半球陀螺封裝激光焊“錯邊”現(xiàn)象探析

李 陟，蔣春橋，賀海平，彭 凱，陳 偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

半球陀螺的封裝是實現(xiàn)內(nèi)部振動單元與外部電路單元連接的重要步驟，封裝質(zhì)量既直接決定著內(nèi)部真空環(huán)境的建立，也影響著諧振子品質(zhì)因數(shù)，故對封裝焊接提出了“真空密封”的高氣密性要求。雖然目前陀螺封裝焊接已采用了先進(jìn)的激光焊接技術(shù)，但由于對材質(zhì)不同的兩個零部件蓋板(材質(zhì)為可伐4J29)及外殼(材質(zhì)為不銹鋼1Cr18Ni9Ti)在焊接特性上的差異性認(rèn)識不足，使原設(shè)計及激光焊接工藝存在問題，焊接裂紋尤其是焊道結(jié)束點焊縫裂紋漏氣，因而無法提高封裝焊接質(zhì)量。激光焊接合格率低，絕大部分產(chǎn)品的漏率值與設(shè)計要求相差2～3個數(shù)量級，因此，在工藝上須采取重復(fù)激光焊接或增加一道錫焊的辦法加以補(bǔ)救，但費工費時且效率低。然而通過解剖分析發(fā)現(xiàn)，少數(shù)合格品貌似裝配缺陷的焊接接頭“錯邊”竟成就了高氣密性焊縫，焊縫裂紋受到抑制。因此，必須從機(jī)理上對這種“錯邊”效應(yīng)加以分析，找出“錯邊”結(jié)構(gòu)影響焊接裂紋的主因，并有針對性地采取措施，才能從根本上解決封裝焊接高氣密性難題。

1 陀螺封裝結(jié)構(gòu)及錯邊效應(yīng)簡介

1.1 陀螺封裝結(jié)構(gòu)簡圖

圖1為半球陀螺的焊接結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)側(cè)蓋板為可伐材質(zhì)，外側(cè)為不銹鋼外殼，頂部壁厚較小，兩者間隙配合，焊接接頭為環(huán)形對接接頭，蓋板上邊緣與外殼上邊緣高度差定義為錯邊量Δh。采用脈沖摻釹釔鋁石榴石(YAG)激光焊，離焦量取正離焦，激光光斑對準(zhǔn)縫隙，相對工件旋轉(zhuǎn)超過360°完成焊接。

圖1 焊接結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 封裝焊接裂紋形貌

焊后使用氦質(zhì)譜檢漏儀，采用噴氦法檢漏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，漏點主要集中在焊道結(jié)束點位置[1]，在顯微鏡下觀察泄漏點，其典型形貌如圖2所示。缺陷處表面可見清晰裂紋，裂紋斷口發(fā)藍(lán)黑，呈氧化狀態(tài)，位于熔合線區(qū)域，判斷為凝固裂紋，是一種熱裂紋。

圖2 焊道末端弧坑裂紋形貌

1.3 “錯邊”效應(yīng)簡介

通過對陀螺的解剖發(fā)現(xiàn)，只有內(nèi)側(cè)高于外側(cè)的“錯邊”，焊縫氣密性才能達(dá)標(biāo)，而外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的“錯邊”，氣密性檢測卻不滿足要求。即僅當(dāng)Δh>0時，裂紋受到抑制，我們將這種現(xiàn)象稱為“錯邊”效應(yīng)。

2 “錯邊”對焊接裂紋的機(jī)理分析

分析“錯邊”對裂紋的影響，需從其對焊接過程影響、焊縫化學(xué)成分變化及焊縫拘束度3方面著手。

2.1 “錯邊”對焊接過程的影響

以一種“錯邊”結(jié)構(gòu)(內(nèi)高外低)為例，接頭“錯邊”，最直接的影響是，它使一種焊材(可伐合金)比另一種焊材(不銹鋼)更接近于激光聚焦點。由激光焊接的“小孔效應(yīng)”可知，當(dāng)焊材接受的光斑密度越過了某一閾值，將使材料表面對激光吸收率急劇增加，于是近焦點一側(cè)的焊接模式表現(xiàn)為小孔焊，而遠(yuǎn)焦點一側(cè)的焊接模式可能仍為熱導(dǎo)焊。由此可合理推測焊接的起始階段熔池將分成兩個部分，此時較高處熔池內(nèi)產(chǎn)生較多液態(tài)金屬，在兩熔池壓強(qiáng)差與重力勢能的綜合作用下，較高熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流入較低熔池，使兩熔池合二為一。與齊平接頭相比，焊接熔池的形成過程除顯著增加焊縫熔深(這在對比解剖時得到佐證)，還將產(chǎn)生兩個方面的影響：

