壓力傳感器激光焊接封裝技術(shù)研究

金波 柯飆 張燕亮 劉丹 張林偉

寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江寧波 315021

0 引言

壓力傳感器可將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于軌道交通、空調(diào)、船舶、航空航天等領(lǐng)域。在軌道交通領(lǐng)域，壓力傳感器應(yīng)用環(huán)境通常具有高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)振動(dòng)等特點(diǎn)，對(duì)傳感器環(huán)境適應(yīng)性及防護(hù)能力有較高要求[1]。因此，需采用壓力傳感器一體化封裝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，提升產(chǎn)品可靠性[2]。

激光焊接因其能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接形式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在傳感器密封封裝形式中有大量應(yīng)用。激光焊接是對(duì)材料的局部加熱、熔合、冷卻的過程，焊接工藝參數(shù)的設(shè)定直接影響焊縫成形質(zhì)量和焊縫強(qiáng)度[3]。

本文對(duì)壓力傳感器一體化封裝進(jìn)行研究，針對(duì)壓力芯體與基座激光焊接開展理論計(jì)算及仿真分析，確定焊縫熔深及寬度設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，基于RF-GH300型激光焊接機(jī)，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)開展焊接工藝參數(shù)對(duì)激光焊縫的影響研究，并考慮生產(chǎn)實(shí)際及工程化應(yīng)用，確定最優(yōu)焊接工藝參數(shù)；最后，通過環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證壓力傳感器焊接封裝可靠性。

1 壓力傳感器一體化設(shè)計(jì)

1.1 壓力傳感器典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力傳感器一體化封裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)及功能組成，主要可分為3 部分：第1 部分包含基座與壓力芯體，兩者間密封連接，基座與測(cè)管路連接，被測(cè)壓力通過基座直接作用于壓力芯體，并轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)向第2 部分傳遞；第2部分即傳感器內(nèi)部電路組成，主要可分為信號(hào)調(diào)理電路和電源防護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償?shù)裙δ?；? 部分是外殼和電連接器，外殼一端與基座密封連接，另一端與電連接器密封連接，實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部器件防護(hù)，電連接器實(shí)現(xiàn)外部電路與傳感器內(nèi)部電路互聯(lián)，達(dá)到電源輸入及信號(hào)傳輸目的。采用一體化封裝的壓力傳感器密封性能好，結(jié)構(gòu)緊湊且抗振動(dòng)能力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于鐵路、船舶、航空等領(lǐng)域[4]。

1.2 壓力傳感器密封連接方式

根據(jù)壓力傳感器一體化封裝形式，考慮傳感器密封可靠性及IP 防護(hù)等級(jí)，通常采用焊接形式實(shí)現(xiàn)基座與外殼、外殼與電連接器的密封連接?；c壓力芯體間的密封常采用O 型密封圈形式或激光焊接形式，如圖2 所示。

表1 給出了2 種壓力芯體密封形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。本文所述壓力傳感器主要應(yīng)用于鐵路交通領(lǐng)域，需在-40 ～125 ℃溫域范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 MPa 破壞壓力內(nèi)的可靠性測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)常帶有油污，對(duì)橡膠件的使用壽命存在較大影響，產(chǎn)品整體應(yīng)用環(huán)境較為惡劣，因此采用激光焊接實(shí)現(xiàn)壓力芯體與基座的密封連接。

表1 壓力芯體密封形式對(duì)比

2 激光焊接焊縫熔深理論計(jì)算

激光焊接是以激光束為熱源，通過光學(xué)系統(tǒng)傳導(dǎo)并聚焦于焊件局部區(qū)域，在極短時(shí)間內(nèi)使焊件局部熔化、冷卻，最終形成冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊件緊密連接的工藝。圖3 給出了激光焊接的主要類型[5]。對(duì)于傳感器等微型器件，一般采用激光自熔焊接，本文中壓力芯體與基座焊縫采用激光自熔搭接焊。

