添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法

技术领域

本发明涉及异质材料的封接技术领域，尤其是指添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法。

背景技术

玻璃与金属的封接多利用复合胶条密封，或利用丁基胶和聚硫胶密封，实现玻璃与金属的封接是通过玻璃与密封条、玻璃条粘接、密封。或者对金属表面进行氧化，形成一层氧化膜之后，于保温炉中，在高温条件下，长时间保温，实现玻璃与金属的封接。由于封接的时候温度高、保温时间长，不仅对玻璃与金属的性能有损伤，同时对生产效率和质量的控制也非常不便。与传统的封接用金属材料相比，钛及钛合金材料的强度与优质钢相近，不仅具有密度小、质量轻、比强度高等优点，还具有工作范围宽及耐腐蚀性等优点，被誉为“二十一世纪的金属”，且其在航空航天、航海、化工、冶金、医疗、仪表等领域得到广泛的应用。然而钛合金材料在与玻璃封接的过程中存在浸润性差、高温相变等问题，因此，目前玻璃体与钛合金封接界面会存在一定的缺陷，比如当受到外界环境变化的干扰时，封接界面的缺陷处产生大量微裂纹，从而造成气密性不良、绝缘电阻较差等问题。同时，钛合金极易高温氧化，且不同温度下形成不同的类型的氧化层，会增加后续的表面处理的难度。因此，仍需要一种便捷、可靠的封接手段来实现玻璃与钛合金的封接。

目前要提高玻璃与钛合金封接体在热循环载荷下的稳定性，采用中间层来释放应力和减少脆性金属间化合物的形成，是行之有效的解决方案。显然，优化钎料化学组成、形成梯度材料、并减少或防止脆性金属间化合物的形成是一个极佳的解决途径。

鉴于泡沫铜是极易同玻璃形成具有金属特性的化合物，而泡沫铜在同时还极易同金属中的Fe、Ni等形成脆性的金属间化合物，这就使得常用的钎焊料在玻璃与金属封接体中形成脆性的金属间化合物。为了防止脆性金属间化合物的形成，于是我们在泡沫铜与金属之间添加一层钎料层形成阻挡层，使泡沫铜与基体金属之间由于阻挡层的存在而不易或不能形成脆性的金属间化合物，这样就有可能进一步的提高玻璃与金属封接体的耐热循环载荷的性能。由于传统的钎料是直接由Ag-Cu或者Ag-Cu-Ti所组成，这一钎料属于具有金属特性的化合物，其优点是可以同玻璃或陶瓷结合，但会不可避免地同基体金属中的Ti、Al、Ni形成脆性的金属间化合物，所以急需要开发一种新的材料体系来代替现有的材料体系。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，具体为一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，能够有效提高玻璃与钛合金之间的封接头的强度。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明第一个目的是提供一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，包括以下步骤，

S1：根据待封接的玻璃和钛合金的尺寸、形状，设定加工轨迹；

S2：将焊料均匀喷洒或者放置在钛合金待封接的一侧，在所述焊料上放置泡沫铜；在所述泡沫铜上再喷洒或者放置焊料；

所述焊料为TiZrNiCu粉末或TiZrNiCu箔片，所述TiZrNiCu粉末或TiZrNiCu箔片中按原子百分比分数计包括如下组分：Ti-5Zr-15Ni-15Cu；

所述泡沫铜为泡沫铜粉末或泡沫铜箔片；

S3：将待封接的玻璃放置于配置好泡沫铜和焊料的钛合金上，保证待封接的玻璃与钛合金紧密接触，形成待封接体；

S4：夹持步骤S3所得待封接体，按照步骤S1设定的加工轨迹对玻璃与钛合金的交界处的焊料进行激光照射，制得玻璃-钛合金封接体。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述待封接的玻璃和待封接的钛合金经过以下预处理得到：

对待封接的钛合金进行脱脂、去油处理后再进行氧化处理；

对待封接的玻璃进行清水洗净，然后冷却风干。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述钛合金为钛合金Ti6Al4V。

