CN107552962A - 一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法 - Google Patents

一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，包括如下步骤：步骤一、将蓝宝石和金属焊接面加工平整，并清洗；步骤二、对蓝宝石焊接面和金属焊接面进行毛化处理；步骤三、在焊接面上均匀地镀制一层镍活性薄膜；步骤四：在焊接台面上铺装一层耐热橡胶作为衬底，然后将焊接试样装夹好，并预留I型坡口；步骤五：按照坡口形状裁剪含能多层薄膜，将其放入I型坡口中；步骤六：将I型坡口中多层薄膜压紧；步骤七：采用激光扫描设备，实施焊接工序，激光快速扫描整个焊接路径，激光能量几乎同时点燃含能多层薄膜，含能多层薄膜发生自蔓延反映，熔化润湿焊接面，即完成蓝宝石与金属的焊接。本发明薄膜易裁剪成各种形状，可适用于各种形状的焊缝。

Description

一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，属于异种材料焊接技术领域。
背景技术
蓝宝石具有较高机械强度和优异的光学透过性能，在光学、电子、钟表行业广泛应用。由于在结构、性能等方面的特殊需求与限制，常涉及到蓝宝石结构件与金属结构件的焊接封装。由于蓝宝石与金属的物化性能存在明显差异，蓝宝石与金属的高质量焊接实现难度较大，国内相关工艺尚不成熟。目前，可实现蓝宝石与金属焊接的方法包括熔焊、玻璃焊、扩散焊和钎焊，其中钎焊是应用最多的封装方法。
钎焊包括活性钎焊和间接钎焊两种方法，活性钎焊通过加热、摩擦等方法熔化蓝宝石与金属之间的活性钎料(Cu-Ti，Ag-Cu-Ti等)，从而实现蓝宝石与金属的封装；间接钎焊首先采用Mo-Mn法等实现蓝宝石焊接面的金属化，再采用常规钎料实现封装。虽然现有的这些方法可在一定程度上解决蓝宝石与金属的封装难题，但是仍存在焊缝强度不高、残余应力较大等缺点，仍不能满足某些特定行业(军工、航天航空等)的苛刻要求，为了满足特殊应用场合的特殊应用需求，急需一种实现蓝宝石和金属高质量焊接的新方法。
本发明采用含能多层薄膜作为活性钎料，采用快速扫描激光诱发含能多层薄膜的准同步自蔓延反应，通过自蔓延反应放能熔化钎料并润湿焊接面，可获得高强度、小残余应力的高质量焊缝。
发明内容
本发明要解决现有方法存在的焊缝强度不高、效率不高、残余应力较大等技术问题，而提出了一种焊缝强度高、残余应力小的蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法。
本发明是这样实现的：
一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，包括如下步骤：
步骤一、将蓝宝石和金属焊接面加工平整，并采用超声波清洗设备进行加工面清洗；
步骤二、采用激光打标机对蓝宝石焊接面和金属焊接面进行毛化处理；
步骤三、保护好蓝宝石和金属的非焊接面，采用磁控溅射在焊接面上均匀地镀制一层镍活性薄膜；
步骤四：在焊接台面上铺装一层耐热橡胶作为衬底，然后将焊接试样装夹好，并预留I型坡口；
步骤五：按照坡口形状裁剪含能多层薄膜，并将裁剪好的含能多层薄膜叠至厚度为50-200μm，然后将其放入I型坡口中；
步骤六：在焊接试样两侧施加一定的压力，将I型坡口中的含能多层薄膜压紧；
步骤七：采用激光扫描设备，实施焊接工序，激光快速扫描整个焊接路径，激光能量几乎同时点燃含能多层薄膜，含能多层薄膜发生自蔓延反映，熔化润湿焊接面，即完成蓝宝石与金属的焊接。
更进一步的方案是：
加工平整，是指加工表面达到Ra≤3.2；清洗时间10min。
更进一步的方案是：
