壓力傳感器膜片焊接工藝優(yōu)選及應(yīng)用

0引言

壓力傳感器由燒結(jié)管殼組件、壓力敏感芯片、膜片、焊環(huán)等主要部分組成,通過膜片感受和傳遞壓力到芯片,經(jīng)過惠斯登電橋轉(zhuǎn)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(guān)注,一旦焊接出現(xiàn)缺陷,產(chǎn)品的密封性和性能也會逐漸劣化,甚至?xí)绊懓踩\(yùn)行,因此,優(yōu)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(zhì)量和性能的關(guān)鍵工藝。

目前,國內(nèi)外許多傳感器生產(chǎn)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(shù)應(yīng)用的重要方面之一,具有輸入能量密度高,工件熱影響區(qū)小,易于實(shí)現(xiàn)自動化控制,沒有工具損耗和調(diào)換等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接具有傳統(tǒng)焊接無法比擬的優(yōu)勢,能有效減少缺陷,已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接^[3]。但也有很多傳感器生產(chǎn)廠家仍采用氬弧焊接,此為多年累積的經(jīng)驗形成,氬弧焊接操作靈活度高,易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的焊接,但焊接過程中熱量較高,容易產(chǎn)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(shí)驗,優(yōu)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(shí)驗,優(yōu)選焊接材料;通過不同焊接參數(shù)對比焊接效果,優(yōu)選合適的焊接參數(shù)。最終可以達(dá)到優(yōu)選壓力傳感器膜片焊接工藝的目的,從而提高膜片焊接質(zhì)量,提升壓力傳感器合格率,滿足用戶越來越高的技術(shù)指標(biāo)要求,開拓更廣更多的應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)受激而產(chǎn)生的一種單色性高、方向性強(qiáng)、亮度高的光束,經(jīng)聚焦后把光束聚焦到焦點(diǎn)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(fā)生蒸發(fā)、熔化、結(jié)晶、凝固而形成焊縫^[2—5]。

1.2激光焊接優(yōu)點(diǎn)

1)密度高、速度快。激光焊接工藝的深寬比最高能夠達(dá)到10:1^[5],焊接過程中,能量密度大,材料上會顯現(xiàn)小孔,激光通過小孔往工件焊接方向傳導(dǎo),而橫向傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)良好的焊接。激光焊接熱輸入量小,故產(chǎn)品變形小,熱影響區(qū)金相變化范圍小,且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形最低。

3)焊縫力學(xué)性能好。激光束經(jīng)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(diào)節(jié),焊接后焊縫力學(xué)性能好、強(qiáng)度高,焊縫窄且表面狀態(tài)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(hù)下,利用電極與母材金屬之間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材的焊接過程^[6]。

2.2氬弧焊接優(yōu)點(diǎn)

1)保護(hù)氣為稀有氣體,不與金屬發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng),也不熔于金屬,使得焊接過程中的冶金反應(yīng)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(xué)活潑性強(qiáng)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(wěn)定,即使在很小的焊接電流(小于10 A)下仍可穩(wěn)定燃燒,常用來焊接薄工件^[7]。

2.3氬弧焊接缺點(diǎn)

1)氬弧焊接速度較慢,熱輸入比激光焊接大很多,產(chǎn)品易產(chǎn)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(fā),需要定期修理或更換鎢極,生產(chǎn)效率低。

3膜片焊接工藝實(shí)驗

在其他外界變量相同的情況下,分別進(jìn)行不同焊接工藝、焊接材料、焊接參數(shù)的對比實(shí)驗,對膜片焊接工藝進(jìn)行過程研究,從而優(yōu)選膜片焊接工藝、焊接組件材料、焊接參數(shù)等,本著提高壓力傳感器膜片焊接質(zhì)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(shí)驗研究內(nèi)容如下:

