本發(fā)明涉及一種通過添加Mo-Mn-Ni中間層連接鉬組玻璃/可伐合金的激光焊方法,屬于非金屬與金屬材料的連接技術領域。
背景技術:
玻璃材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕、絕緣性能優(yōu)異等特點,但玻璃本身的低延展性和較差的沖擊韌性限制了其在工程中的應用。由此結合玻璃與金屬優(yōu)良性能的玻璃-金屬復合結構應用而生,并廣泛應用于微電子封裝、電池、儀表儀器、太陽能真空集熱管等領域。
玻璃與金屬焊接廣泛應用于微電子封裝、繼電器、太陽能真空集熱管等有真空氣密性要求的場合。但接頭強度低,脆性大,在實際應用中受到很大限制。金屬材料與玻璃連接的主要問題是:(1)熱膨脹系數(shù)相差大,應力集中,焊后出現(xiàn)大量微裂紋,接頭性能差;(2)玻璃材料主要結合方式是共價鍵,金屬材料的主要結合方式是離子鍵和金屬鍵,潤濕性很差,界面結合困難;(3)非金屬材料韌性差,容易發(fā)生斷裂。異種材料結合鍵不同導致材料機械性能和物理性能存在較大差異,例如金屬材料具有良好塑韌性和切削加工性,而非金屬材料脆性較大,與非金屬材料形成了互補,因此對研發(fā)出一種可靠的玻璃與金屬連接技術提出了迫切要求。
玻璃與金屬傳統(tǒng)的連接方法有陽極鍵合、釬焊、摩擦焊、電子束焊、爆炸焊等。但這些方法存在容易老化、精確度低、強度低和氣孔多等缺陷。相對于其它焊接方法,激光束控制簡單,易于實現(xiàn)自動化,激光焊可以嚴格控制熱輸入,熱變形較小,熱影響區(qū)小,精確度高,成形快;可焊材質種類范圍廣且不發(fā)生回熔,焊后焊縫晶粒細小,焊縫質量高;相對于電子束焊接,不需真空,不需X射線防護,對人身體傷害小,且激光焊接過程中局部重疊部分加熱和冷卻保持著平衡,熔池非常穩(wěn)定。
可伐合金,也稱Fe-Co-Ni合金,該合金在20-450℃范圍內線熱膨脹系數(shù)為5.1~5.5×10-6K-1,鉬組玻璃DM308在溫度為20-300℃范圍內線熱膨脹系數(shù)為4.9~10×10-6K-1,二者在室溫下熱膨脹系數(shù)相近,能有效降低焊后應力,得到良好的焊接接頭。適用于微電子封裝,生產繼電器、太陽能真空集熱管等。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的是提供一種通過添加Mo–Mn–Ni金屬粉末中間層連接鉬組玻璃/可伐合金的激光焊方法。
本發(fā)明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現(xiàn),具體包括以下步驟:
(1)凈化試樣:將玻璃表面進行凈化處理;用耐水性砂紙去除可伐合金表面氧化膜,從400目打磨至1200目,進行拋光,最后進行脫脂去油處理;
(2)制取氧化膜:將步驟(1)經過表面處理后的可伐合金在一直抽真空的設備中進行處理,然后放置在氧化爐中制備氧化膜,通過控制氧化時間和氧化溫度獲得氧化膜;
(3)制備過渡層:選擇Mo、Mn、Ni三種混合粉末做過渡層,其質量百分比的組成:Mo占10%-15%,Ni占50%-60%,Mn占28%-33%,添加劑占0.1%-0.5%,微量元素C占0.5-1.5%,SiO2占0.5-1.5%,所述添加劑為PVA,然后使用壓片機制備過渡層;
(4)焊前預熱:焊接“三明治”式結構,底層是玻璃,中間為過渡層,頂層為可伐合金,三者之間緊密接觸,然后將緊密接觸的“三明治”式結構放入350-450℃的加熱爐中進行預熱,預熱時間為20-40min;
(5)激光焊接:將預熱后的玻璃、中間層和可伐合金“三明治”式結構放置在夾具上,激光束垂直照射在可伐合金表面,進行焊接;
(6)焊后熱處理:焊接結束后,將焊件迅速移至350-450℃加熱爐中進行去應力退火,然后隨爐冷卻至室溫,可得到可靠的玻璃與可伐合金的焊接件。
上述技術方案中,所述步驟(1)中,可伐合金首先進行表面打磨,然后進行脫脂去油處理,接著真空凈化處理,最后進行氧化處理。
上述技術方案中,所述步驟(2)中,真空凈化時間為10-30min,抽真空
度為10-2~10-1MPa,氧化溫度控制在700-850℃之間,氧化時間為10-20min。
上述技術方案中,所述步驟(3)中,通過調整粉末質量、施加壓力和壓制時間控制過渡層厚度;過渡層厚度為80-100μm。
上述技術方案中,所述步驟(4)(6)中,所使用的加熱爐為柱式電阻爐。
上述技術方案中,所述步驟(5)中,激光焊接時激光器為Nd:YAG激光器,激光焊參數(shù)如下:激光功率為550-850W,焊接速度為2.5-8.5mm/s,離焦量為±4mm,掃描次數(shù)為1-3道。本發(fā)明選擇合適的離焦量,得到良好的焊件。
上述技術方案中,所述步驟(5)中,激光焊接時保護氣體為氬氣,氣體流量優(yōu)選為10-25L/min。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較具有顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明研發(fā)了一種新的玻璃與可伐合金的激光連接方法,通過采用與可伐合金線熱膨脹系數(shù)相近的鉬組玻璃,最大程度的降低了焊后熱應力。中間層選用Mo元素可以平衡線熱膨脹系數(shù),降低焊接應力,添加Ni元素可以提高潤濕性,促進界面潤濕,添加Mn元素提高接頭強度,添加微量的C元素和SiO2氧化物可以提高與可伐合金表面氧化物的反應程度,從而更好的促進界面結合,增強接頭剪切強度。
2.通過優(yōu)化激光焊工藝參數(shù),如激光功率、焊接速度、離焦量,可以精確控制熱輸入,避免了由于較大熱輸入造成的開裂和熔斷等現(xiàn)象。采用焊前預熱及焊后熱處理措施,避免了由于急速升溫和急速冷卻造成的開裂。
3.本發(fā)明的激光焊接方法成本低,效率高,焊接質量好,更加適合批量制造。
附圖說明
