CN105364245A - 一种蓝宝石低温焊接方法 - Google Patents

一种蓝宝石低温焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种蓝宝石低温焊接方法，涉及一种蓝宝石焊接方法。本发明解决现有蓝宝石焊接技术中焊接温度高，易造成构件连接失败的问题，以及现有低温胶结的方法接头强度低、接头易老化的问题。本发明方法：一、按质量分数称取Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2，并混合得到玻璃钎料；二、磨抛蓝宝石待焊接面,然后用丙酮清洗；三、按体积比混合粘接剂和玻璃钎料，并涂覆在蓝宝石上；四、将步骤三中得到的蓝宝石对向接触放置并用卡具固定，得到待焊连接件；五、对待焊连接件进行焊接。本发明方法能够缓解蓝宝石构件接头应力，稳定性良好，避免接头老化现象。本发明用于焊接蓝宝石。

Description

一种蓝宝石低温焊接方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石低温焊接方法。
背景技术
蓝宝石作为优良的光学窗口材料在航空航天、电子以及光学领域具有广泛的应用前景。然而蓝宝石属单晶结构，无法采用生长方法制备形状复杂的实际应用构件，因此开发相适应的连接技术对于推进蓝宝石在各种高技术领域的实际应用具有重要作用；
钎焊是蓝宝石的传统连接方法，采用活性高温钎料，如AgCuTi、CuTi等，可以实现蓝宝石的连接，制备复杂的蓝宝石构件，然而焊接温度较高，大部分高于800℃，由于高温导致蓝宝石构件的变形较大，在连接过程中容易导致局部应力集中造成构件连接失败。
一些研究人员采用胶结的方式连接蓝宝石，由于温度较低，一般150℃以下，因此可以很好地满足复杂蓝宝石构件的成型要求，但是胶结方式的连接接头的主要成分是高分子聚合物材料，该类材料在高温环境下易出现接头老化现象，从而影响了连接件的寿命，这对于高技术、长时间服役构件是不能允许的，另外胶结的强度也不高，因此，开发蓝宝石构件的新型低温连接方法是必要的。
发明内容
本发明要解决现有蓝宝石焊接技术中焊接温度高，进而导致焊接后的蓝宝石构件接头会产生局部应力集中易造成构件连接失败的问题，以及现有低温胶结的方法接头强度低、接头易老化的问题，提出了一种新型低温连接蓝宝石构件的方法。
本发明蓝宝石低温焊接方法按照以下步骤进行：
一、按质量分数称取40％～50％的Bi2O3、20％～40％的B2O3、5％～20％的BaO、2％～10％的ZnO和0.1％～2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料；
二、取两块蓝宝石，将蓝宝石待焊接面用金刚石磨床磨抛至Ra为0.2μm～0.8μm，然后用丙酮清洗磨抛后的蓝宝石待焊接面并烘干；所述的蓝宝石主要成分为单晶α-Al2O3，纯度为99.9％；
三、按体积比为1.5～2：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料并混合，然后涂覆在步骤二处理得到的两块待焊蓝宝石磨抛后的待焊接面上，即得到带有涂覆层的蓝宝石；
所述的涂覆层的厚度为100μm～500μm；所述的粘接剂按质量百分比由1％的丙三醇、4％的蒸馏水和95％的羟乙基纤维素混合制成；
四、将步骤三中得到的两块带有涂覆层的蓝宝石的涂覆层面对向接触放置，并用卡具固定，得到待焊连接件；
五、将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温10min～30min，再以10℃/min的速度升温至450℃～500℃并保温5min～35min，最后以4℃/min～8℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
本发明包含以下有益效果：
1、本发明方法实现了较低的温度下对蓝宝石进行连接，所采用的玻璃钎料具有较低的熔点，低于500℃，因此不会出现局部应力集中造成构件连接失败；并且采用本发明方法得到的焊接接头的剪切强度可达到31MPa，远高于低温胶结的强度，在蓝宝石低温焊接领域已经达到领先水平，保证了连接的可靠性；
2、同时本发明中所用钎料为无机成分，与聚合物胶结方法相比较接头并不存在高温易老化的情况。
3、本发明方法尤其适合于大尺寸复杂框架结构，并且本发明所用焊接方法处理后的蓝宝石构件在航空航天、光学及电子领域有着广泛的应用前景。
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合理组合。
具体实施方式一：本实施方式一种蓝宝石低温焊接方法按以下步骤进行：
一、按质量分数称取40％～50％的Bi2O3、20％～40％的B2O3、5％～20％的BaO、2％～10％的ZnO和0.1％～2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料；
二、取两块蓝宝石，将蓝宝石待焊接面用金刚石磨床磨抛至Ra为0.2μm～0.8μm，然后用丙酮清洗磨抛后的蓝宝石待焊接面并烘干；
三、按体积比为1.5～2：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料并混合，然后涂覆在步骤二处理得到的两块待焊蓝宝石磨抛后的待焊接面上，即得到带有涂覆层的蓝宝石；所述的粘接剂按质量百分比由1％的丙三醇、4％的蒸馏水和95％的羟乙基纤维素混合制成；
四、将步骤三中得到的两块带有涂覆层的蓝宝石的涂覆层面对向接触放置，并用卡具固定，得到待焊连接件；
五、将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温10min～30min，再以10℃/min的速度升温至450℃～500℃并保温5min～35min，最后以4℃/min～8℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