3.1 實(shí)驗件準(zhǔn)備

準(zhǔn)備壓力傳感器實(shí)驗件120只組件(燒結(jié)座、焊環(huán)、膜片),其中,燒結(jié)座材料為4J29,焊環(huán)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(huán)材料,采用工藝規(guī)范里最大電流和最小電流進(jìn)行焊接實(shí)驗,每個參數(shù)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(huán)材料,分別采用實(shí)驗電壓7、6、5、4V焊接,每個參數(shù)變量焊接10只,共焊接80只壓力傳感器。

4 實(shí)驗結(jié)果

壓力傳感器焊接完成后,首先對實(shí)驗件進(jìn)行焊縫外觀目視檢查,觀察不同焊接過程對壓力傳感器產(chǎn)生的影響,通過實(shí)驗件外觀氧化現(xiàn)象是否嚴(yán)重,判斷熱量的集中性,當(dāng)焊接材料不同時,焊縫熔合度是否完好等。其次,對實(shí)驗件進(jìn)行剖切檢驗, 目視剖切后燒結(jié)座熱影響區(qū)的大小,判斷膜片焊接過程是否產(chǎn)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(qiáng)度和密封性要求。具體實(shí)驗結(jié)果如下。

4.1 實(shí)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(xiàn)象嚴(yán)重,壓力傳感器焊縫周圍有明顯熱影響區(qū),需要經(jīng)過后續(xù)的打磨、拋光工序處理。由圖1可知,當(dāng)焊環(huán)材料為4J29時,焊縫表面熔合度較好,但有少量氧化皮產(chǎn)生;當(dāng)焊環(huán)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(dāng)燒結(jié)座材料為4J29、焊環(huán)材料為4J29時,焊縫成型美觀、熔合度較好,焊縫呈現(xiàn)金屬本色;當(dāng)燒結(jié)座材料為4J29、焊環(huán)材料為316L時,焊縫細(xì)且表面粗糙,熔合度不好。在不同焊接參數(shù)下實(shí)驗,當(dāng)焊接電壓為7 V時,焊環(huán)有輕微氧化現(xiàn)象,表面發(fā)黃色,當(dāng)焊接電壓為6、5、4 V時,焊環(huán)表面無氧化現(xiàn)象,呈現(xiàn)金屬本色。

4.2 實(shí)驗件剖切檢驗

4.2.1對實(shí)驗件進(jìn)行剖切后目視外觀

由圖3可知,采用氬弧焊接工藝的實(shí)驗件,剖開后燒結(jié)座薄壁處全部氧化變成黑色,氧化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。采用激光焊接工藝的實(shí)驗件,當(dāng)電壓為7 V時,燒結(jié)座薄壁處氧化較明顯;電壓為6 V和5 V時,燒結(jié)座薄壁處氧化范圍明顯減小,但還存在氧化現(xiàn)象;電壓為4 V時,燒結(jié)座薄壁處氧化范圍僅覆蓋膜片附近很小區(qū)域。

4.2.2實(shí)驗件剖切后熔深檢驗

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

5 實(shí)驗總結(jié)

基于上述實(shí)驗結(jié)果分析,壓力傳感器膜片焊接工藝優(yōu)選激光焊接;膜片焊接組件材料優(yōu)選燒結(jié)座4J29和焊環(huán)4J29,焊接完成后焊縫外觀呈現(xiàn)金屬本色,且連續(xù)光滑,焊接完成后表面無氧化現(xiàn)象,焊接質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求,無須打磨、拋光等二次處理;激光焊接參數(shù)優(yōu)選電壓5 V,焊接后熔深在0.2~0.5 mm,滿足密封和強(qiáng)度要求,且焊縫寬度大于0.5 mm,焊接容差率高。

6結(jié)束語

壓力傳感器市場需求越來越大,工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣^[8]。本文對膜片焊接工藝的優(yōu)選及應(yīng)用進(jìn)行了研究,充分體現(xiàn)了膜片焊接工藝的重要性,也證明了激光焊接工藝應(yīng)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(shù)實(shí)驗對比,達(dá)到了膜片焊接工藝優(yōu)選的目的,提高了壓力傳感器膜片焊接質(zhì)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。

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2024年第18期第19篇