CN114178639B - 一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，采用低热输入脉冲激光将流动性优异的Ag‑28Cu低熔点共晶钎料熔化并填充铍窗与不锈钢基座之间的缝隙，实现二者之间的致密封接。低熔点共晶钎料的使用可有效降低被连接材料的熔化稀释，高能量密度激光的引入则可避免铍金属因过热而导致的脆化开裂。通过合理设计铍窗定位凹台并精确控制激光光斑的照射位置，在充分熔化钎料的同时可避免铍窗过度稀释，从而控制钎缝中脆性相的数量，抑制钎缝开裂，满足检测仪器对温度和气密性的使用要求。

Description

一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法

技术领域

本发明属于精密仪器制造技术领域，涉及X射线像增强器用铍窗封接工艺，具体为一种铍窗与不锈钢之间的异质材料封接方法。

背景技术

经过真空热压和轧制工艺生产的铍片对X射线和其他一些射线具有优异的透过性，可用作X射线管、探测器和低能光子源的窗口材料，其典型代表即为X射线荧光光谱仪（XRF）。为保证X射线发射组件正常工作并提高检测信号精度，往往需要将X射线发射组件与大气环境隔开。因此，铍窗的另一个重要功能即为真空隔绝。铍窗使用时需与不锈钢进行连接。现阶段铍窗的连接主要有两种方法，即焊接与环氧树脂粘接。环氧树脂粘接能够较好地满足检测仪器对铍窗的气密性要求。但X射线真空器件制作过程中需要对器件进行400℃烘烤去气，高温容易导致粘接用环氧树脂发生老化失效。而对于大尺寸铍窗，在其焊接过程中容易出现铍片变形或氧化等问题，其密封性能同样很难保证。

铍金属的焊接多采用钎焊和扩散焊。然而，铍在高温下扩散极快，容易在钎缝或扩散焊界面形成柯肯达尔孔洞，造成铍窗气密性不足。高温下铍极易氧化，少量的氧即可导致铍片因高温氧化而发生脆化开裂。因此铍金属的钎焊或扩散焊需要极高的真空度以避免铍金属氧化。

X射线荧光光谱仪等测试仪器中需要将铍窗与不锈钢基座致密连接。但铍与不锈钢物理化学性能差异大，直接熔化焊时易形成脆性金属间化合物造成焊缝开裂，常规焊接方法无法满足铍窗封接的使役性能要求。

发明内容

针对X射线荧光光谱仪等检测领域中对铍窗X射线透过性和气密性的应用需求，本发明目的是提供一种低热输入激光钎焊方法以实现铍窗与不锈钢基座之间的封接方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，包括如下步骤：

（1）、不锈钢基座凹台加工：在不锈钢基座上表面加工环形凹台，凹台深度大于铍窗厚度，使铍窗上表面低于不锈钢基座上表面；环形凹台直径大于铍窗直径，便于钎料填充。

（2）、一次钎料涂布：在不锈钢环形凹台直角根部均匀涂抹膏状Ag-Cu基钎料。

之所以选用Ag-Cu基钎料，一方面是由于采用Ag-Cu基钎料获得的钎焊接头可以在400℃条件下持续服役，同时Ag-Cu基钎料熔点较低；另一方面，采用Ag-Cu钎料可有效减少接头中的脆性金属间化合物，且钎缝中以具有良好塑韧性的Ag基固溶体为主，可显著改善异种金属接头的综合性能。所以，采用膏状低熔点Ag-Cu共晶钎料作填充金属，在脉冲激光的辅助作用下实现较低温度条件下钎料的熔化和填缝，从而获得具有良好致密性的铍窗-不锈钢组件。

