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一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2015-11-24
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2016-02-17
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2017-07-11
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2035-11-24
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN201510824068.6 申请日 2015-11-24
公开/公告号 CN105252099B 公开/公告日 2017-07-11
授权日 2017-07-11 预估到期日 2035-11-24
申请年 2015年 公开/公告年 2017年
缴费截止日
分类号 B23K3/04B23K1/19B23K103/18 主分类号 B23K3/04
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 5
权利要求数量 6 非专利引证数量 0
引用专利数量 0 被引证专利数量 0
非专利引证
引用专利 被引证专利
专利权维持 2 专利申请国编码 CN
专利事件 事务标签 公开、实质审查、授权
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 武汉工程大学 当前专利权人 武汉工程大学
发明人 马志斌、张田田、高攀 第一发明人 马志斌
地址 湖北省武汉市洪山区雄楚大街693号 邮编
申请人数量 1 发明人数量 3
申请人所在省 湖北省 申请人所在市 湖北省武汉市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
湖北武汉永嘉专利代理有限公司 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
唐万荣
摘要
本发明涉及金属与金刚石焊接领域。一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征在于包括如下步骤:第一步,将金属法兰和金刚石窗口清洗;第二步,金属法兰和金刚石窗口分别涂上焊料,然后将涂有焊料的面接触叠放,得到试样;第三步,试样放入焊接腔中的基片台上,然后对焊接腔进行抽真空,调节基片台的位置使试样表面低于屏蔽圆筒的上端面;第四步,使气体吸收微波能量产生等离子体;第五步,调节基片台的高度使样品快速接触微波等离子体;第六步,焊接完成后,得到试件;真空冷却,去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。该方法显著提高焊接质量与稳定性,提高金属与金刚石的焊接效率。
  • 摘要附图
    一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法
  • 说明书附图:
    一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2017-07-11 授权
2 2016-02-17 实质审查的生效 IPC(主分类): B23K 3/04 专利申请号: 201510824068.6 申请日: 2015.11.24
3 2016-01-20 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征在于包括如下步骤:
第一步,首先将金属法兰进行表面机械处理,然后将金属法兰和金刚石真空窗口进行超声波清洗去除表面油污,干燥后待用;
第二步,将第一步清洗后的金属法兰和金刚石真空窗口分别涂上焊料,然后将涂有焊料的面接触叠放,施加压力使金属法兰、焊料和金刚石真空窗口充分接触,得到试样;
第三步,将第二步叠放后的金属法兰、焊料和金刚石真空窗口试样放入焊接腔中的基片台上,然后对焊接腔进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒的上端面;
第四步,通入气体,调节气体流量、微波功率和气压,使气体吸收微波能量产生等离子体;
第五步,调节基片台的位置使试样快速接触微波等离子体,调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石真空窗口充分润湿结合;
第六步,焊接完成后,得到试件;真空冷却,去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。

2.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征是:所述第一步中超声波清洗为分别用丙酮、乙醇溶剂进行超声波清洗。

3.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征是:所述第三步中的基片台上的试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离为3-5mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征是:所述第四步中微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量400~1000sccm,微波功率
800-1400W,气体压强16-25kPa。

5.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征是:所述第五步中的焊接工艺参数如下:试样的温度为600-1000℃,保温时间1-5min。

