王少軍，許 捷，王 瑜

(陜西群力電工有限責(zé)任公司陜西寶雞721300)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光焊接技術(shù)已經(jīng)非常成熟，廣泛用于國(guó)內(nèi)各行業(yè)的生產(chǎn)中。但是，由于晶體罩密封繼電器產(chǎn)品的特殊性，對(duì)激光焊接有著很高的要求，即對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行口部封焊密封，焊接的熔深很小而密封性要求極高，泄漏率不得大于10－3Pa·cm3/s。這對(duì)產(chǎn)品的封焊技術(shù)和參數(shù)提出了較高的要求，為此進(jìn)行激光焊接密封工藝的研究。

2 激光焊接工作原理與優(yōu)點(diǎn)

激光焊接機(jī)是采用激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)為1064nm的脈沖激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、反射、聚焦后輻射被加工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使工件熔化，形成特定的熔池，當(dāng)熔池冷卻后將熔池兩側(cè)的金屬熔接在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工件的激光焊接。

由于經(jīng)聚焦后的激光束光斑小(0.1～0.3mm)，功率密度高，比電弧焊(5×102～104W/cm2)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而激光焊接具有傳統(tǒng)焊接方法無(wú)法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn):加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，接頭性能優(yōu)良;殘余應(yīng)力和焊接變形小，可以實(shí)現(xiàn)高精度焊接;可對(duì)高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率，熱敏感材料及非金屬進(jìn)行焊接;焊接速度快，生產(chǎn)率高;具有高度柔性，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 焊接方案

3.1 焊接樣本的選定

為降低研究的難度，提高研究的效率，我們決定在我公司的1/2晶體罩產(chǎn)品(代號(hào):7139)上進(jìn)行試驗(yàn)研究。這種產(chǎn)品為我公司的代表產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期生產(chǎn)考驗(yàn)，原封邊采用電子束焊接，密封性要求泄漏率小于10－3Pa·cm3/s。這種產(chǎn)品底座為鐵鎳鈷玻璃封接合金;罩子為銅帶，長(zhǎng)邊尺寸為15.4mm，短邊尺寸為8mm，圓角尺寸為R0.4。零件外形圖如下:

圖1 7139產(chǎn)品底座圖

圖2 7139產(chǎn)品罩子圖

圖3 繼電器罩子與底座配合圖

3.2 國(guó)內(nèi)激光焊接機(jī)焊接現(xiàn)狀

經(jīng)查閱資料，國(guó)內(nèi)各繼電器廠家普遍采用的脈沖激光焊機(jī)。焊接時(shí)，重點(diǎn)要考慮的參數(shù)包括焊接功率、焊接速度、偏焦量、脈沖頻率、光斑重疊度等。研究結(jié)果表明，電流、脈寬、頻率、離焦量對(duì)焊接部位成形有很大影響。當(dāng)焊接電流大時(shí)，容易出現(xiàn)焊穿、咬邊等缺陷;當(dāng)脈寬過(guò)大時(shí)，激光所輸出的熱量不連續(xù)，就如同"海潮"般不穩(wěn)定;當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)，激光輸出能量的密度大，焊縫表面會(huì)出現(xiàn)波浪形狀的一層一層的很密的"魚(yú)磷"狀的焊縫層;反之，當(dāng)焊接電流、脈寬、頻率較小時(shí)，在焊核表面容易出現(xiàn)未焊透的缺陷，焊接部位強(qiáng)度和韌性較低;當(dāng)焊接電流、脈寬、頻率配合合理時(shí)，焊接部位的強(qiáng)度和塑性分別達(dá)到母材的90%和85%。激光焊接過(guò)程使用惰性氣體氬氣來(lái)保護(hù)熔池，防止熔融狀態(tài)下的金屬氧化效果好，且電離度小，不易形成等離子體。

3.3 激光焊接初次方案

經(jīng)咨詢激光設(shè)備生產(chǎn)廠家，他們向我們推薦了光纖激光焊機(jī)，它與脈沖激光焊機(jī)最大的不同是激光發(fā)生器不同，能夠產(chǎn)生連續(xù)的激光，焊接時(shí)要考慮的參數(shù)較少，僅考慮焊接功率、移動(dòng)速度和焦距，操作簡(jiǎn)單。我們決定用兩種激光焊機(jī)按下述參數(shù)分別進(jìn)行產(chǎn)品的試焊。

方案一:1、機(jī)型:脈沖焊機(jī);2、焊接功率:1.0kW～3.0 kW;3、激光發(fā)射頻率:10 Hz～50Hz;4、激光脈寬:3ms;5、重疊度:60%;6、偏焦量:－0.5mm;7、光斑大小:0.4mm;8、吹氣種類和流量:氬氣，100ml/s。

