韓蓬磊,張 燕,徐長彬

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

J-T制冷器是利用焦耳-湯普遜效應原理,通過高壓氣體節(jié)流后溫度降低,來實現(xiàn)對被冷卻單元的快速制冷。但不同于常規(guī)制冷方式,一般情況下其制冷溫區(qū)在100 K以下。J-T制冷器主要應用于紅外探測領域,是制冷型紅外探測器的重要組成部分,其主要作用是冷卻紅外探測器芯片,為其提供低溫工作環(huán)境,降低紅外探測器噪聲,提高紅外探測器的靈敏度,進而提高紅外成像效果。其優(yōu)點是結(jié)構緊湊、體積小、重量輕、啟動快,廣泛應用于軍工武器系統(tǒng),尤其適用于機載和彈載系統(tǒng)[1]。

J-T制冷器按照是否能夠自動調(diào)節(jié)制冷工質(zhì)流量,可分為自調(diào)式和直噴式。自調(diào)式J-T制冷器,就是能夠?qū)崿F(xiàn)制冷工質(zhì)流量及制冷功率的自動調(diào)節(jié),能夠隨著被冷單元溫度的波動而做出響應,是一種具有自適應調(diào)節(jié)能力的J-T制冷器。最早出現(xiàn)的自調(diào)式J-T制冷器是1966 年,美國休斯飛機公司的 Hansen S成功使用波紋管實現(xiàn)了J-T制冷器制冷工質(zhì)流量的自動調(diào)節(jié)[2]。此后,波紋管自調(diào)式J-T制冷器作為自調(diào)式J-T制冷器的重要技術方向之一[3],受到了眾多關注,其典型結(jié)構如圖1所示。

1-閥針 2-節(jié)流孔 3-傳動桿 4-波紋管 5-充氣腔 圖1 典型波紋管自調(diào)式J-T制冷器自調(diào)機構示意圖[4]Fig.1 Typical self-regulating J-T cooler with bellows

其自調(diào)原理是,充氣腔內(nèi)充有一定壓力的氣體,波紋管處于壓縮狀態(tài),在制冷器通氣工作后,充氣腔內(nèi)的氣體會隨著制冷工質(zhì)溫度降低而持續(xù)降溫,直至到達其飽和溫度以下,充氣腔內(nèi)氣體會部分液化,壓力下降至飽和蒸氣壓,波紋管會隨即伸長,拉動傳動桿帶動閥針進入節(jié)流孔,實現(xiàn)對制冷工質(zhì)流量的自動調(diào)節(jié)。

從其工作原理和自調(diào)機構組成可以看出,波紋管是波紋管自調(diào)式J-T制冷器自調(diào)機構的核心調(diào)節(jié)元件,波紋管在自調(diào)機構裝配時通常采用焊接的方式,焊接后的波紋管性能直接決定了自調(diào)機構的性能和可靠性。

波紋管是一種帶橫向波紋的圓柱形薄壁彈性殼體[5],主流的波紋管自調(diào)式J-T制冷器中使用的是電沉積方法制造的金屬波紋管,其主要成分是Ni-Co合金(≥99.8 %),壁厚為25～70 μm,在鎳鈷合金沉積層由于鈷的加入,明顯地提高了材料的高溫性能,經(jīng)高溫處理后機械性能變化較小[6]。因為這種電沉積波紋管可高溫焊接、尺寸小、耐低溫、泄漏率低、使用壽命長[7],特別適用于要求結(jié)構緊湊、低溫工作、使用壽命長的J-T制冷器的制備。

2 高溫焊接對波紋管的影響

在J-T制冷器的制備工藝中,充氣腔內(nèi)要充入數(shù)個大氣壓的氣體,另外自調(diào)式制冷器的壽命要求大都在10年以上,因此波紋管與基座間的焊縫也會長期承受較大的氣體壓力,出于承壓及長壽命的考慮,波紋管與基座的焊接多采用高溫硬釬焊的方式。為了更好地了解高溫焊接對波紋管性能的影響,如圖2所示,以波紋管自調(diào)式J-T制冷器常用的WN型(一端為外配合另一端為內(nèi)配合[8])電沉積金屬波紋管(圖2)為例,用AgCu28焊料和QJ102型銀釬焊溶劑,開展了相關焊接研究。

