CN115709318A

CN115709318A - 一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法

Info

Publication number: CN115709318A
Application number: CN202211575169.0A
Authority: CN
Inventors: 亓钧雷; 张靖康; 闫耀天; 杨泰立; 曹健; 冯吉才
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-02-24

Abstract

一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，它涉及一种陶瓷的钎焊方法。本发明要解决现有金属与陶瓷钎焊过程中残余应力较高以及传统真空钎焊的焊接效率低，成本高的问题。钎焊方法：一、装配待焊件；二、单侧热源电阻钎焊。本发明用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊。

Description

一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷的钎焊方法。

背景技术

陶瓷具有密度低、强度高的特点，从而广泛应用于航空航天、机械化工、武器装备等领域。但陶瓷的变形能力弱，加工性较差，难以加工为形状复杂的构件，将陶瓷与金属连接可以利用两者的优点，改善材料的机械加工性能。与金属相比，陶瓷拥有较高的弹性模量和较小的热膨胀系数，物理性质差异大。陶瓷的原子之间主要由共价键和离子键组成，拥有较强的化学稳定性，而金属原子之间主要由金属键组成，两种材料化学键的巨大差异也导致了两者化学相容性差，进而使得钎焊接头有较大的残余应力。

C/C复合陶瓷、C/SiC复合陶瓷、C/C-SiC复合陶瓷、SiC陶瓷、Ti₃SiC₂陶瓷是工程上常用的几种陶瓷，陶瓷的连接方法包含钎焊、扩散焊、铆接和胶结，其中应用最多的是钎焊。钎焊过程中，陶瓷表面生成金属间化合物，这些金属间化合物具有脆性高，对裂纹敏感性大的特点。在较大的残余应力作用下，裂纹加速扩展，导致接头在陶瓷表面脆性金属间化合物层开裂。此外，传统真空钎焊往往在真空炉中进行，首先将电能转换为钎焊炉中加热元件的热能，然后利用热辐射进行焊接，而焊接件的表面积远小于炉腔表面积，造成热量的损失与能源浪费。此外，在真空炉中钎焊时，从待焊件放入炉中至焊件取出往往需要几个小时，焊接效率较低，限制了陶瓷的在工程领域的应用。因此，亟待开发出一种能够缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的高效焊接方法。

发明内容

本发明要解决现有金属与陶瓷钎焊过程中残余应力较高以及传统真空钎焊的焊接效率低，成本高的问题，而提供一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法。

一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，它是按以下步骤进行：

一、装配待焊件：

按照导电陶瓷、钎料箔片、金属母材的顺序依次叠放，得到导电陶瓷/钎料箔/金属结构；

二、单侧热源电阻钎焊：

将导电陶瓷两端分别接直流电源的正极与负极，然后将导电陶瓷/钎料箔/金属结构放入真空环境或气体保护氛围中，预设恒流源电流为1A～500A，然后将直流电通入导电陶瓷，以导电陶瓷作为钎焊热源，利用红外测温设备测得导电陶瓷表面温度为300℃～2000℃，在导电陶瓷表面温度为300℃～2000℃的条件下，保温0.01s～600s，最后直接关闭电源使焊接件冷却，或调整恒流源电流降至零安培，即完成钎焊。

本发明的有益效果是：

1、本发明降低了陶瓷与金属钎焊接头的残余应力。利用导电陶瓷为热源，用热传导的方法代替了传统真空钎焊的辐射传热方式，在单侧热源作用下焊接构件中形成不均匀温度场，其温度从高至低依次为：陶瓷>钎料>金属母材，在钎焊接头中形成温度梯度过渡。由于陶瓷的热膨胀系数低于金属母材，钎焊降温过程中，均匀温度场下陶瓷的收缩较小而金属收缩大，而在单侧热源的影响下，陶瓷会产生较大的收缩，金属的收缩相对减少，从而缓解热错配引起的残余应力。

