CN107010849A - 钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法 - Google Patents
钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，属于焊接技术领域。1)将玻璃进行净化处理，去除可伐合金表面氧化膜，然后进行脱脂去油处理；2)可伐合金在氧化炉中制取氧化膜和制备中间层；3)将处理好的焊接件安装在夹具中，采用“三明治”焊接结构；4)将夹具及焊接件放入在炉中进行预热；5)激光束照射在金属表面，激光束焦点位于金属上表面，进行激光焊接；6)焊接结束后，将焊件迅速移至炉中进行去应力退火，随炉冷却至室温，得到玻璃与金属的焊接件。本发明通过优化激光焊接工艺提高了玻璃与金属接头的抗剪切强度、使用寿命及气密性，同时降低成本，经济性和实用性优良。
Description
技术领域
本发明涉及的是利用激光焊接进行目组玻璃与可伐合金焊接工艺，属于非金属与金属材料的技术连接领域，该工艺方法主要可以用于真空集热管和航空航天领域的焊接，属于焊接技术领域。
背景技术
随着科学技术的快速发展，玻璃与金属连接技术可以应用于太阳能发电中，即获得高质量的太阳能真空集热管，可以大大提高太阳能热力发电的效率，同时对玻璃与金属的封接技术提出了更高的要求。
目前玻璃与金属的连接方法有阳极键合、钎焊、摩擦焊、电子束焊、爆炸焊等，但这些方法存在容易老化、精确度低、强度低和气孔多等缺陷。金属材料与玻璃连接的主要问题是：(1)热膨胀系数相差大，应力集中，焊后出现大量微裂纹，接头性能差；(2)玻璃材料主要结合方式是共价键，金属材料的主要结合方式是离子键和金属键，润湿性很差，界面结合困难；(3)非金属材料韧性差，容易发生断裂。玻璃材料具有高强度、高硬度、耐腐蚀、绝缘性能优异等特点，但玻璃本身的低延展性和较差的冲击韧性限制了其在工程中的应用。金属材料具有良好塑韧性和切削加工性，而非金属材料脆性较大，与非金属材料形成了互补，因此对研发出一种可靠的玻璃与金属连接技术提出了迫切要求。
激光焊接技术是将两种异种材料通过高能束流，快速熔化，形成较小的热影响区，达到相互连接的目的。现有的激光焊接工艺原理主要为：激光束照射在金属表面，首先将金属融透，然后传热给玻璃，达到玻璃的软化温度，在界面处反应，生成新物质，形成化学结合。主要包含以下工艺步骤：(1)将焊接件进行表面处理；(2)为了防止在焊接过程中开裂，焊前进行预热，预热温度为260-400℃，保温时间为15min，(3)激光焊接，激光功率为600-900W，焊接速度为2.5-5.5mm/s，离焦量为0mm，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，扫描次数为1-3道；(4)焊后热处理，随炉冷却，室温下取出焊接件。
研究发现采用激光焊接工艺热变形较小，热影响区小，精确度高，成形快；焊接过程中局部重叠部分加热和冷却保持着平衡，熔池非常稳定；能有效降低焊后应力，得到良好的焊接接头。
发明内容
本发明的目的是提供一种钼组玻璃与可伐合金激光焊接新工艺，这种工艺提高了玻璃与可伐合金焊接接头的抗剪切强度及使用寿命，具有良好的经济性效果。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，具体包括以下步骤：
(1)清洁试样：首先用金相砂纸将可伐合金表面的氧化膜去除，优选砂纸从400目打磨至1200目，然后进行抛光，最后进行脱脂去油处理；钼组玻璃表面用600-800目金相砂纸磨平；最后再分别用丙酮、乙醇和清水清洗表面，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)制取氧化膜：将经过表面清洁后的可伐合金在真空中净化处理，然后放置在氧化炉中制备氧化膜，通过控制氧化时间和氧化温度获得不同厚度的氧化膜；
(3)制备中间层：将Ni2O3、MnO2、B2O3、Al2O3、SiO2氧化物粉末和酒精混合，制备成涂覆液，优选比例为每150g氧化物粉末对应100ml酒精，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，使涂覆层厚度优选100-150μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为700-900℃，时间为5-20min；优选氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O3 35％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％；
(4)焊前预热：将夹具放在炉中进行预热，预热温度为260-400℃，预热时间为15min；
(5)激光焊接：设定好激光焊工艺，对可伐合金和钼组玻璃进行激光焊接；
(6)焊后热处理：焊接结束后，将焊件迅速移至加热炉中进行去应力退火，随炉冷却至室温，可得到可靠的玻璃与金属的焊接件；
进一步优选，条件如下：
上述技术方案中，所述步骤(2)真空净化时间为5min，真空度不高于10-1MPa，温度为600-700℃；然后再在空气氧化炉中进行保温制备氧化膜，保温时间优选5-20min，氧化得到以Fe2O3和Fe3O4为主要成分的氧化膜；
上述技术方案中，所述步骤(4)中所使用的炉和步骤(6)所使用的加热炉为均为电阻加热炉，步骤(6)焊后热处理温度为260-400℃，随炉冷却；
上述技术方案中，所述步骤(5)激光器为Nd:YAG激光器，激光焊参数为：激光功率为600-900W，焊接速度为2.5-5.5mm/s，离焦量优选为0mm，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，扫描次数为1-3次；
本发明与现有技术相比较具有显著优点：
1.本发明选用的材料为钼组玻璃和可伐合金，二者在20-450℃范围内，热膨胀系数非常相近，可以从根源上减小焊后应力；
2.通过优化激光焊工艺参数，可以精确控制热输入，避免了由于较大热输入造成的开裂和熔断等现象；本发明采用焊前预热及焊后热处理措施，避免了由于急速升温和急速冷却造成的开裂。
3.激光焊接方法成本低，效率高，焊接质量好，更加适合批量制造；
附图说明
图1本发明激光焊接示意图；
图2某一激光焊接尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步我说嘛，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将可伐合金和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)可伐合金试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O335％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为120μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；(4)将氧化后的可伐合金试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为2.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，钼组玻璃与金属的抗剪切强度可达2.79MPa。
实施例2
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O335％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为120μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为3.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，目组玻璃与金属的抗剪切强度可达3.92MPa。
实施例3
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和目组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O335％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为130μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为4mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，目组玻璃与金属的抗剪切强度可达7.60MPa。
实施例4
