kovar合金與玻璃的焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種kovar合金與玻璃的焊接方法，其包括如下步驟：S1.提供kovar合金；S2.打磨拋光kovar合金；S3.超聲清洗和清潔處理；S4.激光對kovar合金重熔處理；S5.送入管式爐中加熱。本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法中，采用激光器進行直線照射處理kovar合金表面，而不是采用爐子對整個kovar合金進行處理，不僅減少了能源浪費，同時由于僅僅對需要潤濕(或封接)的區(qū)域進行了處理，合金其他區(qū)域沒有受到影響，從而合金(金屬)的性能沒有得到惡化，提高了服役性能。
【專利說明】kovar合金與玻璃的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及kovar合金的焊接【技術(shù)領(lǐng)域】,尤其涉及一種kovar合金與玻璃的焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]玻璃材料因高溫耐磨、耐蝕、絕緣，抗氧化能力強等特點被廣泛的應(yīng)用，但玻璃本身的低延性、沖擊韌性差則限制了其在工程中的應(yīng)用。因此結(jié)合了玻璃與金屬雙重優(yōu)良性能的玻璃金屬復(fù)合連接(焊接)材料應(yīng)運而生，并廣泛應(yīng)用于微電子封裝、電池、儀器儀表、太陽能真空集熱管、復(fù)合材料等領(lǐng)域，因此研究玻璃與金屬封接有重要意義。
[0003]玻璃與金屬的封接方法有很多種，其中研究最多且理論較成熟的為匹配封接。匹配封接是在封接前先對金屬進行預(yù)氧化處理，使金屬表面生成一層厚度適當(dāng)?shù)难趸瘜?，再將金屬與玻璃放在爐中加熱保溫一定時間然后冷卻至室溫，但是匹配封接要在爐中加熱然后冷卻，從而匹配封接的生產(chǎn)周期長。
[0004]玻璃與金屬焊接性能的好壞通常使用潤濕性來衡量，其中，潤濕性是指固體界面由固-氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象，潤濕性通過潤濕角來表示。當(dāng)液滴滴在固體表面時，根據(jù)潤濕性不同可出現(xiàn)不同形狀，液滴在固液接觸邊緣的切線與固體平面間的夾角稱為潤濕角。上述潤濕性能的好壞直接影響玻璃與金屬的焊接效果，具體地，兩者之間的潤濕角越小表明潤濕性越好。
[0005]從而，上述匹配封接 中，金屬表面經(jīng)過預(yù)氧化處理形成的氧化層對玻璃與金屬的潤濕性有很大影響，氧化層與液態(tài)金屬的界面張力要比金屬與玻璃界面張力低，因此氧化層一般能提高潤濕性。故傳統(tǒng)的玻璃與金屬(合金)的匹配封接中，合金表面都是先放在爐子中進行預(yù)先熱氧化處理，獲得一定厚度的氧化層，然后玻璃在與金屬(合金)進行潤濕(又叫封接，焊接)。上述封接方法要在爐中加熱進行預(yù)先熱氧化后冷卻，然后在進行潤濕(封接)，從而造成了生產(chǎn)周期長。
[0006]此外，現(xiàn)有的封接方法中，對于金屬(合金)不需要進行潤濕或封接的區(qū)域也進行了熱氧化，惡化了材料的性能，使得材料的服役性能大為下降，而且對整個金屬(合金)進行處理，浪費了額外的能源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述問題,本發(fā)明提供了一種kovar合金與玻璃的焊接方法。
[0008]激光加工技術(shù)由于可以對指定區(qū)域進行加工處理，能夠完成熔化合金表面，從而使得合金表面指定區(qū)域形成一定的改性層，該層與金屬(合金)直接進行潤濕，可以完全潤濕。由此大大促進了玻璃與金屬(合金)封接的改進，同時沒有對其他區(qū)域進行處理，對合金服役性能也得到了極大的改善。
[0009]基于激光加工技術(shù)，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種kovar合金與玻璃的焊接方法，其包括如下步驟:[0010] S1.提供與玻璃進行封接的kovar合金；
[0011]S2.對提供的kovar合金進行表面拋光處理；
[0012]S3.再對經(jīng)過表面拋光處理的kovar合金進行清洗，清洗后吹干備用；
[0013]S4.激光器在控制系統(tǒng)控制下，發(fā)射激光對kovar合金的待加工區(qū)域進行掃描重熔處理；
