TWI404583B

TWI404583B - 擴散接合方法

Info

Publication number: TWI404583B
Application number: TW100109623A
Authority: TW
Inventors: Bo Chen Wu; Chung Han Wu; Kun Lin Sher; Fei Hsien Huang
Original assignee: Solar Applied Mat Tech Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-08-11
Also published as: TW201238692A

Description

擴散接合方法

本發明係關於板材的焊接方法，尤指一種利用擴散接合技術(Diffusion Bonding)，使複數板材焊接一起的擴散接合方法。

擴散接合(Diffusion Bonding)技術，是指利用物質的擴散機制，使材料可以結合一起的固態焊接的方法。傳統的擴散接合方式主要是在真空環境下利用高溫及壓力來接合金屬及/或陶瓷部件。目前已知的金屬擴散接合係利用熱均壓(HIP)或熱壓(HP)方式，在真空環境下做固態密接，並在二金屬材料間的接合介面施予正向壓力，使二金屬材料的接合介面產生塑性變形並讓彼此間緊密接觸，隨著接觸面積增加時，藉由外加熔點以下的熱源，促使二金屬材料間的接合介面的表面原子動能加速，接觸面積迅速增大，藉此原子擴散及晶粒邊界運動而完成擴散接合。

如美國US7581669(WO2007013750)號揭示了一種結構件的擴散焊合技術，其係將多片待焊合的金屬片疊置於一密閉的腔體中，對該密閉的腔體內部抽真空，接續對腔體加熱以及注入加壓的氬氣(Ar)，使該多片金屬片於此腔體中藉由高溫與高壓而進行擴散焊合。

惟現有熱均壓或熱壓方法進行金屬材料擴散接合時，因金屬材料必須處於真空環境下，才能進行施壓，因機台的規格大小與價格的影響，而存在有高成本的問題，且操作時，必須令其整個作業腔體內部達到真空環境，因作業腔室空間大，欲達到真空狀態的處理時間偏長，影響金屬材料擴散接合的作業時間，以致有作業效率不佳的缺點。

本發明之主要目的在於提供一種擴散接合方法，希藉此設計，改善現有擴散接合方法之作業效率不佳及設備成本高等缺點。

為達成前揭目的，本發明所提出之擴散接合方法，係包含：令待接合的複數板材疊置於一封罐中；令封罐內部形成一實質上無氧環境且將封罐予以密封；以及於一般大氣環境下，對所述封罐施以加熱與加壓，使封罐內疊置一起的複數板材之間的接合介面藉由熱壓而完成擴散接合，再令該複數板材的接合體自封罐中取出。

藉由前揭擴散接合方法，其主要是利用複數板材疊置密封於一小於熱壓設備作業空間的封罐中，而能以較短時間令小體積的封罐內部達到實質上無氧環境，並於後續的加熱加壓步驟，藉由封罐令其內部的複數板材與外界隔絕，防止板材產生氧化層，而能藉由熱壓設備在一般大氣環境下直接對封罐進行加熱及加壓，而使位於封罐內部板材之間的接合介面完成擴散接合。

如圖1所示，是揭示本發明擴散接合方法之一較佳實施例的流程圖，該擴散接合方法係包含以下步驟：令待接合的複數板材疊置於一封罐中的步驟，於本較佳實施例中，如圖2所示，是以二板材為例，其中將第一板材1與第二板材2疊置於一封罐3中，所述第一板材1可選自鎳(Ni)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鐵(Fe)及其合金等構成之群組中之任一，所述第二板材2可選自鉬(Mo)、矽(Si)、鎢(W)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鋁(Al)及其合金等構成之群組中之任一，所述封罐3以選用具有高延展性的材料製造而成為佳，且封罐3形狀、尺寸與罐壁厚度等依待接合的板材實物的需要而變更，使封罐3受壓變形時，封罐的罐壁不易破裂，於本較佳實施例中，所述封罐3之材質可選自銅(Cu)、鋁(Al)合金、銅(Cu)合金及其組合等構成之群組中之任一，封罐3的罐壁厚度一般是介於1mm~5mm；令封罐內部形成一實質上無氧環境及封罐密封步驟，所述令封罐內部形成一實質上無氧環境可為令封罐內部注入鈍氣氣體(如：氬(Ar)、氮(N₂ )......等非氧保護氣體)，或以抽氣手段令封罐內部呈現真空狀態，之後再令封罐密封的步驟，如圖2所示，以抽氣手段令封罐3內部呈現真空狀態為例，可令封罐3側壁設有一封口，於封口處設有一控制氣閥，控制氣閥4再接設一與封罐3內部連通的金屬材質抽氣管5，以該抽氣管5連接一抽氣泵浦(pump)，藉抽氣泵浦經由抽氣管5對密閉的封罐3抽氣，於封罐3內部達到預設的真空(vacuum)度(所述真空度是達到10^-3 torr)時，關閉控制氣閥4，及封閉抽氣管5(如以焊接封閉等方式)，使封罐3內部與外界隔絕，維持封罐3內部的真空狀態；於一般大氣環境下，對該封罐施以加熱與加壓，使封罐內疊置一起的複數板材之間的接合介面完成擴散接合的步驟，於本較佳實施例中，如圖3所示，係令密封有複數板材(第一板材1、第二板材2)的真空狀態封罐3置於一壓床6中，利用壓床6中的加熱器7加溫至150℃~700℃，所述加熱溫度是依所選板材的材料而定，且以不超過所選板材的熔點溫度為原則，並以驅動組件帶動的壓桿8對封罐3施以1.2kg/mm² ～10kg/mm² 的軸向壓力，進行1~12小時的加熱加壓，如此，使封罐3被加壓及加熱，封罐3壓縮塑性變形且維持內部密封狀態，使封罐3內部疊置一起的第一板材1、第二板材2之間的接合介面被加熱及加壓而產生塑性變形並彼此緊密接觸，並因彼此間接合介面的表面原子動能加速，接觸面積迅速增大，進而藉由原子擴散及晶粒邊界運動而令板材間進行擴散接合，於此過程中，並藉由封罐3的隔離，可防止封罐3內部的第一板材1與第二板材2表面產生氧化，避免因第一板材1與第二板材2表面生成氧化層而阻礙擴散接合的進行；以及自壓床6中取出加壓加熱後的封罐3，切開封罐3，取出封罐3內部完成擴散接合的板材接合體。

