5连接方式

气密密封激光焊接有对接、搭接和角接三种连接方式。如图3a~3c所示为每种接头类型的几何形状。

图3a 对接接头图3b 搭接接头图3c 角接接头

5.1 对接接头

对接接头结构通常用于较大的壳体。壳体加工必须保证公差，以便盖板正确安装到位，会增加零件的加工成本。但是，这种结构无需特殊辅助工具即可将盖板固定到位。由于这种激光焊接工艺通常不使用任何填充材料，因此盖板与壳体的装配精度对于确保气密密封至关重要，一般要求配合间隙小于0.1mm。如果间隙过大，材料可能无法一起流动形成可靠的焊缝。

图4a显示了一个盖板嵌入式对接焊缝，其尺寸足以让盖板嵌入外壳中，盖板和壳体尺寸留有公差，并尽可能将间隙保持在最小。盖板所在的唇缘的最小宽度为 1mm，唇缘周围的边缘通常为1.5mm。

在焊接铝壳时，有时可以插入带料用作中间填充材料。如图4b所示，带料厚度范围一般可设计为0.15~0.4mm，使用带料填充的方法，需要对应减小盖板的尺寸以填充带料。带料的材质将在材料部分进行讨论。

图4a 盖板嵌入式对接接头图4b 盖板嵌入式对接接头（带料填充）

5.2 搭接接头

如图4c所示，搭接接头结构通常用于将盖板采用穿透焊的形式焊接到外壳上。搭接接头对零件公差要求较低，零件加工成本也相应降低，但需要增加辅助工具来对齐盖板。因为盖板不需要精确定位，对焊缝位置要求不高，所以盖板尺寸的公差可以放大到±0.2mm。影响焊接质量的因素主要由装配时盖板的平面度和焊缝间隙决定，盖板平面度可以控制在0.05~0.1mm范围内，焊缝间隙小于0.1mm（一般建议间隙不超过最薄材料厚度或穿透深度的20%）。搭接接头结构焊铝壳时也可以使用带料填充。图4d图示了该类型封装的结构，填充带料夹在盖板和外壳之间，因此焊缝会有更大的熔深，需要更高的激光脉冲能量。

图4c 搭接接头图4d 搭接接头（带料填充）

5.3 角接接头

如图4e和4f所示，这是较常应用的角接接头结构。图4e所示结构需要辅助工具来对齐盖板，对焊缝装配精度要求较高，焊缝位置公差应该控制在±0.05mm以内。图4f所示结构无需特殊辅助工具即可将盖板固定到位，但需要较高的加工精度，成本较高。一般这种结构盖板覆盖壳体的宽度是盖板厚度的两倍，并且从盖板边缘到壳体边缘的距离至少是盖板厚度的两倍。

图4e 角接接头图4f 角接接头（嵌入式盖板）

针对较大的壳体结构，壳体内部需要预留筋条或者立柱等结构支撑盖板，防止盖板变形，无法进行焊接。结构可以参考图5a~c。

图5a 支撑筋条图5b 支撑立柱图5c 支撑盖板

6材料选择

常见的微波组件、传感器安装座或航空航天用部件的封装材料，铝合金通常是首选，它轻巧、耐腐蚀、散热性好、坚固且成本低，但铝合金的高反射率和导热性使得它需要比较高的峰值功率脉冲，通常焊接熔深可达1.5mm以上。如图6所示为铝合金对接焊缝截面图。

6061-T6型铝合金是平时很常用的材料，具有良好的经济性、刚性并易于加工。但用该牌号做壳体和盖板在焊接过程中容易形成裂纹（称为“凝固裂纹”或“热裂纹”），这是由于熔池周围形成的塑性变形区不能承受熔池凝固时的收缩应力导致。为解决这个问题可以使用硅含量高的铝合金，例如4047铝合金（Si含量12%）来提高焊缝金属的延展性。这种合金具有良好的延展性，难以加工成复杂的形状。因此，可以用6061做具有复杂形状的壳体，用4047作相对较薄（通常小于1毫米）的盖板；或者将4047作为填充带料插入6061组件之间，以形成良好的焊缝，但这会增加组件装配时间，影响生产效率。对于数量不多且要求较高的组件，可以采用这种方式加工。

图6 铝合金对接焊缝截面图（焊缝熔深为1.2mm）

可伐合金Kovar（Fe含量29%，Ni含量17%）是广泛用于气密封装的材料，因为它的热膨胀系数与其他封装组件（如玻璃-金属密封）相匹配，电镀后的可伐合金具有良好的耐腐蚀性，并且具有良好的机加工性能。可伐合金比铝密度更大、重量更重，与铝合金相比，它几乎没有焊接冶金方面的问题，此外它还具有热膨胀系数低的优点。在使用Kovar材料时，要考虑电镀成分对焊接质量的影响，下面会讨论这个问题。如图7所示为可伐合金角接焊缝截面图。

图7 可伐合金角接焊缝截面图（焊缝熔深为0.6mm）

不锈钢具有出色的耐腐蚀性和良好的焊接冶金特性，可用于气密封装焊接。但是不锈钢比铝难加工，密度比铝合金大，大多数用在军工、医疗领域或在汽车的安全气囊系统中。奥氏体不锈钢（AISI-300系列合金）镍含量高，有利于激光焊接。301、304、304L、316和318不锈钢都可以用于气密封装，其中304、304L和316是常用牌号。如图8所示为不锈钢壳体的侧面对接焊缝。

