CN106370169B - 一种半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，外壳为不锈钢圆筒形，底座为可伐合金构成的圆盘状；所述底座一面边缘具有环状的凸台；焊接前，使外壳待焊接端竖直向上，底座位于外壳该焊接端口部中且凸台朝上，底座上表面与外壳上端面平齐，使得凸台突出于外壳口部，底座周边和外壳内壁形成环状间隙；焊接时，使激光从上往下照射，并使激光光束中心点对准凸台上端外表面，在激光照射下，凸台熔化形成液态以填补环状间隙并与外壳内壁熔化部分融合在一起，由此实现外壳与底座的焊接固定。本发明可大大减小焊接面微裂纹的大小和数量，大大降低了腔体的漏率，密闭性得到明显提高。

Description

一种半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法

技术领域

本发明涉及卫星惯性导航系统中半球谐振陀螺，特别涉及半球谐振陀螺仪敏感头激光封焊方法，属于半球谐振陀螺仪领域。

背景技术

半球谐振陀螺属于振动旋转传感器，具有高精度、长寿命、高可靠、噪声低、抗核辐射、耐高冲击等特点，可以连续工作15年以上并保持要求的性能，是卫星、战略武器和空间飞行器等领域应用中最优选的传感器。激光真空密封焊接使陀螺内部维持了良好的真空度从而使振动波的能量损耗最小，是半球陀螺具有高精度和长寿命的关键技术。

目前半球陀螺激光密封焊接是不锈钢圆柱形外壳与可伐合金圆形底座的异种材料环向对接式焊接，在焊接条件相同的情况下，相较于不锈钢，可伐合金焊点的熔深大，熔化后液态金属的流动性好，且更不易产生热裂纹。激光束通过透镜聚焦后，有一最小光斑直径，焊件表面距离激光束最小斑点的距离为离焦量F，焊件表面位于最小斑点下方，离焦量F>0，为正离焦，反之为负离焦，焊接方法采用正离焦，即激光束最小斑点位于焊接面上方。现阶段存在以下技术难点：焊接面两金属间隙较大且不均匀，导致激光熔焊得到的焊接面微裂纹大而多，漏率较大。

在显微镜下可观察到这些不规则微裂纹，是导致漏气的主要原因。为获得高气密性的半球陀螺敏感头，需要改进激光密封焊接的结构，这是研制长寿命半球谐振陀螺的重要技术途径。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种用于半球陀螺敏感头高气密性激光焊接封装方法，本方法可大大减小焊接面微裂纹的大小和数量，由此降低腔体的漏率，提高密闭性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，用于将外壳与底座焊接在一起，所述外壳为不锈钢圆筒形，底座为可伐合金构成的圆盘状；所述底座一面边缘具有环状的凸台；焊接前，使外壳待焊接端竖直向上，底座位于外壳该焊接端口部中且凸台朝上，底座上表面与外壳上端面平齐，使得凸台突出于外壳口部，底座周边和外壳内壁形成环状间隙；焊接时，使激光从上往下照射，并使激光光束中心点对准凸台上端外表面，在激光照射下，凸台熔化形成液态以填补环状间隙并与外壳内壁熔化部分融合在一起，由此实现外壳与底座的焊接固定。

所述凸台全部熔化以填补环状间隙并使焊接后填补间隙区域上表面跟外壳端面与底座端面平齐。

所述凸台的体积跟环状间隙的体积对应。

所述凸台高度d为0.4-0.5mm，环状间隙为0.06-0.16 mm，底座直径49-50mm。

焊接时， 激光功率为216-220 W，激光脉冲频率5Hz，脉冲宽度5ms，光斑直径0.7 -0.9mm，工件表面距输出镜距离86.2-87.5 mm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过高倍显微镜观察，本焊接方法可大大减小焊接面微裂纹的大小和数量。

2、焊接密封腔体的密闭性表征结果显示，本焊接方法大大降低了腔体的漏率，密闭性得到明显提高。

附图说明

图1-本发明焊接方法示意图。

图2-本发明焊接方法与传统焊接方法对比示意图。

图3-现有焊接方法焊接后的焊接面在高倍显微镜下的形貌图。

图4-本发明焊接方法焊接后的焊接面在高倍显微镜下的形貌图。

其中，1-底座；2-外壳；3-激光光束覆盖区域；4-激光器；5-输出镜；6-最小斑点。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

参见图1和图2，从图上可以看出，本发明半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，用于将外壳与底座焊接在一起，所述外壳为不锈钢圆筒形，底座为可伐合金构成的圆盘状。为了实现更好的焊接效果，本发明在底座其中一面的边缘设有环状的凸台。焊接前，先使外壳待焊接端竖直向上，底座位于外壳该焊接端口部中且凸台朝上，底座上表面与外壳上端面平齐，使得凸台突出于外壳口部，底座周边和外壳内壁形成环状间隙。焊接时，激光光束由输出镜输出，从上往下照射，并使激光光束中心点对准凸台上端外表面，在激光照射下，工件旋转，凸台熔化形成液态以填补环状间隙并与外壳内壁熔化部分融合在一起，由此实现外壳与底座的焊接固定。

