TWI530351B - 鉑焊接結構及方法 - Google Patents

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TWI530351B TW099142153A TW99142153A TWI530351B TW I530351 B TWI530351 B TW I530351B TW 099142153 A TW099142153 A TW 099142153A TW 99142153 A TW99142153 A TW 99142153A TW I530351 B TWI530351 B TW I530351B
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Description

鉑焊接結構及方法 【與本案相關之申請案】
本申請案主張於2009年12月4日提出申請之美國專利申請案12/631,055之優先權。
本發明是關於焊接結構與方法，更詳言之是關於氧化物分散增強貴金屬焊接結構與方法，包括氧化物分散增強鉑及/或鉑合金焊接結構與方法。
已知可將兩片氧化物分散增強貴金屬焊接在一起。例如，Pt-Rh群組之合金(諸如Pt-10Rh)已知可焊接在一起而形成鉑焊接結構。在氧化物分散穩定化材料的實例中，此類結構的焊接點傾向比基底材料弱。此類鉑焊接結構已知用於高溫應用上。例如，此類焊接結構可包含與玻璃熔融、傳遞與形成系統中的玻璃熔化物交互作用的部件(例如連接管、攪拌機構等)，諸如融合拉引玻璃製造系統的部件。
下文所述者是本發明的簡化概要，以提供在詳細說明書內文中所述的一些範例態樣之基本瞭解。
貴金屬焊接點是透過結合焊接材料中一種或多種添加物以改變所得焊接點的組成而獲得增強。更詳言之，含有較高含量的ZrO2及/或銠的焊接點提供較高強度的焊接點，其包括潛變斷裂性質。可透過在最初增加焊接點中的Zr含量以及處理該焊接點而使Zr轉化成ZrO2(諸如透過氧化退火)而增加ZrO2含量。
在一個範例中，提供一種鉑焊接結構，其具有一第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，以及焊接至該第一鉑或鉑合金部份的一第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份。該第一部份及第二部份的該鉑合金可為相同組成或不同組成。第二部份以一焊接點焊接該第一部份，該焊接點包括一鉑或鉑合金焊接珠狀物。該焊接珠狀物進一步包括至少一個選自由Zr、ZrO2與銠所構成之群組的成份，該成份的含量大於該第一部份與第二部份。
亦提供一種製作鉑焊接結構的方法。如上文所記載，可將焊接部(weldment)設成具有氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，該等部份是由含ZrO2及/或銠之至少一者的焊接點或焊接珠狀物所接合，該焊接點或焊接珠狀物中所含的ZrO2及/或銠之至少一者的含量高於待接合的部份中的此類成份之含量或量。可在焊接製程本身期間透過將焊接材料中所含的Zr轉化成ZrO2或透過最初增加焊接點中的Zr含量以及例如藉由氧化退火處理該焊接點以將Zr轉化成ZrO2而增加ZrO2含量。在前述方法中，包括潛變斷裂的焊接強度透過較高含量的ZrO2及/或銠 而增加，該較高含量的ZrO2及/或銠是相較於在待接合的部份中以及此類部份的材料之焊接填料形成的焊接點中的此類成份之含量或量。
在此揭露本發明的數種態樣。應瞭解到，這些態樣可(或可不)與另一者重疊。因此，一個態樣的一部分可落入另一態樣的範疇中，反之亦然。除非在文中有相反指示，否則應將不同的態樣視為彼此在範疇中重疊。
每一態樣是由許多實施例說明，其進而能包括一個或多個實施例。應瞭解到實施例可(或不可)彼此重疊。因此，一個實施例(或其特定實施例)的一部分可(或不可)落入另一實施例(或其特定實施例)的範圍，反之亦然。除非在文中有相反指示，否則應將不同的實施例視為彼此在範疇中重疊。
因此，根據一第一態樣，一種鉑焊接結構包含：(i)一第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份；以及(ii)以一焊接點焊接至該第一鉑或鉑合金部份的一第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，該焊接點包括一鉑或鉑合金焊接珠狀物，其中該焊接珠狀物進一步包括至少一個選自由Zr、ZrO2與銠所構成之群組的成份，該成份的含量(level)大於該第一部份與第二部份。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括ZrO2，其ZrO2的含量大於該第一部份與該第二部份。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括從約0.1wt%至約1wt%的ZrO2。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括從約0.2wt%至約1wt%的ZrO2。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包含一氧化物分散穩定化鉑合金。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物的該鉑合金包含至少一種選自由釕、銠、鈀、鋨、銥及金所構成之群組的成份。