圖2 WN型電沉積金屬波紋管示意圖[9]Fig.2 WN-type electrodeposition metal bellows

2.1 波紋管原始性能的測試

選取4個試樣波紋管,經(jīng)無水乙醇超聲波清洗后,使用JEOL的 JSM-7001F型掃描電鏡配備的X射線能譜分析儀,分析各波紋管的成分,由于能譜分析探測極限為0.1 %,因此無法測出波紋管中可能存在的小于0.1 %的元素,結(jié)果見表1。

表1 4個試樣波紋管的能譜分析結(jié)果(%)Tab.1 Energy spectrum analysis results of 4 sample bellows(%)

使用掃描電鏡分別觀察4個試樣波紋管的表面形貌,圖3為1#試樣波紋管在放大2000倍以及20000倍時的掃描電鏡照片,通過照片觀察波紋管表面整體較平整,沒有明顯的孔洞、裂紋等缺陷,其余3個試樣波紋管觀察結(jié)果與1#波紋管類似。

圖3 1#波紋管表面放大2000×以及20000×的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 2000× and 20000× surface magnified images of 1# bellows by scanning electron microscope

使用TLS-W500I型彈簧拉壓試驗機,分別測試4個試樣波紋管的剛度。每個波紋管均測試其壓縮量為0.5 mm、0.7 mm和 1mm時的剛度值,實驗結(jié)果取3個點測試剛度的平均值,結(jié)果見表2。

表2 4個試樣波紋管的剛度測試結(jié)果 (單位:g/mm)Tab.2 Stiffness of 4 sample bellows(unit:g/mm)

使用THV-5型顯微硬度儀,分別測試4個試樣波紋管的顯微硬度。由于試樣較薄,截面尺寸較小,因此測試結(jié)果可能存在一定誤差,為了減小測試結(jié)果誤差,每個試樣分別測試了3個不同的區(qū)域,結(jié)果取這3個區(qū)域硬度的平均值,結(jié)果見表3。

表3 4個試樣波紋管的顯微硬度測試結(jié)果Tab.3.Microhardness of 4 sample bellows

從測試結(jié)果看,4個試樣波紋管的成分、表面形貌、剛度和硬度都非常接近,在開展焊接試驗時,可以認為這4個試樣波紋管具有相同的原始性能和焊接特性。

2.2 波紋管焊接和振動試驗

使用powercube45/900高頻焊接機,該設備可實現(xiàn)對焊接部位的局部加熱。按照如圖4所示的方式將波紋管外配合的W端插入鎳銅合金材質(zhì)的基座中,將預先涂覆銀釬焊溶劑的AgCu28焊料置于圖4中焊縫位置,為了防止被焊接件氧化,使用惰性氣體氬氣作為保護氣,開展焊接試驗。

1#和2#波紋管采用A焊接方法即待焊料熔化后馬上停止加熱,因為AgCu28焊料的熔點為779 ℃,使用該方法焊接的波紋管,焊接處溫度預計會達到810 ℃左右；3#和4#波紋管則采用B焊接方法即在焊料熔化后繼續(xù)加熱2～3 s,使用此方法焊接的波紋管,焊接處溫度預計會達到900 ℃以上。此外,1#和3#波紋管采用酒精淬火冷卻的方式,2#和4#波紋管采用保護氣下自然冷卻的方式。