[0014]S5.將與kovar合金進行焊接的玻璃放置于kovar合金的加工區(qū)域上,并將kovar合金與玻璃送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S2中對kovar合金進行表面拋光處理時，利用砂紙對kovar合金表面進行打磨拋光。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S3中進行清洗時，首先進行超聲清洗，再利用無水酒精或丙酮進行清洗。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，所述kovar合金的厚度為0.5mm~IOmm,所述kovar合金經(jīng)重熔處理后，表面粗糙度小于重熔處理前kovar合金表面粗糙度的兩倍。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S4中，發(fā)射的激光的波長為800~10640nm，功率為30~700W，掃描速度為2~26mm/s。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，所述激光器為YAG激光器、二氧化碳激光器、或半導(dǎo)體激光器。
[0020]作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S5還包括:
[0021]S51.提供玻璃粉，將其放置于圓筒中，再將圓筒放置于壓力機下，于5MPa下加壓，形成玻璃塊；
[0022]S52.將玻璃塊放置于kovar合金的加工區(qū)域上，并將kovar合金與玻璃塊送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫。
[0023]作為本發(fā)明的進一步改進，在管式爐中進行加熱時，在管式爐中的勻溫區(qū)進行加熱，程序升溫時，升溫速度為4°C /min，升溫至1100°C，保溫IOOmin,降溫時，控制降溫速率為5°C /min，至溫度降低至室溫時止。
[0024]作為本發(fā)明的進一步改進，在管式爐中進行升溫和降溫是在大氣條件下進行的。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法通過優(yōu)化工藝參數(shù)、精確控制激光重熔處理區(qū)域，控制功率、掃描速度，獲得了特定的改性處理區(qū)域，如此克服了現(xiàn)有的預(yù)氧化處理方式中存在的不足。
[0026]此外，本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法中，采用激光器進行直線照射處理kovar合金表面,而不是采用爐子對整個kovar合金進行處理,不僅減少了能源浪費，同時由于僅僅對需要潤濕(或封接)的區(qū)域進行了處理，合金其他區(qū)域沒有受到影響，從而合金(金屬)的性能沒有得到惡化，提高了服役性能。
[0027]本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法還具備能量可控性高、加工熱影響區(qū)窄、加工效率高等優(yōu)點，可更好地適應(yīng)柔性制造環(huán)境。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法的【具體實施方式】的方法流程圖；[0029]圖2為本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法中潤濕角與潤濕或不潤濕(焊接性能好壞)的分布示意圖，其中圖2中以90°為界，指向紙面左側(cè)為潤濕，指向紙面右側(cè)為不潤濕；
[0030]圖3為本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法中焊接在一起的kovar合金與玻璃的潤濕角測試金相照片；
[0031]圖4為對比例中，沒有經(jīng)過激光重熔處理、也沒有經(jīng)過預(yù)先熱氧化處理的kovar合金與玻璃的照片；
[0032]圖5為對比例中，沒有經(jīng)過激光重熔處理的kovar合金與玻璃焊接后的潤濕角測試金相照片。 【具體實施方式】
[0033]下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0034]如圖1所示,本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法,其包括如下步驟:
[0035]S1.提供與玻璃進行封接的kovar合金。
[0036]S2.對提供的kovar合金進行表面拋光處理。其中，對kovar合金進行表面拋光處理時，利用砂紙對kovar合金表面進行打磨拋光。