（3）、装配：将铍窗装配到不锈钢基座的环形凹台内，调整周边间隙并按压铍窗，使钎料在间隙中均匀涂布。

（4）、二次钎料涂布：在铍窗上边缘与凹台侧壁的直角部位再次均匀涂抹膏状钎料，并对其修型使之呈直角三角形。

钎料涂布分两步：第一步是在铍窗装配之前，将膏状钎料涂布于凹台外缘直角根部并将其修型；第二步是将铍窗与不锈钢基座装配之后，再次于凹台与铍窗上表面直角交界处均匀涂布钎料。两步法钎料涂布方式能够保证铍窗-不锈钢基座激光钎焊封接组件的气密性。

（5）、激光光斑定位：采用脉冲激光焊接机实施铍窗与不锈钢基座的激光钎焊连接。采用脉冲激光作为焊接热源，能量密度高、焊接热输入低、热影响区小、熔化位置精确可控，可避免铍窗因过热而发生脆化开裂。

将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，卡钳倾转适当角度，从而使光斑在能够充分熔化钎料的同时远离铍窗，调整激光光斑位置，使光斑位于钎料靠近不锈钢一侧，避免铍窗过热或直接熔化。

（6）激光焊接：焊接过程中，激光焊接头及光斑位置保持固定，待焊样件随卡钳匀速旋转，采用高纯氩气保护熔池以免氧化；然后启动激光焊接机，高能量密度的激光使膏状钎料熔化，同时卡钳均匀旋转，完成铍窗与不锈钢基座的激光钎焊连接。

（7）、待自然冷却后取下样件。

（8）、气密性测试：将焊接完成的铍窗组件置于水中进行气密性测试，气密性测试采用专用充气打压装置实施。测试时，将封接好的铍窗组件放置在充气打压装置中，通过O型橡胶圈及6个螺栓使铍窗组件与充气打压装置紧密装配。然后通过充气喷嘴向铍窗组件充气，充气压力2MPa。充气后将铍窗与充气打压装置一并放入水中静置，无明显气泡溢出则判定铍窗组件气密性合格。

进一步优选的，步骤（1）中，铍窗上表面低于不锈钢基座上表面0.3~0.5mm；环形凹台直径大于铍窗直径0.1~0.2mm。

进一步优选的，步骤（6）中，采用的脉冲激光焊接工艺，焊接参数：脉冲激光充电电压100~200V（优选120~150V），脉冲宽度1.0~2.0ms（优选1.2~1.8ms），焊接速度90~360mm/min（优选120~300mm/min），采用正焦模式，离焦量+1~+3mm（优选+1~+1.5mm），光斑直径1.0~1.5mm；焊接全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量8~15L/min（优选8~12L/min）。焊接结束位置要越过起始焊接位置，以避免焊接结束位置产生裂纹。

本发明采用低热输入脉冲激光将流动性优异的Ag-28Cu低熔点共晶钎料熔化并填充铍窗与不锈钢基座之间的缝隙，实现二者之间的致密封接。低熔点共晶钎料的使用可有效降低被连接材料的熔化稀释，高能量密度激光的引入则可避免铍金属因过热而导致的脆化开裂。通过合理设计铍窗定位凹台并精确控制激光光斑的照射位置，在充分熔化钎料的同时可避免铍窗过度稀释，从而控制钎缝中脆性相的数量，抑制钎缝开裂，满足检测仪器对温度和气密性的使用要求。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的用于X射线荧光光谱仪等检测仪器中铍窗与不锈钢基座之间的脉冲激光钎焊方法，在不造成X射线能量损失的情况下保证铍窗组件的气密性。

2、本发明采用流动性好的低熔点共晶钎料作为缝隙填充材料，提高焊缝致密性的同时可有效控制铍窗与不锈钢基座的稀释率，抑制钎缝中的脆性金属间化合物，显著改善接头焊接质量。

