RU2732549C1 - Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки - Google Patents
Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2732549C1 RU2732549C1 RU2020101899A RU2020101899A RU2732549C1 RU 2732549 C1 RU2732549 C1 RU 2732549C1 RU 2020101899 A RU2020101899 A RU 2020101899A RU 2020101899 A RU2020101899 A RU 2020101899A RU 2732549 C1 RU2732549 C1 RU 2732549C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- temperature
- soldering
- joined
- solder
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C27/00—Joining pieces of glass to pieces of other inorganic material; Joining glass to glass other than by fusing
- C03C27/04—Joining glass to metal by means of an interlayer
Abstract
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть преимущественно использовано при изготовлении оптических приборов на основе неразъемных соединений стекла с металлической оправой с высокой прочностью, устойчивых к воздействию вибрации и работающих в широком температурном диапазоне. Технический результат - упрощение технологии изготовления неразъемных соединений изделий из стекла с изделиями из металлов. Способ соединения деталей из стекла с деталями из металлов при помощи пайки включает подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность детали из стекла слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями детали из стекла и детали из металла припоя, последующий нагрев в вакууме и охлаждение. Слой титановой пасты наносят толщиной 150-190 мкм. Нагрев производят в среде аргона до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту. Выдерживают при данной температуре не менее 20 минут и далее охлаждают до температуры 50-70°С со скоростью не менее 1-2°С в минуту. Припой, используемый для пайки, представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра.
Description
Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть преимущественно использовано при изготовлении оптических приборов на основе неразъемных соединений стекла с металлической оправой с высокой прочностью, устойчивых к воздействию вибрации и работающих в широком температурном диапазоне.
Известен способ изготовления оптико-механического модуля [Патент RU 2394258, МПК G02B 7/00, С03С 27/04, опубл. 10.07.2010]. Способ включает в себя, подготовку соединяемых поверхностей размерной заготовки из оптического материала и соразмерной оправы из металла, введение между ними припоя и последующую пайку, при которой соединяемые поверхности заготовки и оправы нагревают, смачивают поверхности припоем и охлаждают, при этом процесс пайки осуществляют под давлением.
Недостатком известного способа является сложность технологического процесса. При подготовке к пайке необходима полировка соединяемых поверхностей до значений шероховатости Rz=0,1 мкм, данное требование достигается при выполнении технологических операций шлифовки и полировки на высокотехнологическом оборудовании с привлечением высококвалифицированного персонала с применением специальных приспособлений и инструментов, что соответственно приводит к усложнению технологического процесса.
Еще одним существенным недостатком данного способа является применение припоя из индия. Индий имеет длительное время затвердевания, что соответственно приводит к образованию диффузионной пористости, что в конечном итоге приводит к снижению физико-механических свойств паяемого соединения таких как, вакуумная плотность и термоустойчивость. Кроме того, из-за значительной стоимости припоя из индия приводит к удорожанию технологического процесса в целом и соответственно изготавливаемой детали.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща известному способу спаивания деталей из оптического кварцевого стекла с деталями из металла [Авторское свидетельство №219770, МПК С03С 27/02, опубл. 14.06.1968]. Известный способ спаивания (наиболее близкий аналог), включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями заготовки и оправы припоя, последующий нагрев в вакууме, и охлаждение.
Существенным недостатком способа, принятого за наиболее близкий аналог, является двухступенчатый технологический процесс соединения деталей, при котором сначала наносят и вжигают пасту гидрида титана, а на последующей операции собирают соединяемые детали, размещают припой и проводят термическое воздействие на конструкцию. Данная двухступенчатая технология значительно усложняет технологический процесс и делает его наиболее энергозатратным и дорогим.
В известном способе используют припой из свинца. Применение в качестве припоя чистого свинца не обеспечивает достаточной механической прочности паяного соединения.
