初探铝合金真空腔的制造与焊接

1.铝合金真空腔简介

真空环境广泛地被运用在各领域，举凡日常生活、食品、精密半导体产业及同步加速器实验设施等，从粗略真空到超高真空环境，不外乎与真空都有相关应用。[1]近年来，随着半导体与面板设备尺寸的增大，制程用真空腔及组件体积亦随的大增；然而大部份的真空组件与设备，均采用不锈钢、铜合金与铝合金作为真空腔体的材料。此时若采用焊接性优良的不锈钢材质其设备增大外，腔体重量更备受考验。[2, 3]

因此，以铝合金材质作为腔体材料受到业界的亲睐及重视，铝合金在真空方面拥有极低的真空表面释气率、高热导系数与无残留辐射且易加工等特性，广泛地被设计使用于同步辐射加速器的真空组件与设备。然而铝合金的制造与焊接技术要运用到超高真空设备，仍受限于需再经一系列的处理过程，以降低焊接缺陷与表面释气进而达到真空气密与低释气要求。

铝合金作为真空系统材料主要有诸多优点，如拥有极低的真空表面释气率、光子引发释气率低、易挤制成形、易切削加工与无残留辐射；采用热导率高的铝合金材料作为真空腔，可有效地解决热量移除的问题，降低电子储存环真空腔内壁，由于光子撞击真空腔壁的功率极高，避免材料受热产生局部溶解现象。真空系统中常用的合金铝为A6061-T651 合金，也就是铝-镁-硅 （Al-Mg-Si）合金，部分组件设备也有使用 A5083 或A5052 的铝-镁 （Al-Mg）合金，由于分属热处理与加工硬化型态合金，因此在制造与焊接上亦需多加留心相关制程的差异。

2 真空腔制造与清洁

由于电子储存环所采用铝合金超高真空腔，属上、下片组合焊接的大型真空系统。考虑铝合金真空腔的加工后的表面状态，加工制程上采用无油酒精加工方式进行腔体加工。鉴于传统做法均采用油式润滑及空压系统，为降低并避免机台油气与所使用的压缩空气污染加工表面，本加工机台传动润滑采取特殊包护处理降低油气释出；空压系统则采无油式空气压缩机透过空气干燥机经0.01μm油雾过滤器系统及金属洁净输送管路至加工处。加工机台及刀具接触工件环境须以丙酮与酒精进行擦拭，避免油污污染腔体表面。

有别于传统加工制程的采强碱、酸清洗流程，在高洁净环境控制下所制备的腔体，洁净方式采臭氧水浸泡清洗，由于臭氧有高氧化的能力且在室温下半衰期短不易对环境造成污染，广泛被半导体清洗晶圆及去光阻制程运用。

3 铝合金腔体焊接

3.1 铝合金特性

本文腔体所采用的铝合金为A6061-T651，在焊接制程上属于热裂敏感性极高的材料，须透过适当填料机制改善其热裂性质。因此使用在超高真空环境时，对于合金材料种类、表面处理方式以及焊接等方面所面临的问题都须谨慎地处理。与不锈钢比较起来，铝合金在焊接方面所面临的困难度较不锈钢大。比较两者之间的差异，会发现铝合金具有以下几种特性[4]：

（1）高于不锈钢约10倍以上的热传导率。焊接时热量会大量被分散，不容易达到熔融温度，热影响区的范围广。相对地需要输出功率密度较大的热源，焊接时需要的热源密度条件变动很大；再者焊接时产生熔融的铝液的凝固速度很快。

（2）熔化潜热为不锈钢的1.5倍。拥有较低的熔点，却需要较大热输入量，焊接过程易造成相对较大的熔池。

（3）线膨胀率为不锈钢的2倍以上，厚度差异大的板件焊接在一起时，会出现比较严重的歪斜，甚至会造成裂缝。

（4）铝合金表面具有强固且高熔点（大约20°C）的氧化皮膜。此皮膜不但妨碍母材与母材或母材与焊材的接合，在焊接过程也会残留在熔化后的铝合金焊道中，易使焊道容易出现瑕疵。

（5）铝合金在化学性质上属活性较高的金属，因此表面会形成氧化膜。与固体状态比较，会发现熔化后的铝合金的氢气融解度明显变高，可以大量融解吸收氢气。由于熔化后的铝合金的凝固速度很快，在焊接时所融解的氢气容易变成气泡残留下来，造成漏气或者降低板件接缝的强度。

腔体焊接其最主要目的是达真空气密性与低变形量控制等方向迈进。制程上，自动焊接与人工焊接制程均采用氩气钨极电弧焊接的交流焊接模式；在真空气密性方面，上、下片的腔体组件须先分别完成抽气口焊接，并完成氦气测漏程序，此焊接部位属真空内部焊道更须严谨地执行焊后测漏及变形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔体组件组合焊接前，腔体的定位点均以插销定位，在腔体焊道周围再辅以假焊方式，以间距 200mm的距离分段、对称、跳焊方式焊接20～25mm 长的焊道，暂时固定接合上、下片腔体组件，腔体上下片结合过程均采用雷射追踪仪监控各阶段全制程腔体的形变。

3.2 焊接流程

受限腔体具有圆弧及直线段焊道结构，直线段焊接部位在此系列腔体数量多且易于以机械方式操控并取代大量的人员焊接时间，因此腔体采用人工与自动焊接方式并进完成。腔体焊接制程承接清洗步骤后进行，首先腔体须先就抽气口部位进行焊接，完成后并接受测漏检验合格，使可进行上下片腔体封合作业，各个步骤间均采用雷射追踪仪来确认每一步骤腔体的状态，与原始设计图面相较每阶段的差异。[5]

腔体焊接其最主要目的是达真空气密性与低变形量控制等方向迈进。制程上，自动焊接与人工焊接制程均采用氩气钨极电弧焊接的交流焊接模式；在真空气密性方面，上、下片的腔体组件须先分别完成抽气口焊接，并完成氦气测漏程序，此焊接部位属真空内部焊道更须严谨地执行焊后测漏及变形控制，因程序不可逆。待此程序完成后，其次，上、下片腔体组件组合焊接前，腔体的定位点均以插销定位，在腔体焊道周围再辅以假焊方式，以间距 200mm的距离分段、对称、跳焊方式焊接20～25mm长的焊道，暂时固定接合上、下片腔体组件，腔体上下片结合过程均采用雷射追踪仪监控各阶段全制程腔体的形变。

4 结论

透过大型铝合金腔体制造与焊接制程的缜密安排，可获得高质量的铝合金超高真空腔体，建立大型铝合金真空腔体焊接系统，不仅在新一代电子加速器储存真空系统中扮演焊接的重要角色外，亦在铝合金焊接工程中迈出了新的一步。