在該第一態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物的該鉑合金包含一第三鉑銠合金。
在該第一態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金之鉑對銠的重量比率為至少約1：1。
在該第一態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金之鉑對銠的重量比率為至少約4：1。
在該第一態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金之鉑對銠的重量比率為至少約9：1。
在該第一態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金包含高於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的銠之百分比。
在該第一態樣的某些實施例中，該第一鉑或鉑合金部份及該第二鉑或鉑合金部份之至少一者包含一鉑銠合金。
本發明的第二態樣是關於製作一鉑焊接結構的方法，其包含以下步驟：(A)設置一第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及一第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份；(B) 設置一含鉑焊接材料；以及(C)以該含鉑焊接材料將該第一鉑或鉑合金部份焊接到該第二鉑或鉑合金部份，其中該焊接步驟包括：形成一鉑或鉑合金焊接珠狀物，該焊接珠狀物進一步包括至少一個選自由Zr、ZrO2與銠所構成之群組的成份，該成份的含量大於該第一部份與第二部份。
在該第二態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括ZrO2，其ZrO2的含量大於該第一部份與該第二部份。
在該第二態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括從約0.1wt%至約1wt%的ZrO2。
在該第二態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包括從約0.2wt%至約1wt%的ZrO2。
在該第二態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物包含一第三氧化物分散穩定化鉑合金。
在該第二態樣的某些實施例中，該焊接珠狀物的該第三鉑合金包含至少一種選自由釕、銠、鈀、鋨、銥及金所構成之群組的成份。
在該第二態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金之鉑對銠的重量比率為至少約1：1。
在該第二態樣的某些實施例中，該至少一個成份是Zr且進一步包括以下步驟：將至少一部分的該Zr轉化成ZrO2，藉以使該焊接珠狀物中的該ZrO2含量大於該第一部份與該第二部份中的ZrO2含量。
在該第二態樣的某些實施例中，該第三鉑銠合金包含 高於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的銠之百分比。
在該第二態樣的某些實施例中，在該焊接步驟中，該焊接材料維持於一氧化大氣中以防止將ZrO2還原成Zr。
現在將參閱顯示範例實施例的附圖以更全面地描述範例。如可能，用於所有圖式的元件符號是指相同或類似的部件。然而，態樣可以許多不同形式實施，且不應視為限制在此提出的實施例。
可將鉑焊接結構或焊接部形成為具有各種氧化物分散增強鉑或鉑合金部份。此類鉑焊接結構可用在高溫應用中，諸如玻璃熔融、傳遞、處理、調節與形成系統的部件。在此類應用中，鉑焊接結構可包含攪拌機構、連接管、配件或其他玻璃熔融、傳遞、處理、調節與形成系統的部件，諸如用於熔合拉引玻璃形成製程中者。
此類結構的範例顯示於第1圖，該結構包含第一與第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份101、103。如圖所示，第一部份101可包括第一焊接邊緣105，而第二部份103可包括第二焊接邊緣107。第一與第二焊接部份101、103可具有相同或不同組成。例如，氧化物分散增強部份101、103可各由鉑、相同或不同鉑合金、或其組合所形成。第一與第二部份101、103之至少一者可包含氧化物 分散增強鉑銠合金。說明性氧化物分散增強鉑銠合金包括Pt-10Rh以及Pt-20Rh。