采用输出波长255nm、聚焦光斑为Φ0.03mm、焦深2mm的激光打标机进行蓝宝石焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率10-20W，频率10-20kHz，速度500-1000mm/s；采用采用输出波长1064nm、聚焦光斑为Φ0.03mm的激光打标机进行金属焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率5-10W，频率10-20kHz，速度500-1000mm/s；
更进一步的方案是：
镍活性薄膜厚度控制在200-300nm；
更进一步的方案是：
焊接试样两侧施加的压力为20-100MPa。
更进一步的方案是：
激光扫描设备在启动时，先设定激光扫描路径。激光扫描设备采用激光波长为1064nm的Nd:YAG连续激光器，场镜聚焦光斑为Φ为0.1-0.3mm，输出功率设置为500-1000W，扫描速度设置为≈1000mm/s；
含能多层薄膜为Al/Ni、Al/CuO、Al/MoO3多层薄膜。
本发明采用含能多层薄膜作为活性钎料，多层薄膜的自蔓延反应放能使自身熔化形成液态钎料并使得焊接试样局部产生高温，钎料和焊接面间完成润湿和扩散过程后，即完成蓝宝石与金属的焊接。
作为改进，为了减小焊接残余应力，采用快速扫描激光作为含能多层薄膜的点火源，激光能量与扫描路径易于控制，激光快速扫描整个焊接路径，各个位置几乎同时开始焊接反应，降低了由于焊接不同步造成的残余应力。
进一步改进，为了增强钎料与焊接面的润湿效果，在蓝宝石和金属的焊接面进行毛化处理，在焊接面上形成周期性均匀分布的小孔，增大润湿面粗糙度和润湿面积。
进一步改进，为了进一步增强钎料与焊接面的润湿效果，在蓝宝石和金属的焊接面进行金属化处理，在焊接面上均匀地镀制一定厚度的镍活性薄膜。
通过上述改进，形成本发明所述的蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用含能多层薄膜作为钎料，含能多层薄膜的自蔓延反应放能作为焊接能量，焊接位置形成局部高温，熔化含能多层薄膜并加热试样焊接位置，促进钎料与焊接面间的润湿和原子扩撒，易于形成高强度焊缝。而且自蔓延反应能量集中于焊接位置，热影响区小，对试样母材性能影响小。同时钎料成本低，薄膜易于裁剪成各种形状，可适用于各种形状的焊缝。
(2)本发明采用的激光扫描设备实现含能多层薄膜的点火，扫描速度快(达1000mm/s以上)，含能多层薄膜几乎同时点火，焊接反应在各个位置几乎同时发生，使得焊接残余应力小。而且激光扫描方法柔性高，易于实现自动化控制，易于实现复杂形状的自动化焊接。
(3)本方法在试样焊接面进行了毛化处理，在焊接面形成大量微孔，利于钎料与试样间的润湿和原子扩散，同时在试样焊接面镀制镍薄膜，使得钎料与试样的润湿效果更好，上两种工艺措施可保证钎料与焊接面的充分润湿，利于获得高强度焊缝。
附图说明
图1为本发明实施示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1所示，采用诱发含能多层薄膜3(如Al/Ni、Al/CuO、Al/MoO3等)作为蓝宝石1和金属2的焊接钎料并由含能多层薄膜的自蔓延反应提供焊接能量。通过扫描振镜5出射的激光束4快速扫描焊接路径诱发含能多层膜3的准同步自蔓延反应，形成准同步焊接，降低残余应力小。焊前对蓝宝石1和金属2的焊接面进行激光毛化处理并在焊接面镀制镍活性薄膜，增加钎料对焊接试样的润湿。
更具体的实施例如下：
一种蓝宝石与金属准同步焊接方法，其操作步骤如下：
第一步：将蓝宝石和金属焊接面加工平整(Ra≤3.2)，并采用超声波清洗设备进行加工面清洗10min；
第二步：采用输出波长255nm、聚焦光斑为Φ0.03mm、焦深2mm的激光打标机进行蓝宝石焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率10-20W，频率10-20kHz，速度(500-1000)mm/s；采用采用输出波长1064nm、聚焦光斑为Φ0.03mm的激光打标机进行金属焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率(5-10)W，频率(10-20)kHz，速度(500-1000)mm/s；
