CN106862747A - 一种用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置及其焊接方法，所述扩散焊接装置包括难熔金属发热体、保温材料层、感应线圈和进气管，还包括一对固定组件，用于固定待焊接的蓝宝石板，且能够对蓝宝石板两端均匀施加压力；扩散焊接时，通过进气管通入体积比为1:1000的O2和Ar的混合气体。本发明的优点在于：本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置和焊接方法能够实现带角度蓝宝石板扩散焊接，且焊接成品整体应力低，同时利用气氛减小焊接过程蓝宝石表面的损伤。

Description

一种用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置及其焊接方法
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种蓝宝石光窗的焊接装置，特别涉及一种空间带折弯角度的大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，还涉及用该扩散焊接装置焊接蓝宝石板的方法。
背景技术
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。由于蓝宝石具有抗高马赫气流、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高(2045℃)等特点，尤其中波红外波段透过率高达到80％以上，因此被用于条件苛刻的红外成像窗口玻璃。利用蓝宝石作为红外成像窗口玻璃的常见的场合是飞机和船舶等。
由于实际应用中往往需求空间带折弯角度的大尺寸红外成像窗口，而常见的蓝宝石连接方式，如化学粘结、金属焊料焊接、玻璃焊接、金属结构固定和扩散焊接等，其连接强度由50MPa至200MPa不等，除扩散焊接之外，其他焊缝强度往往达不到蓝宝石自身强度(200MPa)，同时由于采用金属、玻璃或化学粘结剂等连接方式，对于连接处也有各种影响，粘结剂通常不耐高温，金属连接对成像造成一定影响，而玻璃焊接其焊缝强度由玻璃限制，因此比较各种连接方式，扩散焊接相对具有一定优势。
国内亦有一些科研院所，对厚度3mm-10mm宽度不超过100mm的蓝宝石板片进行焊接，然而其焊接方式多采用水平固定两端加压的方式，无法解决带角度焊接的需求。虽然也有专利指出(201510956722.9)，选用特殊焊接材料以降低焊接温度而确保焊接强度，降低焊接工艺难度，然而这并未从根本上解决实际应用场合中，对于多角度大尺寸红外成像光窗，无法采用蓝宝石材料的矛盾。
因此市场上急需一种空间带折弯角度的大尺寸蓝宝石光窗扩散焊接的装置和方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现带折弯角度的大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置和方法，既保证带折弯角度焊接的同时，也可保证焊缝和焊缝周围的蓝宝石板在焊接后应力小、耐老化，且避免蓝宝石板在焊接过程中受到环境杂质的侵蚀。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，所述大尺寸蓝宝石光窗由两块大尺寸蓝宝石板通过扩散焊接形成一折弯结构，且折弯结构的折弯角度为0～180°；其创新点在于：所述扩散焊接装置包括
一折弯结构的难熔金属发热体，所述难熔发热体中心开有与大尺寸蓝宝石光窗相配合的嵌入槽；
一保温材料层，所述保温材料层包覆在难熔金属发热体外表面，且保温材料层的几何对称中心与难熔发热体的几何对称中心重合；所述保温材料层的侧壁设有一连接孔，且保温材料层的两端对称开有方形通孔；在保温材料层的前侧壁的中心开有一通透方孔，所述通透方孔的形状与大尺寸蓝宝石光窗的形状一致；
一感应线圈，所述感应线圈设置在保温材料层的折弯处；
一进气管，所述进气管的一端与保温材料层侧壁的连接孔连接，进气管的另一端与外接气源连接；
还包括一对固定组件，所述固定组件设置在保温材料层两端的方形通孔中，用于固定需扩散焊接的大尺寸蓝宝石板。
进一步地，所述感应线圈为一U型结构，且U型感应线圈的开口方向与嵌入槽的开口方向一致。
进一步地，所述难熔金属发热体的外侧壁上还均匀分布有若干个圆孔。
