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李进波1，王修科2 （1.河南工学院 汽车工程系，河南 新乡 453003；2.新乡市美林科技股份有限公司，河南 新乡 453733） 摘 要：为了有效提高H96铜合金异形波导组件的焊接质量，保证波导的驻波比和阻抗匹配等参数，提高天线的辐射功率，需要对波导组件生产过程中的焊接设备工装、工艺参数、操作规程等相关因素进行有效控制。编制提出了切实可行的规章制度，包括焊前与焊后的清洗工艺、退火工艺、焊接规程等四个方面的指导要求，规范了相关过程的操作时间、温度范围和工艺流程，制作了用于生产、校验的专用工装。经过测试，波导管和波导组件的批量合格率大幅上升，生产计划和效率得以有效保障。 关键词：H96铜合金；波导组件；焊接质量；退火工艺；特殊工艺；专用工装 1 引言H96铜合金（Cu含量96%，Zn含量3.2%）作为铜-锌二元合金（又称普通黄铜）中铜含量最高的一种，强度较其余黄铜最低，但比紫铜（Cu含量大于99.5%）高，具有良好的导电、导热性能，质地坚硬，不易腐蚀，且耐高温、耐塑性良好，易于在冷、热压力下进行加工、焊接、锻造和镀锡操作[1]。 某型号（以下记为A型号）异形波导组件作为某军用通信产品中的重要零部件，材质采用H96铜合金。该产品的结构复杂，加工、检验、调试的难度较大，在试加工时往往出现在结构尺寸、焊接强度、应力大开裂等方面的不合格问题[2]。为此，参考GB/T8894-2014《铜及铜合金波导管》[3]和SJ2337-1983《矩形硬波导组件总技术条件》[4]等标准，结合生产实际情况，在波导组件生产中对影响焊接质量的人、机、料、法、环因素（又称4M1E）进行了仔细分析并加以重点控制，采用适宜的方法满足军方对产品可靠性、环境适应性、一致性的要求，保证连续、稳定、经济地生产出顾客满意的优质产品[5]。 针对H96异形波导组件焊接这一特殊过程，在“法”（指影响生产过程的指导书、规程、流程等工艺方法）方面经过多次试验，基于相关国家标准，细化了包括焊前与焊后清洗工艺、退火工艺、焊接指导工艺等在内的切实可行的特殊工艺；在“机”（泛指影响生产过程能力的机器、工装夹模具等设备）方面，制作了焊接与校验的专用工装[5]；最后通过对焊接质量的评定，验证了提出的工艺规程的有效性[8]。 2 焊前清洗工艺控制要求基于H96铜合金的A型号波导组件，如图1所示。在焊前进行的清洗工作主要包括除油、除锈、钝化等步骤，具体的流程，如图2所示。  图1 A型号波导组件产品  图2 焊前清洗工艺流程 2.1 除油 去除零件表面油污，避免热处理时高温产生的油脂的不完全燃烧导致产生附着在表面上的黑膜，避免焊接时表面油污不清洁导致虚焊甚至焊接失败。 将零件放在10%氢氧化钠溶液中煮沸（6～8）min至去尽油污后，用清水冲洗干净（油污较多时，可先用汽油清洗掉大部分油污，再用氢氧化钠溶液处理）。 2.2 除锈 将零件浸入常温的10%盐酸溶液中（8～10）min，如氧化层较厚不易去除，可用50%混合酸（硫酸和硝酸1：1混合）溶液浸泡零件（4～10）s（时间过长可能造成零件壁厚变薄），然后在流动的清水中冲洗洁净。 2.3 钝化 除去氧化层后进行钝化操作是为了防止表面再次出现氧化膜，具体在（20～30）%的铬酐中浸泡（1～3）min钝化，然后在流动的清水中冲洗洁净。 2.4 烘干 将清理后的A型波导组件放入烘箱中烘干，温度设置为150℃，烘干时间约为60min。对于其它类型波导组件，可根据零件大小将烘箱温度按照（80～200）℃设置，薄壁小件应采用较低温度，较大的零件可适当提高温度。 2.5 检验 处理后的零件应由专业检验人员肉眼实施目视，膜层应均匀完整、光泽一致，光滑、清洁，不应有裂纹、起皮、凹坑、划伤、夹杂，随后置于洁净处保存。 3 焊后清洗工艺控制要求焊后清洗工艺旨在去除铜合金零件焊接时的焊剂、焊剂残渣和氧化物，防止焊剂腐蚀零件表面，具体流程，如图3所示。  图3 焊后清洗工艺流程 3.1 酸洗与流水洗 波导管和波导组件（焊上法兰盘后）在焊后置于浓度为10%的柠檬酸溶液中，煮（10～20）min，直至焊剂完全融于水中；然后，再在流动清水中洗刷干净，再放入开水中煮（1～1.5）h，随后用流动清水洗刷干净。 3.2 烘干 将清理后的零件放入烘箱中烘干，温度设置为80℃，烘干时间为20分钟。也可采用自然晾干方式对零件进行处理。 3.3 检验 烘干或晾干后的波导组件由专业检验人员实施检验，波导膜层应均匀完整、光泽一致，焊缝光滑，无气孔、夹渣、未焊透、裂缝或溶蚀等缺陷。 必要时，可以采用超声无损伤探测仪进行检查。 4 H96铜合金退火工艺要求焊接操作是对工件进行的一个不均匀加热的过程，在工件局部较容易出现偏析现象，冷却后在工件内部又易产生残余应力，影响到工件的机械强度和尺寸精度，降低工件的使用寿命。因此，需要对焊接后的产品采取有效措施减小残余应力，恢复工件塑形。 退火处理是降低或消除残余应力的有效手段和关键过程，其可以改变残余应力的性质和大小，有效提高工件的抗疲劳性能[6-7]。 4.1 退火准备工作 铜合金材料和零件在退火前，应保证表面质量，察看机械划伤、变形等缺陷，将工件和所用夹具表面的润滑脂、油污、氧化物和锈蚀物清理干净，采用套箱密封保护或置于石棉板上放入退火炉中。 