CN102260088A - 低应力低温陶瓷钎焊方法 - Google Patents

Abstract

低应力低温陶瓷钎焊方法，涉及一种陶瓷钎焊方法。本发明是要解决现有的陶瓷钎焊技术存在陶瓷低温钎焊连接困难，钎焊接头残余应力大，只能在高温真空或保护气氛下完成钎焊过程的问题。方法：一、将两片钎料箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成“三明治”结构的填充材料；二、将填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热至钎料箔片完全熔化，超声波处理，对焊缝施加垂直于待焊面的压力，保温，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊。本发明采用超声波辅助的方法实现了陶瓷的钎焊连接，在大气条件下即可完成钎焊过程；钎焊温度低，陶瓷钎焊接头强度高，钎焊接头残余应力低。应用于陶瓷钎焊领域。

Description

低应力低温陶瓷钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷钎焊方法。

背景技术

陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，抗热震和耐化学腐蚀以及等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能、光学等领域具有广泛的应用前景。由于陶瓷材料的加工性能差、延性和冲击韧度低，制造尺寸大而形状复杂的构件困难，因此需要焊接技术来实现陶瓷之间的可靠连接。

钎焊是实现陶瓷连接的一种很具有潜力的技术。而在陶瓷的钎焊连接过程中主要存在两方面的问题——界面润湿结合和接头残余应力。陶瓷与金属钎料在物理和化学性质方面差别巨大，金属钎料对陶瓷的润湿比较困难，目前常采用活性钎焊技术—即在钎料中加入一定比例的活性元素，通过活性元素与待焊陶瓷材料之间的化学反应来实现钎焊连接。而对于陶瓷来说，常用Ti作为活性元素，为了避免活性元素在大气中的损耗，活性金属钎料对陶瓷的润湿结合一般都在真空或惰性气氛中完成，并且活性钎焊的温度相对较高，常用的AgCuTi活性钎料，钎焊温度一般在850～1050℃，而采用一些其他活性钎料钎焊温度甚至高达1300℃以上，例如Ni51Cr活性钎料。陶瓷低温钎焊连接困难，针对陶瓷的非高温应用，降低钎焊温度显得尤为重要。另外，现有的陶瓷钎焊技术还存在钎焊接头残余应力大、只能在高温真空或保护气氛下完成钎焊过程等缺陷。

发明内容

本发明是要解决现有的陶瓷钎焊技术存在陶瓷低温钎焊连接困难，钎焊接头残余应力大，只能在高温真空或保护气氛下完成钎焊过程的问题，提供低应力低温陶瓷钎焊方法。

本发明低应力低温陶瓷钎焊方法，按以下步骤进行：一、将两片钎料箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成钎料/铝基复合材料/钎料“三明治”结构的填充材料；二、对陶瓷待焊部位进行打磨抛光，然后置于丙酮中超声波清洗15min，将步骤一制得的填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热至钎料箔片完全熔化，在频率为20～100kHz、振幅为1～10μm的条件下超声波处理1～10s，然后对焊缝施加垂直于待焊面的压力10～50N，保温0～30min，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为50～500μm，钎料箔片的厚度为50～300μm；步骤一所述钎料箔片为ZnAl箔片或AlSiCuZn箔片；步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为50％～70％。

本发明优点如下：

1、本发明采用超声波辅助的方法实现了陶瓷的钎焊连接，在大气条件下即可完成钎焊过程；

2、本发明钎焊温度低，在410～620℃即可完成钎焊过程；

3、所获陶瓷钎焊接头强度高，例如，SiC陶瓷钎焊接头的剪切强度能够达到130～150MPa；

4、本发明获得的钎焊接头残余应力低，如对于SiC陶瓷，焊接面尺寸为10mm×20mm时，采用传统Zn5Al钎料所获接头的残余应力最大值为50～60MPa，而同条件下采用本发明的方法，以Zn5Al/(55％SiCp/A356)/Zn5Al作为中间层时，接头残余应力最大值仅为15～20MPa。

附图说明

图1是具体实施方式一所述低应力低温陶瓷钎焊方法的示意图；图2是图1中I处的放大示意图；图3是具体实施方式二十五获得的接头焊缝微观结构图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式低应力低温陶瓷钎焊方法，按以下步骤进行：一、将两片钎料箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成钎料/铝基复合材料/钎料“三明治”结构的填充材料；二、对陶瓷待焊部位进行打磨抛光，然后置于丙酮中超声波清洗15min，将步骤一制得的填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热至钎料箔片完全熔化，在频率为20～100kHz、振幅为1～10μm的条件下超声波处理1～10s，然后对焊缝施加垂直于待焊面的压力10～50N，保温0～30min，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为50～500μm，钎料箔片的厚度为50～300μm；步骤一所述钎料箔片为ZnAl箔片或AlSiCuZn箔片；步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为50％～70％。