2、本发明有助于节约能源，降低生产成本。本发明利用陶瓷的电阻热进行钎焊，电能直接转换为电阻热，利用热传导进行焊接，能源利用率显著提高。

3、本发明有助于提高生产效率。本发明可以缓解陶瓷与金属的残余应力，即使快速冷却也能实现母材与钎料的有效结合。如实施例一中加热、保温、降温三个阶段共80s，焊接效率显著提高。

4、本发明以导电陶瓷为热源，有效降低了金属母材侧的温度，避免金属母材因高温导致性能下降。

本发明用于一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法。

附图说明

图1为实施例一用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊示意图，1为直流电源正极，2为陶瓷块夹具，3为金属母材，4为钎料箔片，5为直流电源负极，6为导电陶瓷；

图2为实施例一用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊的数码照片；

图3为实施例一制备的C/C复合陶瓷/AgCuInTi/TC4焊接件的钎焊接头扫描电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，它是按以下步骤进行：

一、装配待焊件：

二、单侧热源电阻钎焊：

本实施方式的有益效果是：

1、本实施方式降低了陶瓷与金属钎焊接头的残余应力。利用导电陶瓷为热源，用热传导的方法代替了传统真空钎焊的辐射传热方式，在单侧热源作用下焊接构件中形成不均匀温度场，其温度从高至低依次为：陶瓷>钎料>金属母材，在钎焊接头中形成温度梯度过渡。由于陶瓷的热膨胀系数低于金属母材，钎焊降温过程中，均匀温度场下陶瓷的收缩较小而金属收缩大，而在单侧热源的影响下，陶瓷会产生较大的收缩，金属的收缩相对减少，从而缓解热错配引起的残余应力。

2、本实施方式有助于节约能源，降低生产成本。本发明利用陶瓷的电阻热进行钎焊，电能直接转换为电阻热，利用热传导进行焊接，能源利用率显著提高。

3、本实施方式有助于提高生产效率。本发明可以缓解陶瓷与金属的残余应力，即使快速冷却也能实现母材与钎料的有效结合。如实施例一中加热、保温、降温三个阶段共80s，焊接效率显著提高。

4、本实施方式以导电陶瓷为热源，有效降低了金属母材侧的温度，避免金属母材因高温导致性能下降。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中分别使用砂纸打磨导电陶瓷和金属母材，然后超声清洗。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式分别使用砂纸打磨导电陶瓷和金属母材，然后超声清洗，以去除导电陶瓷表面杂质与金属表面氧化膜。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的导电陶瓷为C/C复合陶瓷、C/SiC复合陶瓷、C/C-SiC复合陶瓷、SiC陶瓷或Ti₃SiC₂陶瓷。其它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至三之一不同的是：步骤一中所述的金属母材为TC4合金板材、Nb板材、TiAl合金板材、GH4099合金板材或Ti₂AlNb合金板材。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的钎料箔片为AgCuTi钎料、AgCuInTi钎料、TiZrNiCu钎料、TiCu钎料、AgCu钎料、SnAgCu钎料、BNi2钎料或BNi5钎料。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的钎料箔片的厚度为50微米～200微米。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的真空环境的真空度为10^-1Pa～10^-4Pa。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的气体保护氛围使用的气体为氩气、氢气、氮气和甲烷中的一种或其中几种的混合气体。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中在电流降低速度为0.1A/s～500A/s的条件下，调整恒流源电流降至零安培。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中将导电陶瓷/钎料箔/金属结构用夹具固定，使钎料箔片和导电陶瓷、金属母材紧密接触，然后放入真空环境或气体保护氛围中。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

一、装配待焊件：

二、单侧热源电阻钎焊：

将导电陶瓷两端分别接直流电源的正极与负极，将导电陶瓷/钎料箔/金属结构用陶瓷块夹具固定，使钎料箔片和导电陶瓷、金属母材紧密接触，然后放入真空环境中，预设恒流源电流为70A，然后将直流电通入导电陶瓷，以导电陶瓷作为钎焊热源，利用红外测温设备测得导电陶瓷表面温度为1200℃，在导电陶瓷表面温度为1200℃的条件下，保温20s，最后直接关闭电源使焊接件冷却，60s后焊接件温度低于200℃，取出焊接件，得到C/C复合陶瓷/AgCuInTi/TC4焊接件。