[0037]S3.再對經(jīng)過表面拋光處理的kovar合金進行清洗，清洗后吹干備用。所述步驟S3中進行清洗時，首先進行超聲清洗，再利用無水酒精或丙酮進行清洗，以保證kovar合金加工面的清潔。
[0038]S4.激光器在控制系統(tǒng)控制下，發(fā)射激光對kovar合金的待加工區(qū)域進行掃描重熔處理。
[0039]其中，發(fā)射的激光的波長為800~10640nm，功率為30~700W，掃描速度為2~26mm/s。經(jīng)過激光的掃描重熔處理后，保證kovar合金表面粗糙度小于重熔處理前kovar合金表面粗糙度的兩倍。本實施方式中，kovar合金的厚度為0.5mm~10mm。上述激光器可以為YAG激光器、二氧化碳激光器、或半導(dǎo)體激光器。上述激光對kovar合金的掃描重熔處理是在大氣條件下進行的。
[0040]S5.將與kovar合金進行焊接的玻璃放置于kovar合金的加工區(qū)域上,并將kovar合金與玻璃送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫，從而完成玻璃與kovar合金的焊接。
[0041]作為一種替代實施方式，當(dāng)使用玻璃粉進行焊接時，步驟S5還包括:
[0042]S51.提供玻璃粉，將其放置于圓筒中，再將圓筒放置于壓力機下，于5MPa下加壓，形成玻璃塊；
[0043]S52.將玻璃塊放置于kovar合金的加工區(qū)域上，并將kovar合金與玻璃塊送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫。
[0044]其中，將玻璃粉壓制成玻璃塊，使其在輕微運動過程中不會松散，從而使焊接能夠順利進行。優(yōu)選地，玻璃粉為borosilicate玻璃粉。[0045]具體地，進行玻璃粉壓制時，將borosilicate玻璃粉放置于C>5mmX IOmm的鋼制圓筒內(nèi)，再將該圓筒放置于壓力機下。在5MPa條件下進行壓制，保溫至少IOs后，形成玻璃塊，取出備用。
[0046]上述步驟S5及其替代實施方式中，在管式爐中進行加熱時，將kovar合金與玻璃(粉)在管式爐中的勻溫區(qū)進行加熱，程序升溫時，控制升溫速度為4°C/min，并升溫至1100°C，保溫lOOmin，降溫時，控制降溫速率為5°C /min，至溫度降低至室溫時止。上述在管式爐中進行升溫和降溫的過程均是在大氣條件下進行的。
[0047]下面結(jié)合若干 實施例對本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法進行詳細(xì)闡述。
[0048]實施例1
[0049]提供與玻璃進行封接的kovar合金，對其表面進行砂紙打磨拋光處理，對合金進行超聲波清洗，并使用無水酒精進行清洗，吹干待用。
[0050]使用YAG激光器，在激光頭控制系統(tǒng)的控制下，激光頭對位于加工區(qū)域的合金進行掃描重熔處理，處理的條件為大氣。其中，使用激光波長為1064nm的激光設(shè)備，功率為200W，掃描速度12mm/s。
[0051]提供borosilicate玻璃粉,對borosilicate玻璃粉進行壓制成塊,將玻璃塊放置在經(jīng)過重熔處理處理的合金上,送入管式爐中加熱。加熱時,控制升溫速度為4°C /min，并升溫至1100°C，保溫IOOmin后，進行降溫。降溫時，控制降溫速率為5°C /min,至溫度降低至室溫時止。
[0052]實施例2
[0053]提供與玻璃進行封接的kovar合金，對其表面進行砂紙打磨拋光處理，對合金進行超聲波清洗，并使用丙酮進行清洗，吹干待用。
[0054]使用二氧化碳激光器，在激光頭控制系統(tǒng)的控制下，激光頭對位于加工區(qū)域的合金進行掃描重熔處理，處理的條件為氧氣。其中，使用激光波長為10640nm的激光設(shè)備，功率為700W，掃描速度26mm/s。
[0055]提供borosilicate玻璃粉,對borosilicate玻璃粉進行壓制成塊,將玻璃塊放置在經(jīng)過重熔處理處理的合金上,送入管式爐中加熱。加熱時,控制升溫速度為4°C /min，并升溫至1100°C，保溫IOOmin后，進行降溫。降溫時，控制降溫速率為5°C /min,至溫度降低至室溫時止。
[0056]實施例3
[0057]提供與玻璃進行封接的kovar合金，對其表面進行砂紙打磨拋光處理，對合金進行超聲波清洗，并使用丙酮進行清洗，吹干待用。
[0058]使用半導(dǎo)體激光器，在激光頭控制系統(tǒng)的控制下，激光頭對位于加工區(qū)域的合金進行掃描重熔處理，處理的條件為大氣。其中，使用激光波長為880nm的激光設(shè)備，功率為30W，掃描速度2mm/s。
