(境)內(nèi)外轉(zhuǎn)讓
成果評價單位: 中科高博(北京)科學(xué)技術(shù)服務(wù)中心
成果推薦單位: 中科高博(北京)科學(xué)技術(shù)服務(wù)中心
所處階段: 成熟應(yīng)用階段 評價方式: 機(jī)構(gòu)評價
成果簡介
近年來,人工智能、深度學(xué)習(xí)不斷發(fā)展,大規(guī)模集成電路得到了日新月異的發(fā)展。隨著系統(tǒng)級芯片的開發(fā)提升,與之相對的封裝工藝也面臨著更高的要求。在航空航天、汽車制造、現(xiàn)代電子系統(tǒng)中,為保證電子元件免受油污、沙塵、外力、射線等因素的影響破壞,通常需將其封裝于合金盒體之內(nèi):一般先使用釬焊將電子元件固定于盒身內(nèi)部底板上,再使用激光焊接技術(shù)封裝其盒蓋與盒身部分。激光焊接本身分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊兩種形式,考慮封裝返修、接頭尺寸等因素,目前基本使用熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行封裝,該方法只在焊縫表面產(chǎn)生熔化現(xiàn)象,對封裝過程的焊接溫度有著嚴(yán)格的控制,工件內(nèi)部不熔透、輸入能量小、焊接效率較高,因此得到了廣泛的應(yīng)用??紤]導(dǎo)熱率,密度,熱膨脹等因素,目前常用的盒體材料為6系鋁合金、高硅鋁合金鋁合金。其質(zhì)量輕,導(dǎo)熱性好,線膨脹率相對較低,底板上引腳位置較小熱產(chǎn)生變形。
然而,目前的工藝制造中,激光焊接技術(shù)雖保持了相對較高的加工效率和較低的生產(chǎn)成本,卻仍存在以下不可忽視的弊端:加工過程中,激光的加工效果難以穩(wěn)定控制。由于現(xiàn)有工藝中激光焊接的焦點位置和激光功率難以穩(wěn)定,焊接的熱輸入存在較大的波動,會使激光焊合的深度和焊縫質(zhì)量發(fā)生變化,易鋁、鎂合金,其表面常常具備極高的光學(xué)反射率,導(dǎo)致激光能量損失。實際加工需額外增加材料的表面預(yù)處理工序以減小加工時的激光反射。激光焊接的溫度峰值雖相對于其他封裝方法較小,但其值對部分精密元件壽命與精度仍具有一定影響,需要進(jìn)一步降低。為規(guī)避上述問題,尋找一種高適用性的封裝方法逐漸成為當(dāng)下的研究熱點。攪拌摩擦連接技術(shù)具備很好的材料適用性,接頭本身無中間相與氣孔,可以有效的彌補(bǔ)激光封裝的缺陷。故本項目提出將攪拌摩擦連接技術(shù)應(yīng)用于電子保護(hù)盒的盒蓋與盒體封裝。
鑒于目前國內(nèi)外攪拌摩擦盒體封裝的相關(guān)研究資料較少,本項目已有的焊接封裝中的關(guān)注點與平板攪拌摩擦焊接研究成果,開展了一系列的攪拌摩擦盒體封裝技術(shù)研究。成功構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊三維瞬態(tài)熱力耦合模型與轉(zhuǎn)角焊縫流體動力學(xué)模型,揭示焊縫非對稱溫度場分布、熱源累積機(jī)制及材料流動偏移規(guī)律,提出基于轉(zhuǎn)速-速度比的連接線能量優(yōu)化判據(jù),獲得復(fù)雜軌跡攪拌摩擦焊理論體系。實現(xiàn)轉(zhuǎn)角焊縫微觀缺陷抑制及盒體殘余變形精準(zhǔn)控制,通過采用材料熱-力耦合行為研究方法構(gòu)建攪拌摩擦密封工藝參數(shù)優(yōu)化模型,提出轉(zhuǎn)速與焊接速度協(xié)同調(diào)控機(jī)制,動態(tài)匹配熱輸入與材料塑性流動,形成低損傷、高可靠性密封工藝體系。研制了面向輕質(zhì)合金殼體敏感元器件或精密產(chǎn)品低損傷密封的高精度攪拌摩擦焊接專用裝備,創(chuàng)新集成智能溫控與軌跡自適應(yīng)系統(tǒng),實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程的動態(tài)閉環(huán)控制與多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化,解決高精度密封中熱輸入不均、軌跡偏差等關(guān)鍵技術(shù)難題。其技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
本項目研究成果對航空航天、汽車制造、現(xiàn)代電子系統(tǒng)等輕質(zhì)合金敏感元器件或精密產(chǎn)品盒體封裝制造能力有顯著提升。通過“轉(zhuǎn)速-速度比”線能量優(yōu)化判據(jù),將復(fù)雜軌跡焊接合格率從70%提升至97%,熱影響區(qū)溫度梯度控制在≤3℃/mm,遠(yuǎn)低于激光焊接的20℃/mm,有效保障了艙內(nèi)精密電子設(shè)備的運行穩(wěn)定性;應(yīng)用于電池盒密封焊接的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化模型,將焊接溫度精準(zhǔn)控制在250±3℃,較激光焊接降低38~60%,配合自主研制的攪拌摩擦焊接裝備,實現(xiàn)2mm厚鋁合金蓋5mm厚殼體的T型焊接微觀氣孔率顯著下降,經(jīng)-40℃至70℃環(huán)境測試,信號衰減率≤0.1dB;在現(xiàn)代電子系統(tǒng)領(lǐng)域,通過裝備集成的光纖光柵溫控模塊與PID+模糊算法,實現(xiàn)250℃恒溫時±3℃的精準(zhǔn)控溫,搭配直驅(qū)電機(jī)-激光測距閉環(huán)系統(tǒng),攻克了圓弧半徑≤2mm焊縫的過焊欠焊難題,為戶外敏感元器件或精密產(chǎn)品提供了高可靠性的密封解決方案。
該項目產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn),相關(guān)技術(shù)獲國家發(fā)明專利10項,實用新型專利15項,經(jīng)中瓷光電(山東)有限公司、常州寧航智能科技有限過公司等多家用戶使用,反應(yīng)良好。
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