專利名稱：焊接合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及焊接合金，具體地，涉及組成包含至少兩種低共熔合金組分的焊接合金。所述焊接合金適合于在金屬、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷之間形成焊接接頭。本發明還涉及使用所述焊接合金連接兩件工件的方法。
背景技術：
以下關于本發明背景技術的論述意在促進對本發明的理解。但是，應理解，此論述不確認或不承認任何所述的材料在本申請的優先權日在任何權限中是發表的、已知的、或者是部分的公知常識。焊接是常用于通過焊接接頭連接裝置或工件的成熟方法。通常，工件的表面是干凈的，然后在此焊接接頭處施用焊接合金。這是為了確保此表面沒有任何氧化物層并且使此焊接合金與此工件良好接觸。此外，在由錫-鉛組成的早期焊接合金組合物，需要助焊劑(flux)添加劑防止焊接接頭處的氧化，其中氧化引起焊接接頭劣化。另外，此類錫-鉛焊接合金，雖然具有約200°C的低焊接溫度，但是不足以對潤濕性差的工件的表面進行潤濕。此類工件包括陶瓷、玻璃和玻璃-陶瓷材料。改進此類工件的潤濕性的幾種嘗試包括在焊接合金中摻入鈦。此類焊接合金改進在潤濕性差的表面如陶瓷上的潤濕。然而，由于鈦的高熔點，需要高于600°C的高焊接溫度。此外，此焊接需要在高真空度中或使用保護氣體進行。因此，期望提供克服或至少緩和上述問題的焊接合金。
發明內容
在整個文件中，除非另外相反地說明，術語“包括”、“由…組成”等應解釋為非封閉的，換言之，意即“包括但不限于”。本發明的第一個方面，提供組成包括至少兩種低共熔合金組分的焊接合金。本發明的第二個方面，提供通過焊接接頭連接至少兩件工件的方法。所述方法包括，在待連接的至少兩件工件之間的焊接接頭處提供如本發明的第一個方面所述的焊接合金，在焊接環境中在低于230°C的焊接溫度下加熱所述焊接合金，然后將加熱過的焊接合金冷卻由此形成所述焊接接頭。本發明的第三個方面，在待連接的至少兩件工件之間提供焊接接頭，所述焊接接頭包括如本發明的第一個方面所述的焊接合金。發明詳述本發明涉及組成包括至少兩種低共熔合金組分的焊接合金。所述焊接合金適合于在金屬、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷之間形成焊接接頭。根據本發明的第一方面，提供組成包括至少兩種低共熔合金組分的焊接合金，其中所述低共熔合金組分可以是二元、三元或四元的。
選擇所述低共熔合金組分，使得所得的焊接合金的熔融溫度低于230°C，更優選地，低于200°C。各低共熔合金組分可以選自:Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Ag、Al-Si、 Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi和Sn-Ag-In-Bi。還可以是本領域技術人員已知的其它低共熔組分。除了所述低共熔組分之外，所述焊接合金中還可以包含單質金屬。添加此類單質金屬以改進表面光澤、保存穩定性，或者減小在焊接接頭處焊接合金的表面張力。單質金屬包括但不限于Ag、Cu、Fe、In、Mg、Mn和它們的混合物。在本發明的第二個方面，提供通過焊接接頭連接至少兩件工件的方法。所述方法包括在待連接的至少兩件工件之間的焊接接頭處提供如本發明的第一個方面所述的焊接合金。所述工件可以是金屬、陶瓷、玻璃或玻璃_陶瓷。然后在焊接環境中在低于230°C的焊接溫度下加熱此焊接合金。在所述低共熔組分中的金屬是反應活性的，因此能夠防止在焊接接頭處發生氧化。故此在所述焊接合金中不需要助焊劑添加劑。此外，所述焊接可以在大氣環境如含有氧的大氣中進行。再者，不需要保護氣體，因為所述焊接可以在非_高真空和低溫度環境下進行。在此焊接溫度下，在這兩件工件之間的焊接接頭的區域內，所述焊接合金開始熔解和熔合。在所述焊接接頭的界面產生由所述焊接合金中的金屬和所述工件形成的金屬間相。在此潤濕現象之后，所述工件的潤濕性被改進。最后，將熔合的焊接合金冷卻由此形成所述焊接接頭。冷卻時，所述熔合的焊接合金固化并且牢固地連接這兩件工件。優選地，相對緩慢地冷卻所述熔合的焊接合金，特別是當所述工件具有顯著不同的熱膨脹系數時；否則在快速和/或不均勻冷卻的情況中，在所述焊接接頭處或者在所述工件本身內可能形成裂縫。