由于凸台上端的离焦量相对于外壳上表面更小，即凸台上端面与最小斑点距离更小，激光照射到表面形成的光斑直径更小，单位面积内接受的激光能量更大，更容易熔化，从而形成液态可伐合金，填补间隙。相应外侧不锈钢表面的光斑较大，对应功率密度小，仅表面熔化与液态可伐合金相融合。一方面，由于凸台的存在使得焊接过程中产生更多的液态可伐合金，有利于填补间隙，减小系统偏差；另一方面，相比原焊接方法，本发明焊接方法中不锈钢参与填补间隙的量较少，使得产生的热裂纹较少。因此新方法焊接的表头具有更低的漏率和更高的气密性。

所述凸台全部熔化以填补环状间隙并使焊接后填补间隙区域上表面跟外壳端面与底座端面平齐，从而使焊接后的壳体两端都比较平整，外观质量高。

所述凸台的体积跟环状间隙的体积对应，这样基本确保熔化后的凸台刚好填满间隙，使焊接融合面更大，更可靠。

作为一个优选实施例，本方法凸台同外侧不锈钢外壳壁高度差d为0.5mm，凸台宽度0.5mm，两侧金属间环状间隙约0.06-0.16 mm，底座直径49-50mm，厚度3mm；激光功率为216-220 W，激光脉冲频率5Hz，脉冲宽度5ms，光斑直径0.7 -0.9mm，工件表面距输出镜距离86.2-87.5 mm。

本发明上述给出的各激光功率、光斑直径和工件表面距镜头距离参数均为具体实施例，本发明并不受限于这些参数，具体情况视不同仪器而有不同。

本发明焊接结构中凸台高度差需根据具体的金属间间隙宽度来决定，同时跟金属的熔深有关。具体情况不同，凸台高度差不同。

本焊接方法中外壳材料与底座材料不限于不锈钢与可伐，其它任意两种不同焊接性质的金属，或者同种焊接性质的金属均可。

若两种金属焊接性质相同，则焊接结构凸台可位于间隙内侧或外侧，或者在间隙两侧构造双凸台结构。

若两种金属焊接性质不同，则熔深大的一侧金属采用凸台结构。

图2是本发明焊接方法与传统焊接方法对比示意图。其中，1-底座；2-外壳；3-激光覆盖区域；4-激光器；5-输出镜；6-最小斑点。传统焊接时，激光光束中心点对准环状间隙中部，底座外表面和外壳内表面接受的能量密度相同。表1所示为采用新、旧焊接方法进行激光焊接的表头激光焊接参数。表2为通过采用新、旧焊接结构进行激光焊接的表头漏率表征，实施例1-5分别对应实施例6-10。通过表2可以看出，采用本方法后，漏率较旧的焊接方法下降了1到2个数量级，气密性得到大大提高。图3与图4分别为实施例5与实施例10焊接后表面在200倍显微镜下观察的图像，可以明显看出，实施例10的焊接表面相对更平整，裂纹更小，由此可见本方法具有明显优势。

表1

表2

本发明可伐合金底座，一方面具有良好的液态流动性，有利于补偿由于焊接面间隙较大且不均匀性导致的焊接裂纹，另一方面还具有较低的热裂纹指数，有利于减少热裂纹。本发明在激光焊接间隙处内侧可伐合金底座同外侧不锈钢金属外壳之间形成凸台，即内侧金属高度高于外侧金属高度。这种结构，一方面有利于增加填补间隙的材料，另一方面有利于填补间隙材料的受热熔化。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，用于将外壳与底座焊接在一起，所述外壳为不锈钢圆筒形，底座为可伐合金构成的圆盘状；其特征在于：所述底座一面边缘具有环状的凸台；焊接前，使外壳待焊接端竖直向上，底座位于外壳该焊接端口部中且凸台朝上，底座上表面与外壳上端面平齐，使得凸台突出于外壳口部，底座周边和外壳内壁形成环状间隙；焊接时，使激光从上往下照射，并使激光光束中心点对准凸台上端外表面，在激光照射下，工件旋转，凸台熔化形成液态以填补环状间隙并与外壳内壁熔化部分融合在一起，由此实现外壳与底座的焊接固定；

所述凸台全部熔化以填补环状间隙并使焊接后填补间隙区域上表面跟外壳端面与底座端面平齐。

2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，其特征在于：所述凸台的体积跟环状间隙的体积对应。

3.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，其特征在于：所述凸台高度d为0.4-0.5mm，环状间隙为0.06-0.16 mm，底座直径49-50mm。

4.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺敏感头高气密性激光封焊方法，其特征在于：焊接时， 激光功率为216-220 W，激光脉冲频率5Hz，脉冲宽度5ms，光斑直径0.7 -0.9mm，工件表面距输出镜距离86.2-87.5 mm。