方案二:1、機(jī)型:連續(xù)激光焊機(jī);2、焊接功率:80W～100W;3、移動(dòng)速度:10mm/s;4、吹氣種類和流量:氬氣，100ml/s。

4 焊接結(jié)果

4.1 脈沖激光焊機(jī)焊接結(jié)果

經(jīng)過(guò)在脈沖激光焊機(jī)上試焊，焊接參數(shù)和數(shù)量見(jiàn)表1。我們按照GJB360A－1996《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中方法112密封試驗(yàn)的要求進(jìn)行了氦質(zhì)譜檢漏和粗檢，沒(méi)有一只合格。

表1 方案一脈沖焊機(jī)焊接結(jié)果

4.2 光纖連續(xù)型焊機(jī)焊接結(jié)果

經(jīng)過(guò)在光纖連續(xù)型激光焊機(jī)上試焊，焊接參數(shù)及焊接數(shù)量見(jiàn)表2。同樣按照GJB360A－1996《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中方法112密封試驗(yàn)的要求進(jìn)行了氦質(zhì)譜檢漏和粗檢，只有一只樣品粗檢檢測(cè)合格。

表2 方案二連續(xù)激光焊機(jī)焊接結(jié)果

5 分析改進(jìn)

5.1 氦檢不合格原因分析

由于氦質(zhì)譜檢漏屬于細(xì)檢，無(wú)法確定泄漏點(diǎn)的位置;但是可以通過(guò)在加壓粗檢時(shí)氣泡的位置確定具體的泄露點(diǎn)。將待檢產(chǎn)品放入加氣罐中，充入4個(gè)氣壓的氮?dú)猓㈧o置2個(gè)小時(shí)后取出;同時(shí)打開(kāi)水檢設(shè)備，將酒精倒入大燒杯中2/3的高度，將燒杯放入水檢設(shè)備中。接通電源，使真空泵開(kāi)始工作，對(duì)燒杯中的酒精進(jìn)行預(yù)排氣處理，以徹底去除掉酒精中的氣體。然后將產(chǎn)品分批放入酒精溶液中進(jìn)行泄漏檢測(cè)。接通電源，使真空泵開(kāi)始抽氣工作;當(dāng)水檢艙中的氣壓降低到－0.093MPa時(shí)，透過(guò)觀察孔可以發(fā)現(xiàn)，酒精溶液里的產(chǎn)品上均有連續(xù)性氣泡冒出，表明產(chǎn)品均處于大漏狀態(tài)。再仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)脈沖激光焊接的樣品的泄漏點(diǎn)都是在罩子四周的封邊處;而光纖連續(xù)型激光焊機(jī)焊接的樣品的泄露點(diǎn)大部分都是在底座的玻璃絕緣子處。這表明脈沖激光焊機(jī)與光纖連續(xù)型激光焊機(jī)焊接的樣品的泄漏失效點(diǎn)不一樣。

為清楚查明樣品泄漏的機(jī)理，我們將光纖連續(xù)型激光焊機(jī)與脈沖激光焊機(jī)焊接的樣品分別進(jìn)行了專門(mén)處理，在產(chǎn)品玻璃絕緣子上涂覆一層附加密封劑而邊上不涂，重新進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏和粗檢，結(jié)果如表3。

表3 絕緣子上涂覆一層附加密封劑后氦檢結(jié)果

涂覆一層附加密封劑的結(jié)果表明用光纖連續(xù)型激光焊機(jī)封焊的產(chǎn)品，罩子四周的密封性能良好，產(chǎn)品漏氣是由于底座上離邊很近的玻璃絕緣子漏氣造成的。而脈沖激光焊機(jī)封焊的產(chǎn)品，因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，罩子四周的密封性能較差，未達(dá)到封焊要求，漏孔較多。后經(jīng)與激光設(shè)備廠家技術(shù)人員探討，得出光纖激光焊機(jī)焊接時(shí)激光器連續(xù)工作，產(chǎn)生的熱量較大，在滿足熔封要求的同時(shí)，一部分熱量傳導(dǎo)到了絕緣子;而脈沖激光焊機(jī)工作時(shí)，斷續(xù)工作，激光器的工作時(shí)間只占到總時(shí)間的(10Hz～50Hz×3ms)3～15%，發(fā)熱量較小。

圖4 底板圖

另外，經(jīng)仔細(xì)分析底板設(shè)計(jì)圖紙，如圖4所示，可以看到底板上絕緣子孔的直徑為Φ1.8，不考慮加工公差，孔邊緣到底板邊緣的距離很近，僅為0.95mm。封邊時(shí)激光束轟擊底板時(shí)產(chǎn)生高溫，部分熱量很容易傳導(dǎo)到玻璃絕緣子上，造成玻璃絕緣子受熱炸裂;而封邊質(zhì)量達(dá)到熔封要求。