如第1圖所示，第一與第二部份101、103以箭號方向朝彼此移動。隨後，如第3圖所示，第一部份101的第一焊接邊緣105可被帶至與該第二部份103的第二焊接邊緣107接觸。為了有效地將第一部份101焊接第二部份103，第一與第二焊接邊緣105、107可緊密地相對於另一者定位，例如與另一者接觸，以提供用於形成在該二者之間的焊接點之區域。如圖所示，第一焊接邊緣105與第二焊接邊緣107能漸縮以形成焊接點可形成於其中的空間301。
根據本發明的某些實施例，焊接棒201是由含鉑焊接材料形成，該含鉑焊接材料包括添加材料，該添加材料包含選自由Zr、ZrO2及/或銠所構成之群組的成份，該成份的含量大於該第一部份與第二部份。在焊接期間，在焊接材料中的Zr將形成具有可用的氧之ZrO2。所得的焊接珠狀物或焊接點含有含量大於該第一與第二部份的ZrO2及/或銠。亦然，如前文所記載，焊接珠狀物可含有高含量的Zr，透過後續諸如氧化退火之類的處理而至少將一部分的Zr轉化ZrO2。據此，焊接棒或填料材料包括Zr、ZrO2及/或銠，其量足以形成具有較高強度(包括增加的對潛變斷裂的抵抗力)的焊接點。
含鉑焊接材料的範例包括氧化物分散穩定化鉑合金。該氧化物分散穩定化鉑合金可含有約0.2wt%(重量百分 比)至約2wt%的ZrO2或約0.4wt%至約2wt%的ZrO2。ZrO2的上限是由焊接材料的可製造能力以及焊接結構的形狀需求所決定。含鉑焊接材料可為鉑合金焊接材料。鉑合金焊接材料可包括其他金屬，例如釕、銠、鈀、鋨、銥及金等。在一個範例中，鉑合金焊接材料是鉑銠合金。在鉑銠合金焊接材料中的銠百分比可高於40wt%，但可在約10wt%至約40wt%的範圍內。
如第4圖所示，焊接棒201放置成鄰接將第一與第二焊接邊緣105、107配置在一起而形成的空間301。使用焊接炬203與焊接棒201，該等部份101、103以形成焊接珠狀物205的方式炬焊在一起。該焊接方法包括任何標準焊接方法(諸如TIG焊接法等)，且不需要特殊焊接方法，例如鍛接法(hammer welding)。
透過使用上述焊接方法，形成鉑焊接結構501，如第5圖所示。鉑焊接結構501包含第一氧化物分散增強鉑或鉑部份101、第二氧化物分散增強鉑或鉑部份103以及焊接點503。該焊接點503包括焊接珠狀物205。
根據焊接棒201的組成以及此述的特殊添加材料，焊接珠狀物205包括含量高於第一部份101及第二部份103的ZrO2及/或Rh，且就Rh而言，最高達約0.4wt%及50wt%。在一個範例中，焊接珠狀物205包括含量高於第一部份101及第二部份103的ZrO2。在另一範例中，焊接珠狀物205包括0.1wt%至約1wt%的ZrO2，或約0.2wt%至約1wt%的ZrO2。在焊接珠狀物中較高的ZrO2 含量改善焊接點的機械性能。具有更高含量的Zr及/或ZrO2的焊接材料將提供更高的殘餘含量的ZrO2於焊接珠狀物205中，其對改善焊接珠狀物205的潛變行為有所貢獻。或者，焊接珠狀物205可包括含量大於第一部份與第二部份的銠，且最高達約50wt%。在一個範例中，焊接珠狀物可含有含量從約10wt%至約50wt%的銠，較佳為約30wt%至約50wt%。焊接珠狀物205中的更高的銠含量亦提供改善的焊接珠狀物205的機械強度。在一個範例中，焊接材料包括Pt-50Rh。
焊接珠狀物205可包括氧化物穩定化鉑合金。焊接珠狀物205的鉑合金可包括其他金屬，諸如釕、銠、鈀、鋨、銥及金等。在一個範例中，焊接珠狀物205的鉑合金是鉑銠合金。焊接珠狀物205的鉑銠合金中的鉑對銠的比率可至少為約1：1，或至少約4：1，或至少約9：1。
針對第5圖中所示的鉑焊接結構501之機械強度而言，是透過在1700℃時使用ASTM E 139型潛變斷裂測試而測試之。潛變斷裂測試是透過施加一固定程度的應力於鉑焊接結構501上，並且測量鉑焊接結構501斷裂所需的時間(以小時計)而執行。
為測試目的，第一部份101與第二部份103是由可購得的片料材料所形成，該片料材料的厚度為0.030”且其組成中含有90wt%的鉑、10wt%的銠以及0.16-0.2wt%的ZrO2。這些部份是如前文所述般使用表1中所列的下述組成的焊接棒201而被焊接。
材料1說明使用焊接棒或填料材料的操作，其形成如所打造的材料帶而因此具有相同組成。材料2是根據本發明某些實施例且給予焊接珠狀物205大於第一部份與第二部份所含有的ZrO2之含量。材料3是由有別於材料1的製程所製得。相信材料3在焊接後會造成比材料1更高的ZrO2之含量。材料3進一步包含次要量的稀土族。