6.根据权利要求1所述的一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征是:所述第六步中的真空冷却时间为5-15min。
说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及金属与金刚石焊接领域,尤其涉及一种微波等离子体焊接方法,具体涉及一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法。技术背景
[0002] 金刚石是一种由碳元素组成的矿物,是自然界中最坚硬的物质。金刚石的热导率一般为136.16w/(m·k)、热膨胀系数极小;化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性;还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等,在红外区域具有较好的光透过性能,因此具有许多重要的工业用途,如应用于各种高功率窗口,如高功率CO2激光窗口、高功率微波窗口等。诸如这些应用都需要金刚石窗口和金属法兰焊接形成金刚石真空窗口,便于和其他设备的连接。金刚石的碳原子具有饱和性和方向性,与大多数金属不亲和,其湿润角很大,化学稳定性很好,几乎不与酸起作用,与碱作用缓慢,在高温下,铁、钴、镍、锰、铬以及铂族金属在处于熔融状态时,能溶解金刚石。另一组元素Ti、Zr、V等都与金刚石有较好的亲和性,但必须在一定温度、压力下,且是纯金属与金刚石表面的碳原子接触时,才能生成金属碳化物。因而,金刚石与金属的焊接大多采用含有上述金属的焊料,如1958年美国通用电气公司在Ag-Cu合金中加入氢化钛,通过钛实现对金刚石的焊接。目前金刚石真空窗口的焊接方法采用常规设备和工艺烧结,然而,上述金属的表面,在一定温度下,很容易被氧化,这种被氧化了的金属表面,是不能与金刚石生成金属碳化物层的。如果采用真空或通入保护气氛的烧结炉设备,价格昂贵,且温度升温缓慢。在缓慢升温的过程中,细小的焊料颗粒会聚集变大使焊接变形较大,焊缝组织粗大,此外,焊料中有机溶剂缓慢释放形成空洞,焊接质量不佳。
[0003] 微波等离子体是气体吸收微波能量放电产生等离子体,等离子体的温度随吸收的微波能量而变化,且加热速度快,能量密度高,能量转化率高,通入一定的还原性气体可以防止焊料的氧化,非常适合金刚石真空窗口的焊接。目前,尚无有关利用微波等离子体焊接金属与金刚石的方法。微波等离子体的稳定与微波功率和气压有关,且等离子体的温度随微波功率和气压的增加而增加,如果直接将试样直接放在放电电极上,在放电过程中试样的温度升温较慢,焊料中有机溶剂会缓慢挥发产生一些气孔使焊料蓬松,不利于焊料的热传递,导致焊料的熔化不均匀。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术中存在的不足,本发明的目的在于提供一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,该方法显著提高焊接质量与稳定性,提高金属与金刚石的焊接效率。
[0005] 为实现如上所述的发明目的,本发明采用如下所述的技术方案:
[0006] 一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,其特征在于包括如下步骤:
[0007] 第一步,首先将金属法兰进行表面机械处理,然后将金属法兰和金刚石窗口进行超声波清洗去除表面油污,干燥后待用;
[0008] 第二步,将第一步清洗后的金属法兰和金刚石窗口分别涂上焊料(焊料的涂布厚度为0.03-0.5mm),然后将涂有焊料的面接触叠放,施加压力(压力为1-10N)使金属法兰、焊料和金刚石窗口充分接触,得到试样;
[0009] 第三步,将第二步叠放后的金属法兰、焊料和金刚石窗口试样放入焊接腔中的基片台上,然后对焊接腔进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒的上端面;
[0010] 第四步,通入气体(采用氢气),调节气体流量、微波功率和气压,使气体吸收微波能量产生等离子体(即微波等离子体);
[0011] 第五步,调节基片台(样品台)的位置(高度)使试样快速进入微波等离子体内(即试样距屏蔽圆筒上端面的距离为10mm),调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润湿结合;
[0012] 第六步,焊接完成后,得到试件;真空冷却,去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。
[0013] 所述第一步中超声波清洗为分别用丙酮、乙醇溶剂进行超声波清洗。
[0014] 所述第三步中的基片台上的试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离为3-5mm。
[0015] 所述第四步中微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量400 1000sccm,微波~功率800-1400w,气体压强16-25kPa。
[0016] 所述第五步中的焊接工艺参数如下:试样的温度为600-1000℃,保温时间1-5min。
[0017] 所述第六步中的真空冷却时间为5-15min。
[0018] 采用如上所述的技术方案,本发明具有如下有益效果:本发明将微波等离子体作为施焊热源,使得整过连接过程时间缩短(即提高金属与金刚石的焊接效率)、操作简单,金属与金刚石能够较好的焊接,本发明焊接过程中是在通气氛的焊接腔室进行,避免了大气中有害气体对焊接界面性能的影响,有效地提高了焊接界面综合性能,本发明将微波等离子体技术应用于金属与金刚石的焊接,显著提高焊接质量与稳定性,提高金属与金刚石的焊接效率等。