前述的擴散接合方法中，尚可於封罐內取出完成擴散接合的板材接合體步驟之後，進行一機械加工修整步驟，其中利用機械加工機具對該完成擴散接合的板材接合體的形狀尺寸加以修整，而一併對擴散接合時造成的板材變形溢流部分加以去除。

前述擴散接合方法中，為避免封罐內疊置一起的複數板材於加壓過程中發生偏離位置的現象，於所述複數板材疊置於封罐中之步驟前，尚可進一步令位置在下的板材(如第一板材1)頂面以加工手段形成一凹槽10，如圖4所示，凹槽10形狀對應位置在上的板材(如第二板材2)形狀，凹槽10的底面為接合基準面，使在上的板材(如第二板材2)的可對位置放於在下的板材(如第一板材1)的凹槽10中定位，並與接合基準面呈面接觸。

以下進一步以具體的實施例來說明：

實施例1：

其係選用6061(美國鋁合金協會制定之AA規格)鋁合金之板材作為第一板材，以鈦(Ti)板材作為第二板材，其中於6061鋁合金第一板材上依據鈦第二板材尺寸加工形成一凹槽，續將鈦第二板材置於該6061鋁合金第一板材的凹槽中組合，並將組合後的6061鋁合金第一板材與鈦第二板材一同置入於一封罐中，再對封罐內部抽氣，令封罐內部達到真空狀態後予以封閉；或是抽氣後，再灌入鈍氣氣體(如：氬(Ar)、或氮(N₂ )...等非氧保護氣體)，令封罐內部處於非氧保護氣體狀態後予以封閉。

接續令該封罐置於一壓床的下模上，並由壓床中的加熱器對封罐加熱至400℃~600℃，並以壓床的壓桿對封罐施以1.2kg/mm² ～10kg/mm² 的軸向壓力，持續3~6小時。之後，將封罐自壓床中取出，切開封罐，取出完成擴散接合的鋁合金第一板材與鈦(Ti)第二板材的接合體。

對該擴散接合的鋁合金第一板材與鈦(Ti)第二板材的接合體進行接合強度試驗(tensile bonding strength)，通常測得的接合強度大於200Mpa。

實施例2：

其係選用銅合金之板材作為第一板材，以鉭(Ta)板材作為第二板材，其中於銅合金第一板材上依據鉭(Ta)第二板材尺寸加工形成一凹槽，續將鉭(Ta)第二板材置於該銅合金第一板材的凹槽中組合，並將組合後的銅合金第一板材與鉭(Ta)第二板材一同置入於一封罐中，再對封罐內部抽氣，令封罐內部達到真空狀態後予以封閉；或是抽氣後，再灌入鈍氣氣體(如：氬(Ar)、或氮(N₂ )...等非氧保護氣體)，令封罐內部處於非氧保護氣體狀態後予以封閉。

接續令該封罐置於一壓床的下模上，由壓床中的加熱器對封罐加熱至500℃~700℃，並以壓床的壓桿對封罐施以1.2kg/mm² ～10kg/mm² 的軸向壓力，持續8~12小時；之後，將封罐自壓床中取出，切開封罐，取出完成擴散接合的銅合金第一板材與鉭(Ta)第二板材的接合體。

