壓力傳感器膜片焊接工藝優選及應用

摘要：壓力傳感器是將壓力按照一定規律轉換為電信號輸出的傳感器，其使用需求主要集中于穩定性、可靠性和環境適應性三個方面。膜片焊接是壓力傳感器封裝的關鍵和基礎工藝，也是壓力傳感器制造的重要過程，改善膜片的焊接質量可提高壓力傳感器的性能，滿足用戶更高的產品性能指標需求，從而增加壓力傳感器的市場應用。合理的焊接工藝有利于膜片焊接，能夠提高壓力傳感器的封裝合格率，鑒于此，通過對不同焊接工藝、焊接材料、焊接參數等的對比試驗，制定膜片焊接工藝合理的焊接方法，進一步提高壓力傳感器膜片的焊接質量和焊接能力，從而提升壓力傳感器的合格率，達到優選壓力傳感器焊接工藝的目的。

關鍵詞：壓力傳感器;膜片;焊接工藝;焊接材料;焊接參數

中圖分類號：TH823 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.019

0 引言

壓力傳感器由燒結管殼組件、壓力敏感芯片、膜片、焊環等主要部分組成，通過膜片感受和傳遞壓力到芯片，經過惠斯登電橋轉換為電壓信號輸出[1]。膜片焊接工藝作為壓力傳感器制造的重要過程備受關注，一旦焊接出現缺陷，產品的密封性和性能也會逐漸劣化，甚至會影響安全運行，因此，優選壓力傳感器膜片焊接工藝顯得尤為必要，這也是提高壓力傳感器質量和性能的關鍵工藝。

目前，國內外許多傳感器生產廠家均采用激光焊接工藝，激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法[2]。激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一，具有輸入能量密度高，工件熱影響區小，易于實現自動化控制，沒有工具損耗和調換等優點。激光焊接具有傳統焊接無法比擬的優勢，能有效減少缺陷，已成功應用于微、小型零件的精密焊接[3]。但也有很多傳感器生產廠家仍采用氬弧焊接，此為多年累積的經驗形成，氬弧焊接操作靈活度高，易于實現復雜產品的焊接，但焊接過程中熱量較高，容易產生焊接缺陷，對操作人員有較高的技能要求。

本文通過對比激光焊接和氬弧焊接工藝實驗，優選焊接工藝;通過對比壓力傳感器金屬母材4J29和316L焊接材料實驗，優選焊接材料;通過不同焊接參數對比焊接效果，優選合適的焊接參數。最終可以達到優選壓力傳感器膜片焊接工藝的目的，從而提高膜片焊接質量，提升壓力傳感器合格率，滿足用戶越來越高的技術指標要求，開拓更廣更多的應用領域。

1 激光焊接工藝研究

1.1 激光焊接原理

激光焊接是利用原子受輻射的原理，使工作物質受激而產生的一種單色性高、方向性強、亮度高的光束，經聚焦后把光束聚焦到焦點上可獲得極高的能量密度，利用它與被焊工件相互作用，使金屬發生蒸發、熔化、結晶、凝固而形成焊縫[2-5]。

1.2 激光焊接優點

1）密度高、速度快。激光焊接工藝的深寬比最高能夠達到10：1[5]，焊接過程中，能量密度大，材料上會顯現小孔，激光通過小孔往工件焊接方向傳導，而橫向傳導較少，所以在激光焊接的過程中，速度較快，能量比較集中。

2）熱輸入量小。由于激光焊接功率密度高，焊接速度快，所以很小的熱輸入量即可實現良好的焊接。激光焊接熱輸入量小，故產品變形小，熱影響區金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形最低。

3）焊縫力學性能好。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，通過光斑和移動速度的調節，焊接后焊縫力學性能好、強度高，焊縫窄且表面狀態好，免去了焊后清理工作。

2 氬弧焊接工藝研究

2.1 氬弧焊接原理

氬弧焊接是使用非消耗電極（鎢極），在稀有氣體的保護下，利用電極與母材金屬之間產生的電弧熱熔化母材的焊接過程[6]。

2.2 氬弧焊接優點

1）保護氣為稀有氣體，不與金屬發生任何化學反應，也不熔于金屬，使得焊接過程中的冶金反應簡單易控制。

2）鎢極電弧能自動清除工件表面氧化膜，可成功地焊接易氧化、氮化、化學活潑性強的金屬。

3）焊接工藝性能好，明弧，能觀察電弧及熔池。

4）鎢極電弧穩定，即使在很小的焊接電流（小于10 A）下仍可穩定燃燒，常用來焊接薄工件[7]。

2.3 氬弧焊接缺點

1）氬弧焊接速度較慢，熱輸入比激光焊接大很多，產品易產生變形。

2）鎢極載流能力有限，過大的焊接電流會引起鎢極熔化和蒸發，需要定期修理或更換鎢極，生產效率低。

3 膜片焊接工藝實驗

在其他外界變量相同的情況下，分別進行不同焊接工藝、焊接材料、焊接參數的對比實驗，對膜片焊接工藝進行過程研究，從而優選膜片焊接工藝、焊接組件材料、焊接參數等，本著提高壓力傳感器膜片焊接質量的原則，增加壓力傳感器合格率，以提升壓力傳感器市場競爭力。具體實驗研究內容如下：