进一步地，所述难熔金属选用钼、钨、铱或钨钼合金中的一种。
进一步地，所述保温材料层由热导率低的金属氧化物制备成。
进一步地，所述金属氧化物选用ZrO2或Y2O3中的一种。
一种采用上述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其创新点在于：所述焊接方法包括如下步骤：
(1)将多晶氧化铝切片垂直设置在难熔金属发热体中心，然后将两块大尺寸蓝宝石板焊接端分别由保温材料层两端的方形通孔插入难熔金属发热体中心，使两块大尺寸蓝宝石板端头压住多晶氧化铝切片；
(2)利用固定组件向暴露在保温材料层外的蓝宝石板两端均匀施加0.1MPa-100MPa压力，使焊接端压紧多晶氧化铝切片；
(3)打开进气管，向扩散焊接装置通入体积比为1:1000的O2和Ar的混合气体；
(4)打开电源，将难熔金属发热体以50℃/hr-200℃/hr升温至1500℃-2000℃，保温1hr至20hr，同时保持两端均匀施压，对两块大尺寸蓝宝石板进行扩散焊接；
(5)焊接完成后，将难熔金属发热体以50℃/hr-200℃/hr降至室温，关闭电源取出完成焊接的蓝宝石光窗。
进一步地，所述大尺寸蓝宝石板焊接端面为M面，与保温材料层的方形通孔长边平行的面为应用面A面，且焊接面M面与应用面A面均经过研磨和抛光处理。
进一步地，所述多晶氧化铝切片由Al2O3粉体、SiO2、MgO和Ti粉体压制而成厚度为100μm至500μm的切片，所述Al2O3粉体的重量含量≥90％，SiO2、MgO和Ti粉体的总重量含量≤10％；且所述Al2O3粉体选用粒径为0.1μm-10μm的粉体，SiO2、MgO和Ti粉体均选用粒径＜5μm的粉体。
本发明的优点在于：
(1)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，利用感应线圈将电磁能传递至难熔金属发热体上，使蓝宝石焊缝处获得高温；由于难熔发热体中心开有与大尺寸蓝宝石光窗相配合的嵌入槽，使得难熔金属发热体方两端成角与蓝宝石光窗角度一致，金属发热体既作为发热器加热又能起到限定蓝宝石板的作用，在实现了多角度扩散焊接同时，为蓝宝石板材两端施加压力提供了导向保护作用，防止蓝宝石板承压滑移，造成局部应力不均匀；且在保温材料层的前侧壁的中心开有一通透方孔，可方便观察放置于难熔金属发热体中的蓝宝石光窗是否放置到位，同时，也方便扩散焊接后的蓝宝石光窗能够顺利取出；
(2)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其中，感应线圈选用U型结构，在实际操作过程中，感应线圈的截面形状能够决定感应电流的分布情况，且选用U型结构的感应线圈的开口方向与嵌入槽的开口方向一致，进而保证了焊缝处的温度分布均匀，从而保证了焊接的质量；
(3)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其中，难熔金属发热体侧壁上均匀分布有若干个圆孔，能够有效调整发热体上的电流走向与分布，精确控制发热体温度分布从而调整蓝宝石焊缝处的温度梯度，确保蓝宝石焊缝热应力降至最低，提高了焊缝的质量；另外，圆孔起到气体导流的作用，使混合气体流动更加均匀，避免了杂质在晶体表面层积和渗透；
(4)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其中，难熔金属选用钼、钨、铱或钨钼合金中的一种，这些材料的耐高温性能相对于其他金属材料，性能更佳；保温材料层由热导率低的金属氧化物制备成，金属氧化物优选ZrO2或Y2O3，相对于其他金属氧化物，保温性能更佳；
(5)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其中，向难熔金属发热体通入体积比为1:1000的O2和Ar的混合气体能够有效避免金属氧化物高温分解氧气或蓝宝石高温分解氧气，保护了蓝宝石光窗焊接端面和应用面的质量；
(6)本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其中，选用由Al2O3粉体、SiO2、MgO和Ti粉体压制而成的多晶氧化铝切片，与传统多晶氧化铝切片相比，焊接效果好，易于焊接均匀，焊接后机械强度好，焊接时所需温度较低，不影响原有蓝宝石材料的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的结构示意图。
