CN114799457A - 一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法。包括对两待连接件进行打磨、清洗，在常温下干燥；将两待连接件置于工作台上固定好，开启飞秒激光器系统，导入扫描路径图，调整激光器使其正对扫描起点；设置激光参数，对待连接件表面进行扫描；将待连接件用夹具装配好放入扩散连接炉，扩散连接炉抽真空，调节加热速率、保温温度、保温时间及加载压力，对两待连接件进行保温，实现两待连接件之间的连接；保温结束后，冷却至室温后打开炉门，取出连接件。本发明可较大程度提高待连接件表面活性，有效降低扩散连接所需温度，在低温下即可实现待连接件之间的连接；本发明适用材料范围广，可对多种材料进行低温扩散连接。

Description

一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法
技术领域
本发明属于扩散连接领域，具体涉及一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法。
背景技术
扩散连接技术具有接头质量高，耐高温、耐腐蚀性能好，工艺流程简单，工艺参数容易控制，可操作性强等特点。并且可以连接物理化学性能相差较大的异种材料以及有特殊要求的连接件，特别是传统焊接方式不能焊接的特殊材料，因而扩散连接技术发展应用迅速，范围越来越广，比如在航空航天、仪表及电子、核工业、汽车制造等领域，都或多或少有所应用。然而，扩散连接需要达到较高的温度，对于尺寸较大和结构较为复杂的工件接头而言易产生内应力，引发开裂，尤其当连接温度超过母材晶内强化相或韧化相的允许温度时，会导致强化或韧化元素析出从而严重降低其强化或者韧化效果，降低器件的服役寿命。同时，扩散连接所需的时间相对较长，生产效率较低，这些问题也严重制约了它在工程中的广泛使用。因此，降低扩散连接所需温度，减少对器件性能所造成的不利影响，缩短扩散连接时间是提升扩散连接技术在上述领域中应用的关键。
CN105925948A公开了利用磁控溅射方法实现对铝合金表面的活化连接,在扩散连接前通过磁控溅射沉积中间层的方法进行表面活化，但是上述的方法存在以下问题：磁控溅射对加工材料表面成分和结构会产生影响且表面残余应力不可避免，同时磁控溅射需在真空环境下进行，对设备要求较高。本发明利用飞秒激光进行表面活化，对于在空气中不易被氧化的金属，活化无需在真空环境中进行，对设备要求较低，活化后几乎不改变材料属性，且不会造成材料表面较大的残余应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过飞秒激光对待连接件表面进行扫描活化，提高其表面活性及原子扩散速率，降低扩散所需温度，从而实现在在低温下连接的基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法，采用飞秒激光对待连接表面进行扫描活化，然后将待连接件进行扩散连接。
进一步的，待连接件材料为金属材料。
进一步的，待连接件材料为散热材料，优选为SiC、金刚石。
进一步的，待连接件材料为半导体材料，优选为GaN、Si、SiC。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：将待连接件进行打磨，超声清洗后，在室温下干燥；
步骤(2)：将两待连接件置于工作台上并固定好，开启飞秒激光器系统，调整激光器使其正对扫描起点；
步骤(3)：绘制扫描轨迹并导入飞秒激光器系统，调整激光参数，及待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角，对待连接件进行扫描；
步骤(4)：将经飞秒激光活化后的待连接件置于酒精溶液中利用超声清洗装置清洗5～10min，用清水冲洗干净，在室温下干燥；
步骤(5)：将待连接件放入无尘间进行装配，然后转移至扩散连接炉中，扩散连接炉抽真空，调节参数，对两待连接件进行保温；
步骤(6)：保温结束后，在扩散连接炉中冷却至室温后打开炉门，取出连接件。
进一步的，步骤(1)具体为：采用水砂纸对待连接件表面进行打磨，超声清洗的清洗液为无水乙醇或丙酮，清洗后取出放入清洁干燥柜中干燥。
进一步的，步骤(3)中的扫描轨迹为平行直线式或回转直线式。
进一步的，待连接件为易在空气中氧化的材料时，激光扫描在真空环境中进行。
进一步的，步骤(3)的调整激光参数具体为：激光功率为1～50W，频率为1～200KHz，脉宽为100～700fs，光斑直径为0.01～2mm，离焦量为0.2～5mm，扫描速度为1～2000mm/s，扫描间距为0.01～0.1mm，扫描次数为1～40次，待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角为0～20°，扫描区域面积为待连接件表面的1.01～1.1倍。