具體實施例方式實施例實施例1使用可商購的Sn-Zn低共熔組分和Al-Si低共熔組分作為形成本發明的焊接合金的二元低共熔組分。在感應爐中，將99. 5重量％ WSn-Zn低共熔組分與0. 5重量％ WAl-Si組分混合。 在真空中將此混合物熔融以防止被氧和氮污染。然后冷卻此熔融物形成糊狀的所述焊接合金。為了在鋁板和玻璃之間形成焊接接頭，首先將鋁板置于電加熱板上。然后將此 [Sn-Zn]-[A1-Si]焊接合金糊置于此鋁板上。其后將玻璃置于此焊接合金糊之上。由加載彈簧的鋼條在此鋁板和玻璃之間提供的機械壓力在朝向加熱板的方向作用，由此將此鋁板和玻璃夾在一起。然后運行電加熱板從鋁板至玻璃的方向提供加熱。加熱提供200°C的焊接溫度。同時，在玻璃側提供另一個加熱源如電阻加熱器并在從玻璃至鋁板的方向上提供加熱。在頂部和底部的同時加熱減小了鋁板和玻璃之間的熱梯度。為了防止焊接接頭或玻璃破裂，如此小的熱梯度是必不可少的。在200 V下加熱數分鐘后，停止加熱源，并使熔合的焊接合金緩慢冷卻以進一步防止破裂。實施例2
焊接合金組合物中的兩種低共熔組分與實施例1中的相同，除了現在將99. 0重量％的Sn-Zn低共熔組分和1. 0重量％的Al-Si低共熔組分在感應爐中混合以形成焊接合金并擠出成細焊條。為了在不銹鋼板和陶瓷之間形成焊接接頭，使用常規焊接技術中使用的丁烷焰和加熱棒。與實施例1中所述相似地布置此不銹鋼板和陶瓷并在加熱板組件中處理。將此焊條置于此不銹鋼板和陶瓷之間。操作丁烷焰和加熱棒，在200°C的溫度下加熱焊條、不銹鋼板和陶瓷以熔解焊條。此焊條與不銹鋼板和陶瓷熔合，由此形成焊接接頭。實施例3在感應爐中，將90. 0重量％的Sn-Zn低共熔組分與6. 5重量％的Sn-Ag-Cu低共熔組分混合。將少量的In (3. 4重量％ )、Fe (0. 03重量％ )、Mg(0. 05重量％ )和Μη(0· 02 重量％)加入此混合物。在惰性保護的感應爐中熔解此混合物形成糊狀的此焊接合金。添加的少量Fe和Mn促進成核和快速均勻的固化。為了在鈦板和陶瓷之間形成焊接接頭，使用常規焊接技術中使用的丁烷焰和加熱棒。通過在陶瓷上施加負荷，而不是如實施例1中所述的由加載彈簧的鋼條提供機械壓力， 將此鈦板和陶瓷固定在一起。不是將此鈦板和陶瓷置于加熱板組件內，而是將此鈦板和陶瓷置于爐中，在爐中通過火焰、電阻加熱器均勻加熱以熔解焊接合金，由此形成焊接接頭。上述焊接合金提供若干優點，不需要助焊劑添加劑。這消除了要除去焊接后工件中剩余的助焊劑殘留物的問題。在大氣環境中進行焊接，而不需要保護氣體或高真空。這不需要昂貴且復雜的設備。低于230°C的低加工溫度減少焊接過程中的氧化，并且顯著減少因工件之間的不同熱膨脹系數的熱應變產生的接頭裂縫。這還有助于通過降低對更昂貴的加熱器的依賴來降低總成本。添加第二低共熔組分如Al-Si有助于改進此焊接合金的延展性(其可容易地形成糊狀物、箔或條狀物)，并且還有助于表面氧化物的分解。所得的焊接接頭具有良好的焊接強度并且提供連接兩件工件(無論是相似或不同的材料如金屬、玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷)的可能性。這些焊接合金適用于鐘表零件、工業玻璃部件、機械工具如陶瓷切割器、工程部件、牙科部件和微電子學中的電接頭的金屬化。雖然為了清楚的理解，上文借助于實例和實施例，通過一個或多個實施方案，在一些細節上已描述本發明，但是，對本領域技術人員而言，考慮到本發明的教導，顯而易見地在不脫離隨附權利要求書中所述的本發明的范圍的情況下可以對其進行某些改變、變化和修改。