5.2 不合格原因驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述推論，我們專門(mén)加工了一批無(wú)孔的底板與罩子配合進(jìn)行產(chǎn)品的激光封焊，焊機(jī)為光纖激光焊機(jī)，焊接功率按90W，移動(dòng)速度為10mm/s，焦距為0進(jìn)行焊接，并按GJB360A－1996《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》中方法112密封試驗(yàn)的要求進(jìn)行了氦質(zhì)譜檢漏和粗檢，結(jié)果如下表4所示:

表4 無(wú)孔底板與罩子配合產(chǎn)品的激光封焊結(jié)果

上述數(shù)據(jù)表明，用光纖激光焊機(jī)可以較好地完成產(chǎn)品的封焊要求。

5.3 兩種激光焊機(jī)的焊接特點(diǎn)對(duì)比

在高倍顯微鏡下對(duì)兩種激光焊機(jī)的焊接焊縫進(jìn)行了比對(duì)，如下圖所示:

圖5 脈沖焊機(jī)封焊產(chǎn)品的焊縫

圖6 光纖焊機(jī)封焊產(chǎn)品的焊縫

分析結(jié)果:從上圖可以看出脈沖焊機(jī)封焊的產(chǎn)品焊點(diǎn)較大，焊點(diǎn)呈魚(yú)鱗狀相互疊加，上一個(gè)焊點(diǎn)覆蓋了下一個(gè)焊點(diǎn)的50%～70%，焊縫較光纖激光焊機(jī)的焊縫粗糙，不光滑。光纖連續(xù)型焊機(jī)焊出的產(chǎn)品外型美觀，焊縫光滑平直，一致性好。

通過(guò)對(duì)比和分析，可得出如下結(jié)論:

1、脈沖式激光焊機(jī)的焊封外觀不如光纖激光焊機(jī)。

2、用光纖激光焊機(jī)封焊的產(chǎn)品封邊效果較好，可以滿足產(chǎn)品密封性要求，產(chǎn)品泄漏是由于封焊時(shí)絕緣子受熱破裂造成。

6 小批量焊接試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，我們決定采用光纖激光焊機(jī)為密封焊接的主機(jī)。同時(shí)，為了消除焊接時(shí)的熱量損壞絕緣子，我們決定從減小焊接功率和提高移動(dòng)速度兩方面入手，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了焊接并進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，結(jié)果均不理想。功率小于80W，而移動(dòng)速度為10mm時(shí)，焊縫有漏點(diǎn);當(dāng)封焊功率為100W時(shí)，移動(dòng)速度加快到20mm后，焊縫同樣有漏點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，我們提出通過(guò)加大焊接功率，同時(shí)加大移動(dòng)速度的想法進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

下表是三組(每組10只)焊接樣品的焊接參數(shù)及氦質(zhì)譜檢漏的數(shù)據(jù)，后面又對(duì)氦質(zhì)譜檢漏合格的產(chǎn)品涂覆一層附加密封劑再進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 加大焊接功率和激光移動(dòng)速度后試封結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以看出，大部分樣品的泄漏率均在小于10－3pa.cm3/s，說(shuō)明絕緣子受熱破裂的現(xiàn)象已經(jīng)得到有效控制。其余樣品均為大漏，在水檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品均為邊漏。這說(shuō)明通過(guò)加大焊接功率和大幅度提高移動(dòng)速度，較好的解決了產(chǎn)品密封焊接時(shí)玻璃絕緣子受熱炸裂的難題。

為了考核光纖激光焊機(jī)的焊接效果，我們又進(jìn)行了小批量樣品密封焊接，數(shù)量為50只，焊接參數(shù)為180W，移動(dòng)速度為60mm/s。焊接樣品經(jīng)過(guò)氦質(zhì)譜檢測(cè)和加壓水檢，合格47只。由此可以看出用連續(xù)激光焊機(jī)封焊的產(chǎn)品可以達(dá)到了10－3Pa·cm3/s的泄漏率。試焊的合格率也達(dá)到了90%以上。

7 結(jié)論

經(jīng)過(guò)不斷努力，同時(shí)在激光設(shè)備廠商的大力支持和協(xié)助下，我公司激光封焊技術(shù)的工藝研究取得積極的進(jìn)展，用光纖激光焊機(jī)封焊出的產(chǎn)品焊縫連續(xù)細(xì)膩，外形美觀，封焊出的產(chǎn)品泄漏率達(dá)到小于10－3Pa·cm3/s的要求，可以滿足我公司產(chǎn)品封焊的要求，可以取代電子束焊機(jī)進(jìn)行繼電器的密封焊接。

［1］ GJB360－96，電子及電氣元件試驗(yàn)方法.

［2］ 微型密封極化繼電器的焊接與檢漏技術(shù)［J］.機(jī)電元件，2008.28(3)25 ～28.

［3］ 廖壽章，沈遠(yuǎn)洪.激光封焊繼電器初步探討.機(jī)電元件，1985.01.