4.2 退火流程 考虑到于H96铜合金的凝固温度范围较窄、偏析程度较小[1]，常用的退火处理主要采用再结晶退火和低温退火两种方式。再结晶退火，又名软化退化，将工件提高塑性，便于成形加工；低温退火主要为了消除残余应力，防止开裂，稳定产品尺寸[6-7]。 完整的A型波导管的退火处理可在再结晶退火结束后补充一定时间的低温退火操作，以充分消除冷、热加工后的残余应力。 4.3 退火参数 利用相关测试设备，通过多次实验，得到了H96铜合金的抗拉强度性能与延伸率随退火温度的变化关系（测试样品为50%变形的2mm板材，退火时间1h），如图4所示。  图4 H96铜合金的力学性能与退火温度的关系 结合上述实验结果和实际生产经验，确定了再结晶退火与低温退火过程需要控制的温度、时间以及冷却方式[1]，具体参数，如表1所示。 表1 H96铜合金再结晶与低温退火参数  参数 再结晶退火 低温退火退火目的 恢复塑性 消除应力加热温度 （480～520）℃ （270～300）℃保温时间 （1.5～2）h （2～3）h冷却方式 空冷/随炉空冷 空冷 4.4 检验 退火后零件表面应清洁光滑，不存在氧化层及由于油脂不完全燃烧而附着在零件表面上的黑膜，允许存在轻微的不发黑的氧化色。零件尺寸应符合图纸、工艺要求，不许有变形超差和影响精度的机械划伤[8]。 5 波导组件焊接工艺规程要求5.1 波导组件工装 为了确保波导管与组件的结构尺寸符合既定规范要求，制作了一组尺寸定位校验工装，如图5所示。两组焊接校验工装，如图6所示。  图5 波导组件尺寸定位工装与产品3D图  图6 波导管校正工装 5.2 波导组件焊接要点 选择适当牌号的焊丝，完好的焊接设备，确定焊接参数。工作环境适宜。 在焊接之前，由钳工对法兰盘的焊缝间隙进行修配，保证单边（0.05～0.08）mm。 焊法兰盘时，法兰面要贴紧法兰焊接工装平面，以保证两法兰盘的位置关系和与波导管的垂直度。 焊件需要多次钎焊时，应每次钎焊前对钎焊部分重新清洗，并在24h内完成焊接。 焊后，零件保持静止状态，空冷，直到焊缝上的钎料凝固完毕方可移动，冷至100℃以下再进行残余钎料的清除。 对尚有加工余量或尺寸精度要求不高的零件，其钎焊缺陷用低温焊料补焊[8]。 6 焊接质量评定与验证波导组件焊接强度检验一般对首件进行熔接拉力试验，采用目视、锤击、触摸检测等方法。对大批量焊件持怀疑时，可抽20%的焊件做射线探伤，拍片鉴定。焊接质量合格后方可批量生产，以及其后的清洗与烘干等工序。按照新制定完善的焊接前、中、后新加工工艺，投入了4件A型波导组件进行生产。 6.1 质量检测 首先，按照《矩形硬波导组件总技术条件》[4]和相关设计文件对A型波导组件的结构尺寸进行测量。 由于A型异形波导组件的工作频段为（14.0～14.5）GHz，零件的粗糙度及结构尺寸精度直接影响到波导组件的驻波比和插损。驻波比是衡量波导组件质量的首要指标，设计文件规定电压驻波比应不大于1.15，采用标量网络分析仪和相应的配套附件装置使用替代法对电压驻波比进行测量；波导内腔以及法兰端面的粗糙度要求≤Ra1.6μm，零件外表面可通过基于放大镜的宏观比较检测实现，内腔可通过基于触针法的表面粗糙度测量仪进行评定[4]。 6.2 效果验证 对改良工艺后生产的4件A型波导组件与改良前的4件的相关参数数据进行对比，结果如表2所示。由表2可知，新工艺指导生产的组件焊接质量与性能均能够满足既定指标要求；即使加工时间在缩短20%的条件下，各项参数能够实现较原工艺的明显提高；在随后的60件批量生产过程中，波导组件合格率达到98.3%，产品的质量与可靠性得到了充分保证。 表2 新旧工艺波导组件部分数据对比  数据 新工艺下波导 旧工艺下波导结构尺寸合格率 98% 83%内腔粗糙度Ra 1.1μm 2.6μm电压驻波比 1.1061.148焊接与校正时间 2h 2.5h 7 总结提出了标准化的H96铜合金波导组件的生产工艺控制要求，通过加工工艺评审与产品鉴定，焊接前后清洗、退火工艺以及专用工装的设计是合理可行的，可指导未来波导组件的批量生产，也可为相似的铜合金工件的处理工艺提供一定参考[1、8]。 参考文献 ［1］田荣璋，王祝堂.铜合金及其加工手册［M］.长沙：中南大学出版社，2002：190-203.（Tian Rong-zhang，Wang Ju-tang.Copper Alloy and its Processing Manual［M］.Changsha：Central South University Press，2002：190-203.） ［2］樊兆宝，李金生，李伟.波导组件钎焊接头开裂原因分析［J］.焊接技术，2011，40（3）：45-49.（Fan Zhao-bao，Li Jin-sheng，Li Wei.Cracking analysis of brazing joints in waveguide assembly［J］.Welding Technology，2011，40（3）：45-49.） ［3］质检总局.GB/T8894-2014铜及铜合金波导管［S］.北京：中国标准出版社，2014.（AQSIQ.GB/T8894-2014Copper and copper alloy waveguide［S］.Beijing：China Standard Press，2014.） ［4］电子部.SJ2337-1983矩形硬波导组件总技术条件［S］.