權利要求
1.焊接合金，其組成包括至少兩種低共熔合金組分。
2.權利要求1所述的焊接合金，其中所述至少兩種低共熔合金組分中的每一種各自為二元、三元或四元的。
3.權利要求2所述的焊接合金，其中所述至少兩種低共熔合金組分選自Sn-ZruSn-Bi、 Sn-Cu, Sn-Ag、Al-Si、Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi 和 Sn-Ag-In-Bi。
4.權利要求3所述的焊接合金，其中所述至少兩種低共熔合金組分是Sn-Zn和Al-Si。
5.權利要求4所述的焊接合金，其中所述焊接合金組合物包含96重量％-99. 5重量％ 的Sn-Zn低共熔合金組分和0. 5重量％ -4重量％的Al-Si低共熔合金組分。
6.權利要求5所述的焊接合金，其中所述焊接合金組合物包含99.5重量％的Sn-Zn低共熔合金組分和0. 5重量％的Al-Si低共熔合金組分。
7.權利要求5所述的焊接合金，其中所述焊接合金組合物包含99.0重量％的Sn-Zn低共熔合金組分和1. 0重量％的Al-Si低共熔合金組分。
8.權利要求3所述的焊接合金，其中所述至少兩種低共熔合金組分是Sn-Zn和 Sn-Ag-Cuο
9.權利要求8所述的焊接合金，其中所述焊接合金組合物包含90重量％-99. 5重量％ 的Sn-Zn低共熔合金組分和0. 5重量％ -10重量％的Sn-Ag-Cu低共熔合金組分。
10.如上述權利要求中的任一項所述的焊接合金，其中所述焊接合金的熔點低于 230 °C。
11.權利要求10所述的焊接合金，其中所述焊接合金的熔點低于200°C。
12.如上述權利要求中的任一項所述的焊接合金，其還包含單質金屬。
13.權利要求12所述的焊接合金，其中所述單質金屬選自Ag、Cu、Fe、In、Mg、Mn和它們的混合物。
14.權利要求13所述的焊接合金，其中所述焊接合金組合物包含0重量％-4重量％的所述單質金屬。
15.通過焊接接頭連接至少兩件工件的方法，所述方法包括-在待連接的所述至少兩件工件之間的焊接接頭處提供如上述權利要求中的任一項所述的焊接合金；-在焊接環境中在低于230°C的焊接溫度下加熱所述焊接合金；和-將加熱過的所述焊接合金冷卻，由此形成所述焊接接頭。
16.權利要求15所述的方法，其中所述焊接溫度低于200°C。
17.權利要求15或16所述的方法，其中所述焊接環境是大氣。
18.權利要求15、16或17所述的方法，其中所述焊接環境不含有保護氣體。
19.權利要求15-18中的任一項所述的方法，其中所述加熱不包括助焊劑的使用。
20.權利要求15-19中的任一項所述的方法，其中在所述焊接接頭處，所述至少兩件工件中的每一件各自由金屬、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷組成。
21.在待連接的至少兩件工件之間的焊接接頭，所述焊接接頭包含權利要求1-14中的任一項所述的焊接合金。
22.權利要求21所述的焊接接頭，其中所述至少兩件工件之一是陶瓷。
23.權利要求21所述的焊接接頭，其中所述至少兩件工件之一是玻璃_陶瓷。
24.權利要求1-14中的任一項所述的焊接合金作為焊接接頭的用途。
全文摘要
本發明提供了組成包含至少兩種低共熔合金組分的焊接合金。本發明還提供了使用所述焊接合金連接兩件工件的方法。
文檔編號C22C13/00GK102216478SQ200980145500
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月30日 優先權日2008年10月15日
發明者羅炳鑫 申請人:奧典私人有限公司