实施方案

[0021] 通过下面的实施例可以更详细的解释本发明,本发明并不局限于下面的实施例;
[0022] 一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法,包括如下步骤:
[0023] 第一步,首先将金属法兰进行表面机械处理,然后将金属法兰和金刚石窗口进行超声波清洗去除表面油污(分别用丙酮、乙醇溶剂进行超声波清洗),干燥后待用;由于具体金属和金刚石的成分不属于本发明的保护重点(金刚石窗口为现有的),故在此不予累述。
[0024] 第二步,将第一步清洗后的金属法兰和金刚石窗口分别涂上焊料(焊料的涂布厚度为0.03-0.5mm),然后将涂有焊料的面接触叠放,施加压力(压力为1-10N)使金属法兰、焊料和金刚石窗口充分接触,得到试样;
[0025] 第三步,将第二步叠放后的金属法兰、焊料和金刚石窗口试样2放入焊接腔中的基片台3上,然后对焊接腔室(焊接腔)5进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒4的上端面(试样表面低于屏蔽圆筒上端面的距离为3-5mm,试样2位于屏蔽圆筒4内,基片台3的上部位于屏蔽圆筒4内);
[0026] 第四步,通入氢气,调节气体(氢气)流量、微波功率和气压,使气体吸收微波能量产生等离子体(即微波等离子体);微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量400~1000sccm,微波功率800-1400w,气体压强16-25kPa;
[0027] 第五步,调节基片台3的位置使试样2进入接触微波等离子体1(即试样2距屏蔽圆筒4上端面的距离为10mm,此时试样2的下端面位于屏蔽圆筒4上端面之上,屏蔽圆筒4上端面之上产生微波等离子体1),调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润湿结合;焊接工艺参数如下:试样的温度为600-1000℃,保温时间1-5min;
[0028] 第六步,焊接完成后,得到试件;真空冷却(真空冷却时间为5-15min),去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。
[0029] 焊接处综合力学性能好,如表1所示,表中数据为三个试验的结果的平均值。
[0030] 表1焊接接头性能比较
[0031]焊接方法 剪切强度平均值(RτMPa) 漏气率(Pa·m3/s)
微波等离子体焊接 200 2.5×10-11
真空加热炉焊接 150 4×10-10
[0032] 以因瓦合金厚度为5mm,直径为25mm;金刚石厚度为0.3mm,直径为10mm焊接为例,本发明与现有技术相比,焊接效率显著提升,如表2所示。
[0033] 表2 焊接效率对比(工时单位,分钟)
[0034]焊接方法 装配工时 焊接工时 总工时
微波等离子体焊接 10 30 40
真空加热炉焊接 10 300 310
[0035] 本发明的具体实施例如下:
[0036] 实施例1:
[0037] 因瓦合金法兰厚度为10mm,直径为10mm;金刚石窗口的厚度为0.3mm,直径为10mm;焊料为银铜钛焊料。
[0038] 第一步,将因瓦合金法兰进行表面机械处理,然后将因瓦合金法兰和金刚石窗口分别用丙酮、乙醇溶剂超声清洗去除油污,干燥待用。
[0039] 第二步,将清洗后的因瓦合金法兰和金刚石窗口表面涂上银铜钛焊料(焊料的涂布厚度为0.03-0.5mm),然后将涂有银铜钛的面接触叠放,施加1-10N压力使因瓦合金法兰、银铜钛和金刚石窗口充分接触,得到试样;
[0040] 第三步,将试样2放入焊接腔中的基片台3上,然后对焊接腔5进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离3mm;
[0041] 第四步,通入氢气,调节气体流量、微波功率和气压工艺,使气体吸收微波能量产生稳定的等离子体(微波等离子体),其中微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量500sccm,微波功率800w,气体压强19kPa;
[0042] 第五步,调节基片台的位置使样品快速接触微波等离子体(即试样2距屏蔽圆筒4的距离为10mm,此时试样2位于屏蔽圆筒4上端面之上),调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润湿结合,其中焊接工艺参数如下:试样的温度800℃,保温时间5min;
