一种镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法。

背景技术

由于激光能量密度高，高功率激光的场合中常规的硅铝系玻璃已经不能满足使用要求。而核电、化工场合，由于环境苛刻复杂、存在化学腐蚀、高温等多变的环境，常规的玻璃也同样满足不了使用要求。同玻璃相封接的金属，如铝合金、不锈钢、可伐合金也同样满足不了使用要求。

碳化硅玻璃因其优异的耐高温性、耐高压性、耐腐蚀性、力学强度可以应用于化工、核电等苛刻的使用环境。可以应用在高功率激光领域，如高功率激光器的窗口、棱镜、反射镜以及透镜等。也可以应用在化学工业领域，如化学反应器、燃烧室、炉具、加热元件以及电极等。

碳化硅玻璃与金属的焊接方法比较多，用的最多的是匹配封接，匹配封接是在封接前先对金属进行预氧化处理，使金属表面生成具有一定厚度且致密的氧化膜，再对碳化硅玻璃和金属进行加热，加热后的碳化硅玻璃和金属通过扩散熔融而完成结合，保温一段时间后冷却至室温完成焊接。但是匹配封接的方法需要较长的生产周期，同时镍基合金的氧化对镍基合金的光亮等特性影响较大。因此缩短生产周期，提高生产效率和保证封接的使用要求，直接将镍基合金与碳化硅玻璃进行焊接已成为主流焊接方法。

常规的玻璃与金属的封接需要使用Ag-Cu-Ti在高温环境下进行钎焊，钎焊材料的熔点一般在500℃-600℃，最高一般不超过1000℃，同时Ag-Cu-Ti钎焊后的结合体一般只能应用在500℃以下的工作场合，不能满足腐蚀、高压、高温等复杂的使用环境。另外对于核电、化工等场合的大型装置的玻璃窗口，还存在不方便在炉子中进行加热封接的难题。因此，在常规条件下实现镍基合金与碳化硅玻璃焊接工艺是目前亟需解决的问题。

近年来，针对金属与玻璃的焊接技术也做了相关较多的研究，如专利文献CN101428979A公开了一种玻璃与金属真空扩散焊接工艺、CN 101708964A公开了一种玻璃和金属真空钎焊工艺》但是上述焊接工艺需要在真空条件下进行操作，且金属和碳化硅玻璃的尺寸大小受到真空室的限制，一些大尺寸焊料无法适用该工艺。又如专利文献CN1541802A公开了一种金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法、CN 104291612A公开了一种金属焊接有密封条和安装孔的凸面真空玻璃，但是上述焊接工艺一方面受到焊接真空室大小的限制，另一方面工时长，不能迅速、高效地实现碳化硅玻璃与金属的焊接，所得焊接体也不能满足航空航天场合焊接体的高质量要求。

因此，为了突破高功率等场合中镍基合金与碳化硅玻璃高温封接的限制，解决工时长的问题，同时提高产品的质量，需要设计一种简单可控、焊缝良好的焊接方法来实现镍基合金与碳化硅玻璃的优良焊接。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，充分发挥了镍基合金与碳化硅玻璃的性能，采用激光直接熔化焊接，摒弃了传统利用放在真空室中进行钎焊的方法和对镍基合金进行高温氧化生成氧化膜然后再封接的办法，解决了封接强度低和传统封接对尺寸规格限制的弊端，同时避免了Ag-Cu-Ti常规钎料封接满足不了服役要求的弊端。

本发明的第一个目的是提供一种镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，包括以下步骤，

S1、根据待焊接的镍基合金和碳化硅玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；

S2、对待焊接的镍基合金和碳化硅玻璃进行预处理操作；

S3、采用焊接夹具按照要求对S2中预处理后的镍基合金和碳化硅玻璃进行夹持，做好焊接准备；

S4、设定激光器激光加工参数；

S5、激光器按照S1设定的加工轨迹对镍基合金和碳化硅玻璃进行激光焊接操作，形成镍基合金-碳化硅玻璃焊接体；

S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

在本发明的一个实施例中，在S1中，所述镍基合金和碳化硅玻璃是指能够用于航空航天领域中电子产品的所有镍基合金和碳化硅玻璃。

在本发明的一个实施例中，在S2中，所述预处理操作包括：

对待焊接的镍基合金进行气相沉积处理，在镍基合金表面形成一层Ti-Zr-Be膜；

对待焊接的碳化硅玻璃进行清水洗净、冷却风干。

在本发明的一个实施例中，所述Ti-Zr-Be膜的厚度为5μm-20μm，气相沉积过程必须控制好Ti-Zr-Be膜的厚度，若Ti-Zr-Be厚度过薄时，其结合由于应力缓冲区太小，不易实现焊接(封接强度低)，若Ti-Zr-Be膜过厚时，应力缓冲区过大，也不易实现有效焊接(封接强度低)。

在本发明的一个实施例中，在S3中，碳化硅玻璃覆盖在镍基合金的部分表面上，焊接夹具分别抵住碳化硅玻璃的表面和镍基合金的底面，提供垂直方向上的夹持力，镍基合金被覆盖住的侧边为焊缝，位于碳化硅玻璃表面上的两个焊接夹具间存在焊接作业区，焊缝在垂直方向上位于焊缝作业区中。

在本发明的一个实施例中，在S4中，所述激光器采用波长为800nm-1070nm的固体激光器。

在本发明的一个实施例中，在S4中，所述激光加工参数为：激光扫描速度为1mm·s

在本发明的一个实施例中，在S5中，所述激光焊接操作在保护气氛中进行。

在本发明的一个实施例中，所述保护气氛为氩气气氛。

在本发明的一个实施例中，在S5中，激光器按照S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束穿透碳化硅玻璃直接聚焦在镍基合金的表面上，将其熔化后与碳化硅玻璃进行接合。