本实施方式实现了较低的温度下对蓝宝石进行连接，所采用的玻璃钎料具有较低的熔点，低于500℃，因此不会出现局部应力集中造成构件连接失败；并且采用本实施方式方法得到的焊接接头的剪切强度可达到31MPa，远高于低温胶结的强度，在蓝宝石低温焊接领域已经达到领先水平，保证了连接的可靠性；
2、同时本实施方式中所用钎料为无机成分，与聚合物胶结方法相比较接头并不存在高温易老化的情况。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按质量分数称取50％的Bi2O3、30％的B2O3、10％的BaO、8％的ZnO和2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料。其它步骤与参数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：步骤二中所述的蓝宝石主要成分为单晶α-Al2O3，纯度为99.9％。其它步骤与参数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三不同的是：步骤三中按体积比为1.5：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料。其它步骤与参数与具体实施方式一或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或四不同的是：步骤三中所述的涂覆层的厚度为100μm～500μm。其它步骤与参数与具体实施方式一或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或五不同的是：步骤五中将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温10min～30min，再以10℃/min的速度升温至450℃～500℃并保温5min～35min，最后以4℃/min～8℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。其它步骤与参数与具体实施方式一或五相同。
通过以下试验验证本发明方法效果：
试验1：本试验蓝宝石低温焊接方法按照以下步骤进行：
一、按质量分数称取50％的Bi2O3、30％的B2O3、10％的BaO、8％的ZnO和2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料。
二、取两块蓝宝石，将蓝宝石待焊接面用金刚石磨床磨抛至Ra为0.8μm，然后用丙酮清洗磨抛后的蓝宝石待焊接面并烘干；所述的蓝宝石主要成分为单晶α-Al2O3，纯度为99.9％；
三、按体积比为1.5：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料并混合，然后涂覆在步骤二处理得到的两块待焊蓝宝石磨抛后的待焊接面上，即得到带有涂覆层的蓝宝石；所述的涂覆层的厚度为200μm；所述的粘接剂按质量百分比由1％的丙三醇、4％的蒸馏水和95％的羟乙基纤维素混合制成；
四、将步骤三中得到的两块带有涂覆层的蓝宝石的涂覆层面对向接触放置，并用卡具固定，得到待焊连接件；
五、将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温30min，再以10℃/min的速度升温至500℃并保温30min，最后以8℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
1、本试验实现了较低的温度下对蓝宝石进行连接，所采用的玻璃钎料具有较低的熔点，低于500℃，因此不会出现局部应力集中造成构件连接失败；并且采用本试验方法得到的焊接接头的剪切强度可达到30MPa，远高于低温胶结的强度，在蓝宝石低温焊接领域已经达到领先水平，保证了连接的可靠性；
2、同时本试验中所用钎料为无机成分，与聚合物胶结方法相比较接头并不存在高温易老化的情况。
试验2：本试验蓝宝石低温焊接方法按照以下步骤进行：
一、按质量分数称取50％的Bi2O3、30％的B2O3、10％的BaO、8％的ZnO和2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料。
二、取两块蓝宝石，将蓝宝石待焊接面用金刚石磨床磨抛至Ra为0.8μm，然后用丙酮清洗磨抛后的蓝宝石待焊接面并烘干；所述的蓝宝石主要成分为单晶α-Al2O3，纯度为99.9％；
三、按体积比为1.5：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料并混合，然后涂覆在步骤二处理得到的两块待焊蓝宝石磨抛后的待焊接面上，即得到带有涂覆层的蓝宝石；所述的涂覆层的厚度为200μm；所述的粘接剂按质量百分比由1％的丙三醇、4％的蒸馏水和95％的羟乙基纤维素混合制成；
四、将步骤三中得到的两块带有涂覆层的蓝宝石的涂覆层面对向接触放置，并用卡具固定，得到待焊连接件；
五、将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温30min，再以10℃/min的速度升温至450℃并保温30min，最后以5℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
1、本试验方法实现了较低的温度下对蓝宝石进行连接，所采用的玻璃钎料具有较低的熔点，低于500℃，因此不会出现局部应力集中造成构件连接失败；并且采用本试验方法得到的焊接接头的剪切强度可达到31MPa，远高于低温胶结的强度，在蓝宝石低温焊接领域已经达到领先水平，保证了连接的可靠性；
2、同时本试验中所用钎料为无机成分，与聚合物胶结方法相比较接头并不存在高温易老化的情况。