Еще одним недостатком известного способа является неконтролируемое нанесение титановой пасты на оптический элемент, имеющий определенную эллипсность после механической обработки, с получением еще большей эллипсности после неконтролируемого нанесения пасты. В результате чего, после сборки конструкции образуется неравномерный зазор между соединяемыми деталями, который, вследствие термического воздействия на конструкцию, приводит к образованию неравномерных остаточных напряжений, возникающих при кристаллизации паяного шва из-за разности коэффициентов термического расширения соединяемых деталей, приводящих к разрушению паяного шва и конструкции в целом.
Актуальность технической проблемы, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является необходимость создания упрощенной технологии соединения стекла с металлом при помощи пайки, обеспечивающей качественное соединение материалов и изготовление качественных изделий.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления неразъемных соединений изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки с высоким качеством соединения.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в известном способе соединения деталей из стекла с деталями из металлов при помощи пайки, включающем подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность детали из стекла слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями детали из стекла и детали из металла припоя, последующий нагрев в вакууме и охлаждение. В отличие от известного способа слой титановой пасты наносят толщиной 150-190 мкм, нагрев производят в среде аргона до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту, выдерживают при данной температуре не менее 20 минут и далее охлаждают до температуры 50-70°С со скоростью не менее 1-2°С в минуту, при этом припой, используемый для пайки, представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра.
Нанесение слоя титановой пасты на поверхность детали из стекла толщиной 150-190 мкм позволяет получить неразъемное соединение металла со стеклом с высокими физико-механическими характеристиками. Нанесения пасты гидрида титана обусловлено тем, что гидрид титана является межфазно-активной добавкой и при разложении гидрида титана в припое при термическом воздействии получается активный жидкий сплав, создающий интерметаллическое соединение между металлом и оптическим элементом. При этом толщина наносимого слоя гидрида титана нанесенная меньше 150 мкм не позволяет получить хорошего растекания и взаимодействия полученного активного сплава с деталями из-за содержания малого количества титана в нем, что в свою очередь потребует высоких температур и значительного времени выдержки при термическом воздействии на соединяемые детали, что приведет к усложнению технологического процесса и снижению физико-механических свойств полученной конструкции. Также при увеличении толщины наносимого слоя гидрида титана свыше 190 мкм приведет к образованию интерметаллидов в получаемой конструкции, что в свою очередь приведет к значительному уменьшению пластичности и увеличению остаточных напряжений, приводящих к значительному снижению физико-механических свойств получаемой конструкции. В связи с вышесказанным установлено, что нанесение гидрида титана на поверхность детали из стекла толщиной 150-190 мкм позволяет в дальнейшем получить качественное паяное соединение.
Припой, применяемый при пайке изделий из стекла с изделиями из металла, с добавкой межфазно-активных металлов представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра и позволяет улучшить следующие технические характеристики паяного соединения за счет того, что свинец обладает относительно большой прочностью и высокой упругостью пара, а небольшие добавки индия и серебра повышают механические и коррозионные свойства. Кроме того, температура рекристаллизации эвтектического сплава ниже комнатной, поэтому в процессе пайки не будут возникать остаточные напряжения в паяной конструкции.
В качестве среды для пайки используется инертный газ проточный аргон, препятствующий подсосу воздуха из атмосферы, а также осуществляющий удаление с поверхности соединяемых деталей кислорода и других газообразных продуктов, образующихся при диссоциации окислов. Также пайка в среде проточного аргона позволяет снизить температуру пайки на 100°С. А нагрев до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту позволит произвести равномерный прогрев и термостабилизирующий отжиг соединяемых деталей.
Время выдержки при температуре 500°С в течение не менее 20 минут обосновано тем, что при выдержке меньше 20 минут титановая паста распределена по границе оптического кварца, а при достижении температуры 500°С с выдержкой не менее 20 минут происходит перемещение ее к поверхности припоя, взаимодействия с ним, в результате чего происходит резкая смачиваемость и растекаемость припоя по соединяемым деталям.
Очень важным условием в данной технологии является правильное охлаждение полученного изделия, а именно со скоростью не менее 1-2°С в минуту до температуры 50-70°С. Охлаждение в таком режиме поможет избежать трещин в паяемых швах, которые возникают под действием напряжений и деформаций металла изделия в процессе охлаждения. В процессе быстрого охлаждения возникают холодные и горячие трещины. Холодные трещины возникают при температуре до 200°С, горячие при температуре выше 200°С. Эти трещины имеют кристализационные и полигонизационное происхождение. Если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока, и возникающие напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то появляются кристаллизационные трещины.