步骤一中分别使用砂纸打磨导电陶瓷和金属母材，然后超声清洗。

步骤一中所述的导电陶瓷为40mm×5mm×2mm的C/C复合陶瓷。

步骤一中所述的金属母材为10mm×10mm×3mm的TC4合金板材。

步骤一中所述的钎料箔片为AgCuInTi钎料。

步骤一中所述的钎料箔片的厚度为50微米。

步骤二中所述的真空环境的真空度为10^-1Pa。

实施例一从通电加热(瞬时达到导电陶瓷表面温度为1200℃)至取出焊接件的时间仅需80s。

图1为实施例一用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊示意图，1为直流电源正极，2为陶瓷块夹具，3为金属母材，4为钎料箔片，5为直流电源负极，6为导电陶瓷。由图可知，单侧热源电阻钎焊是将陶瓷侧通入直流电，以陶瓷侧为热源，利用热传导加热钎料箔片使其熔化，实现钎焊。

图2为实施例一用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊的数码照片。由图可知，将C/C复合陶瓷夹持在直流电的正负极上，在C/C复合陶瓷上依次放置AgCuInTi钎料箔、TC4合金，然后用陶瓷块夹具固定使钎料和母材紧密接触(图中为夹具背面)。通电后C/C复合陶瓷产生电阻热并产生白色辉光，C/C复合陶瓷通过热传导使AgCuInTi钎料熔化，实现钎焊。

图3为实施例一制备的C/C复合陶瓷/AgCuInTi/TC4焊接件的钎焊接头扫描电镜图。由图可知，C/C复合陶瓷/AgCuInTi/TC4接头结合良好，无裂纹等缺陷。对比传统真空钎焊，C/C复合陶瓷与TC4合金的单侧热源电阻钎焊仅需对C/C复合陶瓷通电20s，焊接效率显著提升。

实施例一中直流电的电流为70A，此时电压为8.6V，因此在实际焊接过程中的功率为602W，远低于真空钎焊炉的功率(通常几千至几十千瓦)，有助于节约能源，降低生产成本。

Claims

1.一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于它是按以下步骤进行：

一、装配待焊件：

二、单侧热源电阻钎焊：

2.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤一中分别使用砂纸打磨导电陶瓷和金属母材，然后超声清洗。

3.根据权利要求2所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤一中所述的导电陶瓷为C/C复合陶瓷、C/SiC复合陶瓷、C/C-SiC复合陶瓷、SiC陶瓷或Ti₃SiC₂陶瓷。

4.根据权利要求2所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤一中所述的金属母材为TC4合金板材、Nb板材、TiAl合金板材、GH4099合金板材或Ti₂AlNb合金板材。

5.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤一中所述的钎料箔片为AgCuTi钎料、AgCuInTi钎料、TiZrNiCu钎料、TiCu钎料、AgCu钎料、SnAgCu钎料、BNi2钎料或BNi5钎料。

6.根据权利要求5所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤一中所述的钎料箔片的厚度为50微米～200微米。

7.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤二中所述的真空环境的真空度为10^-1Pa～10^-4Pa。

8.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤二中所述的气体保护氛围使用的气体为氩气、氢气、氮气和甲烷中的一种或其中几种的混合气体。

9.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤二中在电流降低速度为0.1A/s～500A/s的条件下，调整恒流源电流降至零安培。

10.根据权利要求1所述的一种用于导电陶瓷与金属的单侧热源电阻钎焊方法，其特征在于步骤二中将导电陶瓷/钎料箔/金属结构用夹具固定，使钎料箔片和导电陶瓷、金属母材紧密接触，然后放入真空环境或气体保护氛围中。