專利名稱：陶瓷與金屬雙激光束部分瞬間液相焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷與金屬雙激光束部分瞬間液相焊接方法，該焊接方法能夠明 顯提高陶瓷與金屬的連接強度和提高焊接件的耐高溫性能，屬于陶瓷焊接技術領域。
背景技術：
陶瓷和金屬材料性質不同，在焊接界面上存在著化學及物理性能的差異，陶瓷與 金屬的焊接是焊接領域的一個技術難題?，F有的焊接方法有熔化焊、活性釬焊、固相擴散 焊?，F有一種具體的熔化焊接方法采用兩束激光，即預熱激光束、焊接激光束，見圖1 所示，預熱激光束為焊接區(qū)域預熱，焊接激光束焊接陶瓷工件1、金屬工件2的對接縫，工件 按速度V1平移，預熱激光束按速度V2往復移動，通過接縫處工件材料發(fā)生的互溶而實現焊 接。在焊接過程中，在預熱激光束的作用下，一方面提高焊接工件的溫度，利于焊接激光束 的焊接，另一方面能夠降低工件的連接應力，減少焊接接頭裂紋。該方法具有加熱和冷卻速 度快的特點，從而焊接效率高；焊接后的工件焊接接頭耐高溫，不會因高溫而開焊。但是，該 方法是在非常高的溫度下完成的，為了降低連接應力，防止焊接接頭產生裂紋，還必須采取 緩冷措施，使得焊接工藝變得復雜；另外，其預熱激光束作用單一，只是對工件的焊接區(qū)域 進行預熱，并未針對陶瓷與金屬焊接界面所存在的化學及物理性能的差異而對焊接界面進 行形貌處理?，F有一種活性釬焊方法是在焊接界面處填加活性釬料，如Ag-Cu-Ti，在環(huán)境熱源 的作用下，發(fā)生活性釬料與工件材料的互溶，從而實現焊接。在焊接過程中，由于活性釬料 中的活性元素化學性質活躍，高溫下易與空氣中的氧等發(fā)生化學反應，因此，活性釬焊通常 在真空中或者在惰性氣體保護下進行?；钚遭F焊其不足在于，由于活性釬料的低熔點特性， 如600 700°C，很難保證工件焊接接頭的耐高溫性能，會因高溫而開焊?，F有一種固相擴散焊是在高溫狀態(tài)下，對工件施以一定壓力，形成密切接觸的焊 接界面，通過原子擴散實現焊接。通過該方法獲得的焊接接頭具有良好的耐高溫性能，不會 因高溫而開焊。但是，需要精密加工焊接面，盡管如此，仍然難以完全消除焊接界面空洞，常 常出現固相擴散連接不足現象；加熱方式為整體加熱，工件整體處在高溫下，施加的壓力也 會增加殘余應力，最終導致工件變形。PTLP方法是一種活性釬焊與固相擴散焊相結合的焊接技術，誕生于1990年，全稱 為部分瞬間液相連接(Partial Transient Liquid Phase Bonding)方法。采用PTLP方法 焊接陶瓷時，采用不同厚度的金屬層組成B-A-B形式的多層中間層，而且B層的厚度遠小于 A。在連接過程中，將多層中間層放置在焊接界面處，施加較小的壓力，或者不施加壓力，并 在真空條件下電熱加熱，使金屬B熔化或者A-B兩種金屬發(fā)生共晶反應，僅在焊接界面緊鄰 陶瓷處形成局部液態(tài)合金，通過液態(tài)合金與中間核心層金屬A之間長時間的相互擴散，多 層中間層液態(tài)合金與焊接工件母材之間發(fā)生擴散，液相區(qū)等溫凝固和固相成分均勻化，合 金元素趨向于均勻化，最終形成牢固的連接。PTLP方法具有活性釬焊和固相擴散焊的優(yōu)點，頭具有固相擴散焊的耐熱性能。但是，由于需要同時保證連接強度和耐高 溫性能，多層中間層不易設計，有時多層中間層金屬還需要進行高溫退火。

發(fā)明內容
