CN102140036B - 陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法 - Google Patents

陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法 Download PDF

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Abstract

陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法属于陶瓷焊接技术领域。现有技术存在陶瓷与金属连接接头的连接强度低和耐高温性能差的缺点。本发明采用两束激光，焊接过程在具有保护气氛的焊接室内进行，高熔点双层金属层位于金属工件的焊接面上；预处理激光先行扫描陶瓷工件焊接面，激光功率600～1500W，扫描速度0.3～1.0mm/s，光斑直径1～4mm；驱动陶瓷工件、金属工件，使它们的焊接面及位于其间的高熔点双层金属层挤压在一起，并一同旋转，压力不大于0.01Mpa，转速200～300rpm；焊接激光随后自焊接面及高熔点双层金属层边缘施焊，激光功率700～1000W，光斑直径0.1～0.3mm。

Description

陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法，该焊接方法能够明显提高陶瓷与金属的连接强度和提高焊接件的耐高温性能，属于陶瓷焊接技术领域。
背景技术
陶瓷和金属材料性质不同，在焊接界面上存在着化学及物理性能的差异，陶瓷与金属的焊接是焊接领域的一个技术难题。现有的焊接方法有熔化焊、活性钎焊、固相扩散焊。
现有一种具体的熔化焊接方法采用两束激光，即预热激光束、焊接激光束，见图1所示，预热激光束为焊接区域预热，焊接激光束焊接陶瓷工件1、金属工件2的对接缝，工件按速度v1平移，预热激光束按速度v2往复移动，通过接缝处工件材料发生的互溶而实现焊接。在焊接过程中，在预热激光束的作用下，一方面提高焊接工件的温度，利于焊接激光束的焊接，另一方面能够降低工件的连接应力，减少焊接接头裂纹。该方法具有加热和冷却速度快的特点，从而焊接效率高；焊接后的工件焊接接头耐高温，不会因高温而开焊。但是，该方法是在非常高的温度下完成的，为了降低连接应力，防止焊接接头产生裂纹，还必须采取缓冷措施，使得焊接工艺变得复杂；另外，其预热激光束作用单一，只是对工件的焊接区域进行预热，并未针对陶瓷与金属焊接界面所存在的化学及物理性能的差异而对焊接界面进行形貌处理。
现有一种活性钎焊方法是在焊接界面处填加活性钎料，如Ag-Cu-Ti，在环境热源的作用下，发生活性钎料与工件材料的互溶，从而实现焊接。在焊接过程中，由于活性钎料中的活性元素化学性质活跃，高温下易与空气中的氧等发生化学反应，因此，活性钎焊通常在真空中或者在惰性气体保护下进行。活性钎焊其不足在于，由于活性钎料的低熔点特性，如600～700℃，很难保证工件焊接接头的耐高温性能，会因高温而开焊。
现有一种固相扩散焊是在高温状态下，对工件施以一定压力，形成密切接触的焊接界面，通过原子扩散实现焊接。通过该方法获得的焊接接头具有良好的耐高温性能，不会因高温而开焊。但是，需要精密加工焊接面，尽管如此，仍然难以完全消除焊接界面空洞，常常出现固相扩散连接不足现象；加热方式为整体加热，工件整体处在高温下，施加的压力也会增加残余应力，最终导致工件变形。
PTLP方法是一种活性钎焊与固相扩散焊相结合的焊接技术，诞生于1990年，全称为部分瞬间液相连接(Partial Transient Liquid Phase Bonding)方法。采用PTLP方法焊接陶瓷时，采用不同厚度的金属层组成B-A-B形式的多层中间层，而且B层的厚度远小于A。在连接过程中，将多层中间层放置在焊接界面处，施加较小的压力，或者不施加压力，并在真空条件下电热加热，使金属B熔化或者A-B两种金属发生共晶反应，仅在焊接界面紧邻陶瓷处形成局部液态合金，通过液态合金与中间核心层金属A之间长时间的相互扩散，多层中间层液态合金与焊接工件母材之间发生扩散，液相区等温凝固和固相成分均匀化，合金元素趋向于均匀化，最终形成牢固的连接。PTLP方法具有活性钎焊和固相扩散焊的优点，所获得的焊接接头具有固相扩散焊的耐热性能。但是，由于需要同时保证连接强度和耐高温性能，多层中间层不易设计，有时多层中间层金属还需要进行高温退火。
发明内容
为了提高陶瓷与金属连接接头的连接强度和耐高温性能，吸纳现有各焊接技术的优点，最大程度低摒弃各现有焊接技术的不足，我们发明了一种陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法。
本发明采用两束激光，见图2所示，焊接过程在具有保护气氛的焊接室1内进行，其特征在于，高熔点双层金属层2位于金属工件3的焊接面上；预处理激光4先行扫描陶瓷工件5焊接面，激光功率600～1500W，扫描速度0.3～1.0mm/s，光斑直径1～4mm；驱动陶瓷工件5、金属工件3，使它们的焊接面及位于其间的高熔点双层金属层2挤压在一起，并一同旋转，见图3所示，压力不大于0.01Mpa，转速200～300rpm；焊接激光6随后自焊接面及高熔点双层金属层2边缘施焊，激光功率700～1000W，光斑直径0.1～0.3mm。
