初探鋁合金真空腔的制造與焊接

金京

摘要：本文主要闡述鋁合金超高真空腔的制造與焊接程序，藉由電子儲(chǔ)存環(huán)大型鋁合金超高真空腔為例，敘述鋁合金真空腔制程設(shè)計(jì)考慮，通過(guò)無(wú)油酒精加工、清洗、焊接等程序，微小的加工與焊接變形量被有效地規(guī)劃并適宜地獲得控制。

1.鋁合金真空腔簡(jiǎn)介

真空環(huán)境廣泛地被運(yùn)用在各領(lǐng)域，舉凡日常生活、食品、精密半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及同步加速器實(shí)驗(yàn)設(shè)施等，從粗略真空到超高真空環(huán)境，不外乎與真空都有相關(guān)應(yīng)用。[1]近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體與面板設(shè)備尺寸的增大，制程用真空腔及組件體積亦隨的大增；然而大部份的真空組件與設(shè)備，均采用不銹鋼、銅合金與鋁合金作為真空腔體的材料。此時(shí)若采用焊接性優(yōu)良的不銹鋼材質(zhì)其設(shè)備增大外，腔體重量更備受考驗(yàn)。[2， 3]

因此，以鋁合金材質(zhì)作為腔體材料受到業(yè)界的親睞及重視，鋁合金在真空方面擁有極低的真空表面釋氣率、高熱導(dǎo)系數(shù)與無(wú)殘留輻射且易加工等特性，廣泛地被設(shè)計(jì)使用于同步輻射加速器的真空組件與設(shè)備。然而鋁合金的制造與焊接技術(shù)要運(yùn)用到超高真空設(shè)備，仍受限于需再經(jīng)一系列的處理過(guò)程，以降低焊接缺陷與表面釋氣進(jìn)而達(dá)到真空氣密與低釋氣要求。

鋁合金作為真空系統(tǒng)材料主要有諸多優(yōu)點(diǎn)，如擁有極低的真空表面釋氣率、光子引發(fā)釋氣率低、易擠制成形、易切削加工與無(wú)殘留輻射；采用熱導(dǎo)率高的鋁合金材料作為真空腔，可有效地解決熱量移除的問(wèn)題，降低電子儲(chǔ)存環(huán)真空腔內(nèi)壁，由于光子撞擊真空腔壁的功率極高，避免材料受熱產(chǎn)生局部溶解現(xiàn)象。真空系統(tǒng)中常用的合金鋁為 A6061-T651 合金，也就是鋁 -鎂 - 硅 （Al-Mg-Si） 合金，部分組件設(shè)備也有使用 A5083 或 A5052 的鋁 - 鎂 （Al-Mg） 合金，由于分屬熱處理與加工硬化型態(tài)合金，因此在制造與焊接上亦需多加留心相關(guān)制程的差異。

2 真空腔制造與清潔

由于電子儲(chǔ)存環(huán)所采用鋁合金超高真空腔，屬上、下片組合焊接的大型真空系統(tǒng)。考慮鋁合金真空腔的加工后的表面狀態(tài)，加工制程上采用無(wú)油酒精加工方式進(jìn)行腔體加工。鑒于傳統(tǒng)做法均采用油式潤(rùn)滑及空壓系統(tǒng)，為降低并避免機(jī)臺(tái)油氣與所使用的壓縮空氣污染加工表面，本加工機(jī)臺(tái)傳動(dòng)潤(rùn)滑采取特殊包護(hù)處理降低油氣釋出；空壓系統(tǒng)則采無(wú)油式空氣壓縮機(jī)透過(guò)空氣干燥機(jī)經(jīng)0.01μm油霧過(guò)濾器系統(tǒng)及金屬潔凈輸送管路至加工處。加工機(jī)臺(tái)及刀具接觸工件環(huán)境須以丙酮與酒精進(jìn)行擦拭，避免油污污染腔體表面。

有別于傳統(tǒng)加工制程的采強(qiáng)堿、酸清洗流程，在高潔凈環(huán)境控制下所制備的腔體，潔凈方式采臭氧水浸泡清洗，由于臭氧有高氧化的能力且在室溫下半衰期短不易對(duì)環(huán)境造成污染，廣泛被半導(dǎo)體清洗晶圓及去光阻制程運(yùn)用。

3 鋁合金腔體焊接

3.1 鋁合金特性

本文腔體所采用的鋁合金為A6061-T651，在焊接制程上屬于熱裂敏感性極高的材料，須透過(guò)適當(dāng)填料機(jī)制改善其熱裂性質(zhì)。因此使用在超高真空環(huán)境時(shí)，對(duì)于合金材料種類、表面處理方式以及焊接等方面所面臨的問(wèn)題都須謹(jǐn)慎地處理。與不銹鋼比較起來(lái)，鋁合金在焊接方面所面臨的困難度較不銹鋼大。比較兩者之間的差異，會(huì)發(fā)現(xiàn)鋁合金具有以下幾種特性[4]：