图8 不锈钢壳体的侧面对接焊缝

Fe-Ni合金材料都具有较好的可焊性，并具有与Kovar合金相似的激光焊接特性。通常用于需要电气和电磁特性的场合，常用牌号Permalloy (坡莫合金）、Alloy42（4J42）、Mu-Metal和Invar（因瓦合金）。Alloy42具有良好的导电性，有时用作黄铜的替代品。Mu-Metal主要用于需要磁屏蔽的变压器和敏感传感器上。Invar主要用于光纤通信组件或任何其他需要接近室温的热膨胀系数接近于零的封装场合。

钛具有优良的生物相容性，在医学领域应用广泛，心脏起搏器组件是其典型应用。纯钛和Ti 6Al4V钛合金是应用最广的外科植入物用传统材料，它们具有较好的可焊性，但由于氮化钛的形成，氮气不能用作保护气体，必须使用氩气或氦气来防止氧化。

铜与铜合金可以用于密封封装。纯铜具有良好的焊接冶金性，但对Nd:YAG激光能量反射率高，热导率高，需要较大的焊接能量。纯铜的高反射率问题可以通过在焊接前镀镍来克服。铍铜（Be Cu）具有更好的可焊性，可以与纯铜产生非常好的焊缝。铜钨合金密度较高，但它具有非常好的导热性以及与许多电子元件接近的热膨胀系数，通常用于需要散热的封装场合。铜镍合金（白铜）具有良好的可焊性，在电子工业应用较多，可以与可伐合金形成良好的焊缝。如图9所示为铍铜和铜对接焊缝截面图。

图9 铍铜和铜对接焊缝截面图（焊缝熔深为1.2mm）

黄铜合金由于含有锌的成分，锌在焊接时蒸发，蒸汽膨胀会将金属从熔池中喷出造成飞溅，剩余的少量熔融金属凝固时会将气体困在接缝中产生气孔，不适合于气密性焊接。

锆合金是另一种极好的激光焊接材料。锆合金对核燃料有良好的相容性，通常用于核相关的领域。

铂、银和金也是可以用于激光焊接的，但由于具有高反射率和导热性，因此焊缝熔深较浅。它们具有良好的耐腐蚀性和导电性，主要用于航空航天、电子和军工领域的特殊场合。

气密密封对于材料的稳定性和一致性要求较高，谨慎地选择封装材料可保证高质量、无裂纹的气密密封焊缝。

7镀层选择

许多气密封装采用电镀来提高耐腐蚀性、可焊性，或更好地吸收激光能量。镍和金是最常见的电镀材料。镍单独使用，或者作为金、锡的底镀层。镀镍可以分为电镀镍和化学镀镍，化学镀镍含有磷，它会在焊缝内产生金属间化合物，导致气孔和开裂，应尽量避免。镀金的可伐合金封装焊接性能良好，只要用电镀镍做底镀层即可。铜可以用镀镍打底，因为镀镍层具有更高的激光能量吸收率，可以解决其反射率高的问题。锡和锌熔点低，焊接会导致焊缝气孔，所以镀锡和镀锌不能应用在气密封装上。

其他电镀添加剂，例如有机光亮剂也可能会导致焊接问题，焊接时有机光亮剂受热蒸发，会在焊缝中产生气孔，所以不含有机光亮剂的哑光面最适合提高激光焊接性能。

如果使用的镀层影响了激光封焊的性能，则需要在电镀之前屏蔽焊接区域或在焊接前加工掉电镀层。总之需要在产品最终设计定型之前对组件进行试验，并在实际生产过程中加强对镀层的管控。

8焊接工艺

在激光封焊之前，一般都需要将零件放入真空烘箱中以去除水分，通常需要在125℃下烘烤8~24小时，所以烘箱的容积需要和激光封焊的生产效率提前进行匹配。当烘烤完成时，将烘箱内充满惰性气体以平衡内外压差，将零件转移到手套箱主箱体中，进一步组装或立即进行激光焊接。

将零件装夹在焊接夹具中，并根据产品启动相应的焊接程序。夹具可以是一个矩阵，以便容纳多组零件，提高焊接效率。在进行缝焊之前，复杂的零件通常需要进行点焊，将盖板固定到位。焊接周期可以持续几秒钟到几分钟，具体取决于焊缝的长度和焊接的零件数量。

焊接工艺设计，还要根据盖板和壳体的材料熔点、厚度、镀层、焊缝大小等确定使用的激光光斑大小，根据散热能力和材料反射率，确定光斑的偏向比例，一般光斑覆盖焊缝后要偏向散热性好、反射率高的材料，从而使两种材料达到热平衡，保证良好的焊接效果。

焊接后，将零件从手套箱中通过过渡舱取出，一般立即进行气密性检验。

9总结

气密封装激光焊接技术设计一般都依赖于实际经验的不断积累，设计人员在进行产品设计时，要根据不同的产品要求来选择不同的材料和镀层，并确定连接结构，充分发挥出激光焊接的速度、可靠性和灵活性等优势。

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