图2为图1中难熔金属发热体的结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，如图1所示，大尺寸蓝宝石光窗由两块大尺寸蓝宝石板3通过扩散焊接形成一折弯结构，且折弯结构的折弯角度为120°；扩散焊接装置包括一折弯结构的钨发热体4，该钨发热体4中心开有与大尺寸蓝宝石光窗相配合的嵌入槽41；一ZrO2保温材料层2，该ZrO2保温材料层包覆在钨发热体4外表面，且ZrO2保温材料层2的几何对称中心与钨发热体4的几何对称中心重合；此外，ZrO2保温材料层2的侧壁设有一连接孔，且ZrO2保温材料层2的两端对称开有方形通孔21；一U型结构的铜感应线圈1，该铜感应线圈1设置在ZrO2保温材料层2的折弯处，且U型铜感应线圈的开口方向与嵌入槽41的开口方向一致；一钼进气管5，该钼进气管5的一端与ZrO2保温材料层2侧壁的连接孔连接，钼进气管5的另一端与外接气源连接。
用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置还包括一对固定组件，固定组件设置在ZrO2保温材料层2两端的方形通孔21中，用于固定需扩散焊接的大尺寸蓝宝石板3。
为了方便观察放置于难熔金属发热体中的蓝宝石光窗是否放置到位，同时，也方便扩散焊接后的蓝宝石光窗能够顺利取出，在ZrO2保温材料层2的前侧壁的中心开有一通透方孔22，该通透方孔22的形状与大尺寸蓝宝石光窗的形状一致。
铜感应线圈1采用单扎，距离ZrO2保温材料层2 5mm，铜感应线圈1截面为长方形，中心水道亦为长方形。
根据趋肤深度公式[1]可知，加载10KHz中频率电压，发热体4厚度3MM足够。
其中，ω是电源频率与2π的乘积，γ是W的电导率，μ是W的相对磁导率。
根据感应电动势公式[2]：
其中，B是电磁场强度，S是发热体截面积，t是电源频率的倒数。由此可知，感生电流距离感应线圈越近电流越大因此产生热量越多，反之电流快速衰减热量减小，为保证焊缝附近温度分布匀称且具有一定梯度，将钨发热体4，两端远离铜感应线圈1的位置均匀分布有直径为3mm的圆孔42，如图2所示，有利于调整发热体局部截面积，调整电流密度，提高发热量。
作为本领域技术人员，应当了解，难熔金属发热体不局限于钨发热体，也可选用钼发热体、铱发热体或钨钼合金发热体中的任意一种；ZrO2保温材料层也可采用Y2O3保温材料层。
参考发明专利201410541528.x所述原理，利用O2：Ar为1:1000的混合气体，大量的Ar气体保护了W发热器，而少量的O2抑制了金属氧化物保温层受热分解氧气，也防止蓝宝石板高温分解或与W发生还原反应造成表面质量下降的情况，因而在焊接过程中通过钼进气管5通入体积比为1:1000的O2和Ar混合气体。
对于不同成分的多晶氧化铝切片配合蓝宝石板3所施加压力以及保压时间，其扩散焊接结果均有不同影响。经大量试验，多晶氧化铝切片中SiO2：MgO：Ti之比例在100:1:1时，对应多种工艺条件效果均比较理想。本实施例多晶氧化铝切片是选用粒度为0.5um的Al2O3粉体和粒度为1μm的SiO2粉体、1μm的MgO粉体及1μm的Ti粉体压制成厚度为300um的切片，且表面光滑清洁。
根据实际应用情况，蓝宝石光窗多采用A面作为成像应用面，所以大尺寸蓝宝石板3焊接端面为M面，与ZrO2保温材料层2方形通孔21长边平行的面为应用面A面，且在扩散焊接之前，焊接面和应用面均经过仔细磨抛清洗确保干净。
本实施例用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，根据上述实验设计思路，其具体步骤如下：
(1)将厚度为300um的多晶氧化铝切片垂直设置在钨发热体4中心，然后将两块大尺寸蓝宝石板3焊接端分别由ZrO2保温材料层2两端的方形通孔41插入钨发热体4中心，使两块大尺寸蓝宝石板3端头压住多晶氧化铝切片；
(2)利用固定组件向暴露在ZrO2保温材料层2外的蓝宝石板3两端均匀施加0.1MPa-100MPa压力，使焊接端压紧多晶氧化铝切片；
(3)打开钼进气管5，向扩散焊接装置通入体积比为1:1000的O2和Ar的混合气体；
(4)打开电源，将钨发热体4以50℃/hr-200℃/hr升温至1500℃-2000℃，保温1hr至20hr，同时保持两端均匀施压，对两块大尺寸蓝宝石板3进行扩散焊接；
