TWI628850B - 應力緩衝裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露之應力緩衝裝置，包含圍繞軸線並具有二端開口之金屬環體，金屬環體係包括一體成形之連接壁、第一接合部及第二接合部，連接壁具有水平段及彎折段，水平段係以平行軸線之延伸線延伸，彎折段係與水平段之延伸線夾銳角，第一接合部與第二接合部係分別環繞設置於水平段及彎折段並鄰近二端之開口，且第一接合部與第二接合部係以垂直軸線的方向向外延伸，上述之應力緩衝裝置係可提供應力緩衝效果，以降低陶瓷構件與金屬構件冶金接合時造成應力殘留之問題，進而達成減少或避免陶瓷構件於冶金接合後或使用中產生破裂的可能性。

Description

應力緩衝裝置

本發明係關於一種用於作為陶瓷構件與金屬構件間進行冶金接合(尤其是硬銲)的過渡緩衝結構。

陶瓷材質具有優良的高溫性質，其廣泛被應用於航太、機械、電子等工業或軍事上，以藍寶石(Sapphire)為例，其係為一種氧化鋁(Al₂ O₃ )的單晶，由於具有高熔點、高強度、高硬度、極佳透光性及抗輻射等特性，在近年來被廣泛應用於各種產業中，例如高溫爐設備之光窗、航空或太空機具中之藍寶石透鏡之光學系統、以及飛彈之彈頭等。

一般用途下，陶瓷與金屬係採膠合方式接合，但對於前述藍寶石之應用下，由於陶瓷構件與金屬構件之間的接點性質要求高，因此必須以冶金接合方式進行接合，特別是以硬銲(Brazing)方式進行接合。所述之硬銲，係將熔點低於欲接合工件之銲料加熱至熔化，使銲料具有足夠的流動性，以利用毛細作用充分填充於兩工件之間（稱為浸潤），並待其凝固後將兩工件彼此結合的一種接合方式。

然而，若陶瓷構件與金屬構件直接以冶金接合方式進行接合，由於陶瓷材質與金屬材質之熱膨脹係數差異極大，在經歷高溫或高壓之接合過程，將導致應力殘留，而致使陶瓷構件於冶金接合後或使用中易產生破裂，習知技術中，為了解決此一問題，會在金屬構件與陶瓷構件之間配置一過渡緩衝結構，該過渡緩衝結構係採用其熱膨脹係數介於金屬構件與陶瓷構件之間的金屬材質。

美國專利公告第US5884864、US5941479、US6241184、US6874732、US5758845等先前技術文獻係揭露有關陶瓷與金屬冶金接合用之過渡緩衝結構，所揭露之過渡緩衝結構之截面係呈I型、T型及C型構形，然而，各過渡緩衝結構中之連接支撐壁係均呈直線延伸的方式，其應力緩衝效果較為不佳，仍無法有效地降低陶瓷構件於冶金接合後或使用中產生破裂的可能性。

本發明之一目的在於提供一種應用於作為陶瓷與金屬冶金接合用之過渡緩衝結構、且具有較佳之應力緩衝效果之應力緩衝裝置，其中該應力緩衝裝置特別適合用於硬銲接合中。

為達上述目的及其他目的，本發明揭露之一種應力緩衝裝置，包含圍繞一軸線並具有二端開口之一金屬環體，該金屬環體係包括一體成形之一連接壁、一第一接合部及一第二接合部，該連接壁具有一水平段及一彎折段，該水平段係以平行該軸線之一延伸線延伸，該彎折段係與該水平段之該延伸線夾一銳角，該第一接合部與該第二接合部係分別環繞設置於該水平段及該彎折段並鄰近二端之開口。

上述之應力緩衝裝置，其中該銳角係為5-30度。

上述之應力緩衝裝置，其中該銳角係為10-15度。

上述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體係包括一銲補部，該銲補部係由該彎折段一端沿著該彎折段之長度方向延伸一段長度。

上述之應力緩衝裝置，其中該第一接合部與該第二接合部係以垂直該軸線的方向向外延伸。

上述之應力緩衝裝置，其中該連接壁之厚度係為0.2~1 mm。

上述之應力緩衝裝置，其中該連接壁之厚度係為0.4~0.6 mm。

上述之應力緩衝裝置，其中該第一接合部之厚度大於該連接壁之厚度。

上述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體之材質係為鈮合金(Niobium)、鐵鈷鎳合金(Kovar)或恆範鋼(Invar)。