1-波紋管 2-基座 3-焊縫 圖4 焊接位置示意圖Fig.4 Welding position indication

為了考察高溫焊接后波紋管的可靠性和焊縫強度,將4個波紋管焊接件,按圖1所示,進一步裝配成波紋管自調(diào)式J-T制冷器半成品,并向充氣腔內(nèi)充入一定壓力的氣體,使波紋管處于壓縮狀態(tài),使波紋管的狀態(tài)與成品波紋管自調(diào)式J-T制冷器保持一致。然后,用圖5所示的振動臺和振動頻譜,對4個試樣制冷器半成品進行1 h的振動試驗,試驗結(jié)束后將這4個制冷器半成品剖開,在20倍顯微鏡下觀察波紋管及焊縫的情況。經(jīng)觀察,4#波紋管振動后在靠近焊縫位置斷裂,其余3個波紋管及焊縫完好。

根據(jù)振動后的差異,因波紋管焊縫區(qū)及熱影響區(qū)均會受到較大的熱影響作用,組織可能發(fā)生了變化,進而影響了波紋管本身的強度和可靠性。因此,對4個試驗波紋管的焊接件進行了掃描電鏡和EBSD觀察,研究不同焊接溫度和冷卻方式對焊接件各區(qū)域組織形貌的影響。

圖5 振動臺和振動頻譜Fig.5 Vibration equipment and vibration frequency spectrum

2.3 不同焊接溫度對波紋管的影響

2.3.1 截面組織觀察

將1#波紋管焊接件采用慢速鋸沿波紋管軸線方向鋸開,采用牙托粉進行鑲樣,經(jīng)機械磨拋,制得縱截面組織觀察樣品,在掃描電鏡下觀察。圖6所示為1#波紋管焊接件焊縫區(qū)域不同放大倍數(shù)的掃描電鏡照片,圖6(a)中間白色區(qū)域為Ag-Cu焊料填充部分,白色區(qū)域上部分為Ni-Cu基座,下部分為Ni-Co波紋管。從圖6中(a)、(b)可以看出,整個焊縫較均勻,焊料熔化后形成了Ag-Cu共晶組織,與兩側(cè)基體結(jié)合完整,結(jié)合界面未見裂紋、孔洞等缺陷。

圖6 1#波紋管焊接件焊縫位置掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 Scanning electron microscope images of welding seam position on 1# welded bellows

圖6(c)為圖6(b)中方形區(qū)域所示焊料共晶組織的放大照片,對該照片中十字區(qū)域的富銅相進行成分分析,結(jié)果含有少量的Ni元素,能譜譜圖如圖6(d)所示,由此說明,兩側(cè)基體中部分Ni元素在焊接過程中擴散至焊料區(qū)域,且從圖6(b)中可以看到焊料與兩側(cè)基體接合處均存在明顯的過渡層,表明焊料與基體發(fā)生了部分反應,焊接效果良好。

采用王水將試樣腐蝕后,在掃描電鏡下觀察波紋管焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的晶粒組織形貌。圖7中(a)、(b)、(c)、(d)分別為焊縫區(qū)、近焊縫區(qū)、距焊縫第1個波紋處、距焊縫第3個波紋處的波紋管組織形貌照片。從圖7(a)可以看出,焊縫區(qū)波紋管組織由尺寸約3～10 μm的等軸晶粒組成,近焊縫區(qū)以及距焊縫第1個波紋處仍為等軸晶組織,但隨著與焊縫間的距離增大,晶粒尺寸呈減小的趨勢。觀察發(fā)現(xiàn),在第2、3波紋處,開始出現(xiàn)類似于柱狀晶組織,再往后的波紋等軸晶組織基本消失,均呈現(xiàn)為類似柱狀晶的組織,可以證明采用A方法焊接的1#波紋管的熱影響區(qū)延伸到第3個波紋處。