3、本发明采用脉冲激光焊接技术，焊接热输入低，能量密度高，光斑小，熔化区域精准可控，可避免连接部位过热而导致的焊缝缺陷及铍窗脆化等问题。

本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示不锈钢基座凹台设计侧视图。

图1-1表示不锈钢基座俯视图。

图1-2表示不锈钢基座的凹台内放置铍窗示意图。

图1-3表示图1-2的部分A放大示意图。

图2表示一次钎料涂布方式示意图。

图2-1表示图2中部分B放大示意图。

图3表示二次钎料涂布方式示意图。

图3-1表示图3中部分C放大示意图。

图4表示脉冲激光光斑位置示意图。

图4-1表示图4中部分D放大示意图。

图5表示脉冲激光封接的铍窗-不锈钢组件实物图。

图中：1-不锈钢基座，2-环形凹台，3-铍窗，4-一次钎料，5-二次钎料，6-脉冲激光。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1：（不锈钢基座凹台形状为本发明，采用Ag-28Cu钎料）

一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，步骤如下：

（1）在不锈钢基座上加工台阶状环形凹台，并将待焊部位打磨干净；凹台深度h=b+0.5mm（b为铍窗厚度，一般为0.5mm），凹台外缘直径D=d+(0.1~0.2)mm（d为铍片直径），周边间隙控制在0.05~0.1mm，如图1、图1-1、图1-2及图1-3所示。

（2）在台阶状凹台边缘直角部位均匀涂抹膏状Ag-28Cu共晶钎料，用刮板将膏状钎料修型，使其呈直角三角形，如图2及图2-1所示。

（3）将铍片放置在凹台中，沿圆周方向轻轻按压，使钎料在间隙中均匀涂布。

（4）在铍片上边缘与凹台的直角部位均匀涂抹膏状Ag-28Cu共晶钎料，并将其修型为直角三角形，去除其余部位的多余钎料，如图3及图3-1所示。

（5）将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，倾转角为40°；调整激光光斑位置，使光斑位于钎料靠近不锈钢一侧3/4部位，远离铍片；焊接过程中，激光光斑位置保持固定，待焊样件匀速旋转，如图4及图4-1所示。

（5）采用脉冲激光焊接方法，充电电压130V，脉冲宽度1.8ms，焊接速度120mm/min；采用正焦模式，离焦量+1mm，光斑直径1.0mm；焊接过程中全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量10L/min。

（6）待自然冷却后取下样件并测试其气密性，经充气压力2MPa气密性测试表明，样件无渗漏。

实施例2：（不锈钢基座凹台深度与铍窗厚度相等，不添加钎料）

（1）在不锈钢基座上加工台阶状环形凹台，并将待焊部位打磨干净；凹台深度与铍窗厚度相等，即铍窗外表面与不锈钢基座齐平；凹台外缘直径D=d+(0.1~0.2)mm（d为铍片直径），周边间隙控制在0.05~0.1mm。

（2）将铍片放置在凹台中，与不锈钢基座装配在一起。将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，倾转角为0°，即样件保持水平；调整激光光斑位置，使光斑定位于不锈钢基座与铍窗接缝处近不锈钢一侧，铍片熔化约0.5mm。焊接过程中，激光光斑位置保持固定，待焊样件匀速旋转。

（3）采用脉冲激光焊接方法，充电电压120V，脉冲宽度1.5ms，焊接速度120mm/min，采用正焦模式，离焦量+1mm，光斑直径1.0mm；焊接过程中全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量10L/min。

（4）自然冷却后取下样件并测试其气密性。焊缝表面连续光滑，然而经充气压力2MPa气密性测试发现，样件焊缝上存在多处漏点。

实施例3：（不锈钢基座凹台深度与铍窗厚度相等，采用Ag-47.3Cu-3Ti钎料）

（1）在不锈钢基座上加工台阶状环形凹台，并将待焊部位打磨干净；凹台深度与铍窗厚度相等，即铍窗外表面与不锈钢基座齐平；凹台外缘直径D=d+(0.1~0.2)mm（d为铍片直径），单边间隙控制在0.05~0.1mm。

