王清

摘要 根据圆波导耦合器结构特点，通过铝钎焊拼接的工艺方法，解决了产品整体加工难的问题，同时满足了产品对抽真空试验和电气测试性能的要求;通过电火花成型中电极的设计，圆波导内腔耦合孔圆角的关键尺寸的实现：通过抽真空试验，分析焊接结构的薄弱部位，对法兰与副波导连接结构、局部焊接材料进行了改进，保证了焊接结构的强度。

【关键词】耦合器 铝钎焊 耦合孔 电火花成型

圆波导耦合器作为在线测量系统中的核心部件，在电气指标上有较高的要求。目前，耦合器的电气指标通常借助加工精度的控制实现。同时，随着新型耦合器的研发，随之而来的结构也越来越复杂，通常直接的机械加工无法实现。虽然现在出现了3D打印等新型成型方法，但是受微波元件的材料及敏感电气性能的特殊要求，加工精度上难以达到使用要求，因此目前大部分还是将切削、焊接、放电加工等加以组合来制造的。这对工艺设计与制造提出了严格要求。

本文依据耦合器的结构特点和设计要求，进行了可制造性分析和工艺设计，确定加工方法，即以零件的机械加工、局部电火花成形加工、整体钎焊成形的多种工艺方法运用，实现了耦合器的成形。又通过抽真空试验，优化了工艺设计，基本满足产品的设计要求。

1 工艺性分析

1.1 结构特点分析

从结构上分析，耦合器的主体结构为圆波导，直径D，副波导为矩形波导。主波导和副波导通过耦合孔连接。在圆波导中心位置上对称设计有耦合孔，耦合孔半径为r，孔间距为d，孔深度为t，小孔倒圆角半径r0，以内腔耦合孔数目分类，不同孔数目的孔距、孔深和耦合器长度均不同。

从图纸标注及技术要求上分析：

（1）尺寸及形位公差精度为土0.03mm;

（2）内腔表面粗糙度均小于Ral.6μm;

（3）材料为铝合金;

（4）抽真空;

（5）内腔表面镀银2μm。

1.2 可制造性分析

波导内腔尺寸精度、形位精度是保证耦合器电性能指标的关键工艺要素。除内腔尺寸对电性能指标影响外，内壁光滑与否对信号传输的损耗程度影响也很大，光滑的内壁能很大程度上减少电性能的损耗，设计上要求波导内腔表面粗糙度在Ral.6μm以下，为此，需要减小镀银波导内腔表面的加工粗糙度达Ra0.8μm，达到低电性能损耗要求。

副波导与圆波导内腔以耦合孔连通，如图1所示为耦合孔连接处内部结构。副波导为薄壁深腔结构，数控加工刀具很难加工，若使用电火花成型，加工时间长，空间狭小，排屑不畅，内腔尺寸不易保证。而钎焊变形小，接头光滑美观、强度高，适用于焊接精密、复杂的构件。我所钎焊工艺成熟，在焊接结构设计和焊接技术上具有丰富的经验，因此，考虑对耦合器进行结构拆分，通过数控加工和电火花成型，最后将零件进行钎焊，实现波导腔体制造。为满足轻量化和精密尺寸要求，波导材料选用铝合金。

2 工艺结构设计

2.1 钎焊结构设计

钎焊结构设计是耦合器成型的关键。钎焊结构的合理拆分，影响焊接强度及零件加工的难易。钎焊焊缝过长，焊后出现焊缝不连续，未焊透的可能性增加，焊接结构强度减弱。焊接接头不但可以在焊前装配阶段起到定位、增强焊接接头强度的作用。在尺寸空间有限的情况下，适当增加焊接及定位凸台，是焊接结构设计中通常使用的方法。

2.1.1 结构的拆分

将耦合器分解成圆波导、副波导腔体、副波导盖板、法兰盘共4部分。其中副波导腔体和盖板上设计螺钉定位孔，以保证腔体和盖板装配精度。副波导腔体尺寸不变，因装配尺寸限制，壁厚改为1.8mm。圆波导为整体加工成型，内腔没有接合，粗糙度只需通过机械加工保证;耦合孔尺寸及位置精度也能保证。

