精密器件金属壳体的热铟压封设备和工艺

精密器件金属壳体的热铟压封设备和工艺

黑雯静

河北工程大学05600

【摘要】金属壳体常用于精密器件封装，铟材料由于其熔点低等特点广泛应用于非匹配真空密封接，铟封技术对提高腔体密封性非常重要。随着铟封技术在航空航天领域广泛应用，对压封设备自动化程度等方面要求不断提高，目前市场性能较好的压封装备结构复杂，难以在科研单位普及。研究介绍精密器件壳体铟封工艺，研制自动压封壳体铟封设备，研制自动热铟压封设备应用于实际生产，具有较高封接精度。

【关键词】精密器件；金属壳体；热铟压封工艺设备

   精密器件是惯性导航系统核心元件，为使精密器件保持较高精度需进行密封处理，采用橡胶圈密封有利于精密器件壳体拆卸返修，激光焊密封具有较高可靠性，近年来兴起的热压铟封接方法具有便于壳体拆卸特点，是具有前景的精密器件密封方法。铟是常用于器件封装的稀有金属，在低温下可保持良好金属延展性。热压铟封中要严格控制温度等参数，保证封接质量。目前许多精密器件客体热压铟封接依赖人工操作，某些热压封接工序成败依赖于操作员技术水平，导致不同操作员生产产品一致性差。产品合格率较低占用生产线资源，迫切需要研制自动化精密装备。

1. 精密器件壳体热铟压封工艺

   微电子技术发展使得电子元件向多功能化发展，金属壳体是为精密器件提供支撑的关键组件，封装技术决定功能模块的尺寸性能等【1】。目前金属壳体封装方法包括活性金属法等，铟封具有可塑性好等特点，随着自动化技术的发展，自动化设备代替人工作业提高产品质量，精密器件产品封装多由人工完成，人工装配精度难以保证，设计搭建自动化铟封设备非常重要，设计铟封设备需要了解铟封技术工艺。

   铟是银白色稀有金属，铟封技术根据压封温度分为冷热铟封，冷铟压封设备结构复杂，热铟压封技术可获得均匀性好的封接腔体。热铟压封技术利用铟合金熔点低等特点对铟封材料加热进行真空密封封接，铟熔化下难以控制封接状态，热铟风将铟封材料加热至熔点实现腔体气密封接，主要步骤包括封接面预处理与热铟压封。热铟封封接具有度低等特点，精密仪器广泛应用于国防工业等领域，封装工艺是决定精密器件客体可靠性的重要指标，工艺优化是采用ANSY软件对封接结构温度场模拟拟定工艺曲线对壳体封接。精密器件壳体包括壳体与底板部分，壳体铟封通过上壳体平檐施加压封力，底板通过金属铟作为中间层封接成密闭腔室【2】。设计上热压头根据壳体外形设计，下加热块放置在底板提高压封效率。精密器件铟封接压力优化通过模拟铟环变形得到封接质量优良壳体封接件。

2. 精密器件壳体热铟压封设备设计

精密器件壳体压封设备采用结构模块化法，将设备分为不同功能模块，满足设备功能要求，大幅度缩短产品设计周期【3】。采用SOLIDWORKS软件对设备结构模拟，研制具备温度与位移检测系统壳体压封设备。设备主体结构包括伺服电机、线性光栅，下温控装置等，导向轴为导向与框架结构，具有较好的抗偏载能力。设备主要控制性能指标包括上温控制装置位移等，要求使用软件控制热压封接过程，控制软件可实时显示温度等工艺参数。

                  图1 壳体自动压封设备

控制系统采用软硬件结合方法，控制系统硬件包括可控硅移相触发器、二位五通电磁阀、线性光栅等。温控器可独立控制上下温控装置温度，压封力由多功能数据采集卡与运动控制卡联合控制。热压装置是实现壳体加热功能的关键结构，主要包括设备机身框架及加热装置等。热压装置实现精密器件壳体中底板采用铟材料为封接，移动横梁通过直线轴承与导向轴配合，提供铟封所需压封力【4】。热压铟封控制系统中不同硬件需要不同的电源电压，有的需要交流电压，空气开关后放置滤波器，需要对伺服驱动器电压进行滤波，KM1为KM2低压控制电路，为降噪使用电压转换模块DC24V为信号放大器电源，KM2接通使后面电路形成闭合回路。开关集中组成按钮盒，将按钮盒放在触手可及地方方便控制电路通断。