本发明之方法其技术效果在于：
1、本发明虽然也采用两束激光，但与现有技术不同的是，其中一束激光为预处理激光4，预处理激光4其作用除了预热陶瓷工件5从而降低焊缝的裂纹敏感性外，还对陶瓷工件5的焊接面进行表面处理，处理结果从宏观上看焊接面变得粗糙，在微观上则在焊接面产生规则分布的圆锥面凸起结构，不仅增加同液相的高熔点双层金属层2的接触面积，而且对液相的高熔点双层金属层2具有自锁紧作用；另外，所述预处理还具有清洁陶瓷工件5焊接面的作用，减少焊接面上的杂质，从而提高连接强度。
2、具有钎料作用的高熔点双层金属层2其熔点要远高于现有活性钎料，从而陶瓷工件5与金属工件3连接接头具有耐高温性能，不会因高温而开焊。采用不同于现有活性钎焊方法的热源，焊接激光6的采用一方面使得高熔点双层金属层2的采用成为可能，另一方面由于激光焊接为局部加热，因此，既不会导致工件材料结构发生变化，也不会因对工件施压导致工件形状发生变化。可见，相比现有双激光束熔化焊接方法、活性钎焊方法、固相扩散焊，本发明均有进步。
3、在焊接激光6施焊的过程中，通过对其功率的调整，实现对高熔点双层金属层2的熔化体积分数进行控制，高熔点双层金属层2处于半固态状态，实现陶瓷工件5与金属工件3的瞬时、部分液相连接，在吸收PLDP方法的优点的同时，克服固相扩散焊压焊的不足，如无需精密加工工件焊接面。
附图说明
图1是现有一种陶瓷与金属的双激光束焊接方法示意图。图2是本发明之焊接方法预处理激光工作情况示意图，该图兼作为摘要附图。图3是本发明之焊接方法焊接激光工作情况示意图。
具体实施方式
本发明之具体方案如下。采用两束激光，见图2所示，焊接过程在具有保护气氛的焊接室1内进行。自抽气口7将焊接室1抽真空，自充气口8充入Ar气在焊接室1内形成保护气氛。高熔点双层金属层2位于金属工件3的焊接面上，高熔点双层金属层2厚0.4mm，包括厚0.28mm的Fe层和厚0.12mmNi层，熔点均在1300℃以上。Fe层与金属工件3焊接面接触。金属工件3固定在右靶9上，右靶9由右电机10驱动。预处理激光4先行扫描陶瓷工件5焊接面，激光功率600～1500W，扫描速度0.3～1.0mm/s，光斑直径1～4mm。预处理激光4来自德国Rofin公司制造的DC050型CO2激光器，该激光器最大输出功率5000W，输出波长10.6μm，输出连续波激光，采用焦距为350的聚焦镜聚焦，离焦量+2mm。陶瓷工件5固定在左靶11上，左靶11由左电机12驱动。金属工件3、陶瓷工件5均为圆柱状，直径为6mm。驱动陶瓷工件5、金属工件3，使它们的焊接面及位于其间的高熔点双层金属层2挤压在一起，并一同旋转，见图3所示，压力不大于0.01Mpa，转速200～300rpm；焊接激光6随后自焊接面及高熔点双层金属层2边缘施焊，激光功率700～1000W，光斑直径0.1～0.3mm。焊接激光6来自德国TRUMPF公司制造的Nd:YAG激光器，该激光器最大输出功率4000W，波长1.06μm。
当陶瓷工件5为SiC陶瓷、金属工件3为Ni基合金时，预处理激光4激光功率800W，扫描速度0.5mm/s，光斑直径2mm。陶瓷工件5、金属工件3、高熔点双层金属层2挤压在一起的压力不大于0.01Mpa，一同旋转的转速为200rpm。焊接激光6激光功率700W，光斑直径0.3mm。焊接结果显示，焊接工件无变形，焊接接头在700℃时的剪切强度达到220MPa。
当陶瓷工件5为Si3N4陶瓷、金属工件3为40Cr合金时，预处理激光4激光功率600W，扫描速度0.3mm/s，光斑直径3mm。陶瓷工件5、金属工件3、高熔点双层金属层2挤压在一起的压力不大于0.01Mpa，一同旋转的转速为200rpm。焊接激光6激光功率800W，光斑直径0.2mm。焊接结果显示，焊接工件无变形，焊接接头在700℃时的剪切强度达到220MPa。

Claims (4)

1.一种陶瓷与金属双激光束部分瞬间液相焊接方法，采用两束激光，焊接过程在具有保护气氛的焊接室（1）内进行，其特征在于，高熔点双层金属层（2）位于金属工件（3）的焊接面上；预处理激光（4）先行扫描陶瓷工件（5）焊接面，激光功率600～1500W，扫描速度0.3～1.0mm/s，光斑直径1～4mm；驱动陶瓷工件（5）、金属工件（3），使它们的焊接面及位于其间的高熔点双层金属层（2）挤压在一起，并一同旋转，压力不大于0.01MPa，转速200～300rpm；焊接激光（6）随后自焊接面及高熔点双层金属层（2）边缘施焊，激光功率700～1000W，光斑直径0.1～0.3mm。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，高熔点双层金属层（2）包括Fe层和Ni层，Fe层与金属工件（3）焊接面接触。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，焊接激光（6）来自Nd:YAG激光器。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，陶瓷工件（5）为SiC陶瓷、金属工件（3）为Ni基合金；或者陶瓷工件（5）为Si3N4陶瓷、金属工件（3）为40Cr合金。 
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