為了提高陶瓷與金屬連接接頭的連接強度和耐高溫性能，吸納現有各焊接技術的 優(yōu)點，最大程度低摒棄各現有焊接技術的不足，我們發(fā)明了一種陶瓷與金屬雙激光束部分 瞬間液相焊接方法。本發(fā)明采用兩束激光，見圖2所示，焊接過程在具有保護氣氛的焊接室1內進行， 其特征在于，高熔點雙層金屬層2位于金屬工件3的焊接面上；預處理激光4先行掃描陶瓷 工件5焊接面，激光功率600 1500W，掃描速度0. 3 1. Omm/s,光斑直徑1 4mm ；驅動 陶瓷工件5、金屬工件3，使它們的焊接面及位于其間的高熔點雙層金屬層2擠壓在一起，并 一同旋轉，見圖3所示，壓力不大于0. OlMpa,轉速200 300rpm ；焊接激光6隨后自焊接面 及高熔點雙層金屬層2邊緣施焊，激光功率700 1000W，光斑直徑0. 1 0. 3mm。本發(fā)明之方法其技術效果在于1、本發(fā)明雖然也采用兩束激光，但與現有技術不同的是，其中一束激光為預處理 激光4，預處理激光4其作用除了預熱陶瓷工件5從而降低焊縫的裂紋敏感性外，還對陶瓷 工件5的焊接面進行表面處理，處理結果從宏觀上看焊接面變得粗糙，在微觀上則在焊接 面產生規(guī)則分布的圓錐面凸起結構，不僅增加同液相的高熔點雙層金屬層2的接觸面積， 而且對液相的高熔點雙層金屬層2具有自鎖緊作用；另外，所述預處理還具有清潔陶瓷工 件5焊接面的作用，減少焊接面上的雜質，從而提高連接強度。2、具有釬料作用的高熔點雙層金屬層2其熔點要遠高于現有活性釬料，從而陶瓷 工件5與金屬工件3連接接頭具有耐高溫性能，不會因高溫而開焊。采用不同于現有活性 釬焊方法的熱源，焊接激光6的采用一方面使得高熔點雙層金屬層2的采用成為可能，另一 方面由于激光焊接為局部加熱，因此，既不會導致工件材料結構發(fā)生變化，也不會因對工件 施壓導致工件形狀發(fā)生變化?？梢?，相比現有雙激光束熔化焊接方法、活性釬焊方法、固相 擴散焊，本發(fā)明均有進步。3、在焊接激光6施焊的過程中，通過對其功率的調整，實現對高熔點雙層金屬層2 的熔化體積分數進行控制，高熔點雙層金屬層2處于半固態(tài)狀態(tài)，實現陶瓷工件5與金屬工 件3的瞬時、部分液相連接，在吸收PLDP方法的優(yōu)點的同時，克服固相擴散焊壓焊的不足， 如無需精密加工工件焊接面。


圖1是現有一種陶瓷與金屬的雙激光束焊接方法示意圖。圖2是本發(fā)明之焊接方 法預處理激光工作情況示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖3是本發(fā)明之焊接方法焊接激光 工作情況示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明之具體方案如下。采用兩束激光，見圖2所示，焊接過程在具有保護氣氛的 焊接室1內進行。自抽氣口 7將焊接室1抽真空，自充氣口 8充入Ar氣在焊接室1內形成保護氣氛。高熔點雙層金屬層2位于金屬工件3的焊接面上，高熔點雙層金屬層2厚0. 4mm, 包括厚0. 28mm的！^層和厚0. 12mmNi層，熔點均在1300°C以上。Fe層與金屬工件3焊接面 接觸。金屬工件3固定在右靶9上，右靶9由右電機10驅動。預處理激光4先行掃描陶瓷 工件5焊接面，激光功率600 1500W，掃描速度0. 3 1. Omm/s，光斑直徑1 4mm。預處 理激光4來自德國Rofin公司制造的DC050型(X)2激光器，該激光器最大輸出功率5000W， 輸出波長10. 6 μ m,輸出連續(xù)波激光，采用焦距為350的聚焦鏡聚焦，離焦量+2mm。陶瓷工 件5固定在左靶11上，左靶11由左電機12驅動。金屬工件3、陶瓷工件5均為圓柱狀，直 徑為6mm。驅動陶瓷工件5、金屬工件3，使它們的焊接面及位于其間的高熔點雙層金屬層2 擠壓在一起，并一同旋轉，見圖3所示，壓力不大于0. OlMpa,轉速200 300rpm ；焊接激光 6隨后自焊接面及高熔點雙層金屬層2邊緣施焊，激光功率700 1000W，光斑直徑0. 