2.1 焊縫熔深計(jì)算

壓力芯體與基座焊接可靠性直接影響壓力傳感器性能。圖4 給出了壓力芯體與基座焊縫受力示意圖，被測(cè)壓力直接作用于壓力芯體承壓面，焊縫承受沿芯體軸向的剪切力，需對(duì)焊縫熔深進(jìn)行控制，使焊縫剪切強(qiáng)度滿足要求。

對(duì)于對(duì)接接頭或T 型接頭焊縫，其強(qiáng)度可按式（1）計(jì)算[6]：

其中，[σ] 為焊縫最大承受應(yīng)力（單位：MPa）；F為焊縫承力（單位：N）；lw為焊縫長(zhǎng)度（單位：mm）；δ為焊縫熔深（單位：mm）；fδw為焊縫抗拉或抗剪強(qiáng)度（單位：MPa）。

已知壓力芯體最大承受破壞壓力為10 MPa，芯體與基座材料均為304 不銹鋼，考慮激光自熔焊縫強(qiáng)度與母材強(qiáng)度接近，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8165，取焊縫剪切強(qiáng)度210 MPa。由此，根據(jù)式（2）計(jì)算焊縫理論熔深：

其中，Pmax為壓力傳感器最大破壞壓力值（單位：MPa）；d為壓力芯體承壓面直徑（單位：mm）。

計(jì)算可得焊縫理論熔深約0.2 mm，為保證產(chǎn)品可靠性，考慮焊縫安全系數(shù)S=1.5，則焊縫設(shè)計(jì)熔深值應(yīng)為0.3 mm。

2.2 焊縫強(qiáng)度仿真分析

本節(jié)建立基于實(shí)際焊縫的有限元模型，仿真分析10 MPa 破壞壓力下焊縫區(qū)域應(yīng)力分布，模型建立如圖5 所示。

圖6 給出了破壞壓力下壓力芯體與轉(zhuǎn)接件焊接區(qū)域各部件應(yīng)力云圖。可見，焊接區(qū)域最大應(yīng)力值為172 MPa，應(yīng)力集中為壓力芯體與焊縫連接根部；基座上最大應(yīng)力值為129 MPa，位于基座與焊縫連接根部；激光焊縫本體最大應(yīng)力值為79.4 MPa，應(yīng)力沿焊縫熔深方向分布。綜上，焊接區(qū)域最大應(yīng)力值172 MPa，小于焊縫剪切強(qiáng)度210 MPa。仿真證明，熔深0.3 mm的焊縫滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3 激光焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用RF-GH300 型脈沖式激光焊接機(jī)，設(shè)備可調(diào)激光焊接工藝參數(shù)包括峰值功率、脈沖寬度、脈沖頻率、焊接速率、離焦量。大量實(shí)踐證明，激光能量是影響激光焊接焊縫強(qiáng)度的主要因素[7]，激光能量可根據(jù)式（3）計(jì)算：

其中，W為激光能量（單位：W）；f為脈沖頻率（單位：Hz）；P為峰值功率（單位：kW）；L為脈沖寬度（單位：ms）。

進(jìn)一步，對(duì)于指定焊縫寬度d，可根據(jù)式（4）計(jì)算脈沖頻率：

其中，v為焊接速率（單位：mm/s）；s為焊點(diǎn)光面積（單位：mm2），即s=π(d/2)2；α為焊縫重疊率，一般要求α≥80%。

為提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，根據(jù)制造流程節(jié)拍要求，規(guī)定設(shè)備焊接速率保持5 mm/s，本文中壓力芯體與基座焊縫寬度設(shè)計(jì)為1 mm，由此可得到激光焊接脈沖頻率為32 Hz。

綜上，本文采用正交試驗(yàn)方法，調(diào)整峰值功率（1 ～2.6 kW）和脈沖寬度（0.5 ～2 mm），研究其對(duì)焊縫熔深及焊縫寬度的影響，并對(duì)不同工藝參數(shù)下焊縫外觀及質(zhì)量進(jìn)行檢查分析，最終確定最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