對該擴散接合的銅合金第一板材與鉭(Ta)第二板材的接合體進行接合強度試驗，通常測得的接合強度大於240Mpa。

實施例3：

其係選用銅合金之板材作為第一板材，以鋁銅合金板材作為第二板材，其中於銅合金第一板材上依據鋁銅合金第二板材尺寸加工形成一凹槽，續將鋁銅合金第二板材置於該銅合金第一板材的凹槽中組合，並將組合後的銅合金第一板材與鋁銅合金第二板材一同置入於一封罐中，再對封罐內部抽氣，令封罐內部達到真空狀態後予以封閉；或是抽氣後，再灌入鈍氣氣體(如：氬(Ar)、或氮(N₂ )...等非氧保護氣體)，令封罐內部處於非氧保護氣體狀態後予以封閉。

接續令該封罐置於一壓床的下模上，由壓床中的加熱器對封罐加熱至150℃~300℃，並以壓床的壓桿對封罐施以1.2kg/mm² ～10kg/mm² 的軸向壓力，持續1~3小時；之後，將封罐自壓床中取出，切開封罐，取出完成擴散接合的銅合金第一板材與鋁銅合金第二板材的接合體。

對該擴散接合的銅合金第一板材與鋁銅合金第二板材的接合體進行接合強度試驗，通常可以測得其接合強度大於240Mpa。

經由以上實施例說明可知，本發明利用複數板材疊置於一小於熱壓設備作業空間的封罐中，而能以較短時間使封罐內部形成一實質上無氧環境，並於後續的加熱加壓步驟，藉由封罐令被密封於封罐內部的板材與外界隔絕，而能由熱壓設備在一般大氣環境下直接進行加熱加壓而完成板材之間的接合介面的擴散接合，因此相較於現有板材擴散接合方法，本發明無須令整個熱壓設備的作業空間達到真空狀態，故能有效降低設備成本，且本發明也能縮短其作業時間而提升作業效率。

以上所述，僅是揭示本發明之較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者在不脫離本發明所提出的技術特徵的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，均仍屬於本發明技術特徵的範圍內。

1．．．第一板材

10．．．凹槽

2．．．第二板材

3．．．封罐

4．．．控制氣閥

5．．．抽氣管

6．．．壓床

7．．．加熱器

8．．．壓桿

圖1是本發明擴散接合方法的流程圖。

圖2是本發明擴散接合方法令第一板材與第二板材疊置於一密封的封罐中的平面示意圖。

圖3是本發明擴散接合方法中，利用壓床對內部封設有第一板材與第二板材的封罐進行加熱加壓之平面示意圖。

圖4是本發明擴散接合方法中，令第一板材上形成一相應於第二板材的凹槽的平面示意圖。

Claims

一種擴散接合方法，係包含：令待接合的複數板材疊置於一具有能壓縮而產生塑性變形特性的封罐中；令封罐內部形成一實質上無氧環境且將封罐予以密封；以及於一般大氣環境下，對所述封罐施以加熱與加壓，其中是令密封有複數板材的封罐置於一壓床中，利用壓床中的加熱器加溫至150℃~700℃，且以不超過板材的熔點溫度，並以壓床的壓桿對封罐施以1.2kg/mm² ~10kg/mm² 的軸向壓力，進行1~12小時的加熱及加壓，封罐被壓縮塑性變形且維持內部密封狀態，使封罐內疊置一起的複數板材之間的接合介面藉由熱壓而完成擴散接合，再令該複數板材的接合體自封罐中取出。
如申請專利範圍第1項所述之擴散接合方法，其中所述複數板材包含有一金屬第一板材與一金屬第二板材，所述第一板材選自鎳(Ni)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鐵(Fe)及其合金所構成之群組中之任一，所述第二板材選自鉬(Mo)、矽(Si)、鎢(W)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鋁(Al)及其合金所構成之群組中之任一。
如申請專利範圍第2項所述之擴散接合方法，其中，所述封罐之材質選自銅(Cu)、鋁(Al)合金、銅(Cu)合金及其組合所構成之群組中之任一。
如申請專利範圍第3項所述之擴散接合方法，其中，於所述複數板材疊置於封罐中之步驟前，進一步令位置在下的板材頂面形成一相應於位置在上的板材形狀的凹槽，並以凹槽底面為接合基準面，使在上的板材對位置入於在下的板材凹槽中，並與接合基準面呈面接觸。
如申請專利範圍第4項所述之擴散接合方法，其中，該複數板材的接合體自封罐中取出後，利用機械加工機具對所述接合體的形狀尺寸加以修整。
如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之擴散接合方法，其中，令封罐內部形成一實質上無氧環境及封罐密封的步驟’是以抽氣手段令封罐內部呈現真空狀態’再令封罐密封。
如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之擴散接合方法，其中，令封罐內部形成一實質上無氧環境及封罐密封的步驟，是對封罐內部注入非氧氣體，再令封罐密封。
如申請專利範圍第7項所述之擴散接合方法，其中，注入封罐內部的非氧氣體為氬或氮。