热压封接控制系统开发软件环境为LabVIEW，内置包括串口通讯等函数库，大大提高软件设计灵活性，利用开发环境进行热压封接控制系统软件设计，提高热压封接自动化控制水平。精密器件壳体热压封接控制采用生产者-消费者设计模式，生产者循环结构过滤人机交互界面各布尔控件值，生产者循环结构中事件结构与控件对应事件分支响应，将耗时长的任务通过队列交给消费者循环结构执行，不影响人机交互界面其他布尔控件事件驱动，分离出的程序与主控程序通过局部变量实现数据传递共享。软件实时显示上热压头温度等参数，软件具备数据存储功能，壳体热压封接后讲缓存数据写入指定文件中。

3. 精密器件壳体铟封设备实验

  精密器件壳体内T形板为对温度敏感零件，精密器件要求壳体封接件经受恶劣环境考验，对壳体自动化批量压封前对关键部件温度监控，考察壳体封接是否合格。通过数值模拟得到壳体压封工艺参数，将底板放置在下加热块，上壳体放在底板上方相应位置，上热压头对封接件进行预压加热，上热压头施加工艺压封力完成热铟压封。壳体压封依照制定工艺曲线进行，采用压封设备按拟定工艺曲线对壳体封接，得到密封性良好的封接件。

   为测试热压封接控制系统对工艺参数控制精度是否满足要求，进行实际壳体热压铟封接实验。热压封接中上下温控装置影响铟环状态，热压封接中需保证上下温控装置与壳体接触表面具有良好温度稳定性，使用专业温度测量仪测量上热芽头温度，采用接触式探头测量范围为-200~+800℃，上下温控装置选取3点为温度测量点，选取点可反映加热表面温度情况。通过软件补偿后上下温控装置温度控制精度提高，温度传感器附近测量点测得温度误差较小，可通过在上下温控装置安装传感器减小误差。采用加热法对铟封壳体拆卸，壳体拆卸在不影响T形板下对壳体加热使铟环熔化。精密器件壳体拆卸实验装置结构设计采用SOLIDWORKS软件辅助完成，实验装置结构由感应加热设备等组成。超高频感应加热设备功率为3.7-5.2kW，T形板在拆卸中心温度约为50-70℃，可根据实验结果设定感应加热功率。

结语

  精密器件封接质量是保证航空产品性能的重要指标，本文研制自动控制温度的壳体压封设备，使得壳体封接密封性满足相关要求，搭建壳体拆卸实验装置。在精密器件不会因热效应影响下提高铟环封温度，得到密封性更好的封接质量。研制精密器件壳体自动压封设备结构，热压装置包括机身框架等，实现压封温度自动控制。精密器件壳体拆卸实验装置采用超高频感应加热设备，通过加热上壳体作为热源加热铟材料至熔点。研制壳体压封设备投入生产，搭建壳体拆卸实验装置实现精密器件无损返修维护。

参考文献

[1]李洋,崔鑫,赵怡,郭东亮,王元军. 大型圆锥形整体薄壁壳体的精密数控加工工艺研究[J]. 制造技术与机床,2022,(03):119-122.

[2]蓝晓瑞,武顺领,李金吾,袁创兴,李祥明. 一种通过电铸与精密机加工工艺制成的微薄型金属器件[P]. 广东省：CN111791026A,2020-10-20.

[3]陈晓艺. 精密器件热压铟封接控制系统研究[D].大连理工大学,2019.

[4]于小丽. 精密器件金属壳体热铟压封设备与工艺研究[D].大连理工大学,2019.