镍镀层对微波组件用铝合金壳体激光焊接的影响

陈 杰，文玉兰



镍镀层对微波组件用铝合金壳体激光焊接的影响

陈 杰，文玉兰

（成都亚光电子股份有限公司 微波电路与系统研究所，四川 成都 610051）

研究了镍镀层对铝合金壳体激光焊接工艺的影响。采用不同的焊接参数和不同的镀镍类型分析了镍对铝合金的激光焊接影响；然后通过X-ray荧光厚度测试仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、切片分析及显微硬度等手段对镀镍铝合金壳体激光焊接的焊缝形貌、焊缝与基体的硬度变化进行了分析。研究结果表明，在合适的焊接参数下，镀镍的铝合金壳体可以实现激光焊接。不同类型的镍镀层对激光焊接影响不同，电镀氨基磺酸镍和磷质量分数小于10%的化学镍对铝合金壳体激光焊接影响较小，均可实现激光焊接。而镍镀层中磷质量分数大于10%易使焊缝产生裂纹、气孔等缺陷，影响铝合金壳体的密封性能。金相分析也显示，镀镍铝壳体的焊缝熔深大于0.5 mm，焊缝形貌致密，内部无裂纹等缺陷。显微硬度结果显示，硬度沿着热影响区方向由大逐渐变小，说明镍元素对焊缝的强度起到了增强作用。可靠性验证结果显示，在温湿度和机械应力作用下，电镀镍和化学镍(磷质量分数小于10%)样品的密封性能无恶化。

铝合金；激光焊接；镀镍；热影响区；显微硬度；微波组件

铝及铝合金广泛应用于工业领域，但是铝合金导热系数大，热膨胀系数大，因此铝合金焊接需要更高的焊接热输入，同时铝合金材料更易变形。激光束光斑直径小，能量密度高，可以精确控制焊接热输入，焊接线能量小，激光焊接变形和残余应力均很小。随着低成本、高效率、高光束质量的大功率光纤激光出现，为激光焊接技术在铝合金材料的应用带来新的发展契机。铝合金在微波组件中应用较为普遍，且多采用激光封焊[1-3]。

铝的激光焊接作为一项较为新颖的焊接技术，在工业生产中的应用范围逐渐扩大，但是目前仍然有许多难题需要深入研究。近年来，Atabaki等[4]研究了在激光自动焊中的焊接缺陷控制，通过调整激光功率与光斑移动速度，发现10 mm/s移动速度和2.5 kW激光功率有助于熔融铝中气泡的溢出，也有助于减小铝凝固过程中产生的缺陷，保护气氛可以是氦气，或者含有微量氧和NO的氩气。Yang等[5-7]研究了不同牌号的薄铝在T型焊接过程中，激光光斑位置、入射角度、光束大小对焊接质量的影响。

由于铝合金质地较软，不耐磨，易形成划痕，破坏表面钝化层。以上研究都是关于铝合金的焊接，铝合金在电镀了保护层的条件下进行激光焊接，还未见有深入的研究报道。

镍作为一种表面处理材料，质地坚硬且耐磨，既可对铝合金壳体的外观起到一定的保护作用，还可提高其防腐性能，同时也时常被用于焊接材料[8]。为此，本文主要研究了镍镀层对铝合金腔体的激光焊接性能，并对焊接密封效果、焊缝形貌、焊缝硬度及工程应用时焊接的可靠性进行了分析与讨论，为镀镍铝腔体的实际应用奠定基础。

1 实验

1.1 样品制备

样品腔体材料采用AL6061，盖板材料选择AL4047，体积大小选择20 mm×20 mm×6 mm，内腔体积约为2000 mm3。镀涂方式分为两种，电镀Ni和化学镀Ni-P。盖板采用下沉式装配方式，见图1。

图1 盖板装配示意图

1.2 设备与仪器

封焊设备为JK450激光站，激光类型为Nd:YIG，波长为1064 nm。利用光学显微镜检查焊缝焊接效果，利用INFICON UL-1000质谱仪检测样品的焊接密封效果；利用JSM-6490LV扫描电子显微镜(SEM)、EDAX-Genesis能谱分析仪(EDS)观察分析镀层形貌及成分；利用Fischer XDLM-C4型荧光测厚仪测量镀层厚度，利用Wolpert Wilson InstrumentsTM401 MVD显微硬度计测试样品焊缝的硬度。