圖1激光焊結裝置示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發(fā)明做了進一步說明,但本發(fā)明并不限于以下實施例。
實施例1
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后在丙酮溶液進行超聲波清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(4)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:15%,Ni:54%,Mn:29%,C:0.7%,SiO2:1.0%,PVA添加劑占0.3%,中間層厚度為80μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率700W,焊接速度為4.5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達9.6MPa。
實施例2
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后在丙酮溶液進行超聲波清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃的爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(4)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:15%,Ni:54%,Mn:29%,C:0.7%,SiO2:1.0%,PVA添加劑占0.3%,中間層厚度90μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率700W,焊接速度為4.5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達8.9MPa。
實施例3
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后在丙酮溶液進行超聲波清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃,爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(4)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:15%,Ni:54%,Mn:29%,C:0.7%,SiO2:1.0%,PVA添加劑占0.3%,中間層厚度100μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率700W,焊接速度為4.5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達7.8MPa。
實施例4
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后用超聲波機器丙酮溶液進行清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃,爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(4)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:15%,Ni:54%,Mn:29%,C:0.7%,SiO2:1.0%,PVA添加劑占0.3%,中間層厚度80μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率750W,焊接速度為4.5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達9.8MPa。
實施例5
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后用超聲波機器丙酮溶液進行清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃,爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(4)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:15%,Ni:54%,Mn:29%,C:0.7%,SiO2:1.0%,PVA添加劑占0.3%,中間層厚度80μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率750W,焊接速度為5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達10.96MPa。
實施例6
(1)將可伐合金從400目打磨至1200目,然后用超聲波機器丙酮溶液進行清洗,清洗時間20min;
(2)40×20×1.1mm的可伐合金在抽真空度為10-1MPa環(huán)境處理20min,然后在溫度為800℃,爐中氧化10min;
(3)將氧化后的可伐合金樣品置于鉬組玻璃樣品(20×15×3mm)上,中間添加中間層,然后放在夾具上;
(5)預熱溫度為300℃,預熱時間20min;
(5)選用中間層質量百分比為:Mo:12%,Ni:55%,Mn:31%,C:0.6%,SiO2:1.2%,PVA添加劑占0.2%,中間層厚度為80μm;
(6)激光器型號為:YLS-3000-SM,激光參數(shù)為:激光功率750W,焊接速度為4.5mm/s,氣體流量為15L/min;
(7)焊后熱處理溫度為350℃,隨爐冷卻;
強度實驗測試,采用本實例的方法焊接后,鉬組玻璃與可伐合金的抗剪切強度可達9.5MPa。
表1匯總表
注:◎表示優(yōu),○表示良好,△表示一般,×表示不合格。