[0043] 第六步,焊接完成后,得到试件,真空冷却(真空冷却时间为5-15min),去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。
[0044] 利用电子万能实验机进行焊接接头剪切实验测试。利用漏气率测量系统测量漏气率。焊接接头性能如表1所示,焊接效率如表2所示。
[0045] 实施例2:
[0046] 因瓦合金法兰厚度为10mm,直径为10mm;金刚石窗口厚度为0.3mm,直径为10mm;焊料为银铜钛焊料。
[0047] 第一步,将因瓦合金法兰进行表面机械处理,然后将因瓦合金法兰和金刚石窗口分别用丙酮、乙醇溶剂超声清洗去除油污,干燥待用。
[0048] 第二步,将清洗后的因瓦合金法兰和金刚石窗口表面涂上银铜钛焊料(焊料的涂布厚度为0.03-0.5mm),然后将涂有银铜钛的面接触叠放,施加1-10N压力使因瓦合金法兰、银铜钛和金刚石窗口充分接触,得到试样;
[0049] 第三步,将试样2放入焊接腔中的基片台3上,然后对焊接腔5进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离3mm;
[0050] 第四步,通入氢气,调节气体流量、微波功率和气压工艺,使气体吸收微波能量产生稳定的等离子体(微波等离子体),其中微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量500sccm,微波功率1000w,气体压强19kPa;
[0051] 第五步,调节基片台的位置使样品快速接触微波等离子体(即试样2距屏蔽圆筒4的距离为10mm,此时试样2位于屏蔽圆筒4上端面之上),调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润湿结合,其中焊接工艺参数如下:试样的温度900℃,保温时间4min;
[0052] 第六步,焊接完成后,得到试件,真空冷却(真空冷却时间为5-15min),去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。
[0053] 利用电子万能实验机进行焊接接头剪切实验测试。利用漏气率测量系统测量漏气率。焊接接头性能如表1所示,焊接效率如表2所示。
[0054] 实施例3:
[0055] 因瓦合金法兰厚度为10mm,直径为10mm;金刚石窗口厚度为0.3mm,直径为10mm;焊料为银铜钛焊料。
[0056] 第一步,将因瓦合金法兰进行表面机械处理,然后将因瓦合金法兰和金刚石窗口分别用丙酮、乙醇溶剂超声清洗去除油污,干燥待用。
[0057] 第二步,将清洗后的因瓦合金法兰和金刚石窗口表面涂上银铜钛焊料(焊料的涂布厚度为0.03-0.5mm),然后将涂有银铜钛的面接触叠放,施加1-10N压力使因瓦合金法兰、银铜钛和金刚石窗口充分接触,得到试样;
[0058] 第三步,将试样2放入焊接腔中的基片台3上,然后对焊接腔5进行抽真空,调节基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离3mm;
[0059] 第四步,通入氢气,调节气体流量、微波功率和气压工艺,使气体吸收微波能量产生稳定的等离子体(微波等离子体),其中微波等离子体产生的工艺参数如下:气体流量500sccm,微波功率1300w,气体压强19kPa;
[0060] 第五步,调节基片台的位置(样品上升)使样品快速接触微波等离子体(即试样2距屏蔽圆筒4的距离为10mm,此时试样2位于屏蔽圆筒4上端面之上),调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润湿结合,其中焊接工艺参数如下:试样的温度1000℃,保温时间3min;
[0061] 第六步,焊接完成后,得到试件,真空冷却(真空冷却时间为5-15min),去真空并取出焊接完成的试件,整个焊接工作完成。
[0062] 利用电子万能实验机进行焊接接头剪切实验测试。利用漏气率测量系统测量漏气率。焊接接头性能如表1所示,焊接效率如表2所示。
[0063] 本发明各原料的上下限、区间取值,以及工艺参数(如气体流量、微波功率、气体压强等)的上下限、区间取值都能实现本发明,在此不一一列举实施例。
[0064] 为了公开本发明的目的而在本发明中选用的实施例,当前认为是适宜的,但是,应了解的是,本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

附图说明

[0019] 图1是本发明焊接腔室的示意图。
[0020] 图中:1、微波等离子体;2、试样;3、基片台;4、屏蔽圆筒;5、焊接腔室。
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