初探鋁合金真空腔的制造與焊接

金京

摘要：本文主要闡述鋁合金超高真空腔的制造與焊接程序，藉由電子儲存環大型鋁合金超高真空腔為例，敘述鋁合金真空腔制程設計考慮，通過無油酒精加工、清洗、焊接等程序，微小的加工與焊接變形量被有效地規劃并適宜地獲得控制。

1.鋁合金真空腔簡介

真空環境廣泛地被運用在各領域，舉凡日常生活、食品、精密半導體產業及同步加速器實驗設施等，從粗略真空到超高真空環境，不外乎與真空都有相關應用。[1]近年來，隨著半導體與面板設備尺寸的增大，制程用真空腔及組件體積亦隨的大增；然而大部份的真空組件與設備，均采用不銹鋼、銅合金與鋁合金作為真空腔體的材料。此時若采用焊接性優良的不銹鋼材質其設備增大外，腔體重量更備受考驗。[2， 3]

因此，以鋁合金材質作為腔體材料受到業界的親睞及重視，鋁合金在真空方面擁有極低的真空表面釋氣率、高熱導系數與無殘留輻射且易加工等特性，廣泛地被設計使用于同步輻射加速器的真空組件與設備。然而鋁合金的制造與焊接技術要運用到超高真空設備，仍受限于需再經一系列的處理過程，以降低焊接缺陷與表面釋氣進而達到真空氣密與低釋氣要求。

鋁合金作為真空系統材料主要有諸多優點，如擁有極低的真空表面釋氣率、光子引發釋氣率低、易擠制成形、易切削加工與無殘留輻射；采用熱導率高的鋁合金材料作為真空腔，可有效地解決熱量移除的問題，降低電子儲存環真空腔內壁，由于光子撞擊真空腔壁的功率極高，避免材料受熱產生局部溶解現象。真空系統中常用的合金鋁為 A6061-T651 合金，也就是鋁 -鎂 - 硅 （Al-Mg-Si） 合金，部分組件設備也有使用 A5083 或 A5052 的鋁 - 鎂 （Al-Mg） 合金，由于分屬熱處理與加工硬化型態合金，因此在制造與焊接上亦需多加留心相關制程的差異。

2 真空腔制造與清潔

由于電子儲存環所采用鋁合金超高真空腔，屬上、下片組合焊接的大型真空系統。考慮鋁合金真空腔的加工后的表面狀態，加工制程上采用無油酒精加工方式進行腔體加工。鑒于傳統做法均采用油式潤滑及空壓系統，為降低并避免機臺油氣與所使用的壓縮空氣污染加工表面，本加工機臺傳動潤滑采取特殊包護處理降低油氣釋出；空壓系統則采無油式空氣壓縮機透過空氣干燥機經0.01μm油霧過濾器系統及金屬潔凈輸送管路至加工處。加工機臺及刀具接觸工件環境須以丙酮與酒精進行擦拭，避免油污污染腔體表面。

有別于傳統加工制程的采強堿、酸清洗流程，在高潔凈環境控制下所制備的腔體，潔凈方式采臭氧水浸泡清洗，由于臭氧有高氧化的能力且在室溫下半衰期短不易對環境造成污染，廣泛被半導體清洗晶圓及去光阻制程運用。

3 鋁合金腔體焊接

3.1 鋁合金特性

本文腔體所采用的鋁合金為A6061-T651，在焊接制程上屬于熱裂敏感性極高的材料，須透過適當填料機制改善其熱裂性質。因此使用在超高真空環境時，對于合金材料種類、表面處理方式以及焊接等方面所面臨的問題都須謹慎地處理。與不銹鋼比較起來，鋁合金在焊接方面所面臨的困難度較不銹鋼大。比較兩者之間的差異，會發現鋁合金具有以下幾種特性[4]：

（1）高于不銹鋼約10倍以上的熱傳導率。焊接時熱量會大量被分散，不容易達到熔融溫度，熱影響區的范圍廣。相對地需要輸出功率密度較大的熱源，焊接時需要的熱源密度條件變動很大；再者焊接時產生熔融的鋁液的凝固速度很快。

