压力传感器波纹膜片低应力激光焊接工艺

压力传感器波纹膜片低应力激光焊接工艺 Low stress laser welding technology for corrugated diaphragm of pressure sensor 1 corresp first-author E-mail： dxh@instrnet.com E-mail： dxh@instrnet.com 杜晓辉（1987-），男，山东平度人，博士，高级工程师，2016年于厦门大学获得博士学位，现为机械工业仪器仪表综合技术经济研究所传感与网络中心副主任，主要从事MEMS传感器和测试技术的研究。E-mail： dxh@instrnet.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364228&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364242&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364230&type= 22.01333237 32.00400543 杜晓辉 （1987-），男，山东平度人，博士，高级工程师，2016年于厦门大学获得博士学位，现为机械工业仪器仪表综合技术经济研究所传感与网络中心副主任，主要从事MEMS传感器和测试技术的研究。E-mail： dxh@instrnet.com dxh@instrnet.com 1 陈凡红（1993-），女，甘肃定西人，博士，工程师，2020年于北京化工大学获得博士学位，2022年有研科技集团有限公司博士后出站，主要从事传感器敏感元件微纳结构设计、材料合成及测试技术的研究。E-mail：cfh@tc124.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364244&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364873&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=44364234&type= 22.01332855 32.00399017 陈凡红 （1993-），女，甘肃定西人，博士，工程师，2020年于北京化工大学获得博士学位，2022年有研科技集团有限公司博士后出站，主要从事传感器敏感元件微纳结构设计、材料合成及测试技术的研究。E-mail： cfh@tc124.com cfh@tc124.com 1 1 2 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055 Instrumentation Technology and Economy Institute， Beijing 100055， China Instrumentation Technology and Economy Institute， Beijing 100055， China 南昌航空大学，江西 南昌 330063 南昌航空大学，江西 南昌 330063 Nanchang University of Aeronautics， Nanchang 330063， China Nanchang University of Aeronautics， Nanchang 330063， China 设计了利用激光焊接技术进行波纹膜片焊接的工艺方案，提出了基于正交试验的关键焊接工艺参数优化方法，设计关键焊接工艺正交试验表，完成以焊缝残余应力为评价指标的正交试验。基于正交试验获得的较优焊接工艺参数组合，焊接压力传感器，完成了焊接密封性、拉伸强度和传感器静态性能指标的测试验证。结果表明，较优的压力传感器波纹膜片激光焊接工艺参数组合是激光功率350 W、脉冲频率150 Hz、脉冲宽度1.5 ms、转台转速4 200 （°）/min；压力传感器焊缝的拉伸强度高达499.60 MPa，具备较好的密封性；焊接波纹膜片后的传感器零点输出提高了17%左右，灵敏度、满量程输出、非线性、迟滞和重复性等指标变化不大，但是非线性、迟滞和重复性比同厂家的同类型传感器改善约1倍左右。正交试验确定的激光焊接工艺能够保障压力传感器的高质量封装应用。 