（1）高于不銹鋼約10倍以上的熱傳導(dǎo)率。焊接時(shí)熱量會(huì)大量被分散，不容易達(dá)到熔融溫度，熱影響區(qū)的范圍廣。相對(duì)地需要輸出功率密度較大的熱源，焊接時(shí)需要的熱源密度條件變動(dòng)很大；再者焊接時(shí)產(chǎn)生熔融的鋁液的凝固速度很快。

（2）熔化潛熱為不銹鋼的1.5倍。擁有較低的熔點(diǎn)，卻需要較大熱輸入量，焊接過(guò)程易造成相對(duì)較大的熔池。

（3）線膨脹率為不銹鋼的2倍以上，厚度差異大的板件焊接在一起時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的歪斜，甚至?xí)斐闪芽p。

（4）鋁合金表面具有強(qiáng)固且高熔點(diǎn)（大約20°C）的氧化皮膜。此皮膜不但妨礙母材與母材或母材與焊材的接合，在焊接過(guò)程也會(huì)殘留在熔化后的鋁合金焊道中，易使焊道容易出現(xiàn)瑕疵。

（5）鋁合金在化學(xué)性質(zhì)上屬活性較高的金屬，因此表面會(huì)形成氧化膜。與固體狀態(tài)比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)熔化后的鋁合金的氫氣融解度明顯變高，可以大量融解吸收氫氣。由于熔化后的鋁合金的凝固速度很快，在焊接時(shí)所融解的氫氣容易變成氣泡殘留下來(lái)，造成漏氣或者降低板件接縫的強(qiáng)度。

腔體焊接其最主要目的是達(dá)真空氣密性與低變形量控制等方向邁進(jìn)。制程上，自動(dòng)焊接與人工焊接制程均采用氬氣鎢極電弧焊接的交流焊接模式；在真空氣密性方面，上、下片的腔體組件須先分別完成抽氣口焊接，并完成氦氣測(cè)漏程序，此焊接部位屬真空內(nèi)部焊道更須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貓?zhí)行焊后測(cè)漏及變形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔體組件組合焊接前，腔體的定位點(diǎn)均以插銷定位，在腔體焊道周?chē)佥o以假焊方式，以間距 200mm的距離分段、對(duì)稱、跳焊方式焊接20～25mm 長(zhǎng)的焊道，暫時(shí)固定接合上、下片腔體組件，腔體上下片結(jié)合過(guò)程均采用雷射追蹤儀監(jiān)控各階段全制程腔體的形變。

3.2 焊接流程

受限腔體具有圓弧及直線段焊道結(jié)構(gòu)，直線段焊接部位在此系列腔體數(shù)量多且易于以機(jī)械方式操控并取代大量的人員焊接時(shí)間，因此腔體采用人工與自動(dòng)焊接方式并進(jìn)完成。腔體焊接制程承接清洗步驟后進(jìn)行，首先腔體須先就抽氣口部位進(jìn)行焊接，完成后并接受測(cè)漏檢驗(yàn)合格，使可進(jìn)行上下片腔體封合作業(yè)，各個(gè)步驟間均采用雷射追蹤儀來(lái)確認(rèn)每一步驟腔體的狀態(tài)，與原始設(shè)計(jì)圖面相較每階段的差異。[5]

腔體焊接其最主要目的是達(dá)真空氣密性與低變形量控制等方向邁進(jìn)。制程上，自動(dòng)焊接與人工焊接制程均采用氬氣鎢極電弧焊接的交流焊接模式；在真空氣密性方面，上、下片的腔體組件須先分別完成抽氣口焊接，并完成氦氣測(cè)漏程序，此焊接部位屬真空內(nèi)部焊道更須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貓?zhí)行焊后測(cè)漏及變形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔體組件組合焊接前，腔體的定位點(diǎn)均以插銷定位，在腔體焊道周?chē)佥o以假焊方式，以間距 200mm的距離分段、對(duì)稱、跳焊方式焊接20～25mm長(zhǎng)的焊道，暫時(shí)固定接合上、下片腔體組件，腔體上下片結(jié)合過(guò)程均采用雷射追蹤儀監(jiān)控各階段全制程腔體的形變。

4 結(jié)論

透過(guò)大型鋁合金腔體制造與焊接制程的縝密安排，可獲得高質(zhì)量的鋁合金超高真空腔體，建立大型鋁合金真空腔體焊接系統(tǒng)，不僅在新一代電子加速器儲(chǔ)存真空系統(tǒng)中扮演焊接的重要角色外，亦在鋁合金焊接工程中邁出了新的一步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高亮，王廣海. 鋁合金真空釬焊技術(shù)的發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2016（14）： 166.

[2] 張可可. 鋁合金焊接常見(jiàn)缺陷的產(chǎn)生原因及質(zhì)量控制措施[J]. 廣東科技. 2016， 25（6）： 49-50.

[3] 齊繼玄. 鋁合金焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 工程技術(shù)：文摘版. 2016（6）： 193.

[4] 趙云寶，陳清林. 基于專利分析的鋁合金焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 輕合金加工技術(shù). 2016， 44（3）： 7-12.

[5] 馬玉剛. 鋁合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 工程技術(shù)：文摘版. 2016（5）： 228.