不同热膨胀材料配合引起翘起问题解决方案的探究

成年斌

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）

LED面板灯作为2003年做为其他用途的一个产品，直到2009年正式被封为一款高端大气上档次的室内照明灯具才出现在市场上。2014年是众所周知的LED爆发元年，众多产品销量因其带有的环保特性逐渐被大家认知，且一路畅销起来。随着LED面板灯技术的发展，其价格逐渐接近合理，从而满足大众的需求[1]。

侧发光面板灯是面板灯产品中重要的组成部分，它在市场上的定义就是高大上，然而高大上的产品，并不适合在市场上形成规模化的生产。只有降低成本才可能进一步扩大销量。近年LED侧发光产品的市场需求暴涨，在不失“高大上”的同时客户对品质的追求日益提高，对侧发光面板灯的性能要求也就日益增加。本文基于客户对面板灯产品日益增长的性能提升需求与追求成本降低之间的矛盾，针对结构配合中的翘起问题，建立分析模型，结合材料的热膨胀特性，分析其翘起原因，并提出解决方案，从而缓解这一对矛盾。

1 热膨胀

大多数物体都具有热胀冷缩的特性，日常生活中经常发生热胀冷缩的现象。金属是常见的材料，在生产生活中都具有重要的作用。日常生活中应用的金属通常是性质较为稳定的材料，具有良好的抗腐蚀性、坚固耐磨及抗压力强的优点。将金属制作成各种工具可以为人们的日常生活带来便利。而金属也存在热膨胀的特性，这一特性可能随着气温的变化显现出来，并影响日常的使用[2]。

热膨胀是物质世界普遍存在的一种物理现象，温度的变化在生产中随处可见，人们对材料热变形规律的认识也在不断发展，物理热效应引起的热膨胀占主导作用。材料的平均线膨胀系数并不能反映某温度下材料的真实热变形，一般采用瞬时线膨胀系数来表征材料在加热过程的物理相变行为。不同成分和组织金属材料的热膨胀系数是不同的，金属材料的化学成分影响其升温过程中的相转变临界点温度，进而影响其在温度变化过程中的总膨胀量[3]。

由于热变形是材料热物性在具体零件具体条件下的宏观反映，因此可按通常的热膨胀计算公式知识对材料变形规律进行计算。

线性热膨胀是与温度变化相应的试样单位长度变化，以ΔL/L表示（ΔL是测得的长度变化，L0是基准温度t0状态下的试样长度）。热膨胀常以百分率或百万分之几（10-6）表示。基准温度一般为20°C[4]。线性热膨胀系数am计算公式如下

其中，L2是温度t2下的试样长度，单位为mm；L1是温度t1下的试样长度，单位为mm；t2-t1反映的是t1与t2间的温度差，可以记为Δt；L2-L1反映的是在Δt下尺寸变化量，可记为ΔL。

于是式（1）也可以简写成

2 翘起问题的产生

秉承低成本战略进军规模化市场，减少6063铝框架重量是一个很不错的方向。随着行业的发展，铝框架型材的薄壁化已成为必然，而增加6063铝合金的强度是保证薄壁化的首要条件[5]。用测量的硬度来换算金属材料的抗拉强度，在实际应用中具有简便与迅速的优点。硬度试验是一种最为简便的力学性能测试手段，它不仅测试方法简单，操作容易，而且试验快捷，在实际工作中得到广泛的应用[6]。

面板灯产品属于大型的灯具，常规型号有3030、3060、30120、6060及60120。行业规格尺寸以cm为单位，如3030的尺寸为300 mm×300 mm，60120尺寸为600 mm×1 200 mm。

虽然通过铝型材生产工艺的优化，以时效的工艺增加框架的硬度与强度，从而获得薄壁化的铝型材，起到降低成本的目的。但是在大尺寸的情况下，存在变形翘起的问题很明显。这种变形翘起问题，无疑与客户追求高大上的品质要求相违背。

结合某公司客户提出60120侧发光面板灯产品，在点亮2 h后，产品的4个角出现翘起现象，翘起高度普遍为10～15 mm（约1个手指的高度），如图1所示。这种翘起问题将会导致安装在天花之后，会产生很大的安装缝隙，产品也会出现明显的变形，出现边沿漏光的现象，这种翘起严重影响产品美感与客户体验。

图1 翘起

3 翘起模型

3.1 波浪形变形

通过剖析翘起问题的侧发光60120面板灯产品，发现当将产品背后的螺丝全部卸下来之后，原本处于翘起状态的铝型材框架瞬间得到缓解，从原来翘起大于10 mm的高度降低至小于3 mm的高度，此时观察0.2 mm厚度的镀锌板背板，发现背板出现波浪形的变形，如图2所示。

图2 背板变形

3.2 弓状变形

LED侧发光面板灯的LED灯板是贴在铝框架内壁的。背板与铝型材框架是两种不同类型的金属材料，在该产品中利用自攻螺丝将其两者锁付并固定在一起。不同的材料有着不一样的热膨胀系数，在LED产品点亮时，LED灯产生的热量大部分传递至铝型材框架上，还有少部分通过紧密的锁付贴合传递至背板上。铝型材框架与镀锌板受热后，产生不一样的形变。作为发热源的LED灯板是呈条形状贴合在框架内壁上的，由于产品的长度远远大于框架，假设这种热形变就只发生在铝型材框架长边方向上，那可以近似地将铝型材框架和镀锌背板通过螺丝锁付贴合后，在受热状态下的热膨胀结构模型以弓状图表示出来，如图3所示。

