專利名稱：低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷釬焊方法。
背景技術(shù)：
陶瓷，具有抗氧化性強(qiáng)，耐磨性能好，硬度高，熱穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度大，熱膨脹系數(shù)小，抗熱震和耐化學(xué)腐蝕以及等優(yōu)良特性。因此，已經(jīng)在石油、化工、機(jī)械、航天、核能、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于陶瓷材料的加工性能差、延性和沖擊韌度低，制造尺寸大而形狀復(fù)雜的構(gòu)件困難，因此需要焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)陶瓷之間的可靠連接。釬焊是實(shí)現(xiàn)陶瓷連接的一種很具有潛力的技術(shù)。而在陶瓷的釬焊連接過程中主要存在兩方面的問題——界面潤濕結(jié)合和接頭殘余應(yīng)力。陶瓷與金屬釬料在物理和化學(xué)性質(zhì)方面差別巨大，金屬釬料對陶瓷的潤濕比較困難，目前常采用活性釬焊技術(shù)一即在釬料中加入一定比例的活性元素，通過活性元素與待焊陶瓷材料之間的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)釬焊連接。而對于陶瓷來說，常用Ti作為活性元素，為了避免活性元素在大氣中的損耗，活性金屬釬料對陶瓷的潤濕結(jié)合一般都在真空或惰性氣氛中完成，并且活性釬焊的溫度相對較高， 常用的AgCuTi活性釬料，釬焊溫度一般在850 1050°C，而采用一些其他活性釬料釬焊溫度甚至高達(dá)1300°C以上，例如Ni51Cr活性釬料。陶瓷低溫釬焊連接困難，針對陶瓷的非高溫應(yīng)用，降低釬焊溫度顯得尤為重要。另外，現(xiàn)有的陶瓷釬焊技術(shù)還存在釬焊接頭殘余應(yīng)力大、只能在高溫真空或保護(hù)氣氛下完成釬焊過程等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的陶瓷釬焊技術(shù)存在陶瓷低溫釬焊連接困難，釬焊接頭殘余應(yīng)力大，只能在高溫真空或保護(hù)氣氛下完成釬焊過程的問題，提供低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法。本發(fā)明低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，按以下步驟進(jìn)行一、將兩片釬料箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成釬料/鋁基復(fù)合材料/釬料“三明治”結(jié)構(gòu)的填充材料；二、對陶瓷待焊部位進(jìn)行打磨拋光，然后置于丙酮中超聲波清洗15min，將步驟一制得的填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱至釬料箔片完全熔化，在頻率為20 100kHz、振幅為 1 10 μ m的條件下超聲波處理1 10s，然后對焊縫施加垂直于待焊面的壓力10 50N， 保溫0 30min，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊；其中步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為50 500 μ m,釬料箔片的厚度為50 300 μ m ；步驟一所述釬料箔片為ZnAl箔片或AlSiCuai箔片；步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為 50% 70%。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下1、本發(fā)明采用超聲波輔助的方法實(shí)現(xiàn)了陶瓷的釬焊連接，在大氣條件下即可完成釬焊過程；2、本發(fā)明釬焊溫度低，在410 620°C即可完成釬焊過程；
3、所獲陶瓷釬焊接頭強(qiáng)度高，例如，SiC陶瓷釬焊接頭的剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到130 150MPa ；4、本發(fā)明獲得的釬焊接頭殘余應(yīng)力低，如對于SiC陶瓷，焊接面尺寸為 IOmmX 20mm時(shí)，采用傳統(tǒng)&ι5Α1釬料所獲接頭的殘余應(yīng)力最大值為50 60MPa，而同條件下采用本發(fā)明的方法，以&ι5Α1/(55% SiCp/A356)/Zn5Al作為中間層時(shí)，接頭殘余應(yīng)力最大值僅為15 20MPa。


圖1是具體實(shí)施方式
一所述低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法的示意圖；圖2是圖1中I 處的放大示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
二十五獲得的接頭焊縫微觀結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，按以下步驟進(jìn)行一、將兩片釬料箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成釬料/鋁基復(fù)合材料/釬料“三明治”結(jié)構(gòu)的填充材料；二、對陶瓷待焊部位進(jìn)行打磨拋光，然后置于丙酮中超聲波清洗15min，將步驟一制得的填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱至釬料箔片完全熔化，在頻率為 20 IOOkHz、振幅為1 10 μ m的條件下超聲波處理1 10s，然后對焊縫施加垂直于待焊面的壓力10 50N，保溫0 30min，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊；其中步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為50 500 μ m，釬料箔片的厚度為50 300 μ m ； 步驟一所述釬料箔片為ZnAl箔片或AlSiCuai箔片；步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為50% 70%。本實(shí)施方式步驟一所述釬料箔片購買自浙江亞通焊材有限公司。本實(shí)施方式中鋁基復(fù)合材料的熔點(diǎn)要高于釬料的熔點(diǎn)，利用超聲波的作用實(shí)現(xiàn)釬料對高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料和陶瓷的潤濕結(jié)合。本實(shí)施方式中施加垂直于待焊面的壓力的目的是擠出多余的液體釬料，使得接頭中增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高。