(5)焊接完成后，将钨发热体4以50℃/hr-200℃/hr降至室温，关闭电源取出完成焊接的蓝宝石光窗。
利用本实施例所示装置与方法所得扩散焊接蓝宝石光窗表面光洁，其焊缝处抗压强度在200MPa左右，接近蓝宝石自身强度，焊接件整体应力比较低，是理想的带折角的光窗材料。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，所述大尺寸蓝宝石光窗由两块大尺寸蓝宝石板通过扩散焊接形成一折弯结构，且折弯结构的折弯角度为0～180°；其特征在于：所述扩散焊接装置包括
一折弯结构的难熔金属发热体，所述难熔发热体中心开有与大尺寸蓝宝石光窗相配合的嵌入槽；
一保温材料层，所述保温材料层包覆在难熔金属发热体外表面，且保温材料层的几何对称中心与难熔发热体的几何对称中心重合；所述保温材料层的侧壁设有一连接孔，且保温材料层的两端对称开有方形通孔；在保温材料层的前侧壁的中心开有一通透方孔，所述通透方孔的形状与大尺寸蓝宝石光窗的形状一致；
一感应线圈，所述感应线圈设置在保温材料层的折弯处；
一进气管，所述进气管的一端与保温材料层侧壁的连接孔连接，进气管的另一端与外接气源连接；
还包括一对固定组件，所述固定组件设置在保温材料层两端的方形通孔中，用于固定需扩散焊接的大尺寸蓝宝石板。
2.根据权利要求1所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其特征在于：所述感应线圈为一U型结构，且U型感应线圈的开口方向与嵌入槽的开口方向一致。
3.根据权利要求1所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其特征在于：所述难熔金属发热体的外侧壁上还均匀分布有若干个圆孔。
4.根据权利要求1所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其特征在于：所述难熔金属选用钼、钨、铱或钨钼合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其特征在于：所述保温材料层由热导率低的金属氧化物制备成。
6.根据权利要求5所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置，其特征在于：所述金属氧化物选用ZrO2或Y2O3中的一种。
7.一种采用权利要求1所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法包括如下步骤：
(1)将多晶氧化铝切片垂直设置在难熔金属发热体中心，然后将两块大尺寸蓝宝石板焊接端分别由保温材料层两端的方形通孔插入难熔金属发热体中心，使两块大尺寸蓝宝石板端头压住多晶氧化铝切片；
(2)利用固定组件向暴露在保温材料层外的蓝宝石板两端均匀施加0.1MPa-100MPa压力，使焊接端压紧多晶氧化铝切片；
(3)打开进气管，向扩散焊接装置通入体积比为1:1000的O2和Ar的混合气体；
(4)打开电源，将难熔金属发热体以50℃/hr-200℃/hr升温至1500℃-2000℃，保温1hr至20hr，同时保持两端均匀施压，对两块大尺寸蓝宝石板进行扩散焊接；
(5)焊接完成后，将难熔金属发热体以50℃/hr-200℃/hr降至室温，关闭电源取出完成焊接的蓝宝石光窗。
8.根据权利要求7所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述大尺寸蓝宝石板焊接端面为M面，与保温材料层的方形通孔长边平行的面为应用面A面，且焊接面M面与应用面A面均经过研磨和抛光处理。
9.根据权利要求7所述的用于大尺寸蓝宝石光窗的扩散焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述多晶氧化铝切片由Al2O3粉体、SiO2、MgO和Ti粉体压制而成厚度为100μm至500μm的切片，所述Al2O3粉体的重量含量≥90％，SiO2、MgO和Ti粉体的总重量含量≤10％；且所述Al2O3粉体选用粒径为0.1μm-10μm的粉体，SiO2、MgO和Ti粉体均选用粒径＜5μm的粉体。
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