本发明的第二个目的是提供一种所述的激光焊接方法制得的镍基合金-碳化硅玻璃焊接体。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的激光焊接方法沉积的Ti-Zr-Be膜属于非晶玻璃，按照相似相容的特性，玻璃和玻璃之间具有相容性，所以Ti-Zr-Be于同碳化硅玻璃之间具有较好的润湿性。同时Ti-Zr-Be非晶是金属元素形成的非晶，所以它同时还具有同镍基合金相润湿的优点。同时镍基合金、碳化硅玻璃都是服役在高温、极端条件等苛刻环境下的材料，添加的Ti-Zr-Be刚好也可以满足该服役要求。传统的将合金进行高温氧化形成一层氧化膜或者Ag-Cu-Ti作为钎料的封接，都由于服役温度低，服役条件比较单纯而不能满足本发明的应用场合的要求。

(2)采用激光直接熔化的方法来焊接镍基合金和碳化硅玻璃，摒弃了传统的真空封接法，解决了使用真空设备时对尺寸的限制和真空室的条件限制，同时也避免了胶条密封时的结合强度差、易于老化的弊端，还解决了传统钎焊时Ag-Cu-Ti钎料服役性能差的弊端，通过优化工艺参数，可进行不同尺寸规格的镍基合金与碳化硅玻璃的焊接制备，具有可控性高的优点，生产得到的镍基合金-碳化硅玻璃焊接体能够符合应用于高功率激光、核电和化工等高端制造业对行业的高标准质量要求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，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为本发明镍基合金和碳化硅玻璃在焊接过程中的位置示意图；

图2为本发明镍基合金、碳化硅玻璃和焊接夹具在焊接过程中的位置示意图；

附图标记说明：1-激光束、2-碳化硅玻璃、3-镍基合金、4-焊缝、5-焊接夹具、6-夹持力。

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。

在本发明中，除非另有说明，实施例中采用的镍基合金和碳化硅玻璃是指能够用于航空航天等领域的电子产品的所有镍基合金和碳化硅玻璃。

实施例1

参照图1-2所示，本发明的镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，具体包括以下步骤：

S1、根据待焊接的镍基合金和碳化硅玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；

S2、对待焊接的镍基合金和碳化硅玻璃进行前期焊接预处理操作；前期预处理分别是指对镍基合金进行气相沉积处理，在镍基合金表面形成一层厚度为5μm-6μm的Ti-Zr-Be膜；对碳化硅玻璃进行简单的表面清水洗净，然后冷风吹干等待使用；

S3、焊接夹具按照要求将S2中完成预处理操作的镍基合金和碳化硅玻璃进行夹持，做好焊接准备，将碳化硅玻璃2覆盖在镍基合金3的部分表面上，焊接夹具5分别抵住碳化硅玻璃2的表面和镍基合金3的底面，提供垂直方向上的夹持力6，镍基合金3被覆盖住的侧边为焊缝4，位于碳化硅玻璃2表面上的两个焊接夹具5间存在焊接作业区，焊缝4在垂直方向上位于焊缝作业区中；

S4、设定激光器激光加工参数：该激光器采用波长为800nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度为1mm·s

S5、激光器按照S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束1穿透碳化硅玻璃2直接聚焦在镍基合金3的表面上，将镍基合金3表面的Ti-Zr-Be膜熔化后与碳化硅玻璃2进行接合，形成镍基合金-碳化硅玻璃焊接体，整个激光焊接操作均在氩气的氛围中进行，在此Ti-Zr-Be膜起到了“胶水”的作用；

S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

经过测试：

封接强度为30Mpa，作为对比，采用镍基合金表面形成氧化膜后进行封接的强度为10Mpa。

在含3％H

实施例2

本发明的镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，具体包括以下步骤：

基本同实施例1，不同之处在于：Ti-Zr-Be膜的厚度为10μm-11μm，激光器采用波长为900nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度为1.3mm·s

经过测试：

封接强度为36Mpa，作为对比，采用镍基合金表面形成氧化膜后进行封接的强度为12Mpa。

在含3％H

实施例3

本发明的镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，具体包括以下步骤：

基本同实施例1，不同之处在于：Ti-Zr-Be膜的厚度为15μm-16μm，激光器采用波长为950nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度为2.5mm·s

经过测试：

封接强度为39Mpa，作为对比，采用镍基合金表面形成氧化膜后进行封接的强度为12Mpa。

在含3％H

实施例4

本发明的镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，具体包括以下步骤：

基本同实施例1，不同之处在于：阳极氧化膜的厚度为18μm-19μm，激光器采用波长为1060nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度为3.3mm·s

经过测试：

封接强度为33Mpa，作为对比，采用镍基合金表面形成氧化膜后进行封接的强度为11Mpa。

在含3％H

综上所述，本发明的镍基合金与碳化硅玻璃的激光焊接方法，采用激光直接熔化的方法来焊接镍基合金和碳化硅玻璃，避免了传统的镍基合金与碳化硅玻璃焊接时需要放置在热处理炉中和真空炉中进行保温而实现焊接而出现的弊端，突破了使用真空设备时对尺寸的限制和真空室的条件限制，同时也避免了胶条密封时的结合强度差、易于老化、环境污染的弊端，通过优化工艺参数，可进行不同尺寸规格的镍基合金与碳化硅玻璃的焊接制备，具有可控性高的优点，生产得到的镍基合金-碳化硅玻璃焊接体能够符合应用于航空航天等高端制造业对行业的高标准质量要求。

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。