圖7 1#波紋管焊接件組織形貌照片F(xiàn)ig.7 Microstructure image of 1# welded bellows

由于波紋管原始晶粒組織太細,無法腐蝕出清晰的晶粒組織,為了更加清楚地觀察波紋管焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒組織相比原始組織發(fā)生的變化,對1#波紋管試樣再進行OPS拋光,去除表面劃痕及應力,制得EBSD(電子背散射衍射)試樣,用丙酮溶液浸泡72 h后,再超聲清洗,獲得完全導電的樣品,采用掃描電鏡的EDX-EBSD一體化系統(tǒng)對波紋管焊接件各區(qū)域進行了EBSD掃描分析。通過掃描收集試樣表面的取向信息,重構成組織形貌圖,從而研究試樣各區(qū)域的組織特點。結(jié)果如圖8所示,分別為波紋管遠離焊縫的基體、焊縫區(qū)、距焊縫第一個波紋處、距焊縫第二個波紋處的OIM(Orientation Imaging Microscopy)取向成像圖以及IQ(Image Quality)圖像質(zhì)量重構圖。從圖8(a)中發(fā)現(xiàn),波紋管基體區(qū)域組織形貌類似于沿著厚度方向生長的柱狀晶,但從圖8(b)該焊接件波紋管基體組織的重構圖可以看出,波紋管原始組織主要由100～500 nm的等軸細晶粒組成,組織分布較均勻(試樣中可能存在小于100 nm的晶粒,但超出了EBSD分析極限,因此結(jié)果未測出小于100 nm的晶粒),存在少量沿厚度方向略拉長的晶粒,但由于晶粒存在擇優(yōu)取向,如圖8(a)所示,沿著厚度方向晶粒取向趨于一致,因此形成了類似柱狀晶的組織。對比圖8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可知,波紋管熱影響區(qū)的晶粒大小隨著與焊縫間距離增大而減小。且對比各區(qū)域的OIM圖可知,高溫焊接使得波紋管焊縫附近的熱影響區(qū)域內(nèi)的晶粒長大,并且隨著晶粒合并長大,波紋管中的取向擇優(yōu)程度減弱,取向分布更加隨機。

圖8 1#波紋管焊接件EBSD分析Fig.8 EBSD analysis of 1# welded bellows

同樣為淬火冷卻方式處理,但采用焊接溫度更高的B方法焊接的3#波紋管焊接件,在掃描電鏡下觀察其組織形貌,如圖9所示。圖9(a)為焊縫區(qū)域的波紋管組織照片,從圖中可以看出,該試樣焊縫區(qū)晶粒粗大,部分區(qū)域沿波紋管徑向(即厚度方向)只存在2～3個晶粒,該區(qū)域晶粒尺寸為5～20 μm不等,存在較多尺寸大于10 μm的晶粒。圖9(b)為距焊縫第1個波紋管處的組織照片,該區(qū)域晶粒大小約為3～8 μm。觀察發(fā)現(xiàn),該試樣在距焊縫第7個波紋處開始出現(xiàn)類似柱狀晶的組織,如圖9(c)所示。對比圖7可知,3#波紋管試樣焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的晶粒尺寸均大于1#波紋管試樣相應區(qū)域的晶粒尺寸,且其熱影響區(qū)的范圍也相對更大,已延伸至第7個波紋處。

圖9 3#波紋管焊接件組織形貌照片F(xiàn)ig.9 Microscope images of 3# welded bellows

由以上結(jié)果可知,波紋管焊接件焊縫區(qū)組織均勻,沒有明顯的孔洞、裂紋等缺陷,焊縫與基體結(jié)合界面完整,存在擴散層,說明焊縫穩(wěn)固、焊接質(zhì)量較好。由于焊接溫度較高,波紋管受熱,晶粒明顯長大,且距焊縫越近、晶粒尺寸越大。1#波紋管的熱影響區(qū)延伸至距焊縫第3個波紋處,3#波紋管熱影響區(qū)可延伸至距焊縫第7個波紋處,說明焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的晶粒尺寸和熱影響區(qū)的區(qū)域大小,隨著焊接過程中加熱時間越長、熱輸入越大,晶粒尺寸就越大、熱影響區(qū)范圍也越大。因此,焊接溫度將直接影響波紋管焊接后各區(qū)域的組織形貌。