由使用材料1-3所得的焊接結構經受潛變斷裂測試。第6圖顯示潛變斷裂測試的結果，其中x軸代表以小時為單位的時間，而y軸代表以MPa為單位的應力。第6圖所示的三角形資料點所代表的是，未焊接的片料不會斷裂且測試失敗。另一方面，根據第6圖，和材料3焊接的片料是以線段607所表示，其顯示最佳結果；而材料2是由線段605表示，而材料1是以線段603表示。確實，相較於材料1，材料2較高的潛變斷裂特徵是以線段605相對線段603沿方向609平移而表示。類似地，相較於材料1，材料3較高的潛變斷裂特徵是以線段607相對線段603沿方向611平移而表示。從第6圖很清楚地知道當焊接材料中ZrO2的量從0.16-0.2wt%增加到 0.4wt%時，潛變斷裂表現在相同的應力(以MPa表示)下大幅改善。
第7圖顯示使用前文所述之材料1、2及3各者而備製的潛變斷裂焊接部的壽命預測。X軸代表以MPa計的應力，而y軸代表以小時計的時間。材料1是以函數703表示，材料2是由函數705表示，而材料3是以函數707表示。如第7圖所示，當焊接材料中ZrO2的含量從0.16-0.2wt%增加至0.4wt%時，壽命潛變斷裂表現亦由材料1至材料2大幅改善。
根據本發明，提供一種具有改善的機械強度的焊接結構。改善的機械強度透過使焊接材料更薄而有利於減少成本的努力。例如，可能將焊接材料的厚度從0.040”減少到0.030”。
對熟習此技藝者而言，顯然各修改型式與變化形式可在不背離本發明的精神與範疇的情況下製作。
101、103‧‧‧氧化物分散增強鉑或鉑合金部份
105、107‧‧‧焊接邊緣
201‧‧‧焊接棒
203‧‧‧焊接炬
205‧‧‧焊接珠狀物
301‧‧‧空間
501‧‧‧鉑焊接結構
601‧‧‧三角形資料點
603、605、607‧‧‧線段
609、611‧‧‧方向
703、705、707‧‧‧函數
參考伴隨的圖式而詳閱說明書可更加瞭解本發明之態樣。
第1圖是根據本發明之待焊接在一起的第一及第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的範例之概略頂視圖；第2圖是類似第1圖的頂視圖，其顯示以焊接棒與焊接炬部份焊接的幾個部份； 第3圖是第2圖之沿線段3-3所視的剖面視圖，其顯示在焊接前經定位以彼此接觸的幾個部份；第4圖是第2圖之沿線段4-4所視的剖面視圖，其顯示由焊接棒與焊接炬所形成以接合該等部份的焊接點；第5圖是根據本發明某些實施例之以焊接點完全焊接在一起的該等部份的概略頂視圖，其包括鉑或鉑合金焊接珠狀物；第6圖是一圖表，其顯示未焊接的片料以及用不同焊接填料所焊接的片料之潛變斷裂資料；以及第7圖是一圖表，其顯示以不同焊接填料所焊接的片料之壽命預測。
101、103‧‧‧氧化物分散增強鉑或鉑合金部份
201‧‧‧焊接棒
203‧‧‧焊接炬

Claims (22)

  1. 一種鉑焊接結構，其包含：一第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份；一第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，其中該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份以一接點焊接至該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，該接點由一熔合焊接點構成，其中該熔合焊接點包括一鉑或鉑合金焊接珠狀物，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物進一步包括含量大於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份與第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的至少一種成份，該成份由Zr、ZrO2與銠所構成之群組選出。
  2. 如請求項1所述之鉑焊接結構，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包括含量大於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份與該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的ZrO2。
  3. 如請求項1或2所述之鉑焊接結構，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包括從約0.1wt%(重量百分比)至約1wt%的ZrO2。
  4. 如請求項3所述之鉑焊接結構，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包括從約0.2wt%至約1wt%的ZrO2。
