CN102728944A

CN102728944A - 扩散接合方法

Info

Publication number: CN102728944A
Application number: CN2011100816891A
Authority: CN
Inventors: 吴柏成; 吴忠翰; 佘坤霖; 黄斐娴
Original assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd; Solar Applied Material Technology Corp
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明是关于一种扩散接合方法，其主要是令待接合的复数板材叠置于一封罐中，接续令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封，在一般大气环境下对所述封罐施以加热与加压，使封罐内的叠置一起的复数板材之间的接合介面完成扩散接合，再令该复数板材的接合体自封罐中取出。藉此，其利用复数板材叠置密封于一小体积的封罐内，藉由封罐易于内部形成实质上无氧环境，并能在一般大气环境下直接对封罐进行加热及加压，而使封罐内部板材之间的接合介面藉由热压而完成扩散接合。

Description

扩散接合方法

技术领域

本发明涉及一种板材的焊接方法，尤指一种利用扩散接合技术(DiffusionBonding)，使复数板材焊接一起的扩散接合方法。

背景技术

扩散接合(Diffusion Bonding)技术，是指利用物质的扩散机制，使材料可以结合一起的固态焊接的方法。传统的扩散接合方式主要是在真空环境下利用高温及压力来接合金属及/或陶瓷部件。目前已知的金属扩散接合是利用热均压(HIP)或热压(HP)方式，在真空环境下做固态密接，并在二金属材料间的接合介面施予正向压力，使二金属材料的接合介面产生塑性变形并让彼此间紧密接触，随着接触面积增加时，藉由外加熔点以下的热源，促使二金属材料间的接合介面的表面原子动能加速，接触面积迅速增大，藉此原子扩散及晶粒边界运动而完成扩散接合。

如美国US7581669(WO2007013750)号揭示了一种结构件的扩散焊合技术，其是将多片待焊合的金属片叠置于一密闭的腔体中，对该密闭的腔体内部抽真空，接续对腔体加热以及注入加压的氩气(Ar)，使该多片金属片于此腔体中藉由高温与高压而进行扩散焊合。

现有热均压或热压方法进行金属材料扩散接合时，因金属材料必须处于真空环境下，才能进行施压，因机台的规格大小与价格的影响，而存在有高成本的问题，且操作时，必须令其整个作业腔体内部达到真空环境，因作业腔室空间大，欲达到真空状态的处理时间偏长，影响金属材料扩散接合的作业时间，以致有作业效率不佳的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：改善现有扩散接合方法的作业效率不佳及设备成本高等缺点。

一种扩散接合方法，其特征在于，其包含：

令待接合的复数板材叠置于一个封罐中；

令封罐内部形成一实质上无氧环境且将封罐予以密封；

在一般大气环境下，对所述封罐施以加热与加压，使封罐内叠置一起的复数板材之间的接合介面藉由热压而完成扩散接合，再令该复数板材的接合体自封罐中取出。

所述的扩散接合方法中，所述复数板材包含有一金属第一板材与一金属第二板材，所述第一板材选自镍、铜、铝、钛、铁及其合金所构成的群组中的任一，所述第二板材选自钼、硅、钨、钽、钛、铜、铝及其合金所构成的群组中的任一。

所述的扩散接合方法中，所述封罐的材质选自铜、铝合金、铜合金及其组合所构成的群组中的任一。

所述的扩散接合方法中，在所述复数板材叠置于封罐中的步骤前，令位置在下的板材顶面形成一相应于位置在上的板材形状的凹槽，并以凹槽底面为接合基准面，使在上的板材对位置入在下的板材凹槽中，并与接合基准面呈面接触。

所述的扩散接合方法中，该复数板材的接合体自封罐中取出后，利用机械加工机具对所述接合体的形状尺寸加以修整。

所述的扩散接合方法中，对所述封罐施以加热与加压的步骤中，是令密封有复数板材的真空状封罐置于一个压床中，利用压床中的加热器将该封罐加温至150℃～700℃，且该封罐被加温的问题应当不超过板材的熔点温度，并对封罐施以1.2kg/mm²～10kg/mm²的轴向压力，进行1～12小时的加热及加压。