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述玻璃为高纯度二氧化硅玻璃。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述焊料的厚度为20μm-100μm。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述TiZrNiCu粉末的粒径为5μm-50μm。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述焊料为TiZrNiCu粉末时，在焊料上放置泡沫铜箔片；

所述焊料为TiZrNiCu箔片时，在焊料上放置泡沫铜箔片或者喷洒泡沫铜粉末。

即TiZrNiCu和泡沫铜在放置的时候，可以同时为箔片，但不能同时为粉末。

具体的，所述TiZrNiCu粉末或TiZrNiCu箔片以及泡沫铜箔片具有金属光泽，不需要进行氧化处理。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述泡沫铜箔片的厚度为10μm-30μm。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述泡沫铜粉末的粒度小于10μm，纯度大于99.7％。

在本发明的一个实施例中，步骤S4中，所述激光的波长为800nm-1100nm。

在本发明的一个实施例中，步骤S4中，所述激光照射的参数为：激光扫描速度为80mm·min

在本发明的一个实施例中，步骤S4中，激光照射在保护气氛中进行；具体的，所述保护气氛为氦气或氩气，优选为氩气。

本发明第二个目的是提供所述的激光封接方法制得的玻璃-钛合金封接体。所述玻璃-钛合金封接体包括玻璃、钛合金以及设置于所述玻璃与钛合金的边缘之间的封接用的焊料和泡沫铜，具体结构示意图如图1所示。

本发明中使用的钎料组成为TiZrNiCu，而将泡沫铜作为单独地一个钎料焊接层，TiZrNiCu在金属基体和泡沫铜之间形成阻挡层，来避免泡沫铜与基体之间形成脆性的金属间化合物。因此本发明提出的使用TiZrNiCu作为钎料以及使用泡沫铜作为过渡层来进行玻璃与钛合金的封接，能够进一步提高钛合金与玻璃封接体的性能，尤其是耐热冲击的性能。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明封接过程中在玻璃和钛合金之引入焊料的同时引入了泡沫铜作为功能梯度材料，有效减少了玻璃与钛合金之间热膨胀系数差异过大造成的不匹配和物理性能差异造成的应力释放问题和裂纹的萌生敏感性，降低了它们之间的热应力和界面压力，并提高了钛合金与玻璃封接体耐热冲击和热循环的容许极限。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明封结体的材料组合示意图；

说明书附图标记说明：1、钛合金钢板；2、焊料；3、泡沫Ni；4、玻璃。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，具体步骤如下：

S1：以8mm×20mm×4mm的视窗玻璃样品作为待封接玻璃，以10mm×25mm×1.5mm的钛合金Ti6Al4V钢板作为待封接钛合金Ti6Al4V，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；

S2：对待封接钛合金Ti6Al4V进行脱脂、去油处理后在进行氧化处理；对待封接的玻璃进行清水洗净，然后冷却风干；

S3：以厚度为20μm左右的TiZrNiCu箔片作为焊料，放置在待封接钛合金Ti6Al4V的一侧，在焊料上再喷洒厚度为11μm的泡沫铜粉末；其中，TiZrNiCu箔片按原子百分数计包括如下组分：Ag-42.44at％Cu-7.56at％Sn，且具有金属光泽，不需要再进行特殊处理；泡沫铜粉末的纯度为大于99.7％；

S4：将待封接的玻璃放置于配置好泡沫铜和焊料的钛合金Ti6Al4V上，保证待封接的玻璃与钛合金Ti6Al4V紧密接触，形成待封接体；在泡沫铜粉末上再放置一层厚度为20μm左右的TiZrNiCu箔片；

S5；焊接夹具按照要求将步骤S4中的待封接体进行夹持，做好激光封接准备；

S6：采用波长为1064nm的光纤激光器，设定该光纤激光器的激光加工参数为：激光扫描速度100mm·min

激光器按照步骤S1设定的加工轨迹：扫描长度为78mm(X方向)和18mm(Y方向)，在氩气的氛围中在距离焊料的2mm处，对玻璃与钛合金Ti6Al4V的交界处的焊料进行激光照射，在此焊料起到了“胶水”的作用，制得玻璃-钛合金Ti6Al4V封接体；