To develop a low-stress laser welding process for the corrugated diaphragm of a pressure sensor， a process scheme for the welding of the corrugated diaphragm using laser welding technology is designed， an optimization method for the key welding process parameters based on an orthogonal test is proposed， the orthogonal test table of the welding process is designed， and an orthogonal test with the residual stress of welding as the evaluation index is completed. Based on the best combination of welding process parameters obtained via the orthogonal test， the pressure sensors are welded， and the testing and verification of welding sealing， tensile strength， and static performance indicators of the sensors are completed. The experimental results indicate that a laser power of 350 W， pulse frequency of 150 Hz， pulse width of 1.5 ms， and turntable speed of 4 200 （°）/min are the optimal combination parameters of the laser welding process for the corrugated diaphragm of the pressure sensor； a rough calculation value of 499.60 MPa is obtained for the weld tensile strength of the pressure sensor， and the weld has a good sealing property. After welding the corrugated diaphragm， the zero output of the sensor is increased by approximately 17%， and indices such as sensitivity， full-scale output， nonlinearity， hysteresis， and repeatability exhibit little change. However， the nonlinearity， hysteresis， and repeatability are approximately two times better than those of the same type of sensor from the same manufacturer. The optimal laser welding process determined via the orthogonal test can ensure the high-quality packaging application of pressure sensors. 压力传感器 波纹膜片 激光焊接 残余应力 正交试验 静态性能 pressure sensor corrugated diaphragm laser welding residual stress orthogonal test static performance 1 引 言 1 压力传感器广泛应用于消费、医疗、工业生产和国防建设等领域 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ ，主要用于气体和液体压力的测量。利用波纹膜片对压力敏感芯片进行封装，是当前压力传感器应用于液体或者腐蚀类环境的主要技术方案 ［ 3 3 - 5 5 3-5 ］ 。压力传感器波纹膜片厚度一般为几十微米到几百微米，主要通过焊接与敏感芯片基座封接，常用的焊接方式目前主要有激光焊、氩弧焊、电子束焊和等离子焊等 ［ 6 6 - 10 10 6-10 ］ 。其中，激光焊接速度快、深度大、变形小，且激光束经聚焦后可获得0.1 mm的光斑，适合实现压力传感器等微小型工件的非接触焊接。 焊接工艺质量直接影响传感器的可用性，尤其是工艺引入的残余应力会影响传感器的输出稳定性 ［ 11 11 ］ 和精度 ［ 12 12 ］ 。目前，业界普遍是在传感器制备完成之后再采取一系列老化方法，消除包括膜片焊接残余应力在内的工艺应力 ［ 13 13 ］ ，而在传感器的制备过程中，对于压力传感器膜片激光焊接工艺的优化，需要更深入细致的研究。