所述的扩散接合方法中，令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封的步骤，是以抽气手段令封罐内部呈现真空状态，再令封罐密封。

所述的扩散接合方法中，令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封的步骤，是对封罐内部注入非氧气体，再令封罐密封。

所述的扩散接合方法中，注入封罐内部的非氧气体为氩或氮。

本发明可达成的有益效果是：藉由前揭扩散接合方法，其主要是利用复数板材叠置密封于一小于热压设备作业空间的封罐中，而能以较短时间令小体积的封罐内部达到实质上无氧环境，并于后续的加热加压步骤，藉由封罐令其内部的复数板材与外界隔绝，防止板材产生氧化层，而能藉由热压设备在一般大气环境下直接对封罐进行加热及加压，而使位于封罐内部板材之间的接合介面完成扩散接合。

附图说明

图1是本发明扩散接合方法的流程图；

图2是本发明扩散接合方法令第一板材与第二板材叠置于一密封的封罐中的平面示意图；

图3是本发明扩散接合方法中，利用压床对内部封设有第一板材与第二板材的封罐进行加热加压的平面示意图；

图4是本发明扩散接合方法中，令第一板材上形成一相应于第二板材的凹槽的平面示意图。

附图标号说明：1第一板材；10凹槽；2第二板材；3封罐；4控制气阀；5抽气管；6压床；7加热器；8压杆。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

如图1所示，是揭示本发明扩散接合方法的一较佳实施例的流程图，该扩散接合方法是包含以下步骤：

令待接合的复数板材叠置于一封罐中的步骤，于本较佳实施例中，如图2所示，是以两个板材为例，其中将第一板材1与第二板材2叠置于一封罐3中，所述第一板材1可选自镍(Ni)、铜(Cu)、铝(A1)、钛(Ti)、铁(Fe)及其合金等构成的群组中的任一，所述第二板材2可选自钼(Mo)、硅(Si)、钨(W)、钽(Ta)、钛(Ti)、铜(Cu)、铝(A1)及其合金等构成的群组中的任一，所述封罐3以选用具有高延展性的材料制造而成为佳，且封罐3形状、尺寸与罐壁厚度等依待接合的板材实物的需要而变更，使封罐3受压变形时，封罐的罐壁不易破裂，于本较佳实施例中，所述封罐3的材质可选自铜(Cu)、铝(A1)合金、铜(Cu)合金及其组合等构成的群组中的任一，封罐3的罐壁厚度一般是介于1mm～5mm；

令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封步骤，所述令封罐内部形成一实质上无氧环境可为令封罐内部注入钝气气体(如：氩(Ar)、氮(N2)......等非氧保护气体)，或以抽气手段令封罐内部呈现真空状态，之后再令封罐密封的步骤，如图2所示，以抽气手段令封罐3内部呈现真空状态为例，可令封罐3侧壁设有一封口，于封口处设有一控制气阀，控制气阀4再接设一与封罐3内部连通的金属材质抽气管5，以该抽气管5连接一抽气泵(pump)，藉抽气泵经由抽气管5对密闭的封罐3抽气，在封罐3内部达到预设的真空(vacuum)度(所述真空度是达到10^-3torr)时，关闭控制气阀4，及封闭抽气管5(如以焊接封闭等方式)，使封罐3内部与外界隔绝，维持封罐3内部的真空状态；