3.1 實驗件準備

準備壓力傳感器實驗件120只組件（燒結座、焊環、膜片），其中，燒結座材料為4J29，焊環材料為4J29和316L各60件，選用膜片材料為316L。

3.2 采用氬弧焊接工藝焊接

使用4J29和316L焊環材料，采用工藝規范里最大電流和最小電流進行焊接實驗，每個參數變量焊接10只，共焊接40只壓力傳感器。

3.3 采用激光焊接工藝焊接

使用4J29和316L焊環材料，分別采用實驗電壓7、6、5、4 V焊接，每個參數變量焊接10只，共焊接80只壓力傳感器。

4 實驗結果

壓力傳感器焊接完成后，首先對實驗件進行焊縫外觀目視檢查，觀察不同焊接過程對壓力傳感器產生的影響，通過實驗件外觀氧化現象是否嚴重，判斷熱量的集中性，當焊接材料不同時，焊縫熔合度是否完好等。其次，對實驗件進行剖切檢驗，目視剖切后燒結座熱影響區的大小，判斷膜片焊接過程是否產生過大的熱量從而影響壓力傳感器合格率，從剖切熔深的大小判斷是否滿足強度和密封性要求。具體實驗結果如下。

4.1 實驗件焊縫外觀目視檢驗

4.1.1 采用氬弧焊接工藝

焊縫外觀氧化現象嚴重，壓力傳感器焊縫周圍有明顯熱影響區，需要經過后續的打磨、拋光工序處理。由圖1可知，當焊環材料為4J29時，焊縫表面熔合度較好，但有少量氧化皮產生;當焊環材料為316L時，焊縫表面熔合度不好。

4.1.2 采用激光焊接工藝

由圖2可知，當燒結座材料為4J29、焊環材料為4J29時，焊縫成型美觀、熔合度較好，焊縫呈現金屬本色;當燒結座材料為4J29、焊環材料為316L時，焊縫細且表面粗糙，熔合度不好。在不同焊接參數下實驗，當焊接電壓為7 V時，焊環有輕微氧化現象，表面發黃色，當焊接電壓為6、5、4 V時，焊環表面無氧化現象，呈現金屬本色。

4.2 實驗件剖切檢驗

4.2.1 對實驗件進行剖切后目視外觀

由圖3可知，采用氬弧焊接工藝的實驗件，剖開后燒結座薄壁處全部氧化變成黑色，氧化現象非常嚴重。采用激光焊接工藝的實驗件，當電壓為7 V時，燒結座薄壁處氧化較明顯;電壓為6 V和5 V時，燒結座薄壁處氧化范圍明顯減小，但還存在氧化現象;電壓為4 V時，燒結座薄壁處氧化范圍僅覆蓋膜片附近很小區域。

4.2.2 實驗件剖切后熔深檢驗

選取焊縫外觀和剖切后氧化現象較小的實驗件進行熔深實驗結果對比。采用激光焊接工藝，焊接電壓分別選取6、5、4 V進行熔深實驗，選取燒結座材料4J29和焊環材料4J29、316L對比熔深結果差別。由圖4可知，當燒結座材料為4J29、焊環材料為4J29時，焊縫覆蓋寬度較大，焊接容差率高;當燒結座材料為4J29、焊環材料為316L時，焊縫較窄，焊接容差率低。

5 實驗總結

基于上述實驗結果分析，壓力傳感器膜片焊接工藝優選激光焊接;膜片焊接組件材料優選燒結座4J29和焊環4J29，焊接完成后焊縫外觀呈現金屬本色，且連續光滑，焊接完成后表面無氧化現象，焊接質量符合標準要求，無須打磨、拋光等二次處理;激光焊接參數優選電壓5 V，焊接后熔深在0.2～0.5 mm，滿足密封和強度要求，且焊縫寬度大于0.5 mm，焊接容差率高。

6 結束語

壓力傳感器市場需求越來越大，工業應用領域也越來越廣[8]。本文對膜片焊接工藝的優選及應用進行了研究，充分體現了膜片焊接工藝的重要性，也證明了激光焊接工藝應用于壓力傳感器的可行性和有效性。本文通過壓力傳感器焊接工藝、焊接材料和焊接參數實驗對比，達到了膜片焊接工藝優選的目的，提高了壓力傳感器膜片焊接質量和焊接能力，提升了壓力傳感器合格率，從而能滿足用戶更高的要求，有助于提高壓力傳感器的市場競爭力。

[參考文獻]

[1] 徐開先，錢正洪，張彤，等.傳感器實用技術[M].北京：國防工業出版社，2016.

[2] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊 第1卷 焊接方法及設備[M].3版（修訂本）.北京：機械工業出版社，2016.

[3] 李少華，康蓉娣.激光焊接技術及其應用[J].艦船防化，2011（4）：32-36.

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[6] 吳志生，楊立軍，李志勇.現代電弧焊接方法與設備[M].北京：化學工業出版社，2015.

[7] 謝平濤.焊接技術的發展及應用現狀[J].河北農機，2016（4）：51.

[8] 欒桂冬，張金鐸，金歡陽.傳感器及其應用[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2018.

收稿日期：2024-05-07

作者簡介：單鶴南（1989—），女，吉林人，工程師，研究方向：傳感器技術。