第三步：保护好蓝宝石和金属的非焊接面，采用磁控溅射在焊接面上均匀地镀制一层镍活性薄膜，薄膜厚度需控制在200-300nm；
第四步：在焊接台面上铺装一层耐热橡胶作为衬底，然后将焊接试样装夹好，并预留I型坡口；
第五步：按照坡口形状裁剪Al/Ni多层薄膜，并将裁剪好的Al/Ni多层薄膜叠至厚度为(50-200)μm，然后将其放入I型坡口中；
第六步：在焊接试样两侧施加(20-100)MPa的压力，使其将坡口中的Al/Ni多层薄膜压紧；
第七步：启动激光扫描设备，设定激光扫描路径。激光扫描设备采用激光波长为1064nm的Nd:YAG连续激光器，场镜聚焦光斑为Φ(0.1-0.3)mm，输出功率设置为(500-1000)W，扫描速度设置为(≈1000)mm/s；
第八步：触发激光扫描设备，实施焊接工序，激光快速扫描整个焊接路径，激光能量几乎同时点燃Al/Ni活性薄膜，活性薄膜发生自蔓延反映，熔化润湿焊接面，即完成蓝宝石与金属的焊接。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将蓝宝石和金属焊接面加工平整，并采用超声波清洗设备进行加工面清洗；
步骤二、采用激光打标机对蓝宝石焊接面和金属焊接面进行毛化处理；
步骤三、保护好蓝宝石和金属的非焊接面，采用磁控溅射在焊接面上均匀地镀制一层镍活性薄膜；
步骤四：在焊接台面上铺装一层耐热橡胶作为衬底，然后将焊接试样装夹好，并预留I型坡口；
步骤五：按照坡口形状裁剪含能多层薄膜，并将裁剪好的含能多层薄膜叠至厚度为50-200μm，然后将其放入I型坡口中；
步骤六：在焊接试样两侧施加一定的压力，将I型坡口中的含能多层薄膜压紧；
步骤七：采用激光扫描设备，实施焊接工序，激光快速扫描整个焊接路径，激光能量几乎同时点燃含能多层薄膜，含能多层薄膜发生自蔓延反映，熔化润湿焊接面，即完成蓝宝石与金属的焊接。
2.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
步骤一中，加工平整，是指加工表面达到Ra≤3.2；步骤一中，加工面清洗的时间10min。
3.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
步骤二中，毛化处理，具体为：采用输出波长255nm、聚焦光斑为Φ0.03mm、焦深2mm的激光打标机进行蓝宝石焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率10-20W，频率10-20kHz，速度500-1000mm/s；采用采用输出波长1064nm、聚焦光斑为Φ0.03mm的激光打标机进行金属焊接面毛化处理，工艺参数设置为功率5-10W，频率10-20kHz，速度500-1000mm/s。
4.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
步骤三中，镍活性薄膜厚度控制在200-300nm。
5.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
步骤五中，含能多层薄膜为Al/Ni、Al/CuO、Al/MoO3多层薄膜。
6.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
步骤六中，焊接试样两侧施加的压力为20-100MPa。
7.根据权利要求1所述蓝宝石与金属的准同步活性焊接方法，其特征在于：
激光扫描设备在启动时，先设定激光扫描路径，激光扫描设备采用激光波长为1064nm的Nd:YAG连续激光器，场镜聚焦光斑为Φ为0.1-0.3mm，输出功率设置为500-1000W，扫描速度设置为≈1000mm/s。
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