进一步的，步骤(5)中的调节参数具体为：扩散连接炉真空度应小于5×10-3Pa，加热速率为5～15℃/min，保温温度为100～700℃，保温时间为0.5～6h，加载载荷为0.5～50MPa。
本发明首先，经过飞秒激光扫描，可有效去除待连接件表面的油污、杂质等，为扩散连接提供洁净良好的接触面；其次，利用飞秒激光扫描过程中对材料的光化学分解作用，可对待连接件表面进行抛光以降低其表面粗糙度，提升表面精度，创造两个光滑平面紧密接触的条件；最后，飞秒激光对待连接件表面进行扫描可以破坏待连接件亚表层稳定的原子结构，增加表面的位错密度，提高接头界面的表面能，使表面处于高能不稳定状态，在随后的保温过程中接头界面原子更容易向对方内部扩散，原子间的互扩散能力增强，可有效降低扩散连接温度。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)对于Au、Ag、Cu等不易在空气中被氧化的金属，飞秒激光的活化无需在真空室中进行，在常压环境中即可完成，操作简单，方便，高效。
(2)飞秒激光对待连接件表面进行活化对材料的表面成分、结构及其折射率等影响很小，几乎不改变材料属性，且不会造成材料表面较大的残余应力。
(3)利用飞秒激光的清洗和抛光作用，待连接件表面的粗糙度大大下降，表面精度提高，可实现接头表面紧密接触。
(4)经飞秒激光表面活化后，接头界面表面能提高，原子激活扩散能减小，可降低扩散连接所需温度50％～80％，既可以节省扩散时间，提高效率，又可以降低成本以及温度对设备的要求，同时还可避免对器件性能造成不利影响。
(5)由于飞秒激光的活化作用，原子扩散程度增加，接头连接强度提高60％～80％，可实现高质量连接，接头力学性能优良。
附图说明
图1为本发明的飞秒激光活化系统示意图。
图2为本发明的夹具装配示意图。
图3为本发明的扫描轨迹示意图。
附图标记说明：
1-飞秒激光器，2-光闸，3-光阑，4-衰减片，5-反射镜Ⅰ，6-反射镜Ⅱ，7-扩束镜，8-二向色镜，9-透镜，10-CCD系统，11-聚焦镜，12-振镜，13-场镜，14-聚焦透镜，15-试样，16-工作台，17-压头，18-夹具压紧块，19-底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明图1的装置工作过程为：试样15放置在工作台16上，开启飞秒激光器1，光线沿图1所示光路图分别经过光闸2、光阑3，通过衰减片4调节激光能量，然后经过反射镜5和6反射后通过扩束镜7，到达二向色镜8后大部分光线反射到整形镜9，经过由振镜10和聚焦镜11组成的场镜后，激光经过聚焦透镜14聚焦到试样15表面，扫描结束后，CCD系统10通过二向色镜8、透镜9等组成的光路系统观察试样15表面形貌。
本发明图2夹具装配图中17为压头，18为夹具压紧块，19为底座。
如附图1、2、3所示。一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法，其特征在于包括对两待连接件进行打磨、清洗并用飞秒激光器对其表面进行扫描活化，清除表面油污，提高表面精度，为实现两表面的紧密接触提供条件，同时通过飞秒激光扫描提高待连接件表面能量，促进原子在低温下扩散。以及将两待连接件置于扩散连接炉中加压、保温2大步骤，有效降低连接温度，实现两待连接件在低温下的扩散连接。
一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法，其特征在于，方法步骤具体为：
第一步：将待连接进行打磨，然后置于超声清洗装置清洗干净，用清水冲洗干净，取出在室温环境下干燥；
第二步：将两待连接件置于工作台上并固定好，开启飞秒激光器系统，调整激光器使其正对扫描起点，如图1所示；
第三步：绘制扫描轨迹的图形并将此图形导入激光系统，调整激光功率、频率、脉宽、光斑直径、离焦量、扫描速度、扫描间距及扫描次数、待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角，对待连接件进行扫描，扫描路径如图2所示；
第四步，将经飞秒激光活化后的待连接件置于酒精溶液中利用超声清洗装置清洗5～10min，用清水冲洗干净，然后在室温环境下干燥。
第五步：将待连接件放入无尘间进行装配，然后转移至扩散连接炉中，扩散连接炉抽真空，调节加热速率、保温温度、保温时间、加载载荷、对两待连接件进行保温，装配图如图3所示；
第六步：保温结束后，在扩散连接炉中冷却至室温后打开炉门，取出连接件。
本发明所述第一步中，可采用200号水砂纸对待连接件表面进行打磨，超声波清洗液是指无水乙醇或丙酮，清洗后取出放入清洁干燥柜中干燥。
本发明所述的第二步中，飞秒激光扫描轨迹可以为平行直线式或回转直线式，若待连接件为Al、Mg等易在空气中氧化的材料，需在真空环境中进行激光扫描。
本发明所述的第三步中，飞秒激光相关参数为：激光功率为1～50W，频率为1～200KHz，脉宽为100～700fs，光斑直径为0.01～2mm，离焦量为0.2～5mm，扫描速度为1～2000mm/s，扫描间距为0.01～0.1mm，扫描次数为1～40次，待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角为0～20°，扫描区域面积为待连接件表面的1.01～1.1倍。