单鹤南等研究了不同激光焊接电压对焊接熔深的影响，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 ［ 8 8 ］ 。在激光焊接工艺优化方面，徐茂开展了离合器典型结构件的激光焊接工艺优化，利用响应面法进行了多因素优化组合实验，以焊缝抗拉强度最大化为优化目标，得到了最优的激光焊接工艺参数 ［ 14 14 ］ ；余果等将正交试验与BP神经网络结合用于优化0.2 mm厚GH4169膜片微束TIG焊接的工艺参数，获得了最佳工艺参数 ［ 15 15 ］ 。 焊接工艺残余应力的检测是工艺优化的关键，常用的检测方法有X射线衍射法、盲孔法和超声波法等 ［ 16 16 ］ 。鉴于压力传感器波纹膜片焊缝宽度大多在1 mm以下、焊缝形状多以圆周形为主，基于X射线的非接触式应力检测是目前检测波纹膜片焊接应力的主要手段。此外，焊接过程中对光学 ［ 17 17 ］ 和温度 ［ 18 18 ］ 特性的实时检测也是判断焊接质量的重要辅助手段。 本文基于激光焊接技术，利用基于X射线的工艺残余应力检测技术，研究压力传感器波纹膜片的低应力焊接工艺。设计基于正交试验的关键焊接工艺参数优化方法，获得较优的焊接工艺参数组合，再利用该参数组合制备传感器，测试分析传感器的封装质量和输出性能，证明较优焊接工艺参数组合能够满足压力传感器封装的应用需求。 2 原 理 1 2.1　激光焊接流程 2 本文选用的膜片厚度为25 μm，外径尺寸为18.8 mm，材料为316不锈钢。为保证膜片中心与基座中心轴共线，并且膜片在焊接时与基座表面紧密贴合，设计的激光焊接流程如 图1 图1 所示。同轴环和转台上的凸台配合，用于实现基座、波纹膜片和压环的同轴装配。同轴环抬起时，将压环、膜片和基座依次放入同轴环内。在压紧夹具的压力作用下，压环和基座把膜片夹紧。同轴环落下之后，露出基座、波纹膜片和压环共同的焊缝位置。高能激光束和转台配合工作，实现焊缝圆周的完全热熔焊接。实际生产中，膜片焊接后，可进行下一步的硅油灌充工艺。 2.2　焊接工艺质量影响因素 2 在焊接过程中，影响焊接质量的工艺参数主要是激光参数和转台转速。实验选用YLR-500光纤激光器，用于产生高温激光束；CNC2000控制系统用于控制转台转速。激光参数主要包括激光功率、脉冲频率和脉冲宽度。功率越大，焊斑直径越大；脉冲频率越快，焊盘重叠率越高；脉冲宽度越长，单个焊斑的长度越大。相应地，功率越大、脉冲频率越快、脉冲宽度越长，焊缝处产生的工艺残余应力就越大。因此，需要优化工艺参数组合，在满足工艺应用要求的前提下，应尽量降低工艺残余应力。选用省力、高效、科学的正交试验法，以激光功率、脉冲频率、脉冲宽度和转台转速为试验因素，以焊缝残余应力为评价指标，设计的正交试验表头如 表1 表1 所示。 因素 功率/ W 脉冲频率/Hz 脉冲宽度/ms 转台转速/ （（°）·min -1 ） 列号 P f t ω 3 正交试验 1 按照“先结合经验摸底，再根据结果缩小水平范围”的思路，确定正交试验的因素水平。 表2 表2 给出传感器和激光设备出厂的激光功率、脉冲频率、脉冲宽度和转台转速的因素水平，并进行插值均分，使得每个因素有3个水平值。依据 表2 表2 开展初步正交试验，摸底实验结果表明，当激光功率为300 W、脉冲频率为100 Hz、脉冲宽度为1 ms时，焊斑直径太小，熔化深度不够，如 图2 图2 所示；当激光功率为500 W、脉冲宽度为3 ms时，焊接过程中火花飞溅，材料气化严重。 序号 P /W f /Hz t /ms ω /（（°）·min -1 ） 1 300 100 1 3 600 2 400 150 2 4 200 3 500 200 3 4 800 根据摸底试验结果，并结合焊斑重叠情况，不断调整因素水平。最终将激光功率的因素水平调整为350~450 W，脉冲频率调整为150~210 Hz、脉冲宽度调整为1~2 ms，转台转速仍为3 600~4 800 （°）/min。将水平范围进行插值均分，每个因素有3个水平，得到的正交水平如 表3 表3 所示。 序号 P /W f /Hz t /ms ω/ （（°）·min -1 ） 1 350 150 1 3 600 2 400 180 1.5 4 200 3 450 210 2 4 800 按照 表3 表3 的因素水平，设计了如 表4 表4 所示的正交试验表，形成9组实验因素水平组合，并将每组因素水平组合进行编号。按照 图1 图1 所示的焊接工艺流程，完成9组不同工艺参数的焊接，获得9种焊接好的压力传感器。 