上述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體之材質係為鈮鋯合金。

據此，上述之應力緩衝裝置係藉由彎折段的結構設計，而提供了更佳的應力緩衝效果，以降低陶瓷構件與金屬構件冶金接合時造成應力殘留之問題，進而達成減少或避免陶瓷構件於銲接後或使用中產生破裂的可能性。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參照圖1至圖3，其係為本發明實施例之應力緩衝裝置的結構示意圖、剖面示意圖及部分剖面放大示意圖。

本發明實施例之應力緩衝裝置1，包含圍繞一軸線A並具有二端開口之一金屬環體100，該金屬環體100係包括一體成形之一連接壁110、一第一接合部120及一第二接合部130，該連接壁110具有一水平段111及一彎折段112，該水平段111係以平行該軸線A之一延伸線B延伸，該彎折段112係與該水平段之該延伸線B夾一銳角θ，該第一接合部120與該第二接合部130係分別環繞設置於該水平段111及該彎折段112並鄰近二端之開口。

如圖1所示，該金屬環體100係呈環繞該軸線A的環形，而具有二端之開口；配合圖2所示，該連接壁110係形成有該水平段111及該彎折段112，該連接壁110於該水平段111係呈現圓管狀，該連接壁110於該彎折段112係概呈截錐管狀，換言之，該連接壁110於該彎折段112之內徑係朝該第一接合部130軸向地逐漸減小。

如圖3所示，該水平段111係以平行該軸線A之該延伸線B延伸一段長度，該彎折段112係與該水平段111之該延伸線B係夾銳角θ，其中該銳角θ係為5-30度，較佳的是，該銳角θ係為10-15度，其係可兼具適當之變形所需之彈性及支撐所需之剛性，本實施例之圖式係以該銳角θ約為12度作為示例說明。

此外，於本實施例中，該第一接合部120與該第二接合部130係由該金屬環體100向外延伸，該第一接合部120與該第二接合部130係用於抵靠於所欲銲接接合構件之表面；較佳地是，該第一接合部120與該第二接合部130係以垂直該軸線A的方向向外延伸，所述「垂直」係包含該第一接合部120與該第二接合部130延伸之方向與該軸線A呈大約90度與其製造公差範圍內。

本實施例係示例該應力緩衝裝置1係應用於金屬構件與陶瓷構件的硬銲結合，舉例而言，高溫爐設備之藍寶石光窗與金屬座體之結合、航空或太空機具中的藍寶石透鏡與金屬基座之結合、以及飛彈彈頭與金屬彈身之結合等等精密機械之應用。

由於金屬材質與陶瓷材質之熱膨脹係數差異大，該金屬環體100之材質係採用熱膨脹係數介於金屬構件與陶瓷構件之間之金屬，舉例而言，該金屬環體100之材質可為鈮合金(Niobium)、鐵鈷鎳合金(Kovar)或恆範鋼(Invar)；本實施例中，以金屬構件為鈦合金且陶瓷構件為藍寶石材質為示例說明，該金屬環體100之材質係可例如為鈮鋯合金，故該應力緩衝裝置1可作為金屬構件與陶瓷構件之間的過渡轉接構件，該應力緩衝裝置1係具有足夠之強度與彈性，故可適度地變形而具有應力緩衝效果，進而減少或降低陶瓷構件於冶金接合後或使用中產生破裂的可能性。

請參照圖4及圖5，其係示例該應力緩衝裝置1應用於金屬構件2與陶瓷構件3之銲接結合的結構示意圖。

本實施例中，該金屬構件2係為呈圓環狀或圓柱狀之殼體，該陶瓷構件3係呈鼻錐狀之罩體，該陶瓷構件3之罩體開口大小係對應於該金屬構件2之一端開口大小，而可彼此對接接合，以供藉由硬銲結合在一起。當然，本創作實施例可應用之金屬構件與陶瓷構件的外形並不限於此。

如圖5所示，該應力緩衝裝置1係設置於該金屬構件2與該陶瓷構件3之間，而使該金屬構件2與該陶瓷構件3不直接接觸，該陶瓷構件3及該應力緩衝裝置1係可藉由包括硬銲方式進行接合，而該應力緩衝裝置1及金屬構件2係可藉由包括硬銲、壓接、熔接等方式進行接合，而上述三者(陶瓷構件3、應力緩衝裝置1與金屬構件2)係可一次或分段進行接合。