本實(shí)施方式低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法的示意圖如圖1所示，圖中1為超聲波工具頭，2為施加壓力的方向，3為填充層，4為陶瓷，5為熱源。圖2是圖1中I處的放大示意圖， 圖2中6為釬料，7為鋁基復(fù)合材料，8為陶瓷。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的制備方法為采用電火花線切割將鋁基復(fù)合材料切成厚度為100 600 μ m的箔片，依次采用180目、360目和500目的砂紙對箔片兩側(cè)表面進(jìn)行機(jī)械打磨至厚度為50 500 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為50 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為100 400μπι。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為200 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟一所述釬料箔片的厚度為50 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟一所述釬料箔片的厚度為300 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟一所述釬料箔片的厚度為100 250μπι。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟一所述釬料箔片的厚度為200 μ m。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為50%。其它與具體實(shí)施方式
一至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為70%。其它與具體實(shí)施方式
一至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為60%。其它與具體實(shí)施方式
一至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十二之一不同的是步驟二中頻率為40 80kHz。其它與具體實(shí)施方式
一至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十二之一不同的是步驟二中頻率為60kHz。其它與具體實(shí)施方式
一至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十四之一不同的是步驟二中振幅為3 8μπι。其它與具體實(shí)施方式
一至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十四之一不同的是步驟二中振幅為5μπι。其它與具體實(shí)施方式
一至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十六之一不同的是步驟二中超聲波處理3 7s。其它與具體實(shí)施方式
一至十六之一相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十六之一不同的是步驟二中超聲波處理k。其它與具體實(shí)施方式
一至十六之一相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十八之一不同的是步驟二中對焊縫施加垂直于待焊面的壓力10N。其它與具體實(shí)施方式
一至十八之一相同。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十八之一不同的是步驟二中對焊縫施加垂直于待焊面的壓力50N。其它與具體實(shí)施方式
一至十八之一相同。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十八之一不同的是步驟二中對焊縫施加垂直于待焊面的壓力30N。其它與具體實(shí)施方式
一至十八之一相同。
具體實(shí)施方式
二十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二十一之一不同的是步驟二中保溫Omin。其它與具體實(shí)施方式
一至二十一之一相同。
具體實(shí)施方式
二十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二十一之一不同的是步驟二中保溫30min。其它與具體實(shí)施方式
一至二十一之一相同。
具體實(shí)施方式
二十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二十一之一不同的是步驟二中保溫15min。其它與具體實(shí)施方式
一至二十一之一相同。
具體實(shí)施方式
二十五本實(shí)施方式低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，按以下步驟進(jìn)行 一、將兩片ZnAl箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成ZnAl釬料/鋁基復(fù)合材料/ZnAl釬料“三明治”結(jié)構(gòu)的填充材料；二、對陶瓷待焊部位進(jìn)行打磨拋光，然后置于丙酮中超聲波清洗15min，將步驟一制得的填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱到420°C，至ZnAl 箔片完全熔化，在頻率為20KHz、振幅為5 μ m的條件下超聲波處理^，然后對焊縫施加垂直于待焊面的壓力30N，保溫Omin，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊；其中步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為400 μ m，ZnAl箔片的厚度為100 μ m ；步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為55%。本實(shí)施方式中陶瓷為SiC，ZnAl箔片的成分為&i_5Al (wt. % )。本實(shí)施方式鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體為SiC顆粒，增強(qiáng)體尺寸為5 100 μ m。本實(shí)施方式獲得的接頭焊縫微觀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，陶瓷釬焊接頭所含低線膨脹系數(shù)的增強(qiáng)相很高，充分降低了接頭中的中間填充物與陶瓷之間的熱膨脹不匹配程度，從而削弱了接頭的殘余熱應(yīng)力，提高了接頭的強(qiáng)度。接頭強(qiáng)度能夠達(dá)到130 138MPa，接頭殘余應(yīng)力最大值為15MPa (本實(shí)施方式焊接面尺寸為10mmX20mm)，與采用單純的ZnAl箔片相比，同條件下接頭殘余應(yīng)力最大值降低了 60% 75%。