（2）在台阶状凹台边缘直角部位均匀涂抹膏状Ag-47.3Cu-3Ti共晶钎料，用刮板将膏状钎料修型，使其呈直角三角形。

（3）将铍片放置在凹台中，沿圆周方向轻轻按压，使钎料在间隙中均匀涂布。

（4）将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，倾转角为0°，即样件保持水平；调整激光光斑位置，使光斑定位于不锈钢基座凹台内边缘，焊接过程中激光不直接照射铍片。激光熔化不锈钢基座过程中通过热传导使钎料熔化并填充间隙。焊接过程中，激光光斑位置保持固定，待焊样件匀速旋转。

（5）采用脉冲激光焊接方法，充电电压150V，脉冲宽度1.8ms，焊接速度90mm/min，采用正焦模式，离焦量+1mm，光斑直径1.0mm；焊接过程中全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量10L/min。

（6）待自然冷却后取下样件并测试其气密性。经充气压力2MPa气密性测试发现，样件钎缝存在漏点。

实施例4：（不锈钢基座凹台形状同本发明，采用Ag-47.3Cu-3Ti钎料）

（1）在不锈钢基座上加工台阶状环形凹台，并将待焊部位打磨干净；凹台深度h=b+0.5mm（b为铍窗厚度），凹台外缘直径D=d+(0.1~0.2)mm（d为铍片直径），周边间隙控制在0.05~0.1mm，如图1、图1-1、图1-2及图1-3所示。

（2）在台阶状凹台边缘直角部位均匀涂抹膏状Ag-47.3Cu-3Ti 活性钎料，用刮板将膏状钎料修型，使其呈直角三角形，如图2及图2-1所示。

（3）将铍片放置在凹台中，沿圆周方向轻轻按压，使钎料在间隙中均匀涂布。

（4）在铍片上边缘与凹台的直角部位均匀涂抹膏状Ag-47.3Cu-3Ti活性钎料，并将其修型为直角三角形，去除其余部位的多余钎料，如图3及图3-1所示。

（5）将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，倾转角为40°；调整激光光斑位置，使光斑位于钎料靠近不锈钢一侧3/4部位，远离铍片；焊接过程中，激光光斑位置保持固定，待焊样件匀速旋转，如图4及图4-1所示。

（6）采用脉冲激光焊接方法，充电电压120~150V，脉冲宽度1.5~2.0ms，焊接速度90~120mm/min，采用正焦模式，离焦量+1mm，光斑直径1.0mm；焊接过程中全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量10L/min。

（7）待自然冷却后取下样件并测试其气密性。经充气压力2MPa气密性测试发现，样件钎缝存在多处漏点。

实施例5：（真空钎焊方法，采用Ag-28Cu钎料）

（1）采用真空钎焊方法实施铍窗与不锈钢基座之间的连接。不锈钢基座表面为平整光洁面，其外缘直接与铍窗直径相等。钎焊之前，采用脱脂棉与无水乙醇擦拭待连接表面，去除钎焊部位的油污。

（2）在不锈钢基座上表面均匀涂抹膏状Ag-28Cu共晶钎料，钎料涂覆厚度约0.5mm。

（3）将铍窗与不锈钢基座装配，并轻轻按压，擦去钎缝处挤压出的多余钎料。

（4）将装配好的样件放置于真空钎焊炉。抽真空，真空度达到1×10^-4 Pa之后，开启加热电源。钎焊温度830℃，保温时间10min。保温结束后，随炉冷却至室温，开炉取出样件。

（5）样件气密性测试。经充气压力2MPa气密性测试发现样件钎缝存在多处漏点。

实施例6：（激光填粉焊接方法，采用25~80μm粒径的不锈钢粉末）

（1）在不锈钢基座上加工台阶状环形凹台，并将待焊部位打磨干净；凹台深度h=b+0.5mm（b为铍窗厚度），凹台外缘直径D=d+(0.1~0.2)mm（d为铍片直径），周边间隙控制在0.05~0.1mm，如图1所示。

（2）将铍片放置在凹台中，在铍片上边缘与凹台的直角部位均匀涂抹不锈钢粉末，并将其修型为直角三角形。

（3）将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可倾转的卡钳工装之上；调整激光光斑位置，使光斑位于钎料靠近不锈钢一侧3/4部位，远离铍片；焊接过程中，激光光斑位置保持固定，待焊样件匀速旋转，如图4所示。