本实施方式步骤一所述钎料箔片购买自浙江亚通焊材有限公司。

本实施方式中铝基复合材料的熔点要高于钎料的熔点，利用超声波的作用实现钎料对高体积分数铝基复合材料和陶瓷的润湿结合。

本实施方式中施加垂直于待焊面的压力的目的是挤出多余的液体钎料，使得接头中增强体的体积分数达到最高。

本实施方式低应力低温陶瓷钎焊方法的示意图如图1所示，图中1为超声波工具头，2为施加压力的方向，3为填充层，4为陶瓷，5为热源。图2是图1中I处的放大示意图，图2中6为钎料，7为铝基复合材料，8为陶瓷。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述铝基复合材料箔片的制备方法为：采用电火花线切割将铝基复合材料切成厚度为100～600μm的箔片，依次采用180目、360目和500目的砂纸对箔片两侧表面进行机械打磨至厚度为50～500μm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为50μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为100～400μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为200μm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述钎料箔片的厚度为50μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述钎料箔片的厚度为300μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述钎料箔片的厚度为100～250μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述钎料箔片的厚度为200μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为50％。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为70％。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为60％。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤二中频率为40～80kHz。其它与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤二中频率为60kHz。其它与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤二中振幅为3～8μm。其它与具体实施方式一至十四之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤二中振幅为5μm。其它与具体实施方式一至十四之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤二中超声波处理3～7s。其它与具体实施方式一至十六之一相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤二中超声波处理5s。其它与具体实施方式一至十六之一相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同的是：步骤二中对焊缝施加垂直于待焊面的压力10N。其它与具体实施方式一至十八之一相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同的是：步骤二中对焊缝施加垂直于待焊面的压力50N。其它与具体实施方式一至十八之一相同。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一至十八之一不同的是：步骤二中对焊缝施加垂直于待焊面的压力30N。其它与具体实施方式一至十八之一相同。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤二中保温0min。其它与具体实施方式一至二十一之一相同。

具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤二中保温30min。其它与具体实施方式一至二十一之一相同。

具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤二中保温15min。其它与具体实施方式一至二十一之一相同。

具体实施方式二十五：本实施方式低应力低温陶瓷钎焊方法，按以下步骤进行：一、将两片ZnAl箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成ZnAl钎料/铝基复合材料/ZnAl钎料“三明治”结构的填充材料；二、对陶瓷待焊部位进行打磨抛光，然后置于丙酮中超声波清洗15min，将步骤一制得的填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热到420℃，至ZnAl箔片完全熔化，在频率为20KHz、振幅为5μm的条件下超声波处理2s，然后对焊缝施加垂直于待焊面的压力30N，保温0min，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为400μm，ZnAl箔片的厚度为100μm；步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为55％。

本实施方式中陶瓷为SiC，ZnAl箔片的成分为Zn-5Al(wt.％)。

本实施方式铝基复合材料中增强体为SiC颗粒，增强体尺寸为5～100μm。

本实施方式获得的接头焊缝微观结构图如图3所示，陶瓷钎焊接头所含低线膨胀系数的增强相很高，充分降低了接头中的中间填充物与陶瓷之间的热膨胀不匹配程度，从而削弱了接头的残余热应力，提高了接头的强度。接头强度能够达到130～138MPa，接头残余应力最大值为15MPa(本实施方式焊接面尺寸为10mm×20mm)，与采用单纯的ZnAl箔片相比，同条件下接头残余应力最大值降低了60％～75％。

具体实施方式二十六：本实施方式低应力低温陶瓷钎焊方法，按以下步骤进行：一、将两片AlSiCuZn箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成AlSiCuZn钎料/铝基复合材料/AlSiCuZn钎料“三明治”结构的填充材料；二、对陶瓷待焊部位进行打磨抛光，然后置于丙酮中超声波清洗15min，将步骤一制得的填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热到570℃，至AlSiCuZn箔片完全熔化，在频率为20KHz、振幅为5μm的条件下超声波处理4s，然后对焊缝施加垂直于待焊面的压力20N，保温15min，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为250μm，AlSiCuZn箔片的厚度为200μm；步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为55％。

本实施方式中陶瓷为SiC，AlSiCuZn箔片的成分为Al-9.6Si-10Cu-10Zn(wt.％)。

本实施方式铝基复合材料中增强体为SiC颗粒，增强体尺寸为5～100μm。

本实施方式中所获接头强度能够达到143～152MPa，接头残余应力最大值为18MPa(本实施方式焊接面尺寸为10mm×20mm)，与采用单纯的AlSiCuZn箔片相比，同条件下接头残余应力最大值降低了65％～75％。

Claims (10)

1.低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于低应力低温陶瓷钎焊方法，按以下步骤进行：一、将两片钎料箔片中夹一片铝基复合材料箔片，形成钎料/铝基复合材料/钎料“三明治”结构的填充材料；二、对陶瓷待焊部位进行打磨抛光，然后置于丙酮中超声波清洗15min，将步骤一制得的填充材料填充到陶瓷的两个待焊面之间，加热至钎料箔片完全熔化，在频率为20～100kHz、振幅为1～10μm的条件下超声波处理1～10s，然后对焊缝施加垂直于待焊面的压力10～50N，保温0～30min，之后随炉冷却至室温，即完成低应力低温陶瓷钎焊；其中步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为50～500μm，钎料箔片的厚度为50～300μm；步骤一所述钎料箔片为ZnAl箔片或AlSiCuZn箔片；步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为50％～70％。

2.根据权利要求1所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤一所述铝基复合材料箔片的制备方法为：采用电火花线切割将铝基复合材料切成厚度为100～600μm的箔片，依次采用180目、360目和500目的砂纸对箔片两侧表面进行机械打磨至厚度为50～500μm。

3.根据权利要求1或2所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤一所述铝基复合材料箔片的厚度为100～400μm。

4.根据权利要求3所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤一所述钎料箔片的厚度为100～250μm。

5.根据权利要求4所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤一所述铝基复合材料中增强体的体积百分比含量为60％。

6.根据权利要求5所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤二中频率为40～80kHz。

7.根据权利要求6所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤二中振幅为5μm。

8.根据权利要求7所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤二中超声波处理3～7s。

9.根据权利要求8所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤二中对焊缝施加垂直于待焊面的压力30N。

10.根据权利要求9所述的低应力低温陶瓷钎焊方法，其特征在于步骤二中保温15min。

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