半球陀螺封裝激光焊“錯邊”現象探析

李 陟，蔣春橋，賀海平，彭 凱，陳 偉

(中國電子科技集團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內部振動單元與外部電路單元連接的重要步驟，封裝質量既直接決定著內部真空環境的建立，也影響著諧振子品質因數，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的激光焊接技術，但由于對材質不同的兩個零部件蓋板(材質為可伐4J29)及外殼(材質為不銹鋼1Cr18Ni9Ti)在焊接特性上的差異性認識不足，使原設計及激光焊接工藝存在問題，焊接裂紋尤其是焊道結束點焊縫裂紋漏氣，因而無法提高封裝焊接質量。激光焊接合格率低，絕大部分產品的漏率值與設計要求相差2～3個數量級，因此，在工藝上須采取重復激光焊接或增加一道錫焊的辦法加以補救，但費工費時且效率低。然而通過解剖分析發現，少數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，必須從機理上對這種“錯邊”效應加以分析，找出“錯邊”結構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 陀螺封裝結構及錯邊效應簡介

1.1 陀螺封裝結構簡圖

圖1為半球陀螺的焊接結構示意圖。內側蓋板為可伐材質，外側為不銹鋼外殼，頂部壁厚較小，兩者間隙配合，焊接接頭為環形對接接頭，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，激光光斑對準縫隙，相對工件旋轉超過360°完成焊接。

圖1 焊接結構簡圖

1.2 封裝焊接裂紋形貌

焊后使用氦質譜檢漏儀，采用噴氦法檢漏，結果發現，漏點主要集中在焊道結束點位置[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，裂紋斷口發藍黑，呈氧化狀態，位于熔合線區域，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”效應簡介

通過對陀螺的解剖發現，只有內側高于外側的“錯邊”，焊縫氣密性才能達標，而外側高于內側的“錯邊”，氣密性檢測卻不滿足要求。即僅當Δh>0時，裂紋受到抑制，我們將這種現象稱為“錯邊”效應。

2 “錯邊”對焊接裂紋的機理分析

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”結構(內高外低)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”可知，當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，于是近焦點一側的焊接模式表現為小孔焊，而遠焦點一側的焊接模式可能仍為熱導焊。由此可合理推測焊接的起始階段熔池將分成兩個部分，此時較高處熔池內產生較多液態金屬，在兩熔池壓強差與重力勢能的綜合作用下，較高熔池內的液態金屬流入較低熔池，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)，還將產生兩個方面的影響：

1) 使焊縫金屬的化學成分發生改變，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，而評價焊縫化學成分對裂紋的敏感性方法較多。

2.2.1 熱裂紋指數法

采用熱裂紋指數式分別計算出兩種焊材的熱裂紋指數[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的質量分數。

由式(1)可得不銹鋼1Cr18Ni9Ti的熱裂紋指數為1%，而可伐材料4J29熱裂紋指數為12.7%。按照通常的判定原則，當Hes≤4%時，一般不會產生熱裂紋。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生，然而，熱裂紋指數法未考慮脈沖激光焊的特殊性，需采用其他評價方法進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當量Creq與Ni當量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，使裂紋擴展難，抗凝固裂紋。不銹鋼1Cr18Ni9Ti的Creq/Nieq=1.67時，判斷不產生凝固裂紋，這與熱裂紋指數法的評價吻合。然而，Pacary等研究了在快速冷卻條件下的情形，開發出了一種基于脈沖激光焊快速冷卻的改進版suutala圖，指出冷卻凝固優先析出奧氏體組織，使這一臨界比值上升，只有當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同樣會發生焊縫開裂現象。可見，在脈沖激光焊接條件下可伐合金與不銹鋼均會產生凝固裂紋，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[4]，相反，焊縫呈現平坦或凸起的表面輪廓，典型地在表面引起壓縮應變，使應變穿過焊縫。

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量和焊接強度的關鍵。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，取決于熔池壓強和重力勢能這兩個因素。

熔池的壓強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Δh>0時，即“內高外低”時，可伐合金熔深增大，其與不銹鋼熔池的壓強差進一步增大，加上重力勢能的作用，熔化的液態金屬就能順暢地從高熔池流入低熔池，宏觀可見形成約30°的凸狀焊縫，所以能有效抑制凝固裂紋的產生。而當Δh<0時，即“內低外高”的錯邊情況下，不銹鋼熔池處于高位，雖然占有重力勢能優勢，但由于其對可伐合金熔池存在負壓強差，抵消后壓強差不如“內高外低”時大，液態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“內高外低”時氣密性最好。

3 運用“錯邊”效應的改進實例

3.1 甄選“錯邊”的凸臺設計

利用“錯邊”效應，可通過類似錯邊結構，即在一側金屬增加凸臺的方式實現半球陀螺高氣密性焊接。凸臺金屬熔化后，向縫隙一側的流動受約束小，類似自由擴張，將縫隙“覆蓋”，形成凸起熔池，冷卻后形成凸狀焊縫。為保證完全熔化凸臺，光斑中心需對準凸臺邊緣。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，導致焊接過程不穩定，凸臺高度據此設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 改進方案驗證

慎重起見，專門就凸臺結構的可行性進行了驗證試驗。分別設計了內側凸臺(模擬“內高外低”錯邊)、外側凸臺(模擬“外高內低”錯邊)以及“雙凸臺”(模擬無錯邊的平齊結構但將焊接平面整體調近激光焦點)3組試驗方案。試驗結果如表1所示。

表1 焊接工藝試驗參數

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

3.3 產品改進效果

采用凸臺結構后，焊縫剖面如圖3所示。由圖3(a)可看出，由于內側凸臺焊接模式為小孔焊，吸收了更多激光能量，焊縫內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,其封裝達到了設計要求。2年前采用新接頭結構的陀螺，目前內部仍保持真空環境。

圖3 改進前、后焊縫剖面示意圖

4 結束語

半球陀螺封裝焊接“錯邊”結構能抑制凝固裂紋形成并達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”效應的機理分析，促使我們對激光焊接技術及材質不同的構件在焊接特性方面的認識得到深化。