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(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(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差進一步增大，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壓強差，抵消后壓強差不如“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 改進方案驗證

慎重起見，專門就凸臺結(jié)構(gòu)的可行性進行了驗證試驗。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(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識得到深化。