  5. 如請求項1或2所述之鉑焊接結構，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包含一第三氧化物分散穩定化鉑合金。
  6. 如請求項5所述之鉑焊接結構，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物的該第三氧化物分散穩定化鉑合金包含至少一種選自由釕、銠、鈀、鋨、銥及金所構成之群組的成份。
  7. 如請求項6所述之鉑焊接結構，其中該第三氧化物分散穩定化鉑合金之鉑對銠的重量比為至少約1：1。
  8. 如請求項7所述之鉑焊接結構，其中該第三氧化物分散穩定化鉑合金之鉑對銠的重量比為至少約4：1。
  9. 如請求項8所述之鉑焊接結構，其中該第三氧化物分散穩定化鉑合金之鉑對銠的重量比為至少約9：1。
  10. 如請求項6所述之鉑焊接結構，該第三氧化物分散穩定化鉑合金包含百分比高於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的銠。
  11. 如請求項1或2所述之鉑焊接結構，其中該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份之至少一者包含一鉑銠合金。
  12. 一種製作一鉑焊接結構的方法，其包含以下步驟：設置一第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及一第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份；設置一含鉑焊接材料；以及以該含鉑焊接材料將該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份焊接到該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份，其中該焊接步驟包括以下步驟：形成一鉑或鉑合金焊接珠狀物，該鉑或鉑合金焊接珠狀物由一熔合焊接珠狀物構成，該鉑或鉑合金焊接珠狀物包括含量大於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份與該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的至少一種成份，該成份選自由Zr、ZrO2與銠所構成之群組。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包括含量大於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份與該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的ZrO2。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物的重量包括從約0.1wt%至約1wt%的ZrO2。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠 狀物的重量包括從約0.2wt%至約1wt%的ZrO2。
  16. 如請求項12或13所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物包含一氧化物分散穩定化鉑合金。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物的該氧化物分散穩定化鉑合金包含至少一種選自由釕、銠、鈀、鋨、銥及金所構成之群組的成份。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該鉑或鉑合金焊接珠狀物的該鉑合金包含一鉑銠合金。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該鉑銠合金之鉑對銠的重量比為至少約1：1。
  20. 如請求項12或13所述之方法，其中該至少一種成份是Zr且該方法進一步包括以下步驟：將至少一部分的該Zr轉化成ZrO2，藉以使該鉑或鉑合金焊接珠狀物中的該ZrO2含量大於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份與該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份中的ZrO2含量。
  21. 如請求項18所述之方法，其中該鉑銠合金包含百分比高於該第一氧化物分散增強鉑或鉑合金部份及該第二氧化物分散增強鉑或鉑合金部份的銠。
  22. 如請求項12或13所述之方法，其中在該焊接步驟中，該焊接材料維持於一氧化大氣中以防止將ZrO2還原成Zr。
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