中国电子技术标准化研究所，1998.（Department of Electronics.SJ2337-1983Technical conditions rectangular hard waveguide components［S］.China Electronics Standardization Institute，1998.） ［5］靳致文.生产过程的监视和测量［J］.电子质量，2005（7）：43-44.（Jin Zhi-wen.The scrutiny and measure on production process［J］.Electronics Quality，2005（7）：43-44.） ［6］闫萍，王国庆，李均峰.焊接后后热处理对焊接残余应力的影响研究［J］.机械设计与制造，2009（3）：99-100.（Yan Ping，Wang Guo-qing，Li Jun-feng.The study of post heat treatment after welding effected on welding residual stresses［J］.Machinery Design&Manufacture，2009（3）：99-100.） ［7］任永臻，崔盼超.焊接残余应力的试验研究［J］.机械设计与制造，2012（11）：128-129.（Ren Yong-zhen，Cui Pan-chao.Experimental study on welding residual stress［J］.Machinery Design&Manufacture，2012（11）：128-129.） ［8］化工部.HGJ 223-1992铜及铜合金焊接及钎焊技术规程［S］.1992.（Ministry of Chemical Industry.HGJ 223-1992Copper and copper alloy welding and brazing technical regulations［S］.1992.） Research on Welding Process Control of H96Waveguide Assembly LI Jin-bo1，WANG Xiu-ke2 Abstract：In order to improve the welding quality of shaped waveguide component in H96copper alloy and ensure the standing-wave ratio （SWR）together with the matched impedance parameters of the waveguide assembly，it is significant to implement efficient control of related factors in the production process，like welding equipment tooling，process parameters and operating procedures.This article is conceived to propose practical and efficient regulations，with the cleaning process before and after welding，annealing process and welding guidance included.It is normalized the operating time，temperature range and production procedures，and special tooling for manufacture and calibration are as well developed.The pass rate of waveguide and its components is proven to be significantly increased，consequently the production schedule and efficiency could be well guaranteed. Key Words：H96Copper Alloy；Wave Guide Assembly；Welding Quality；Annealing Process；Special Process；Special Tooling 中图分类号：TH16；TG454；TG457 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）10-0268-04 来稿日期：2017-04-26 基金项目：河南省高等学校重点科研项目（15A460014）（17A580005） 作者简介：李进波，（1967-），男，河南新乡人，本科，高级工程师，主要研究方向：机械电子产品和质量管理； 王修科，（1979-），男，河南新乡人，本科，工程师，主要研究方向：通信产品和机械加工 |
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