Реализация способа поясняется на примере соединения заготовки из стекла (оптического кварца) диаметром 100 мм, высотой 50 мм с металлической оправой, изготовленной из стали 12Х18Н10Т при помощи припоя, представляющего собой сплав Pb-In-Ag (свинец 95%, индий 2,5% и серебро 2,5%), через титановую пасту, наносимую на оптический кварц. Пайка производится в вакуумной печи в один прием.
Для реализации способа выполняется технологический процесс, состоящий из следующих операций:
а) Подготовка оптического кварца: деталь из оптического кварца подбирают с минимальной эллипсностью по наружному диаметру. Допускается изменение диаметра до 0,3 мм. Производят обезжиривание поверхностей ацетоном, спиртом и сушку при температуре +60°С в течение 2-3 минут.
б) Подготовка металлических деталей: паяемые поверхности металлических деталей должны быть без механических повреждений. Размер металлических деталей должен обеспечить зазор под пайку 1±0,5 мм. Перед сборкой с оптическим кварцем металлическую деталь обезжиривают ацетоном и спиртом.
в) Нанесение титановой пасты на кварц: готовят титановую пасту непосредственно перед нанесением. Готовую пасту кисточкой равномерным слоем наносят на очищенную паяемую поверхность оптического кварца, просушивают при температуре 60±10°С в течение 10 минут. После окончательного затвердевания пасты производят замер ее толщины микрометром. Толщина пасты должна быть 150-190 мкм. После замера толщины, обезжиривают ацетоном место соединения оптического кварца с металлом.
г) Подготовка титановой пасты: пасту готовят из титанового порошка с величиной зерна 10 мкм и раствора акриловой смолы на растворителе Р-5 (30% смолы, 70% растворителя). Титановый порошок замешивают на растворе смолы в соотношении 1:3.
д) Сборка и пайка моделей: детали закладывают друг в друга и в зазор закладывают припой. Собранную модель устанавливают в вакуумную камеру и производят вакуумирование рабочего объема камеры до остаточного давления 2⋅10-2 мм.рт.ст.. Затем в камеру проточным способом подают аргон, который подают в рабочий объем из баллона, а на выходе пропускают через вакуумное масло, чем обеспечивают поддержание в рабочей камере избыточного давления 0,2 атм.
е) Режимы пайки:
- нагрев до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту;
- выдержка при температуре 500°С не менее 20 минут;
- охлаждение до температуры 50-70°С со скоростью 1-2°С в минуту;
- охлаждение до комнатной температуры естественным путем.
Способ проверен практически при изготовлении оптического резонатора химического лазера.
К достоинствам соединения, полученного заявленным способом, относятся:
- простота в получении надежного неразъемного соединения стекла с металлической оправой при помощи пайки при изготовлении оптических приборов;
- устойчивость в широком температурном диапазоне от минус 75°С до плюс 150°С;
- устойчивость к вибрационным нагрузкам порядка 3g;
- высокая механическая прочность полученных изделий.