1 0. 3mm。焊接激光6來自德國TRUMPF公司制造的Nd:YAG激光器，該激光器最大輸出功率 4000W，波長 1. 06 μ mo當陶瓷工件5為SiC陶瓷、金屬工件3為Ni基合金時，預處理激光4激光功率 800W，掃描速度0. 5mm/s，光斑直徑2mm。陶瓷工件5、金屬工件3、高熔點雙層金屬層2擠壓 在一起的壓力不大于0. OlMpa，一同旋轉的轉速為200rpm。焊接激光6激光功率700W，光斑 直徑0. 3mm。焊接結果顯示，焊接工件無變形，焊接接頭在700°C時的剪切強度達到220MPa。當陶瓷工件5為Si3N4陶瓷、金屬工件3為40Cr合金時，預處理激光4激光功率 600W，掃描速度0. 3mm/s，光斑直徑3mm。陶瓷工件5、金屬工件3、高熔點雙層金屬層2擠壓 在一起的壓力不大于0. OlMpa，一同旋轉的轉速為200rpm。焊接激光6激光功率800W，光斑 直徑0. 2mm。焊接結果顯示，焊接工件無變形，焊接接頭在700°C時的剪切強度達到220MPa。
權利要求
1.一種陶瓷與金屬雙激光束部分瞬間液相焊接方法，采用兩束激光，焊接過程在具有 保護氣氛的焊接室(1)內進行，其特征在于，高熔點雙層金屬層(2)位于金屬工件(3)的焊 接面上；預處理激光(4)先行掃描陶瓷工件(5)焊接面，激光功率600 1500W，掃描速度 0. 3 1. Omm/s，光斑直徑1 4mm ；驅動陶瓷工件(5)、金屬工件(3)，使它們的焊接面及位 于其間的高熔點雙層金屬層( 擠壓在一起，并一同旋轉，壓力不大于O.OlMpa，轉速200 300rpm;焊接激光(6)隨后自焊接面及高熔點雙層金屬層(2)邊緣施焊，激光功率700 1000W，光斑直徑0. 1 0. 3匪。
2.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于，高熔點雙層金屬層( 包括狗層和 Ni層，Fe層與金屬工件C3)焊接面接觸。
3.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于，預處理激光(4)來自CO2激光器，采 用焦距為350的聚焦鏡聚焦，離焦量+2mm。
4.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于，焊接激光(6)來自Nd:YAG激光器。
5.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于，陶瓷工件( 為SiC陶瓷、金屬工件 ⑶為Ni基合金；或者陶瓷工件(5)為Si3N4陶瓷、金屬工件⑶為40Cr合金。
全文摘要
陶瓷與金屬雙激光束部分瞬間液相焊接方法屬于陶瓷焊接技術領域?，F有技術存在陶瓷與金屬連接接頭的連接強度低和耐高溫性能差的缺點。本發(fā)明采用兩束激光，焊接過程在具有保護氣氛的焊接室內進行，高熔點雙層金屬層位于金屬工件的焊接面上；預處理激光先行掃描陶瓷工件焊接面，激光功率600～1500W，掃描速度0.3～1.0mm/s，光斑直徑1～4mm；驅動陶瓷工件、金屬工件，使它們的焊接面及位于其間的高熔點雙層金屬層擠壓在一起，并一同旋轉，壓力不大于0.01MPa，轉速200～300rpm；焊接激光隨后自焊接面及高熔點雙層金屬層邊緣施焊，激光功率700～1000W，光斑直徑0.1～0.3mm。
文檔編號C04B37/02GK102140036SQ201110028669
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權日2011年1月27日
發(fā)明者劉鳳德, 劉雙宇, 張宏, 徐春鷹, 石巖 申請人:長春理工大學