在一般大气环境下，对该封罐施以加热与加压，使封罐内叠置一起的复数板材之间的接合介面完成扩散接合的步骤，于本较佳实施例中，如图3所示，是令密封有复数板材(第一板材1、第二板材2)的真空状态封罐3置于一压床6中，利用压床6中的加热器7将该封罐3加温至150℃～700℃，所述加热温度是依所选板材的材料而定，且以不超过所选板材的熔点温度为原则，并以驱动组件带动的压杆8对封罐3施以1.2kg/mm²～10kg/mm²的轴向压力，进行1～12小时的加热加压，如此，使封罐3被加压及加热，封罐3压缩塑性变形且维持内部密封状态，使封罐3内部叠置一起的第一板材1、第二板材2之间的接合介面被加热及加压而产生塑性变形并彼此紧密接触，并因彼此间接合介面的表面原子动能加速，接触面积迅速增大，进而藉由原子扩散及晶粒边界运动而令板材间进行扩散接合，于此过程中，并藉由封罐3的隔离，可防止封罐3内部的第一板材1与第二板材2表面产生氧化，避免因第一板材1与第二板材2表面生成氧化层而阻碍扩散接合的进行；以及

自压床6中取出加压加热后的封罐3，切开封罐3，取出封罐3内部完成扩散接合的板材接合体。

前述的扩散接合方法中，尚可于封罐内取出完成扩散接合的板材接合体步骤之后，进行一机械加工修整步骤，其中利用机械加工机具对该完成扩散接合的板材接合体的形状尺寸加以修整，而一并对扩散接合时造成的板材变形溢流部分加以去除。

前述扩散接合方法中，为避免封罐内叠置一起的复数板材于加压过程中发生偏离位置的现象，于所述复数板材叠置于封罐中的步骤前，尚可进一步令位置在下的板材(如第一板材1)顶面以加工手段形成一凹槽10，如图4所示，凹槽10形状对应位置在上的板材(如第二板材2)形状，凹槽10的底面为接合基准面，使在上的板材(如第二板材2)的可对位置放于在下的板材(如第一板材1)的凹槽10中定位，并与接合基准面呈面接触。

以下进一步以具体的实施例来说明：

实施例1：

其是选用6061(美国铝合金协会制定的AA规格)铝合金的板材作为第一板材，以钛(Ti)板材作为第二板材，其中于6061铝合金第一板材上依据钛第二板材尺寸加工形成一凹槽，续将钛第二板材置于该6061铝合金第一板材的凹槽中组合，并将组合后的6061铝合金第一板材与钛第二板材一同置入于一封罐中，再对封罐内部抽气，令封罐内部达到真空状态后予以封闭；或是抽气后，再灌入钝气气体(如：氩(Ar)、或氮(N2)...等非氧保护气体)，令封罐内部处于非氧保护气体状态后予以封闭。

接续令该封罐置于一压床的下模上，并由压床中的加热器对封罐加热至400℃～600℃，并以压床的压杆对封罐施以1.2kg/mm²～10kg/mm²的轴向压力，持续3～6小时。之后，将封罐自压床中取出，切开封罐，取出完成扩散接合的铝合金第一板材与钛(Ti)第二板材的接合体。

对该扩散接合的铝合金第一板材与钛(Ti)第二板材的接合体进行接合强度试验(tensile bonding strength)，通常测得的接合强度大于200Mpa。

实施例2：

其是选用铜合金的板材作为第一板材，以钽(Ta)板材作为第二板材，其中于铜合金第一板材上依据钽(Ta)第二板材尺寸加工形成一凹槽，续将钽(Ta)第二板材置于该铜合金第一板材的凹槽中组合，并将组合后的铜合金第一板材与钽(Ta)第二板材一同置入于一封罐中，再对封罐内部抽气，令封罐内部达到真空状态后予以封闭；或是抽气后，再灌入钝气气体(如：氩(Ar)、或氮(N2)...等非氧保护气体)，令封罐内部处于非氧保护气体状态后予以封闭。

接续令该封罐置于一压床的下模上，由压床中的加热器对封罐加热至500℃～700℃，并以压床的压杆对封罐施以1.2kg/mm²～10kg/mm²的轴向压力，持续8～12小时；之后，将封罐自压床中取出，切开封罐，取出完成扩散接合的铜合金第一板材与钽(Ta)第二板材的接合体。

