低温制冷机冷头焊接工艺研究

　　1 引言

　　低温制冷机冷头是斯特林制冷机、G-M 制冷机、脉冲管制冷机等低温制冷机与热载荷的接口部位，通常冷头由冷缸和冷缸堵头组成。制冷机所制取的冷量通过冷缸堵头传递给热载荷。为了将花费较大代价制得的冷量有效传递给热载荷，冷缸堵头通常由无氧铜等热导率较高的金属材料加工而成。同时，由于低温制冷机冷缸两端温差较大，为了减小制冷机冷端与热端的导热损失，低温制冷机的冷缸通常为薄壁不锈钢筒状结构( 壁厚小于1mm，有的制冷机冷缸壁厚小于0.2mm) 。

　　由于冷缸为薄壁件，冷头内一般是氦气工质，为了保证密封、减小漏热，冷缸与冷头之间一般采用焊接连接。铜与不锈钢的焊接属于异种金属焊接，由于两种金属之间的化学成分不同，物理性质相差较大( 线膨胀系数、导热系数、熔点和力学性能等) ，加之铜与不锈钢之间互溶性差等特点，使得冷头的焊接难度较大[1]。同时，制冷机对焊后漏率有严格要求( 通常要求3MPa，漏率低于1×10^{- 9}Pa. m³. s- 1) ，对薄壁冷缸焊后变形也有严格要求( 同轴度6 级以上) ，使得冷缸和冷缸堵头的焊接难度较大，成为制冷机工程化的一个工艺瓶颈。文献[2]中冷缸堵头采用紫铜材料，与冷缸的焊接采用银焊。由于不锈钢的熔点与银焊条相差大，火候不好掌握，焊接强度可能也达不到。电子束焊也是一种经常采用的焊接工艺，文献[3]所介绍的制冷机即采用了该工艺。由于冷头焊接为异种金属，且对焊接要求高，采用电子束焊也存在焊接合格率低的问题，同时焊接成本较高。如何提高冷头焊接合格率，降低焊接成本，对低温制冷机的工程化具有重要意义。针对该问题，本文提出一种爆炸焊复合材料与激光焊结合的冷头焊接工艺。

　　2 爆炸焊复合材料冷缸堵头

　　2. 1 爆炸焊复合材料

　　爆炸焊复合材料是两块或多块被复合的金属板材在炸药爆轰作用下高速碰撞，在极短时间内在碰撞点附近产生极高的应变率和压力( 大大超过金属的动态屈服极限) ，从而在板间形成一股高速金属射流，射流的形成从相互接触的金属表面上剥离一层表面层，使金属暴露出有活性的清洁新表面，在高压下产生的原子间内聚能把相邻板材牢固结合在一起[4]。采用爆炸焊接可使熔点、强度、热膨胀系数等性能差异极为悬殊的金属组合形成复合材料。由于爆炸焊两种金属的结合为冶金结合，所以焊接质量高。文献[5，6]采用爆炸焊分别得到了铜-不锈钢复合材料和铜 - 低碳钢复合材料，得到的复合材料结合性能良好，界面没有明显的元素扩散。因此，可以选用爆炸焊复合材料来制作低温制冷机冷缸堵头。