【文献选登】

编者的话：

台湾张进春等人借由国家同步辐射研究中心已着手建造新一代电子加速器光源“台湾光子源”的铝合金超高真空系统腔体制造与焊接为例进行相关介绍，能让使用者对铝合金制造与焊接及其相关性质有初步了解与认识，并对制程中缺陷产生成因进行探讨提供作为相关腔体设计改进对策。可供借鉴参考。

铝合金超高真空腔之制造与焊接

张进春、詹哲铠、陈庆隆、许宪能、薛心白、熊高钰、陈俊荣

国家同步辐射研究中心

一、前言

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。近年来，随着半导体与面板设备尺寸的增大，制程用真空腔及元件体积亦随之大增；然而大部份的真空元件与设备，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。

因此，以铝合金材质作为腔体材料受到业界的青睐及重视，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元件与设备。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。

二、腔体制程设计考量

2.1 材料选择

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，部分元件设备也有使用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。

2.2 制造与清洁

由于TPS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。考量铝合金真空腔加工后的表面状态，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CNC 机台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，达露点-100℃相对于空气中水气含量约0.01ppm。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。加工制程区分三个加工程序，粗加工、中加工、精加工，其设定的进刀量分别为0.3～0.5mm、0.1～0.2mm、<0.05mm，每一阶段加工制程设定相对应变形控制量及加工后应力释放作业至少24小时后，再进入另一阶段加工制程，维持并控制各阶段加工制程的变形均一性。

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，本实验室亦以此清洗制程配合酒精加工制程获得极低的光子引发释气产率 。

2.3 铝合金焊接考量

本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 :

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2020℃)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(660℃的固体时0.36、液体时0.68，850℃时2.15cc/100gr.Al)融解吸收氢气。由于熔化后的铝合金凝固速度很快，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。

2.4 铝合金腔体焊接

因应此系列的大型铝合金腔体焊接制程，本实验室开发一套具6轴自动焊接机台。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，因此本腔体采用人工与自动焊接方式并进完成。腔体焊接制程承接第2.2节的清洗步骤后进行，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，各个步骤间均采用镭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。

三、结果与讨论

3.1 加工制造

TPS转弯段铝合金腔体透过从胚料到阶段性的铣削，其主要目的乃为控制并获得加工制程的微小变形量。依据粗、中、精三阶段分别完成加工制程，在每阶段均会预留下阶段的加工空间至最后，铣修至腔体最终成品尺寸范围。故加工上不容许重切削等程序在制程中。整体将近4米长的腔体加工至完成后，其量测所得到的加工变形约可控制在0.1mm以内。透过精加工制程将进刀量控制<0.05mm切削量，乃着眼于最后腔体成型后不受大量切削影响，利用高转速等参数相互搭配在相关时程控制下，降低制造加工所衍生的变形。

3.2 腔体焊接

了解腔体焊接的繁复制程，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、下片的腔体元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、下片腔体元件组合焊接前，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、下片腔体元件，腔体上下片结合过程均采用镭射追踪仪监控各阶段全制程腔体的形变，各阶段的腔体变化量。其中，假焊乃承接加工后腔体上下片结合的第一道焊接制程，其焊前腔体的变形量显示从P1～P9均呈现<0.10mm的变形量。此部份变形，均为腔体加工过程的加工变形量，借由腔体上、下片结合，腔体几乎不会因上、下两片结合而导致变形，再透过假焊从P1～P7均呈现<0.10mm的变形量，与假焊前非常吻合，P8～P9则微幅上扬约0.01～0.035mm，代表此处腔体结构受假焊电流输入热导致腔体假结合过程的微量变化。然而，假焊过程的目的仅是要结合固定上、下两片的腔体组件；当腔体放置于自动焊接系统上，维持无夹持的自然放置状态，焊前须先将腔体预热至100℃，待均温后，再施以自动焊接，由于焊接过程须考量焊道所面临的腔体厚度不一的情况，因此须透过焊接电流的设变来补足厚度上的差异，方可使焊接程序顺利进行。经自动焊接后，较自动焊接前有较大幅地变化，可明显地看出P3与P7点变异程度相对是较小的，变异较大的位置均位于腔体前后两端及磁铁位置的相对应处，显示腔体结构在设计上经过焊接制程会造成结构性因素的变形影响，其焊后变形平均约0.2mm，由于经自动焊后，腔体尚有部分焊道未完成焊接，这些焊道需再透过人工焊接方式进行，焊后变形量测显示透过最后周围焊的程序微幅修整P8～P9的变形量，就整体腔体而言，经焊接制程所影响的变形与假焊制程相较依旧维持约0.2mm的变形量。因此，就大型铝合金腔体自动焊接制程而论，腔体焊接变形量维持于<0.2mm。

四、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，并可以得到下列几点结论 :

加工制程上，建立低湿度压缩空气纯化冷却陷阱系统，可提供全制程的压缩空气低湿气含量(0.01ppm)的加工环境，降低并满足于加工制程腔体表面不受污染要求。

腔体加工上，建立4米长的大型腔体加工较佳制程参数，加工后的变形量可控制在0.1mm以内。

焊接制程上，假焊并不影响到整体腔体的变形，与加工制程的变形量相当。自动焊接制程影响区域主要在于腔体前后两端，变形量从0.1mm上升至0.3mm，贡献约0.2mm的变形量。自动焊后周围焊，其变形量与自动焊接后的变形量相当，亦显示此制程对腔体影响变形程度相对较小。

建立大型铝合金真空腔体焊接系统制程，不仅在新一代电子加速器“台湾光子源”电子储存环真空系统扮演焊接的重要角色外，亦在铝合金焊接实务上开创新局。

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