2.3.2 不同組織形貌對波紋管性能的影響

為了進一步驗證不同的組織形貌特征對波紋管宏觀性能尤其是強度的影響,對振動后斷裂的4#波紋管焊接件進行了斷口分析。

觀察4#波紋管的截面發(fā)現(xiàn),在熱影響區(qū)內(nèi)存在多處裂紋,如圖10(a)中橢圓區(qū)域所示。從另一張存在裂紋的圖10(b)中可以看到,該區(qū)域存在貫穿波紋管厚度方向的裂紋,同時可以看到該裂紋區(qū)域存在一個貫穿整個厚度方向的大晶粒,且裂紋沿著晶界方向延伸。由此可知,當波紋管經(jīng)高溫焊接,晶粒合并增長成較大晶粒后,波紋管易沿大晶粒的晶界產(chǎn)生裂紋,嚴重時會造成波紋管斷裂。

4#波紋管焊接件斷于距焊縫第一個波紋處,對斷口處組織特點進行分析。圖11為4#波紋管焊接件斷口不同倍數(shù)的形貌照片,斷口存在較多沿波紋徑向的裂紋,如圖11(a)中方框區(qū)域所示。圖11(b)所示為圖11(a)中方框區(qū)域斷口的放大照片,圖11(c)為圖11(b)中方框區(qū)域的放大照片,從圖中可以看出,該斷口沒有發(fā)生明顯的塑形變形,斷口呈冰糖狀,為脆性斷裂,斷裂方式為沿晶斷裂,這與其截面中觀察到的裂紋開裂方式一致。

圖10 4#波紋管焊接件晶界裂紋形貌照片F(xiàn)ig.10 Microscope images of grain boundary crack on 4# welded bellows

圖11 4#波紋管焊接件斷口形貌照片F(xiàn)ig.11 Fracture microscope images of 4# welded bellows

從4#斷裂波紋管焊接件的截面組織形貌以及斷口組織形貌可知,該試樣斷裂時未發(fā)生明顯塑形變形,而是沿晶界(特別是粗大晶粒的晶界)斷裂。這是由于電沉積波紋管原始晶粒較細,僅為幾百納米,焊接過程受熱極易長大,在晶粒長大過程中,波紋管中可能存在的雜質(zhì)S、C、B等元素易擴散到晶界處,使得晶界富集雜質(zhì)元素,成為弱界面,在受到強外力(如振動)時首先裂開,裂紋隨即沿著晶界在波紋管厚度方向上擴展開,最終發(fā)生了斷裂。從圖9(b)中可以發(fā)現(xiàn),3#波紋管焊接件也存在數(shù)個沿晶界的裂紋,只是裂紋尚未貫穿,故未發(fā)生斷裂。因此,焊接時間越長、熱輸入越大,波紋管晶粒長大程度越高,雜質(zhì)元素的富集程度就越高,而當沿截面方向只存在少數(shù)幾個晶粒、甚至一個晶粒時,一旦產(chǎn)生微裂紋,裂紋只需通過幾個晶界,波紋管便裂開失效。

2.4 不同冷卻方式對波紋管的影響

2.4.1 表面分析

波紋管焊接時使用氬氣作為保護氣,焊接過程中熱輸入較大,焊接后溫度較高,4個試樣波紋管采用了淬火和自然冷卻兩種冷卻方式,對自然冷卻的2#波紋管焊接件試樣進行了組織形貌觀察,與淬火的1#波紋管焊接件試樣進行對比。

首先肉眼觀察淬火以及自然冷卻兩個試樣發(fā)現(xiàn),波紋管表面均保持金屬光澤,沒有明顯差別；然后在掃描電鏡下觀察了兩個試樣熱影響區(qū)的表面形貌,未發(fā)現(xiàn)明顯差別,表面均較光滑；最后為了判斷樣品表面氧化程度是否有差異,對其表面進行了能譜成分分析,測得兩個試樣表面氧含量均較低,沒有明顯的成分差別,結(jié)果如表4所示。

表4 1#和2#波紋管焊接件表面能譜分析結(jié)果Tab.4 Surface energy spectrum results of 1# and 2# welded bellows