1.3 可靠性验证

为了验证镀镍铝合金壳体的激光封焊密封工艺的可靠性，通过温度循环施加温度应力，通过机械冲击施加机械应力，通过盐雾实验施加湿度应力，具体实验条件见表1。

表1 环境应力实验项目

Tab.1 Environmental stress test items

2 结果与分析

2.1 影响镀镍壳体激光焊接的因素

铝合金具有较高的反射率，对激光的吸收能力弱。根据波长与吸收率的关系，波长越短，吸收率越高。为提高腔体的耐磨性和绝缘子的焊接能力，在微波器件中，常对封装壳体进行镀镍处理。壳体的激光焊接的焊接参数、表面状况及镀镍方式都是影响焊接的关键因素。高反射率的表面条件不利于获得良好的焊接质量。

2.1.1 工艺参数

在实验经验基础上和激光焊接原理的相关理论知识的指导下，对影响焊接质量的激光频率、步进速度、脉冲强度和脉冲宽度等参数进行了实验。样品裂纹的形貌如图2所示。

图2 样品的裂纹形貌

图3给出了焊接裂纹数量与激光频率、脉冲宽度、脉冲幅度及步进速度的关系曲线。从图3可以看出，焊接裂纹的数量随着激光频率的升高而降低，呈反比关系；与脉冲宽度呈二次函数关系，存在一个拐点值；与脉冲幅度呈指数关系，在频率和脉冲宽度一定时，减小脉冲幅度有利于改善焊接效果；与步进速度呈正比关系，即步进速度越大，焊接裂纹出现的概率就越高。

图3 焊接裂纹数量与激光频率、脉冲宽度、脉冲幅度及步进速度的关系曲线

2.1.2 镀镍类型

为了对工艺稳定性进行验证，现选择20只电镀镍样品和7只化学镀镍样品，其中电镀镍样品镍层平均厚度为6.5 μm；化学镀镍样品镍镀层平均厚度为6.2 μm。焊接总能量为7.13 J，步进速度240 mm/min。激光焊接后，在100倍显微镜下观察焊接效果，并按照GJB548B—2005方法1014.2进行密封性能检测。

100倍显微镜下观察结果显示，电镀镍样品和低磷含量化学镍样品的焊缝均无裂纹、气孔等焊接缺陷，高磷含量化学镍样品的焊缝存在微小的气孔，同时，伴有少量横向裂纹存在。密封检测结果如图4所示。从图4可以看出，电镀镍样品和低磷含量化学镍样品的密封漏率均小于10–9Pa·m3/s，高磷含量化学镍样品大于10–8Pa·m3/s。这是由于激光焊接时，产生的焊接热使镀层中的磷和部分生化增光剂瞬间气化，在焊缝处形成裂缝和气孔等焊接缺陷，从而严重影响焊缝质量。因此，采用化学镍进行铝合金表面处理时，镀层中磷含量是激光封焊重点控制因素，且磷质量分数必须控制在10%以内。

图4 不同镀镍方式气密性检测结果对比

Sakai等[9]利用在材料表面进行化学镀镍处理的方法来防止裂纹的产生，指出对于1100和5052材料，当表面镀Ni-P层厚度为2~8 μm时，抗裂性最好,接头气密性可达10–10Pa·m3/s。国内研究表明[10]，在磷质量分数低于10%的情况下，采用50 μm以下的镀层均可收到良好的焊接效果。

2.2 焊缝形貌分析

按照确定的焊接参数制作样品，并对镀镍铝合金腔体焊缝的表面及剖面做金相分析。图5为焊缝的100倍SEM切面照片。从图中可以看出，焊缝的最大熔深0.6 mm，且焊缝内部无气孔、空洞等缺陷。

图5 焊缝截面的形貌

由于铝合金对激光的反射率高，因此激光有较高的能量损失[11]。但是通过在铝合金表面镀镍，可以改善壳体表面对激光能量的吸收。根据Al-Ni二元相图杠杆原理预测可知，Ni和Al可以产生强烈的放热反应，在熔化反应过程中放出大量的热量，既可以提高熔池的温度，也可以提高熔池与基体的结合，从而达到了改善焊接质量的目的。

焊缝组织是腔体与盖板熔合后所形成的急冷组织。由于熔池的体积小，周围又被冷金属所包围，所以熔池的冷却速度较大并且熔池的周围与边缘存在较大的温度梯度。焊接接头中沿着温度降低的方向依次为焊缝区、熔合区、热影响区和基材区。焊缝中不同区域的组织如图6所示。