1) 使焊縫金屬的化學(xué)成分發(fā)生改變，更多地熔入了較高熔池的可伐合金。

2) 使焊縫形狀呈現(xiàn)斜坡狀，而齊平接頭的焊縫一般為下凹狀。

這兩個方面的變化又是如何影響凝固裂紋的形成，需要展開更深入的研究。

2.2 “錯邊”對化學(xué)成分的影響

一般焊縫金屬成分是凝固裂紋行為的決定性影響因素之一，而評價焊縫化學(xué)成分對裂紋的敏感性方法較多。

2.2.1 熱裂紋指數(shù)法

采用熱裂紋指數(shù)式分別計算出兩種焊材的熱裂紋指數(shù)[2]為

(1)

式中w(C),w(S),w(P) ,w(Si),w(Ni),w(Mn),w(Cr),w(Mo),w(Cr),w(V)分別為C，S, P,Si,Ni,Mn,Cr，Mo,Cr,V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由式(1)可得不銹鋼1Cr18Ni9Ti的熱裂紋指數(shù)為1%，而可伐材料4J29熱裂紋指數(shù)為12.7%。按照通常的判定原則，當(dāng)Hes≤4%時，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。顯然，如果單純從Hes分析，焊接熔池中更多的不銹鋼成分有利于抑制熱裂紋，而上述“內(nèi)高外低”型“錯邊”熔入了更多的可伐合金，不利于抑制熱裂紋的產(chǎn)生，然而，熱裂紋指數(shù)法未考慮脈沖激光焊的特殊性，需采用其他評價方法進(jìn)一步分析裂紋敏感性。

2.2.2 suutala圖評價法

suutala圖也可用于評價不銹鋼凝固裂紋敏感性[3]，Cr當(dāng)量Creq與Ni當(dāng)量Nieq分別為

Creq=w(Cr)+1.37w(Mo)+1.5w(Si)+

2w(Nb)+3w(Ti)

(2)

Nieq=w(Ni)+0.31w(Mn)+22w(C)+

14.2w(N)+w(Cu)

(3)

當(dāng)Creq/Nieq≥1.48時，正常凝固條件下焊縫析出少量鐵素體組織，使裂紋擴(kuò)展難，抗凝固裂紋。不銹鋼1Cr18Ni9Ti的Creq/Nieq=1.67時，判斷不產(chǎn)生凝固裂紋，這與熱裂紋指數(shù)法的評價吻合。然而，Pacary等研究了在快速冷卻條件下的情形，開發(fā)出了一種基于脈沖激光焊快速冷卻的改進(jìn)版suutala圖，指出冷卻凝固優(yōu)先析出奧氏體組織，使這一臨界比值上升，只有當(dāng)Creq/Nieq≥1.68時，快速凝固條件下的焊縫才不開裂。因此，在脈沖激光焊的快速冷卻條件下，不銹鋼1Cr18Ni9Ti同樣會發(fā)生焊縫開裂現(xiàn)象。可見，在脈沖激光焊接條件下可伐合金與不銹鋼均會產(chǎn)生凝固裂紋，焊縫熔池中可伐多一點或不銹鋼多一點起不到抑制或促進(jìn)凝固裂紋的作用。

2.3 “錯邊”對拘束度的影響

焊縫凝固過程必然存在拘束度，它產(chǎn)生于凝固期間的自然收縮，減少拘束度能有效抑制凝固裂紋形成。宏觀上呈現(xiàn)凹型表面的焊縫通常使焊縫表面處于促成開裂的拉伸狀態(tài)[4]，相反，焊縫呈現(xiàn)平坦或凸起的表面輪廓，典型地在表面引起壓縮應(yīng)變，使應(yīng)變穿過焊縫。

焊縫形狀的微觀因素很大程度上取決于焊接熔池內(nèi)兩種焊材相互融合的程度。焊接接頭“錯邊”造成的高、低兩個熔池，能否順利合二為一，則成為影響焊縫成形質(zhì)量和焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵。兩個熔池里的金屬能順暢流動，則兩種焊材融合較好，焊縫成形質(zhì)量較高；反之，熔池金屬流動受阻，兩種焊材融合較差，焊縫成形則必然受影響。而熔池金屬能否流動，取決于熔池壓強(qiáng)和重力勢能這兩個因素。

熔池的壓強(qiáng)p[5]為

p=γ/r2

(4)