对该扩散接合的铜合金第一板材与钽(Ta)第二板材的接合体进行接合强度试验，通常测得的接合强度大于240Mpa。

实施例3：

其是选用铜合金的板材作为第一板材，以铝铜合金板材作为第二板材，其中于铜合金第一板材上依据铝铜合金第二板材尺寸加工形成一凹槽，续将铝铜合金第二板材置于该铜合金第一板材的凹槽中组合，并将组合后的铜合金第一板材与铝铜合金第二板材一同置入于一封罐中，再对封罐内部抽气，令封罐内部达到真空状态后予以封闭；或是抽气后，再灌入钝气气体(如：氩(Ar)、或氮(N2)...等非氧保护气体)，令封罐内部处于非氧保护气体状态后予以封闭。

接续令该封罐置于一压床的下模上，由压床中的加热器对封罐加热至150℃～300℃，并以压床的压杆对封罐施以1.2kg/mm²～10kg/mm²的轴向压力，持续1～3小时；之后，将封罐自压床中取出，切开封罐，取出完成扩散接合的铜合金第一板材与铝铜合金第二板材的接合体。

对该扩散接合的铜合金第一板材与铝铜合金第二板材的接合体进行接合强度试验，通常可以测得其接合强度大于240Mpa。

经由以上实施例说明可知，本发明利用复数板材叠置于一小于热压设备作业空间的封罐中，而能以较短时间使封罐内部形成一实质上无氧环境，并于后续的加热加压步骤，藉由封罐令被密封于封罐内部的板材与外界隔绝，而能由热压设备在一般大气环境下直接进行加热加压而完成板材之间的接合介面的扩散接合，因此相较于现有板材扩散接合方法，本发明无须令整个热压设备的作业空间达到真空状态，故能有效降低设备成本，且本发明也能缩短其作业时间而提升作业效率。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种扩散接合方法，其特征在于，其包含：

令待接合的复数板材叠置于一个封罐中；

令封罐内部形成一实质上无氧环境且将封罐予以密封；

2.根据权利要求1所述的扩散接合方法，其特征在于，所述复数板材包含有一金属第一板材与一金属第二板材，所述第一板材选自镍、铜、铝、钛、铁及其合金所构成的群组中的任一，所述第二板材选自钼、硅、钨、钽、钛、铜、铝及其合金所构成的群组中的任一。

3.根据权利要求2所述的扩散接合方法，其特征在于，所述封罐的材质选自铜、铝合金、铜合金及其组合所构成的群组中的任一。

4.根据权利要求3所述的扩散接合方法，其特征在于，在所述复数板材叠置于封罐中的步骤前，令位置在下的板材顶面形成一相应于位置在上的板材形状的凹槽，并以凹槽底面为接合基准面，使在上的板材对位置入在下的板材凹槽中，并与接合基准面呈面接触。

5.根据权利要求4所述的扩散接合方法，其特征在于，该复数板材的接合体自封罐中取出后，利用机械加工机具对所述接合体的形状尺寸加以修整。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的扩散接合方法，其特征在于，对所述封罐施以加热与加压的步骤中，是令密封有复数板材的真空状封罐置于一个压床中，利用压床中的加热器将该封罐加温至150℃～700℃，且该封罐被加温的问题应当不超过板材的熔点温度，并对封罐施以1.2kg/mm2～10kg/mm2的轴向压力，进行1～12小时的加热及加压。

7.根据权利要求6所述的扩散接合方法，其特征在于，令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封的步骤，是以抽气手段令封罐内部呈现真空状态，再令封罐密封。

8.根据权利要求6所述的扩散接合方法，其特征在于，令封罐内部形成一实质上无氧环境及封罐密封的步骤，是对封罐内部注入非氧气体，再令封罐密封。

9.根据权利要求8所述的扩散接合方法，其特征在于，注入封罐内部的非氧气体为氩或氮。