2.4.2 截面組織分析

圖12為2#波紋管焊接件焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的組織形貌照片,對比圖7可知,兩個試樣焊縫區(qū)的波紋管組織均由3～10 μm的等軸晶粒組成,經(jīng)測量,1#淬火試樣焊縫區(qū)波紋管平均晶粒尺寸約為5.2 μm。2#自然冷卻試樣焊縫區(qū)波紋管平均晶粒尺寸約為4.9 μm,熱影響區(qū)均為更細的等軸晶粒組織,且兩個試樣均在第2、3個波紋處開始出現(xiàn)類似柱狀晶組織,表明熱影響區(qū)均至第3個波紋處。

圖12 2#波紋管焊接件形貌照片F(xiàn)ig.12 Microscope images of 2# welded bellows

由以上結(jié)果可知,淬火波紋管與自然冷卻波紋管表面氧化程度、表面形貌,并無明顯差別。兩個試樣焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的微觀組織形貌也無明顯差別。這是由于焊接件雖然焊后溫度較高,但波紋管焊接件尺寸相對較小,焊接結(jié)束后熱量迅速通過流動的保護氣帶走,后續(xù)冷卻方式對其影響較小,因此焊接后的淬火或自然冷卻的方式,對焊接后波紋管的性能無差異性影響。

2.5 高溫焊接對波紋管硬度的影響

對1#波紋管焊接件遠離焊縫的基體、距焊縫第一個波紋處和焊縫區(qū)的波紋管顯微硬度進行了測試,每個區(qū)域分別測試了3個點,測試結(jié)果取3個點硬度的平均值,如表5所示?；w硬度值最高為332,焊縫區(qū)硬度值最低為154,而熱影響區(qū)的第一個波紋處硬度值為171,略高于焊縫區(qū)域。結(jié)合各個焊接件的組織分析,波紋管基體由等軸的幾百納米的晶粒組成,由于細晶強化作用,具有較高的硬度值,波紋管經(jīng)高溫焊接后,焊縫區(qū)及熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒都發(fā)生了一定程度的長大,因此焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的硬度急劇下降,焊接過程對波紋管受熱影響的區(qū)域具有不同程度的軟化效應。

表5 1#波紋管焊接件各區(qū)域顯微硬度測試結(jié)果Tab.5 Microhardness of each area in 1# welded bellows

2.6 高溫焊接對波紋管剛度的影響

對1#、2#和3#波紋管焊接件采用2.1節(jié)中方法進行了剛度測試,如表6所示，對比表2中波紋管原始剛度值測試結(jié)果,3個焊接件試樣的剛度值與焊接前幾無差異,這是由于波紋管的剛度是由其側(cè)壁厚度以及波紋結(jié)構共同決定的,焊接過程雖會改變波紋管的微觀組織形貌,但并不會改變波紋管的宏觀結(jié)構特征,因此高溫焊接不會改變波紋管的剛度。

表6 3個波紋管焊接件的剛度測試結(jié)果 (單位:g/mm)Tab.6 Stiffness of 3 welded bellows(unit:g/mm)

3 結(jié) 論

實驗證明,采用AgCu28焊料的高頻焊接方式進行的波紋管釬焊,焊料與兩側(cè)基體接合處均存在明顯的過渡層,焊縫穩(wěn)固,焊接效果良好。高溫焊接對波紋管具有軟化作用,會導致波紋管硬度降低,但不會改變波紋管剛度。波紋管原始組織主要由細小的等軸細晶組成,由于焊接溫度較高,波紋管受熱,熱影響區(qū)的晶粒明顯長大,且距焊縫越近晶粒越粗大。焊接過程加熱時間越長、熱輸入越大,焊接完成后波紋管熱影響區(qū)范圍也越大,晶粒長大程度越高,在受到強外力(如振動)時,波紋管越容易沿晶界產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。由于波紋管焊接件尺寸較小,對焊接件采取淬火與自然冷卻兩種冷卻方式,對波紋管的性能不會造成差異性影響。