3.2 焊縫質(zhì)量檢查

激光焊接焊縫質(zhì)量要求焊接結(jié)合面無(wú)偏離，焊縫光潔、均勻，焊點(diǎn)連續(xù)且焊縫表面無(wú)裂紋、氣孔、塌陷、燒穿等不良現(xiàn)象，因此，對(duì)焊后焊縫進(jìn)行3 MPa 氣密性檢查，并觀察焊縫外觀形貌，如圖7 所示。可見，激光自熔焊接形成水波紋狀的連續(xù)、白亮焊縫，當(dāng)峰值功率和脈沖寬度均較小時(shí)，焊縫在氣密性檢查后出現(xiàn)明顯裂紋；當(dāng)峰值功率和脈沖寬度均較大時(shí)，焊縫出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，焊縫邊緣焦黃、發(fā)黑。

3.3 工藝參數(shù)影響研究及最優(yōu)選取

對(duì)樣品焊縫進(jìn)行解剖切片分析，測(cè)量焊縫寬度及焊縫熔深，如圖8 所示?？梢?，激光自熔焊縫切面呈等邊三角形分布，焊縫最大熔深與焊接搭接面無(wú)偏離。

對(duì)比各工藝參數(shù)下焊縫熔深和焊縫寬度，由圖9可知，焊縫熔深與峰值功率及脈寬呈正比線性關(guān)系，峰值功率和脈寬越大，焊縫熔深越大；而焊縫寬度主要由激光光點(diǎn)大小決定，其受峰值功率和脈寬的影響較小，所有樣品焊縫寬度均在1 mm±0.1 mm 范圍內(nèi)，焊縫寬度的增加主要是因?yàn)楹附幽芰刻嵘龑?dǎo)致的熱量傳遞使焊縫周圍材料局部熔化。

參考焊縫設(shè)計(jì)熔深0.3 mm，焊縫寬度1 mm±0.05 mm，有多組工藝參數(shù)滿足設(shè)計(jì)條件。但考慮壓力芯體屬于敏感元件，傳熱速度快，內(nèi)部核心部件耐溫性能有限，同時(shí)，壓力芯體大多通過玻璃燒結(jié)工藝將內(nèi)部電路引出至針腳上，玻璃燒結(jié)區(qū)域材料間熱膨脹系數(shù)差異大，易受焊接熱應(yīng)力影響產(chǎn)生裂紋或間隙，從而導(dǎo)致芯體失效。

為避免焊接局部溫度過高導(dǎo)致壓力芯體失效，需在滿足焊縫設(shè)計(jì)要求前提下，優(yōu)選焊接工藝參數(shù)，其中，峰值功率是導(dǎo)致焊接局部升溫的主要因素，由此，本文綜合選取峰值功率1.4 kW，脈寬2 ms 作為壓力芯體與基座激光焊接最優(yōu)工藝參數(shù)。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以上述最優(yōu)激光焊接工藝參數(shù)制備壓力傳感器樣品10 支，抽取其中4 支進(jìn)行工作壓力循環(huán)、三綜合振動(dòng)、交變濕熱等環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試及解剖分析，如表2 所示。結(jié)果表明，所有傳感器試驗(yàn)后性能滿足要求，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，充分驗(yàn)證了焊接參數(shù)選取的可行性及壓力傳感器一體化封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。

表2 試驗(yàn)前后壓力傳感器性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于壓力傳感器一體化封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)傳感器密封連接方式開展對(duì)比分析，指出激光焊接工藝在傳感器密封設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，通過理論計(jì)算激光焊縫熔深并通過仿真驗(yàn)證了焊縫強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，考慮實(shí)際生產(chǎn)過程，研究激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫熔深及焊縫寬度的影響，并通過焊縫質(zhì)量檢查及解剖切片分析，綜合選取最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。結(jié)果表明，峰值功率和脈寬與焊縫熔深呈線性正比關(guān)系，焊縫寬度主要取決于激光光點(diǎn)大小，與峰值功率及脈寬的關(guān)系不大。當(dāng)峰值功率取1.4 kW，脈寬取2 ms 時(shí)，焊縫熔深及寬度滿足設(shè)計(jì)要求，且焊縫質(zhì)量良好，產(chǎn)品可靠性高，為生產(chǎn)制造提供參考。