Claims (5)

1.一种蓝宝石低温焊接方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：
一、按质量分数称取40％～50％的Bi2O3、20％～40％的B2O3、5％～20％的BaO、2％～10％的ZnO和0.1％～2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料；
二、取两块蓝宝石，将蓝宝石待焊接面用金刚石磨床磨抛至Ra为0.2μm～0.8μm，然后用丙酮清洗磨抛后的蓝宝石待焊接面并烘干；
三、按体积比为1.5～2：1称取粘结剂与步骤一得到的玻璃钎料并混合，然后涂覆在步骤二处理得到的两块待焊蓝宝石磨抛后的待焊接面上，即得到带有涂覆层的蓝宝石；所述的粘接剂按质量百分比由1％的丙三醇、4％的蒸馏水和95％的羟乙基纤维素混合制成；
四、将步骤三中得到的两块带有涂覆层的蓝宝石的涂覆层面对向接触放置，并用卡具固定，得到待焊连接件；
五、将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温10min～30min，再以10℃/min的速度升温至450℃～500℃并保温5min～35min，最后以4℃/min～8℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石低温焊接方法，其特征在于步骤一中按质量分数称取50％的Bi2O3、30％的B2O3、10％的BaO、8％的ZnO和2％的SiO2，将Bi2O3、B2O3、BaO、ZnO和SiO2混合后即得到玻璃钎料。
3.根据权利要求1所述的一种蓝宝石低温焊接方法，其特征在于步骤二中所述的蓝宝石主要成分为单晶α-Al2O3，纯度为99.9％。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石低温焊接方法，其特征在于步骤三中所述的涂覆层的厚度为100μm～500μm。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石低温焊接方法，其特征在于步骤五中将经步骤四得到的待焊连接件放入真空钎焊炉中，以10℃/min升温至200℃并保温30min，再以10℃/min的速度升温至450℃并保温30min，最后以5℃/min的速度降温至室温，得到焊接后的蓝宝石构件。
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