式中：γ為表面張力；r為曲率半徑。

同等功率密度下，可伐合金熔深更大，即r較小，p較大。因此，當(dāng)Δh>0時，即“內(nèi)高外低”時，可伐合金熔深增大，其與不銹鋼熔池的壓強(qiáng)差進(jìn)一步增大，加上重力勢能的作用，熔化的液態(tài)金屬就能順暢地從高熔池流入低熔池，宏觀可見形成約30°的凸?fàn)詈缚p，所以能有效抑制凝固裂紋的產(chǎn)生。而當(dāng)Δh<0時，即“內(nèi)低外高”的錯邊情況下，不銹鋼熔池處于高位，雖然占有重力勢能優(yōu)勢，但由于其對可伐合金熔池存在負(fù)壓強(qiáng)差，抵消后壓強(qiáng)差不如“內(nèi)高外低”時大，液態(tài)金屬從高往低流動受阻，宏觀上形成約60°的凹狀焊縫，則不能有效抑制凝固裂紋。由此可知只有在“內(nèi)高外低”時氣密性最好。

3 運用“錯邊”效應(yīng)的改進(jìn)實例

3.1 甄選“錯邊”的凸臺設(shè)計

利用“錯邊”效應(yīng)，可通過類似錯邊結(jié)構(gòu)，即在一側(cè)金屬增加凸臺的方式實現(xiàn)半球陀螺高氣密性焊接。凸臺金屬熔化后，向縫隙一側(cè)的流動受約束小，類似自由擴(kuò)張，將縫隙“覆蓋”，形成凸起熔池，冷卻后形成凸?fàn)詈缚p。為保證完全熔化凸臺，光斑中心需對準(zhǔn)凸臺邊緣。對接接頭裝配需滿足尺寸公差要求，如果錯邊太大[6]，會使入射激光在板角處反射，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，凸臺高度據(jù)此設(shè)計為可伐蓋板厚度的1/4(略大于計算錯邊量)。

突破閾值的Δh為

Δh=F0-F

(5)

F=(d-d0)×f/(D-d0)

(6)

(7)

式中：F為錯邊處離焦量；F0為初始離焦量；d0為最小光斑直徑；d為錯邊處光斑直徑；D為聚焦前光束直徑；f為透鏡焦距；PE為脈沖功率；Pd為功率密度。

根據(jù)式(5)～(7)可計算出Δh>0.3，此時可伐合金材料表面對激光吸收率急劇增加。

3.2 改進(jìn)方案驗證

慎重起見，專門就凸臺結(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了驗證試驗。分別設(shè)計了內(nèi)側(cè)凸臺(模擬“內(nèi)高外低”錯邊)、外側(cè)凸臺(模擬“外高內(nèi)低”錯邊)以及“雙凸臺”(模擬無錯邊的平齊結(jié)構(gòu)但將焊接平面整體調(diào)近激光焦點)3組試驗方案。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 焊接工藝試驗參數(shù)

“雙凸臺”結(jié)構(gòu)雖然在焊縫密封性方面也滿足設(shè)計要求，但零件表面(主要是不銹鋼表面)出現(xiàn)了明顯的過熱現(xiàn)象，其原因可能與其成分中不含提高高溫性能的Co有關(guān)[7]。

3.3 產(chǎn)品改進(jìn)效果

采用凸臺結(jié)構(gòu)后，焊縫剖面如圖3所示。由圖3(a)可看出，由于內(nèi)側(cè)凸臺焊接模式為小孔焊，吸收了更多激光能量，焊縫內(nèi)部形成了明顯更寬的裂紋，但裂紋上方焊縫表面密封良好。由圖3(b)可看出，裂紋雖窄但貫穿至表面，達(dá)不到氣密性要求。對于受力較小但氣密性要求高的半球陀螺,其封裝達(dá)到了設(shè)計要求。2年前采用新接頭結(jié)構(gòu)的陀螺，目前內(nèi)部仍保持真空環(huán)境。

圖3 改進(jìn)前、后焊縫剖面示意圖

4 結(jié)束語

半球陀螺封裝焊接“錯邊”結(jié)構(gòu)能抑制凝固裂紋形成并達(dá)到高氣密性要求的根本原因，在于采用脈沖激光焊的特殊條件下，合理地利用了可伐合金與不銹鋼兩種焊材焊接特性的差異性。通過對“錯邊”效應(yīng)的機(jī)理分析，促使我們對激光焊接技術(shù)及材質(zhì)不同的構(gòu)件在焊接特性方面的認(rèn)識得到深化。