（a）焊缝区；（b）熔合区；（c）热影响区；（d）基材区

在激光焊接过程中熔池的凝固过程为快速凝固，存在着强烈的定向热流和温度梯度，晶体以胞状生长，得到柱状晶。由图6可以看出，靠近基体处组织细小，沿焊缝散热方向为典型的柱状组织，且柱状组织中存在着集束式的针状亚结构，即每个晶粒由一束相互平行的针状晶组成。不同的晶粒之间针状晶位向不尽相同，而在同一晶粒内针状晶必定具有相同的位向。这说明它们在结晶过程中具有择优取向性。根据Al-Ni二元相图可知，这些柱状晶可能为Ni3Al合金相，且越靠近熔池表面区域组织越细小。

从图6进一步观察发现，在枝晶间有大量的初晶Si存在，这些初晶Si由原来的片状生长方式改变为细小的珊瑚状，虽然Si是与铝有共晶反应的合金元素，根据相图可知，铝硅合金形成过共晶组织。硅以片状先结晶析出，剩余的硅与铝以伪共晶或共晶的方式析出。

这种组织虽然不易产生裂纹和其他缺陷，但在凝固的过程中具有比一般凝固方式高得多的过冷度和非常快的凝固速度，在这种条件下，由于激冷变质的作用改变了Si的小晶面结晶的生长方式，成为各向同性的纤维状生长，而很大的过冷度又促进其纤维密集分枝[12]，并形成Ni3Si金属间化合物。

2.3 显微硬度

图7为镀镍铝合金壳体激光焊接后焊缝剖面的显微硬度分布曲线。从图7可以看出，焊缝的显微硬度为HV0.2 230~260，基体为HV0.2 50~60。焊缝的显微硬度为基体硬度的4~5倍，且沿着焊缝区、熔合区、热影响区和基体区的方向，显微硬度相应降低，直至达到基体的硬度。在焊缝处显微硬度明显高于基体处，这主要是由于在焊缝处形成了镍铝合金相。这说明镍元素与铝形成的细小晶粒可以增强焊缝的硬度。

图7 焊缝显微硬度曲线

2.4 可靠性验证

为了验证镀镍铝合金壳体激光封焊的可靠性，按已确定的焊接参数制作8只电镀镍样品和8只化学镀镍样品，并按照密封—温度循环—机械冲击—盐雾—密封的实验流程进行了一系列可靠性实验。

光学显微镜观察，实验后电镀镍和化学镍样品的焊缝完整，无裂纹，基体未产生形变，但是化学镀镍样品壳体表面出现了局部点蚀的现象。这可能是由于沉积工艺不同，化学镀镍结构中结晶粗大，电镀镍镀层的结晶细腻致密，使化学镀镍在抗蚀性方面不具优势。

从表2实验前后密封测试结果显示，电镀镍与化学镀镍，实验后的密封性能未出现恶化，相反密封性能还有所提高，尤其是电镀镍样品变化更明显。

表2 实验前后不同镀镍方式的壳体密封漏率对比

Tab.2 Comparison of seal leak rates of different nickel-plated packages before and after the test

3 结论

实验结果表明，在合适的工艺参数下，镀镍铝合金壳体可以采用激光封焊工艺进行焊接，达到密封效果，且密封等级可满足气密要求。

镀镍方式对镀镍壳体的密封性能有一定的影响。磷质量分数在10%以内的化学镍，其激光焊接后的密封性能与电镀镍基本没有差异。但是当磷质量分数超过10%以上的化学镍，在激光焊接时，易产生裂纹、气孔等缺陷，从而影响壳体的密封性能。

镀镍壳体激光封焊后，焊缝熔深平均深度均大于0.5 mm，焊缝形貌致密，无空洞、裂纹等缺陷，焊缝与腔体及焊缝与盖板之间的金相组织由细小晶粒逐步变成柱状晶粒。显微硬度的测试结果显示，与基体相比，焊缝的显微硬度明显增大。这说明镍元素与铝形成的细小的晶粒可以强化焊缝的硬度。

可靠性验证结果也显示，不论是电镀镍还是化学镍样品，在温湿度和机械应力作用下，密封性能没有发生恶化现象，仍满足GJB548B—2005相关要求。

尽管铝合金壳体镀镍后可以进行激光焊接，但是在实验过程中，化学镀镍样品表面的局部点蚀对焊缝长期可靠性是否有影响，尚不清楚。另外，电镀镍样品在实验后反而比实验前密封效果有明显改善现象，目前还无法给出合理的解释。这些问题都还需要进一步研究。

[1] 王宜君, 禹胜林, 崔殿亨. 微波功率开关电路模块的激光焊接密封技术 [J]. 电子与封装, 2002, 2(2): 19-22.