（4）采用脉冲激光焊接方法，充电电压130V，脉冲宽度1.8ms，焊接速度120mm/min，采用正焦模式，离焦量+1mm；焊接过程中全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量10L/min。

（5）待自然冷却后取下样件并测试其气密性，经充气压力2MPa气密性测试发现样件焊缝存在多处漏点。焊缝放大观察发现焊缝中存在较多贯穿裂纹。

本发明（实施例1）相比实施例2-6的优点在于：1、本发明针对铍窗与不锈钢基座的封接时的材料特点，在不锈钢基座上特别设计了一种凹台结构，便于钎料涂布的同时便于调整激光光斑的作用位置，有助于调控钎缝中的能量输入，避免焊接过程中铍窗过热而发生开裂。2、本发明采用激光钎焊工艺，既通过钎料的加入实现了致密性封接，同时激光钎焊的局部加热方式可有效控制能量输入，抑制铍窗因过热而失效。3、本发明优选Ag-28Cu（Cu的占比为28%、Ag的占比为72%）共晶钎料，可控制钎缝中脆性金属间化合物的数量，同时具有良好的流动性和较低的熔点，显著提升了钎缝成型质量及致密性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (6)

1.一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、不锈钢基座凹台加工：在不锈钢基座上表面加工环形凹台，凹台深度大于铍窗厚度，使铍窗上表面低于不锈钢基座上表面；环形凹台直径大于铍窗直径，便于钎料填充；

（2）、一次钎料涂布：在不锈钢环形凹台直角根部均匀涂抹膏状Ag-Cu基钎料；

（3）、装配：将铍窗装配到不锈钢基座的环形凹台内，调整周边间隙并按压铍窗，使钎料在间隙中均匀涂布；

（4）、二次钎料涂布：在铍窗上边缘与凹台侧壁的直角部位再次均匀涂抹膏状钎料，并对其修型使之呈直角三角形；

（5）、激光光斑定位：采用脉冲激光焊接机实施铍窗与不锈钢基座的激光钎焊连接；将装配好的铍窗与不锈钢基座安装到可旋转、可倾转的卡钳工装之上，卡钳倾转适当角度，从而使光斑在能够充分熔化钎料的同时远离铍窗，调整激光光斑位置，使光斑位于钎料靠近不锈钢一侧，避免铍窗过热或直接熔化；

（6）激光焊接：焊接过程中，激光焊接头及光斑位置保持固定，待焊样件随卡钳匀速旋转，采用高纯氩气保护熔池以免氧化；然后启动激光焊接机，高能量密度的激光使膏状钎料熔化，同时卡钳均匀旋转，完成铍窗与不锈钢基座的激光钎焊连接；

其中，焊接参数：脉冲激光充电电压100~200V，脉冲宽度1.0~2.0ms，焊接速度90~360mm/min，采用正焦模式，离焦量+1~+3mm，光斑直径1.0~1.5mm；焊接全程采用高纯氩气保护熔池及高温焊缝，保护气流量8~15L/min；

（7）、待自然冷却后取下样件。

2.根据权利要求1所述的一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：步骤（1）中，铍窗上表面低于不锈钢基座上表面0.3~0.5mm；环形凹台直径大于铍窗直径0.1~0.2mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：脉冲激光充电电压120~150V，脉冲宽度1.2~1.8ms，焊接速度120~300mm/min；采用正焦模式，离焦量+1~+1.5mm，光斑直径1.0~1.5mm，保护气流量8~12L/min。

4.根据权利要求3所述的一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：步骤（6）中，焊接结束位置要越过起始焊接位置，以避免焊接结束位置产生裂纹。

5.根据权利要求2所述的一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：步骤（1）中，铍窗厚度为0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于铍窗和不锈钢基座的脉冲激光钎焊封接方法，其特征在于：Ag-Cu基钎料中Cu的占比为28%、Ag的占比为72%。

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