图3 翘起模型

3.3 翘起模型建立

（1）镀锌背板。由于板厚只有0.2～0.3 mm，且材料为铁镀锌板，在标准20°C状态下，热膨胀率为12.3×10-6，可视之为一条弓上的弦。

（2）铝型材框架。主要材料为6063-T5的拉铝，热膨胀率为23.2×10-6，在标准20°C状态下，将近镀锌背板的两倍，在同样的受热情况下铝型材框架的型变量比镀锌背板要大，因此视之为弓。

（3）两种不同材料贴合。通过螺丝将两种不同的材料紧紧锁付贴合在一起，当PCB点亮时，不断散发热量，近似看成两者在同样的加温环境中。

（4）结构简化。由于产品受热区域的长边远远大于截面尺寸，近似地将立体成品结构简化成二维平面示意图。

（5）翘起计算。铝与铁两种金属材料，在20～100°C温度条件下，其热膨胀率可视为定值。采用式（2）计算翘起。

对材料变形规律进行计算可推演线性热膨胀与温度之间的变化关系。通过式（2）可得出材料形变量的公式，即

由于形变量ΔL＜＜L0，在计算翘起高度时可采用勾股定理对h进行近似计算。

4 再现翘起实验与翘起模型计算

4.1 再现翘起实验

在某公司的协助下，选择相应侧发光面板灯样品进行测试验证，实验数据汇总如表1所示

表1 侧发光面板灯样品测试数据

表1中获得实验数据的实验条件与工具分别为：1）持续点亮2 h后进行测试。2）利用温度测试仪器在每条边框架与背板测试4个温度点。3）利用卡尺与塞尺对翘起高度进行测试。

4.2 翘起模型计算

以70 W的60120侧发光面板灯产品为案例，铝框架与背板长度为L0=1 200 mm，6063-T5材质的铝型材的热膨胀率在20°C情况下为23.2×10-6，镀锌背板的热膨胀率在20°C情况下为12.3×10-6。点亮2 h后出现翘起现象，通过测试得出铝框架表面温度为45.67°C，镀锌背板表面温度为40.49°C，此时铝框架膨胀后尺寸为ΔL铝、镀锌背板膨胀后尺寸ΔL铁及翘起高度h分别为

同理计算50 W的60120侧发光面板灯在2 h点亮后的翘起高度为12.74 mm，50 W的6060侧发光面板灯在2 h点亮后的翘起高度为7.24 mm。

通过模型计算可知，计算值与实际测试值之间存在误差小于1.0 mm，计算值偏小于实际测试平均值。模型的导入，不能精准地将侧发光面板灯翘起高度计算出来，但却可以得到一个精度范围小于1.0 mm的近似值，该近似值对产品设计阶段翘起高度具有预测和评估意义。

5 解决翘起问题的螺丝锁付方案设计

基于上述分析可知，侧发光产品点亮过程中出现翘起的现象是因为框架和背板这两种不同热膨胀的金属材料通过螺丝紧紧锁付配合引起的。然而，目前通过螺丝锁付的固定方式是侧发光面板灯主流的使用方式。综合考虑成本与工艺能力，短期内难以做出其他大的结构变化。结合螺丝锁付功能与翘起的原因分析，本文提出一种新型的面板灯螺丝锁付配合的方式。

5.1 背板螺丝孔的设计方案

背板上的螺丝孔位设计成椭圆或者圆形的结构，最小直径为D，如图4所示。

5.2 螺丝的设计

螺丝是一个极低成本的配件，具有加工简单的特点。在螺帽与螺纹之间设计一个小台阶，小台阶高度为H，H略大于背板厚度，小台阶的直径大于螺纹d却小于螺孔D，螺帽尺寸设计也大于螺孔D，如图5所示。

图4 背板螺孔的尺寸设计

图5 螺丝的特殊设计

5.3 背析与铝框架的连接

通过螺孔与螺丝的特殊性设计，使得螺丝在纵向方向将产品完全锁付好，在横向方向上存在微小的位移空间，如图6所示。

由图6可知，该结构既能保证产品的可靠性，又能解决因框架和背板这两种不同热膨胀的金属材料通过螺丝紧紧锁付配合引起的翘起问题。

图6 方案示意

6 小结

侧发光面板灯产品在近年可以迅速规模化进入市场，关键点还是其价格逐渐让人们所接受。目前面板灯市场已经进入竞争白恶化时期，低成本战略是迅速扩张的有效战略。然而客户对面板灯的性能与品质需求也是日益增加的，这与低成本战略形成了鲜明的矛盾点。

铝框架占有面板灯产品成本的大部分，薄壁化框架是必然的趋势，而薄壁化同时也带来翘起等变形的品质问题。本文通过建立翘起模型分析与实验验证，明确了翘起的原因为框架和背板这两种不同热膨胀的金属材料通过螺丝紧紧锁付配合引起的。

有针对性地根据产品的结构，并结合翘起的原因分析，优化背板螺丝孔位及螺丝增加小台阶的设计，得以彻底解决面板灯产品翘起问题。既能保持客户满意度，又能为实现大幅度降成本方案提供了支持，从而在同行业竞争中取得更有利的优势。

本文中解决翘起问题的方案，已通过可行性验证，并且已在某公司全面推广应用。