序号 P /W f /Hz t /ms ω/ （（°）·min -1 ） 因素水平组合编号 1 350 150 1.0 3 600 P 1 f 1 t 1 ω 1 2 350 180 1.5 4 200 P 1 f 2 t 2 ω 2 3 350 210 2.0 4 800 P 1 f 3 t 3 ω 3 4 400 150 1.5 4 800 P 2 f 1 t 2 ω 3 5 400 180 2.0 3 600 P 2 f 2 t 3 ω 1 6 400 210 1.0 4 200 P 2 f 3 t 1 ω 2 7 450 150 2.0 4 200 P 3 f 1 t 3 ω 2 8 450 180 1.0 4 800 P 3 f 2 t 1 ω 3 9 450 210 1.5 3 600 P 3 f 3 t 2 ω 1 4 试验结果分析与验证 1 4.1　试验结果分析 2 4 . 1 . 1　焊接残余应力 3 选用基于X射线检测原理的应力检测仪Xstress DR45检测焊缝残余应力，测试前用酒精清洁焊缝。光学检查正交实验后的焊斑形貌，焊斑直径均在400 μm以上，因此残余应力检测选用直径为0.3 mm的准直器，保证X射线光斑仅落在焊斑区域。选取焊缝接头处为1#残余应力检测点，焊缝圆周上与1#点对称的焊缝位置为2号检测点，检测仪准直器分别从 - 45°， - 30°，0°，30°，45°五个方向照射同一焊缝位置。其中，0°位置时准直器垂直对准焊缝，焊缝残余应力检测点和准直器工作角度示意图如 图3 图3 所示。不同工艺参数组合对应的焊接应力测量数据统计在 表5 表5 中，表中1#和2#点统计的数据为5次不同角度测试获得的法向应力均值和误差区间，部分测试误差区间较大，尤其是焊接接头处1#点的测试误差相对较大，圆周形小焊斑熔融后的堆叠起伏可能是主要诱因。由于应力均值前的“ - ”代表应力方向，因此将两个点的应力均值先做绝对值再取平均值，然后进行正交试验结果分析和极差运算。 2 序号 2 因素水平 组合编号 3 残余应力/MPa 1#点 2#点 均值 1 P 1 f 1 t 1 ω 1 234.2±98.9 -32.4±75.0 133.30 2 P 1 f 2 t 2 ω 2 215.6±71.7 -9.4±61.2 112.50 3 P 1 f 3 t 3 ω 3 218.1±9.3 148.9±44.7 183.50 4 P 2 f 1 t 2 ω 3 134.1±79.2 157.3±27.3 145.70 5 P 2 f 2 t 3 ω 1 136.1±53.1 -201.6±87.4 168.85 6 P 2 f 3 t 1 ω 2 275.9±52.2 -66.7±110.4 171.30 7 P 3 f 1 t 3 ω 2 175.4±69.3 -195.1±12.7 185.25 8 P 3 f 2 t 1 ω 3 295.4±108.1 -147±11.9 221.20 9 P 3 f 3 t 2 ω 1 114.8±124.5 -270.2±40.8 192.50 结合 表4 表4 和 表5 表5 ，按照正交试验计算极差 R 。 表6 表6 中， K 1 ， K 2 ， K 3 代表激光功率、脉冲宽度、脉冲频率、转台转速在水平1、水平2、水平3所对应的应力绝对值之和， k 1 ， k 2 ， k 3 表示 K 1 ， K 2 ， K 3 的平均值。 k 1 ， k 2 ， k 3 可以判断激光功率、脉冲宽度、脉冲频率、转台转速的最优水平和最优组合。极差 R =max（ k i -k j ）（ i ， j =1，2，3），表示激光功率、脉冲频率、脉冲宽度、转台转速水平波动时对评价指标的影响程度。 R 值越大，表示该因素对残余应力的影响越大； R 值越小，该因素对残余应力的影响越小。由 表6 表6 可知，影响焊缝残余应力最主要的因素为激光功率，脉冲宽度和转台转速的影响作用相当，脉冲频率的影响最小。为了寻求应力小的工艺组合，依据 k 1 ， k 2 ， k 3 的最小值，得出较优的焊接工艺参数组合为激光功率350 W、脉冲频率150 Hz、脉冲宽度1.5 ms、转台转速4 200 （°）/min。 序号 P f t ω K 1 429.30 464.250 525.800 494.650 K 2 485.85 502.050 450.700 469.050 K 3 598.95 547.300 537.600 550.400 k 1 143.10 154.750 173.935 164.885 k 2 161.95 167.235 150.235 156.350 k 3 199.65 167.515 179.200 183.465 R 56.55 12.765 28.965 27.115 由于焊缝接头处残余应力测试结果的波动较大，选用代表焊缝大部分区域残余应力2#点的测试结果，作为正交试验极差计算的输出数据，计算 k 1 ， k 2 ， k 3 的最小值，得到激光功率、激光脉冲频率、脉冲宽度和转台转速对应的极差值 R 分别为140.53，42.60，99.83和77.67。