（2）熔化潛熱為不銹鋼的1.5倍。擁有較低的熔點，卻需要較大熱輸入量，焊接過程易造成相對較大的熔池。

（3）線膨脹率為不銹鋼的2倍以上，厚度差異大的板件焊接在一起時，會出現比較嚴重的歪斜，甚至會造成裂縫。

（4）鋁合金表面具有強固且高熔點（大約20°C）的氧化皮膜。此皮膜不但妨礙母材與母材或母材與焊材的接合，在焊接過程也會殘留在熔化后的鋁合金焊道中，易使焊道容易出現瑕疵。

（5）鋁合金在化學性質上屬活性較高的金屬，因此表面會形成氧化膜。與固體狀態比較，會發現熔化后的鋁合金的氫氣融解度明顯變高，可以大量融解吸收氫氣。由于熔化后的鋁合金的凝固速度很快，在焊接時所融解的氫氣容易變成氣泡殘留下來，造成漏氣或者降低板件接縫的強度。

腔體焊接其最主要目的是達真空氣密性與低變形量控制等方向邁進。制程上，自動焊接與人工焊接制程均采用氬氣鎢極電弧焊接的交流焊接模式；在真空氣密性方面，上、下片的腔體組件須先分別完成抽氣口焊接，并完成氦氣測漏程序，此焊接部位屬真空內部焊道更須嚴謹地執行焊后測漏及變形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔體組件組合焊接前，腔體的定位點均以插銷定位，在腔體焊道周圍再輔以假焊方式，以間距 200mm的距離分段、對稱、跳焊方式焊接20～25mm 長的焊道，暫時固定接合上、下片腔體組件，腔體上下片結合過程均采用雷射追蹤儀監控各階段全制程腔體的形變。

3.2 焊接流程

受限腔體具有圓弧及直線段焊道結構，直線段焊接部位在此系列腔體數量多且易于以機械方式操控并取代大量的人員焊接時間，因此腔體采用人工與自動焊接方式并進完成。腔體焊接制程承接清洗步驟后進行，首先腔體須先就抽氣口部位進行焊接，完成后并接受測漏檢驗合格，使可進行上下片腔體封合作業，各個步驟間均采用雷射追蹤儀來確認每一步驟腔體的狀態，與原始設計圖面相較每階段的差異。[5]

腔體焊接其最主要目的是達真空氣密性與低變形量控制等方向邁進。制程上，自動焊接與人工焊接制程均采用氬氣鎢極電弧焊接的交流焊接模式；在真空氣密性方面，上、下片的腔體組件須先分別完成抽氣口焊接，并完成氦氣測漏程序，此焊接部位屬真空內部焊道更須嚴謹地執行焊后測漏及變形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔體組件組合焊接前，腔體的定位點均以插銷定位，在腔體焊道周圍再輔以假焊方式，以間距 200mm的距離分段、對稱、跳焊方式焊接20～25mm長的焊道，暫時固定接合上、下片腔體組件，腔體上下片結合過程均采用雷射追蹤儀監控各階段全制程腔體的形變。

4 結論

透過大型鋁合金腔體制造與焊接制程的縝密安排，可獲得高質量的鋁合金超高真空腔體，建立大型鋁合金真空腔體焊接系統，不僅在新一代電子加速器儲存真空系統中扮演焊接的重要角色外，亦在鋁合金焊接工程中邁出了新的一步。

參考文獻：

[1] 高亮，王廣海. 鋁合金真空釬焊技術的發展[J]. 科技創新與應用. 2016（14）： 166.

[2] 張可可. 鋁合金焊接常見缺陷的產生原因及質量控制措施[J]. 廣東科技. 2016， 25（6）： 49-50.

[3] 齊繼玄. 鋁合金焊接技術研究進展[J]. 工程技術：文摘版. 2016（6）： 193.

[4] 趙云寶，陳清林. 基于專利分析的鋁合金焊接技術發展趨勢研究[J]. 輕合金加工技術. 2016， 44（3）： 7-12.

[5] 馬玉剛. 鋁合金焊接技術的研究現狀與展望[J]. 工程技術：文摘版. 2016（5）： 228.