具體實(shí)施方式
二十六本實(shí)施方式低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，按以下步驟進(jìn)行 一、將兩片AlSiCuai箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成AlSiCuai釬料/鋁基復(fù)合材料/AlSiCuai釬料“三明治”結(jié)構(gòu)的填充材料；二、對陶瓷待焊部位進(jìn)行打磨拋光，然后置于丙酮中超聲波清洗15min，將步驟一制得的填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱到 570°C，至AlSiCuai箔片完全熔化，在頻率為20KHz、振幅為5μπι的條件下超聲波處理如， 然后對焊縫施加垂直于待焊面的壓力20Ν，保溫15min，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊；其中步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為250 μ m，AlSiCuai箔片的厚度為200 μ m ；步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為55%。本實(shí)施方式中陶瓷為SiC，AlSiCuSi箔片的成分為Al-9. 6Si-10Cu-10Zn (wt. % )。本實(shí)施方式鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體為SiC顆粒，增強(qiáng)體尺寸為5 100 μ m。本實(shí)施方式中所獲接頭強(qiáng)度能夠達(dá)到143 152MPa，接頭殘余應(yīng)力最大值為 18MPa (本實(shí)施方式焊接面尺寸為IOmmX 20mm)，與采用單純的AlSiCuSi箔片相比，同條件下接頭殘余應(yīng)力最大值降低了 65% 75%。
權(quán)利要求
1.低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，按以下步驟進(jìn)行 一、將兩片釬料箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成釬料/鋁基復(fù)合材料/釬料“三明治” 結(jié)構(gòu)的填充材料；二、對陶瓷待焊部位進(jìn)行打磨拋光，然后置于丙酮中超聲波清洗15min， 將步驟一制得的填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱至釬料箔片完全熔化，在頻率為20 100kHz、振幅為1 IOym的條件下超聲波處理1 10s，然后對焊縫施加垂直于待焊面的壓力10 50N，保溫0 30min，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊；其中步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為50 500μπι，釬料箔片的厚度為50 300 μ m ；步驟一所述釬料箔片為ZnAl箔片或AlSiCuSi箔片；步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為50% 70%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的制備方法為采用電火花線切割將鋁基復(fù)合材料切成厚度為100 600 μ m的箔片，依次采用180目、360目和500目的砂紙對箔片兩側(cè)表面進(jìn)行機(jī)械打磨至厚度為50 500 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟一所述鋁基復(fù)合材料箔片的厚度為100 400 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟一所述釬料箔片的厚度為100 250 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟一所述鋁基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積百分比含量為60%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟二中頻率為40 80kHz ο
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟二中振幅為 5 μ m0
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟二中超聲波處理3 7s。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟二中對焊縫施加垂直于待焊面的壓力30N。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，其特征在于步驟二中保溫 15min。
全文摘要
低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊方法，涉及一種陶瓷釬焊方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的陶瓷釬焊技術(shù)存在陶瓷低溫釬焊連接困難，釬焊接頭殘余應(yīng)力大，只能在高溫真空或保護(hù)氣氛下完成釬焊過程的問題。方法一、將兩片釬料箔片中夾一片鋁基復(fù)合材料箔片，形成“三明治”結(jié)構(gòu)的填充材料；二、將填充材料填充到陶瓷的兩個(gè)待焊面之間，加熱至釬料箔片完全熔化，超聲波處理，對焊縫施加垂直于待焊面的壓力，保溫，之后隨爐冷卻至室溫，即完成低應(yīng)力低溫陶瓷釬焊。本發(fā)明采用超聲波輔助的方法實(shí)現(xiàn)了陶瓷的釬焊連接，在大氣條件下即可完成釬焊過程；釬焊溫度低，陶瓷釬焊接頭強(qiáng)度高，釬焊接頭殘余應(yīng)力低。應(yīng)用于陶瓷釬焊領(lǐng)域。
文檔編號C04B37/00GK102260088SQ20111017678
公開日2011年11月30日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者于漢臣, 冷雪松, 李大成, 閆久春, 陳曉光, 高飛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)