Claims (1)
- Способ соединения деталей из стекла с деталями из металлов при помощи пайки, включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность детали из стекла слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями детали из стекла и детали из металла припоя, последующий нагрев в вакууме и охлаждение, отличающийся тем, что слой титановой пасты наносят толщиной 150-190 мкм, нагрев производят в среде аргона до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту, выдерживают при данной температуре не менее 20 минут и далее охлаждают до температуры 50-70°С со скоростью не менее 1-2°С в минуту, при этом припой, используемый для пайки, представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020101899A RU2732549C1 (ru) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020101899A RU2732549C1 (ru) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2732549C1 true RU2732549C1 (ru) | 2020-09-21 |
Family
ID=72922243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020101899A RU2732549C1 (ru) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2732549C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2809058C1 (ru) * | 2023-04-24 | 2023-12-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ герметизации оптического элемента в металлическом корпусе |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU357177A1 (ru) * | Способ соединения стекла с металлом | |||
US3021243A (en) * | 1956-08-27 | 1962-02-13 | Jean Pierre De Montmolin | Method of producing a durable mechanical bond between glass and another material |
GB1022165A (en) * | 1962-08-22 | 1966-03-09 | English Electric Co Ltd | Improvements in or relating to methods of bonding metallic bodies to non-metallic bodies and articles produced thereby |
-
2020
- 2020-01-16 RU RU2020101899A patent/RU2732549C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU357177A1 (ru) * | Способ соединения стекла с металлом | |||
SU219770A1 (ru) * | Ю. В. Найдич Институт проблем материаловедени УССР | СПОСОБ СПАИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ из ОПТИЧЕСКОГО | ||
SU219769A1 (ru) * | Ю. В. Найдич Институт проблем материаловедени Украинской ССР | Способ спаивания деталей из оптического | ||
US3021243A (en) * | 1956-08-27 | 1962-02-13 | Jean Pierre De Montmolin | Method of producing a durable mechanical bond between glass and another material |
GB1022165A (en) * | 1962-08-22 | 1966-03-09 | English Electric Co Ltd | Improvements in or relating to methods of bonding metallic bodies to non-metallic bodies and articles produced thereby |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2809058C1 (ru) * | 2023-04-24 | 2023-12-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ герметизации оптического элемента в металлическом корпусе |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5407119A (en) | Laser brazing for ceramic-to-metal joining | |
CA2501802C (en) | Method for producing by laser gastight and high-temerature resistant connections of shaped parts made of a non-oxidic ceramic | |
JP5978105B2 (ja) | 炭化ケイ素セラミックス接合体及び炭化ケイ素セラミックス接合体の製造方法 | |
JPS61158876A (ja) | セラミツク対金属の直接液相結合 | |
JPS62192295A (ja) | セラミツク部品を相互にまたは金属からなる部品と結合するための軟質はんだ合金 | |
CN105479030A (zh) | 活性耐腐蚀SnZn基钎料及其制备方法与低温超声钎焊陶瓷和/或复合材料及铝、镁合金方法 | |
DE4220472A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von Leichtbaureflektoren mittels beschichteter Silicium-Formkörper | |
CN110734296A (zh) | 一种基于镍基高温合金与陶瓷的连接接头及其制备方法 | |
RU2732549C1 (ru) | Способ соединения изделий из стекла с изделиями из металлов при помощи пайки | |
JPH04228480A (ja) | 高温安定性複合体及びその製法 | |
CN104889594A (zh) | 低温超声SnBi基钎料及其制备方法,及其超声钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的方法 | |
WO2021208364A1 (zh) | 一种高纯半导体单晶的热等静压连接方法 | |
EP1771863A2 (en) | Junction process for a ceramic material and a metallic material with the interposition of a transition material | |
CN114195542A (zh) | 一种利用原位生成钙长石的微晶玻璃焊料连接碳化硅陶瓷的方法 | |
RU2734609C1 (ru) | Ленточный композиционный припой на основе сплава золота и способ его получения | |
CN113319418A (zh) | 一种钼铼合金无中间层扩散连接方法 | |
CN115338494B (zh) | 一种调控异质钎焊接头残余应力的方法 | |
JPH07185853A (ja) | レーザ光によるSi含有セラミックスの接合方法 | |
RU2752820C1 (ru) | Способ диффузионной сварки заготовок из керамики | |
JPS61245993A (ja) | Al及びAl合金の接合用ろう材 | |
JPH0342176A (ja) | 金属合金粉末の拡散による結合方法 | |
JP7076739B2 (ja) | 低温ガラスソルダプリフォームの焼結・製造方法及びそのガラスソルダプリフォームの使用方法 | |
CN103819213B (zh) | 一种金属与陶瓷的多层钎焊结构和钎焊方法 | |
CN117359103A (zh) | 一种铌合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法 | |
CN108218463A (zh) | 一种AlN陶瓷与无氧铜封接的方法 |