压力传感器膜片焊接工艺优选及应用

0引言

压力传感器由烧结管壳组件、压力敏感芯片、膜片、焊环等主要部分组成,通过膜片感受和传递压力到芯片,经过惠斯登电桥转换为电压信号输出^[1]。膜片焊接工艺作为压力传感器制造的重要过程备受关注,一旦焊接出现缺陷,产品的密封性和性能也会逐渐劣化,甚至会影响安全运行,因此,优选压力传感器膜片焊接工艺显得尤为必要,这也是提高压力传感器质量和性能的关键工艺。

目前,国内外许多传感器生产厂家均采用激光焊接工艺,激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法^[2]。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一,具有输入能量密度高,工件热影响区小,易于实现自动化控制,没有工具损耗和调换等优点。激光焊接具有传统焊接无法比拟的优势,能有效减少缺陷,已成功应用于微、小型零件的精密焊接^[3]。但也有很多传感器生产厂家仍采用氩弧焊接,此为多年累积的经验形成,氩弧焊接操作灵活度高,易于实现复杂产品的焊接,但焊接过程中热量较高,容易产生焊接缺陷,对操作人员有较高的技能要求。

本文通过对比激光焊接和氩弧焊接工艺实验,优选焊接工艺;通过对比压力传感器金属母材4J29 和316L焊接材料实验,优选焊接材料;通过不同焊接参数对比焊接效果,优选合适的焊接参数。最终可以达到优选压力传感器膜片焊接工艺的目的,从而提高膜片焊接质量,提升压力传感器合格率,满足用户越来越高的技术指标要求,开拓更广更多的应用领域。

1激光焊接工艺研究

1.1激光焊接原理

激光焊接是利用原子受辐射的原理,使工作物质受激而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束,经聚焦后把光束聚焦到焦点上可获得极高的能量密度,利用它与被焊工件相互作用,使金属发生蒸发、熔化、结晶、凝固而形成焊缝^[2—5]。

1.2激光焊接优点

1)密度高、速度快。激光焊接工艺的深宽比最高能够达到10:1^[5],焊接过程中,能量密度大,材料上会显现小孔,激光通过小孔往工件焊接方向传导,而横向传导较少,所以在激光焊接的过程中,速度较快,能量比较集中。

2)热输入量小。由于激光焊接功率密度高,焊接速度快,所以很小的热输入量即可实现良好的焊接。激光焊接热输入量小,故产品变形小,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形最低。

3)焊缝力学性能好。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精确定位,通过光斑和移动速度的调节,焊接后焊缝力学性能好、强度高,焊缝窄且表面状态好,免去了焊后清理工作。

2氩弧焊接工艺研究

2.1氩弧焊接原理

氩弧焊接是使用非消耗电极(钨极),在稀有气体的保护下,利用电极与母材金属之间产生的电弧热熔化母材的焊接过程^[6]。

2.2氩弧焊接优点

1)保护气为稀有气体,不与金属发生任何化学反应,也不熔于金属,使得焊接过程中的冶金反应简单易控制。

2)钨极电弧能自动清除工件表面氧化膜,可成功地焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的金属。

3)焊接工艺性能好,明弧,能观察电弧及熔池。

4)钨极电弧稳定,即使在很小的焊接电流(小于10 A)下仍可稳定燃烧,常用来焊接薄工件^[7]。

2.3氩弧焊接缺点

1)氩弧焊接速度较慢,热输入比激光焊接大很多,产品易产生变形。

2)钨极载流能力有限,过大的焊接电流会引起钨极熔化和蒸发,需要定期修理或更换钨极,生产效率低。

3膜片焊接工艺实验

在其他外界变量相同的情况下,分别进行不同焊接工艺、焊接材料、焊接参数的对比实验,对膜片焊接工艺进行过程研究,从而优选膜片焊接工艺、焊接组件材料、焊接参数等,本着提高压力传感器膜片焊接质量的原则,增加压力传感器合格率,以提升压力传感器市场竞争力。具体实验研究内容如下:

3.1 实验件准备

准备压力传感器实验件120只组件(烧结座、焊环、膜片),其中,烧结座材料为4J29,焊环材料为4J29和316L各60件,选用膜片材料为316L。

3.2采用氩弧焊接工艺焊接

使用4J29和316L焊环材料,采用工艺规范里最大电流和最小电流进行焊接实验,每个参数变量焊接10只,共焊接40只压力传感器。

3.3采用激光焊接工艺焊接

使用4J29和316L焊环材料,分别采用实验电压7、6、5、4V焊接,每个参数变量焊接10只,共焊接80只压力传感器。

4 实验结果

压力传感器焊接完成后,首先对实验件进行焊缝外观目视检查,观察不同焊接过程对压力传感器产生的影响,通过实验件外观氧化现象是否严重,判断热量的集中性,当焊接材料不同时,焊缝熔合度是否完好等。其次,对实验件进行剖切检验, 目视剖切后烧结座热影响区的大小,判断膜片焊接过程是否产生过大的热量从而影响压力传感器合格率,从剖切熔深的大小判断是否满足强度和密封性要求。具体实验结果如下。

4.1 实验件焊缝外观目视检验

4.1.1采用氩弧焊接工艺

焊缝外观氧化现象严重,压力传感器焊缝周围有明显热影响区,需要经过后续的打磨、抛光工序处理。由图1可知,当焊环材料为4J29时,焊缝表面熔合度较好,但有少量氧化皮产生;当焊环材料为316L时,焊缝表面熔合度不好。

4.1.2采用激光焊接工艺

由图2可知,当烧结座材料为4J29、焊环材料为4J29时,焊缝成型美观、熔合度较好,焊缝呈现金属本色;当烧结座材料为4J29、焊环材料为316L时,焊缝细且表面粗糙,熔合度不好。在不同焊接参数下实验,当焊接电压为7 V时,焊环有轻微氧化现象,表面发黄色,当焊接电压为6、5、4 V时,焊环表面无氧化现象,呈现金属本色。

4.2 实验件剖切检验

4.2.1对实验件进行剖切后目视外观

由图3可知,采用氩弧焊接工艺的实验件,剖开后烧结座薄壁处全部氧化变成黑色,氧化现象非常严重。采用激光焊接工艺的实验件,当电压为7 V时,烧结座薄壁处氧化较明显;电压为6 V和5 V时,烧结座薄壁处氧化范围明显减小,但还存在氧化现象;电压为4 V时,烧结座薄壁处氧化范围仅覆盖膜片附近很小区域。

4.2.2实验件剖切后熔深检验

选取焊缝外观和剖切后氧化现象较小的实验件进行熔深实验结果对比。采用激光焊接工艺,焊接电压分别选取6、5、4 V进行熔深实验,选取烧结座材料4J29和焊环材料4J29、316L对比熔深结果差别。由图4可知,当烧结座材料为4J29、焊环材料为4J29时,焊缝覆盖宽度较大,焊接容差率高;当烧结座材料为4J29、焊环材料为316L时,焊缝较窄,焊接容差率低。

5 实验总结

基于上述实验结果分析,压力传感器膜片焊接工艺优选激光焊接;膜片焊接组件材料优选烧结座4J29和焊环4J29,焊接完成后焊缝外观呈现金属本色,且连续光滑,焊接完成后表面无氧化现象,焊接质量符合标准要求,无须打磨、抛光等二次处理;激光焊接参数优选电压5 V,焊接后熔深在0.2~0.5 mm,满足密封和强度要求,且焊缝宽度大于0.5 mm,焊接容差率高。

6结束语

压力传感器市场需求越来越大,工业应用领域也越来越广^[8]。本文对膜片焊接工艺的优选及应用进行了研究,充分体现了膜片焊接工艺的重要性,也证明了激光焊接工艺应用于压力传感器的可行性和有效性。本文通过压力传感器焊接工艺、焊接材料和焊接参数实验对比,达到了膜片焊接工艺优选的目的,提高了压力传感器膜片焊接质量和焊接能力,提升了压力传感器合格率,从而能满足用户更高的要求,有助于提高压力传感器的市场竞争力。

[参考文献]

[1]徐开先,钱正洪,张彤,等.传感器实用技术[M].北京:国防工业出版社,2016.

[2] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 第1卷 焊接方法及设备[M].3版(修订本).北京:机械工业出版社,2016.

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[8]栾桂冬,张金铎,金欢阳.传感器及其应用[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2018.

2024年第18期第19篇