本发明所述的第五步中，扩散连接炉真空度应小于5×10-3Pa，加热速率为5～15℃/min，保温温度为100～700℃，保温时间为0.5～6h，加载载荷为0.5～50MPa。
实施例1
对30mm×20mm×1.5mm的板材状纯铜试样进行飞秒激光活化的低温扩散连试验，采用200号砂纸对试样表面进行打磨，直至光亮状态。采用超声清洗设备在丙酮中清洗去除油污，清洗干净后放入清洁干燥柜中干燥。将试样放入工作台上(如图1所示)，开启飞秒激光器系统，调整激光器使其正对扫描起点。将扫描轨迹图导入激光系统(如图2所示)，调整激光功率30W，频率10KHz，脉宽320fs，光斑直径1.5mm，离焦量1mm，扫描速度10mm/s，扫描间距0.05mm，扫描次数5次、试样待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角0°，对试样表面进行活化。将经飞秒激光活化后的试样置于酒精溶液中利用超声清洗装置清洗5min，用清水冲洗干净，然后放入清洁干燥柜中干燥。将扩散连接炉内真空抽至5×10-3Pa，将试样在无尘间中利用夹具装配好(如图3所示)放入扩散连接炉中，加载载荷25MPa，以15℃/min的速率加热至100℃并保温2h，然后随炉冷却至室温后打开扩散连接炉拿出试样。经剪切强度测试测得试样接头的剪切强度为113.5MPa，与未采用飞秒激光进行表面活化相比，剪切强度提升一倍左右。传统扩散连接技术需将纯铜试样加热至400～800℃，经飞秒激光表面活化后，连接温度可降低至100℃，连接温度显著降低。

Claims (10)

1.一种基于飞秒激光表面活化的低温扩散连接方法，其特征在于，采用飞秒激光对待连接表面进行扫描活化，然后将待连接件进行扩散连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待连接件材料为金属材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待连接件材料为散热材料，优选为SiC、金刚石。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待连接件材料为半导体材料，优选为GaN、Si、SiC。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：将待连接件进行打磨，超声清洗后，在室温下干燥；
步骤(2)：将两待连接件置于工作台上并固定好，开启飞秒激光器系统，调整激光器使其正对扫描起点；
步骤(3)：绘制扫描轨迹并导入飞秒激光器系统，调整激光参数，及待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角，对待连接件进行扫描；
步骤(4)：将经飞秒激光活化后的待连接件置于酒精溶液中利用超声清洗装置清洗5～10min，用清水冲洗干净，在室温下干燥；
步骤(5)：将待连接件放入无尘间进行装配，然后转移至扩散连接炉中，扩散连接炉抽真空，调节参数，对两待连接件进行保温；
步骤(6)：保温结束后，在扩散连接炉中冷却至室温后打开炉门，取出连接件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：采用水砂纸对待连接件表面进行打磨，超声清洗的清洗液为无水乙醇或丙酮，清洗后取出放入清洁干燥柜中干燥。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的扫描轨迹为平行直线式或回转直线式。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，待连接件为易在空气中氧化的材料时，激光扫描在真空环境中进行。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)的调整激光参数具体为：激光功率为1～50W，频率为1～200KHz，脉宽为100～700fs，光斑直径为0.01～2mm，离焦量为0.2～5mm，扫描速度为1～2000mm/s，扫描间距为0.01～0.1mm，扫描次数为1～40次，待连接件待活化表面法线与激光入射线方向之间的夹角为0～20°，扫描区域面积为待连接件表面的1.01～1.1倍。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)中的调节参数具体为：扩散连接炉真空度应小于5×10-3Pa，加热速率为5～15℃/min，保温温度为100～700℃，保温时间为0.5～6h，加载载荷为0.5～50MPa。
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