S7：拆除焊接夹具，完成整个激光封接操作流程。

经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-钛合金Ti6Al4V封接体的抗剪强度可达30MPa。

以没有添加泡沫铜层的封接体作为对比，进行热疲劳实验，实验方法为，将添加和不添加泡沫铜层的封接体同时放进保温炉中进行保温，保温12min后，取出封接体放置在常温下，使用风扇吹冷，吹冷时间为20分钟，待封接体温度变为室温后，放入炉子中继续保温12min中，如此反复进行。其中每进行5次后，对室温下的封接体进行一次着色检查，检查是否有裂纹存在。

结果显示，本实施例条件下，在5次循环的时候，没有添加泡沫铜层的出现裂纹，封接体失效。而添加泡沫铜层的在5次循环的时候没有出现裂纹，在第10次循环的时候才出现裂纹。同时传统的不添加焊料的封接体需要对钛合金进行高温氧化，采用Ag-Cu作为钎料的封接体在超过一次循环的时候就失效了。

实施例2

本实施例提供了一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，与实施例1的方法类似，其不同之处在于：

所采用的TiZrNiCu焊料的厚度为32μm，焊料形态为粉末，其上放置泡沫铜箔片，泡沫铜箔片厚度为15μm，采用波长为1000nm的Nd-YAG型激光器，该Nd-YAG型激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(X方向)和18mm(Y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度40mm·min

经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-钛合金Ti6Al4V封接体的抗剪强度可达37MPa。

以没有添加泡沫铜层的封接体作为对比，进行热疲劳实验，结果显示，本实施例条件下，在10次循环的时候，没有添加泡沫铜层的出现裂纹，封接体失效。而添加泡沫铜层的在15次循环的时候没有出现裂纹，在第20次循环的时候才出现裂纹。同时传统的不添加焊料的封接体需要对钛合金进行高温氧化，采用Ag-Cu作为钎料的封接体在超过一次循环的时候就失效了。

实施例3

本实施例提供了一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，与实施例1的方法类似，其不同之处在于：

所采用的TiZrNiCu焊料的厚度为45μm，TiZrNiCu的形式为箔片，其上覆盖一层泡沫铜箔片，厚度为20μm。采用波长为940nm的半导体激光器，该半导体激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(X方向)和18mm(Y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度160mm·min

经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-钛合金Ti6Al4V封接体的抗剪强度可达44MPa。

以没有添加泡沫铜层的封接体作为对比，进行热疲劳实验，结果显示，本实施例条件下，在20次循环的时候，没有添加泡沫铜层的出现裂纹，封接体失效。而添加泡沫铜层的在25次循环的时候没有出现裂纹，在第30次循环的时候才出现裂纹。同时传统的不添加焊料的封接体需要对钛合金进行高温氧化，采用Ag-Cu作为钎料的封接体在超过一次循环的时候就失效了。

实施例4

本实施例提供了一种添加泡沫铜作为过渡层实现玻璃与钛合金的激光封接方法，与实施例1的方法类似，其不同之处在于：

所采用的焊料的TiZrNiCu组分的厚度为70μm，TiZrNiCu的形式为粉末，其上覆盖泡沫铜箔片，厚度为25μm.所采用波长为810nm的半导体激光器，该半导体激光器设定的加工轨迹为扫描长度为78mm(X方向)和18mm(Y方向)，且激光参数设定为：激光扫描速度163mm·min

经试验测得，采用本实施例的激光封接方法获得的玻璃-钛合金Ti6Al4V封接体的抗剪强度可达46MPa。

以没有添加泡沫铜层的封接体作为对比，进行热疲劳实验，结果显示，本实施例条件下，在25次循环的时候，没有添加泡沫铜层的出现裂纹，封接体失效。而添加泡沫铜层的在30次循环的时候没有出现裂纹，在第35次循环的时候才出现裂纹。同时传统的不添加焊料的封接体需要对钛合金进行高温氧化，采用Ag-Cu作为钎料的封接体在超过一次循环的时候就失效了。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。