[2] 李殿凯, 袁晓敏. 预置焊粉激光焊接铝合金组织观察 [J]. 焊接技术, 2006, 35(5): 15-16.

[3] HU B, RICHARDSON I M. Mechanism and possible solution for transverse solidification cracking in laser welding of high strength aluminum alloys [J]. Mater Sci Eng A, 2006, 429: 287-294.

[4] ATABAKI M M, YAZDIAN N, KOVACEVIC R. Partial penetration laser-based welding of aluminum alloy(AA 5083-H32) [J]. Optik-Int J Light Electron Opt, 2016, 127(16): 6782-6804.

[5] YANG Z B, TAO W, LI L Q, et al. Double-sided laserbeam welded T-joints for aluminum aircraft fuselage panels: process, microstructure, and mechanical properties [J]. Mater Des, 2012, 33: 652-658.

[6] VISCUSIA A, LEITÃB C, RODRIGUESC D M, et al. Laser beam welded joints of dissimilar heat treatable aluminium alloys [J]. J Mater Proc Technol, 2016, 236: 48-55.

[7] ENZ J, KHOMENKO V, RIEKEHR S, et al. Single-sided laser beam welding of a dissimilar AA2024-AA7050 T-joint [J]. Mater Des, 2015, 76: 110-116.

[8] 陈杰, 马丽丽. 微波组件用镀镍壳体的烧结性能研究 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(4): 64-68.

[9] SAKAI T, OKAINOTO S, LIKAWA T, et al. A new laser hermetic sealing technique for aluminum package [J]. IEEE Trans Compon Hybrid Manuf Technol, 1987, 10(3): 433-436.

[10] 谢飞, 李维佳, 高能武. 铝腔体的激光密封焊接工艺 [J]. 焊接, 2000(9): 13-16.

[11] 张赵林, 程兆谷, 雒江涛, 等. 激光焊接铝合金的研究 [J]. 中国激光, 1998, 25(5): 477- 480.

[12] 程天一. 热压反应烧结NiAl金属间化合物的初步研究 [J]. 材料研究学报, 1994, 8(5): 442-444.

（编辑：陈渝生）

Effect of nickel-plating on laser welding of aluminum packages for microwave module

CHEN Jie, WEN Yulan

(Chengdu Yaguang Electronics Co., Ltd, Chengdu 610051, China)

The effect of nickel-plating on laser welding process of aluminum packages was studied. The laser welding of nickel-plating aluminum alloy was characterized by analyzing different welding parameters and different types of nickel-plates. Then by X-ray fluorescence thickness tester, optical microscope, scanning electron microscope, micro-section and micro-hardness, the weld morphology of nickel-plated aluminum alloy packages and the change of micro-hardness from the weld to the matrix were analyzed. The results show that, under appropriate welding parameters, nickel-plated aluminum packages could achieve laser welding. Different types of nickel plating have different effect on the laser welding. Electroplated nickel aminosulfamate and electroless NiP ((P)<10%) produce little effects on the laser welding and the laser welding is feasible. The electroless NiP ((P)>10%) is easy to produce cracks, holes and other defects, affecting the sealing performance of aluminum package. Metallographic analysis also shows that the weld penetration of nickel-plated aluminum is greater than 0.5mm and the microstructure is compact and there is no internal cracks and other defects. The micro-hardness results show that the hardness becomes smaller along the direction of the heat-affected zone, indicating that the nickel element plays the role of welding gap strength enhancement. At the same time, the reliability of validation results also show that the sealing performances of both nickel and electroless nickel plating samples do not change under the impact of temperature and humidity and mechanical stress.

aluminum alloy; laser welding; nickel plating; heat-affected zone; micro-hardness; microwave module

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.012

TN605

A

1001-2028（2017）11-0068-05

2017-09-04

陈杰

陈杰（1982－），男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事微波器件/组件微组装技术及可靠性研究，E-mail: chen_jie88@163.com 。

2017-11-02 15:47

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1547.013.html