其中，該金屬構件2係具有一容置槽210，該容置槽210係形成於該金屬構件2之開口端而其槽底係作為一銲接面211，該容置槽210係用於容置該應力緩衝裝置1，且該銲接面211係與該第一接合部120之外壁面121藉由銲料4而彼此結合在一起；該陶瓷構件3之開口端係具有一對接面310，其係與該第二接合部130之第一面131藉由銲料4而彼此結合在一起，而該第二接合部130之第二面132與該金屬構件2之外緣存在有間隙，以使該金屬環體具備可供應力釋放之撓性。

本實施例中，為使該連接壁110具有足夠之剛性與用於適度變形之彈性，該連接壁110之厚度係可為0.2~1 mm，較佳的是，該連接壁110之厚度係可為0.4~0.6 mm，以達到較佳的應力緩衝效果並兼具足夠之剛性；此外，該第一接合部120之厚度大於該連接壁110之厚度，藉以提高接合處之強度。

本實施例中，該金屬環體100係包括一銲補部140，該銲補部140係由該彎折段112一端沿著該彎折段112之長度方向延伸一段長度，而使該銲補部140係與該陶瓷構件3內壁面具有一間隙。該銲補部140係用於當有銲補之需求時，係可於該間隙中選擇性地提供填料並進行銲補。舉例而言，該金屬構件2、該應力緩衝裝置1與該陶瓷構件3銲接後係檢測出漏氣情形時，係可於該銲補部140與該陶瓷構件3間的間隙中提供填料，再進行銲補，藉以解決漏氣問題。此外，該銲補部140係提供了使銲接後之補救作業變的更加容易操作之優點。

據此，本創作實施例之應力緩衝裝置1係藉由彎折段的結構設計，而提供了更佳的應力緩衝效果，以降低陶瓷構件與金屬構件冶金接合時造成應力殘留之問題，進而達成減少或避免陶瓷構件於冶金接合後或使用中產生破裂的可能性。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧應力緩衝裝置

100‧‧‧金屬環體

110‧‧‧連接壁

111‧‧‧水平段

112‧‧‧彎折段

120‧‧‧第一接合部

121‧‧‧外壁面

130‧‧‧第二接合部

131‧‧‧第一面

132‧‧‧第二面

140‧‧‧銲補部

2‧‧‧金屬構件

210‧‧‧容置槽

211‧‧‧銲接面

3‧‧‧陶瓷構件

310‧‧‧對接面

4‧‧‧銲料

A‧‧‧軸線

B‧‧‧延伸線

θ‧‧‧銳角

［圖1］係為本發明實施例之應力緩衝裝置的結構示意圖。 ［圖2］係為本發明實施例之應力緩衝裝置的剖面示意圖。 ［圖3］係為本發明實施例之應力緩衝裝置的部分剖面放大示意圖。 ［圖4］係示例應力緩衝裝置應用於金屬構件與陶瓷構件之冶金接合的示意圖。 ［圖5］係為圖4之部分剖面放大示意圖。

Claims (10)

1. 一種應力緩衝裝置，包含圍繞一軸線並具有二端開口之一金屬環體，該金屬環體至少一側係包括一體成形之一連接壁、一第一接合部及一第二接合部，該連接壁具有一水平段及一彎折段，該水平段係以平行該軸線之一延伸線延伸，該彎折段係與該水平段之該延伸線夾一銳角，該第一接合部與該第二接合部係分別環繞設置於該水平段及該彎折段並鄰近二端之開口；其中，該連接壁之水平段係呈現圓管狀，該連接壁之彎折段係呈現錐管狀。
2. 如請求項第1項所述之應力緩衝裝置，其中該銳角係為5-30度。
3. 如請求項第1項所述之應力緩衝裝置，其中該銳角係為10-15度。
4. 如請求項第1至3項中任一項所述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體係包括一銲補部，該銲補部係由該彎折段一端沿著該彎折段之長度方向延伸一段長度。
5. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該第一接合部與該第二接合部係以垂直該軸線的方向向外延伸。
6. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該連接壁之厚度係為0.2~1mm。
7. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該連接壁之厚度係為0.4~0.6mm。
8. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該第一接合部之厚度大於該連接壁之厚度。
9. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體之材質係為鈮合金(Niobium)、鐵鈷鎳合金(Kovar)或恆範鋼(Invar)。
10. 如請求項第4項所述之應力緩衝裝置，其中該金屬環體之材質係為鈮鋯合金。