与 表6 表6 中的极差数据对比可知，4个焊接参数对焊接应力的影响规律是一致的。 4 . 1 . 2　焊接密封性 3 膜片焊接后，压力传感器要进行硅油灌充，焊缝要具有较好的密封性。焊斑重叠是保证焊缝在圆周周向气密性的关键，按照 表4 表4 实施正交试验后的焊斑重叠形貌照片如 图4 图4 所示。结合 表4 表4 和 图4 图4 分析，焊接功率越大，焊斑直径越大，重叠率越大；脉冲频率越大、转台转速越慢，单位线长上的焊斑数量越多，焊斑重叠率越大；脉冲宽度越宽，焊斑长度越长，焊斑重叠率越大。计算焊斑图像的重叠率可知，正交试验后的焊斑重叠率均在50%以上，能够有效保证焊斑在圆周周向的密封性。 焊缝熔深决定焊接径向的密封性。当焊接功率为350 W、脉冲频率为150 Hz、脉冲宽度为1.5 ms和转台转速为4 200 （°）/min时，焊缝处获得的能量最少，即焊缝熔深也最小。将焊缝剖切开，得到的焊缝熔深照片如 图5 图5 所示，每一次脉冲造成的焊接熔区类似圆锥体，此工艺条件下，焊斑锥体的重叠深度约为180 μm，能够有效保证焊斑在径向的密封性。 4 . 1 . 3　焊接强度 3 波纹膜片是压力传感器感受压力的第一个结构。目前，常用的压力传感器量程在140 MPa以下，考虑波纹膜片焊接后焊缝的抗拉强度应满足传感器测量压力的1.5倍，即焊缝的抗拉强度至少达到210 MPa。如 图6 图6 所示，将两个传感器基座夹一个膜片焊接，便于WDW 100电子万能试验机夹持并进行拉伸测试，获得相同焊接条件下焊缝拉伸强度试验曲线，该焊接条件下焊缝能承受的最大拉力为5 316.8 N。传感器基座直径为19 mm，结合焊缝熔深的平均深度，可得焊缝熔区的横截面积约为10.64 mm 2 ；结合最大拉力可得焊缝的最大抗拉强度约为499.60 MPa，能够满足传感器的应用需求。 4.2　传感器静态性能验证 2 利用正交试验获得的较优焊接工艺参数，焊接波纹膜片并灌油封装，完成油封传感器的制作。传感器量程为250 kPa，满量程输出为110 mV左右。按照国家标准GB/T 15478—2015 压力传感器性能试验方法，同步测试波纹膜片焊接前后两类传感器的静态性能以及同厂家封装好的同类传感器，并依据标准附录公式，计算传感器的零点输出值、灵敏度、满量程输出、非线性、迟滞、重复性6个静态性能指标，结果如 表7 表7 所示。对比分析油封前后的传感器指标，传感器焊接波纹膜片并灌油封装后，零点输出提高了17%左右，灵敏度和满量程输出降低了3%左右，非线性增大了约3%~6%，迟滞有增大也有减小，重复性改善了约3.5%。与同厂家同类型传感器对比，采用较优焊接工艺参数封装的传感器的零点输出、灵敏度和满量程输出3个指标的水平相当，非线性、迟滞和重复性均有约1倍左右的性能提升。 传感器 零点输出/mV 灵敏度/（mV·kPa -1 ） 满量程输出/mV 非线性/% 迟滞/% 重复性/% 1-焊接前 -6.183 5 0.445 3 111.327 7 0.166 3 0.064 3 0.105 8 1-焊接后 -5.139 6 0.431 8 107.960 7 0.170 6 0.065 2 0.101 8 2-焊接前 -3.060 9 0.446 1 111.518 2 0.161 2 0.065 7 0.104 2 2-焊接后 -2.531 0 0.433 7 108.417 2 0.171 0 0.063 2 0.100 8 商用传感器 -4.978 8 0.427 6 106.907 1 0.270 5 0.164 2 0.200 8 5 结 论 1 本文根据高性能压力传感器对封装焊接低残余应力的要求，提出了基于正交试验的压力传感器波纹膜片低应力激光焊接工艺优化方法。介绍了激光焊接压力传感器波纹膜片的工艺流程，然后在摸底实验确定正交实验中激光功率、脉冲频率、脉冲宽度和转台转速的因素水平的基础上，完成了9组正交试验并测试了焊缝的残余应力，得出了较优的焊接工艺参数组合，为后续开展更准确的参数寻优奠定基础。最后，评估了较优焊接工艺的焊接温度、焊接密封性和焊接强度，并测试分析了传感器焊接波纹膜片前后的静态性能。实验结果表明：压力传感器波纹膜片低应力激光焊接的较优工艺参数为激光功率350 W、脉冲频率150 Hz、脉冲宽度1.5 ms及转台转速4 200 （°）/min，焊接结果满足传感器高质量封装的应用需求。 参考文献 郑星 ， 黄海莹 ， 毛勇建 ， 等 . 基于高速纹影技术的爆炸冲击波图像测量研究 ［J］. 光学 精密工程 ， 2022 ， 30 （ 18 ）： 2187 - 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