2.1.2 焊接接头设计

矩形波导壁厚不大于2mm，深度约60mm，属于薄壁深腔。考虑到加热膨胀和冷却过程的收缩变形，若要保证焊后整体尺寸公差，在零件焊接前需提出很高的加工精度，因此焊接装配定位及合理的接头形似尤为重要。

将副波导与圆波导接合部分设计在圆波导上，即在圆波导上设计一个凸台。凸台高度根据耦合孔深度而定，这样可以通过机械加工保证耦合孔深度、孔距尺寸，耦合孔及圆角也可以在圆波导零件加工阶段完成。凸台的长度与副波导腔体底部空缺长度一致。为了保证焊接前装配副波导腔体与凸台接合平整，在副波导腔体圆弧增加了0.5-lmm直段。

此外，由于副波导与圆波导连接空间有限，为了增加焊接接头强度，在圆波导上设计了对称的焊接定位凸台。凸台上定位孔确保副波导腔体与盖板焊接前装配时位置。

2.2 工具电极的设计

电极设计是电火花加工中的关键点之一。由于耦合孔底部为圆柱腔与矩形腔相交处，且底部還有圆角，这就使得加工中电极的型面损耗不一，故损耗规律复杂，尺寸控制更加困难。如图2所示为加工耦合孔圆角的工具电极，在电极的设计上主要考虑以下几个方面的问题：

（1）放电间隙余量的确定。放电间隙因所选用的工艺策略和工艺参数的不同而不同。

（2）工具电极圆弧的确定。工具电极外形根据工件型腔而定。由于该耦合孔的特殊位置，电极的设计也具有典型性，不但要根据圆角设计过度圆弧面，还要考虑电极加工时圆波导中心及孔中心易于找正。

3 工艺制造流程设计

耦合器制造流程如图3所示。零件加工包括圆波导、副波导腔体、盖板、法兰、定位螺钉及铝螺钉。其中，圆波导的加工较复杂，除了采用数控加工，耦合孔圆角则使用电火花成型。这种拼焊的方法，尺寸精度可以得到控制，降低了加工难度和生产成本。

4 工艺验证及优化

为了验证工艺方案的可靠性，在第一批耦合器加工完成后，进行了抽真空试验。试验中出现了副波导、法兰盘变形、焊后铣法兰端面时焊缝露出现象。经分析，副波导壁厚过薄，使得强度不够。但是因装配空间限制，壁厚无法增加。考虑到更换焊接材料以提高强度。

4.1 抽真空试验

抽真空试验：P-10-5

4.2 工艺方法优化

通过加工过程中发现的问题及最后抽真空试验结果，对工艺方法进行了以下改进。

4.2.1 材料的更换

锻铝铝合金是A1-Mg-Si-Cu系合金，具有中等强度、良好的塑性和焊接性能、良好的耐蚀性能。为了提高耦合器的强度，将焊接材料普通铝合金改成锻铝铝合金。

4.2.2 法兰盘结构及尺寸改变

如图4所示，为钎焊常用的法兰与波导连接形式。

由于该工件要进行充气试验，对密封性有较高要求，同时，波导壁厚薄，经试验表明，这种常规的连接形式仅在钎焊后铣工加工法兰端面时焊缝就已出现缝隙，并且在充气试验时法兰变形，这样无法保证密封性要求。改进后的法兰与副波导装配后，在端面上留出一些高度。这种结构，一方面，法兰在厚度上有所增加，充气试验时法兰不会变形;另一方面，法兰内腔增加了台阶，在焊后铣端面时不会因为铣到焊缝而漏气。经焊后铣削及充气试验证明，该种法兰结构很好地保证了使用强度和密封性要求。

经过工艺优化后加工成的耦合器通过了气密性试验，之前的变形情况再没有出现。

5 总结

（1）以常规的加工方法，通过合理的焊接结构设计，实现了圆一矩波导小孔耦合的耦合器成型，并满足了使用要求;

（2）电极的设计突破了以往针对单一截面，首次对两种相交截曲面进行设计，以合理的设计参数，实现了耦合孔圆角的加工，保证了电气性能;

（3）改进了法兰结构，解决了法兰变形、整体漏气的问题;

（4）通过抽真空试验，将焊接材料改为强度较高且焊接性能较好的锻铝。

参考文献

[1]丁德志，金来福，徐金平，桂勇锋，李佩，基于小孔耦合的毫米波宽带定向耦合器研究[J].火控雷达技术，2016.