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为120μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为4.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，目组玻璃与金属的抗剪切强度可达12.81MPa。
实施例5
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和目组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O335％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为120μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为5.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，目组玻璃与金属的抗剪切强度可达6.70MPa。
实施例6
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将Ni2O3-MnO2-B2O3金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O335％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为130μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于目组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率600W,焊接速度为4.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，钼组玻璃与金属的抗剪切强度可达4.64MPa。
实施例7
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O3 35％、MnO210％、B2O319％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为140μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率700W,焊接速度为4.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，钼组玻璃与金属的抗剪切强度可达12.81MPa。
实施例8
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O3 35％、MnO210％、B2O319％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为140μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(3)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(4)预热温度为300℃，预热时间15min；
(5)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率800W,焊接速度为4.5mm/s，气体流量为20L/min；
(6)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(7)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，钼组玻璃与金属的抗剪切强度可达9.86MPa。
实施例9
(1)将可伐合金表面用砂纸从400目磨至1200目，将钼组玻璃用金相砂纸磨平，分别用丙酮、乙醇清洗表面，清洗时间分别为5min，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)金属试样尺寸为40×20×1.1mm，在真空度为10-1MPa环境处理5min，然后在温度为650℃炉中氧化10min；
(3)将金属氧化物粉末(氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O3 35％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％)和酒精混合均匀，比例为150g/100ml，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，涂覆层厚度为150μm；然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为800℃，时间为10min；
(4)将氧化后的金属试样置于钼组玻璃试样(20×15×3mm)上，安装在夹具上；
(5)预热温度为300℃，预热时间15min；
(6)激光器型号为：YLS-3000-SM，激光参数为：激光功率900W,焊接速度为4.5mm/s，气体流量为20L/min；
(7)焊后热处理温度为350℃，随炉冷却；
(8)强度实验测试，采用本实例的方法焊接后，钼组玻璃与金属的抗剪切强度可达6.35MPa。
注：◎表示优，○表示良好，△表示一般，×表示不合格。
Claims (8)
1.钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洁试样：首先用金相砂纸将可伐合金表面的氧化膜去除，然后进行抛光，最后进行脱脂去油处理；钼组玻璃表面用600-800目金相砂纸磨平；最后再分别用丙酮、乙醇和清水清洗表面，将金属和钼组玻璃在炉中进行烘干；
(2)制取氧化膜：将经过表面清洁后的可伐合金在真空中净化处理，然后放置在氧化炉中制备氧化膜，通过控制氧化时间和氧化温度获得不同厚度的氧化膜；
(3)制备中间层：将Ni2O3、MnO2、B2O3、Al2O3、SiO2氧化物粉末和酒精混合，制备成涂覆液，优选比例为每150g氧化物粉末对应100ml酒精，将涂覆液涂覆到步骤(2)可伐合金表面，然后将可伐合金在炉中采用烧结方式制备中间层，温度为700-900℃，时间为5-20min；
(4)焊前预热：将夹具放在炉中进行预热，预热温度为260-400℃，预热时间为15min；
(5)激光焊接：设定好激光焊工艺，对可伐合金和钼组玻璃进行激光焊接；
(6)焊后热处理：焊接结束后，将焊件迅速移至加热炉中进行去应力退火，随炉冷却至室温，可得到可靠的玻璃与金属的焊接件。
2.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，步骤(1)打磨可伐合金表面的砂纸从400目打磨至1200目。
3.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，所述步骤(2)真空净化时间为5min，真空度不高于10-1MPa，温度为600-700℃；然后再在空气氧化炉中进行保温制备氧化膜，保温时间优选5-20min，氧化得到以Fe2O3和Fe3O4为主要成分的氧化膜。
4.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，步骤(4)中所使用的炉和步骤(6)所使用的加热炉为均为电阻加热炉，步骤(6)焊后热处理温度为260-400℃，随炉冷却。
5.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，步骤(5)激光器为Nd:YAG激光器，激光焊参数为：激光功率为600-900W，焊接速度为2.5-5.5mm/s，离焦量优选为0mm，保护气体为氩气，气体流量为20L/min，扫描次数为1-3次。
6.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，氧化物粉末质量百分比组成为：Ni2O3 35％、MnO2 10％、B2O3 19％、Al2O3 5％、SiO2 31％。
7.按照权利要求1所述的钼组玻璃与可伐合金的激光焊接工艺方法，其特征在于，涂覆层厚度为100-150μm。
8.按照权利要求1-7任一项方法制备得到的钼组玻璃与可伐合金得焊接件。
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- 2017-05-10 CN CN201710323827.XA patent/CN107010849B/zh active Active
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