[0059]提供borosilicate玻璃粉,對borosilicate玻璃粉進行壓制成塊,將玻璃塊放置在經(jīng)過重熔處理處理的合金上,送入管式爐中加熱。加熱時,控制升溫速度為4°C /min,并升溫至1100°C，保溫IOOmin后，進行降溫。降溫時，控制降溫速率為5°C /min,至溫度降低至室溫時止。
[0060]本發(fā)明針對上述實施例1、2、3中焊接在一起的玻璃與kovar合金的焊接性能基于潤濕性進行了潤濕角的測試實驗，該測試實驗的步驟如下。
[0061]如圖2所示，潤濕角超過90°為不潤濕，小于90°為潤濕，角度越小，則潤濕性能(焊接性能)越好。
[0062]將焊接在一起的玻璃與kovar合金在爐中升溫到1100°C并保溫100分鐘，在爐中冷卻后取出。使用鑲嵌金相試樣用的樹脂將合金和玻璃一起封閉起來，沿著玻璃塊的正中間使用精密線性切割機切割下來，然后鑲嵌成金相試樣。經(jīng)過拋光處理后，放置在金相顯微鏡下使用低倍拍攝玻璃塊邊緣的金相照片。
[0063]如圖3所示，為實施例1中經(jīng)過激光重熔處理后的焊接在一起的玻璃與kovar合金潤濕角的金相照片。其中，沿著玻璃與金屬的交界添加一條長直線LI，沿著玻璃外邊緣畫一條直線L2，這兩條直線相交形成的夾角(取靠近玻璃側(cè))為潤濕角。根據(jù)測量可知，該潤濕角為28.5°，從而表明經(jīng)過激光重熔處理后，玻璃與kovar合金之間的焊接性能非常好。
[0064]針對實施例2、3進行類似的測試實驗，其中實施例2中，潤濕角為30°，實施例3中潤濕角為26°。
[0065]如圖4所示，對比性地，針對沒有經(jīng)過預(yù)先熱氧化，也沒有進行激光處理的kovar合金與玻璃塊放入爐中進行潤濕實驗，升溫到1100°c并保溫100分鐘，冷卻后取出來進行測試。
[0066]由照片中可知，由于潤濕角大于90°，不需要制備成金相試樣來觀察，從而kovar合金與玻璃塊沒有焊接在一起。
[0067]如圖5所示，對比性地，針對沒有進行激光處理的kovar合金在700°C下保溫IOmin進行預(yù)先熱氧化,合金整個表面形成一層氧化層。然后將氧化后的kovar合金與玻璃塊放入爐中進行潤濕實驗，升溫到1100°c并保溫100分鐘，爐中冷卻，制備成金相試樣觀察。
[0068]由金相照片可知，本對比例中L3和L4之間的潤濕角為45°，其焊接效果與本發(fā)明的kovar合金與玻璃塊的焊接效果相比較差。
[0069]綜上所述,本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法通過優(yōu)化工藝參數(shù)、精確控制激光重熔處理區(qū)域，控制功率、掃描速度，獲得了特定的改性處理區(qū)域，如此克服了現(xiàn)有的預(yù)氧化處理方式中存在的不足。
[0070]此外，本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法中，采用激光器進行直線照射處理kovar合金表面,而不是采用爐子對整個kovar合金進行處理,不僅減少了能源浪費，同時由于僅僅對需要潤濕(或封接)的區(qū)域進行了處理，合金其他區(qū)域沒有受到影響，從而合金(金屬)的性能沒有得到惡化，提高了服役性能。
[0071]本發(fā)明的kovar合金與玻璃的焊接方法還具備能量可控性高、加工熱影響區(qū)窄、加工效率高等優(yōu)點，可更好地適應(yīng)柔性制造環(huán)境。
[0072]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0073]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施 方式。
【權(quán)利要求】
1.一種kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述kovar合金與玻璃的焊接方法包括如下步驟: 51.提供與玻璃進行封接的kovar合金； 52.對提供的kovar合金進行表面拋光處理； 53.再對經(jīng)過表面拋光處理的kovar合金進行清洗，清洗后吹干備用； 54.激光器在控制系 統(tǒng)控制下，發(fā)射激光對kovar合金的待加工區(qū)域進行掃描重熔處理； 55.將與kovar合金進行焊接的玻璃放置于kovar合金的加工區(qū)域上,并將kovar合金與玻璃送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述步驟S2中對kovar合金進行表面拋光處理時,利用砂紙對kovar合金表面進行打磨拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述步驟S3中進行清洗時，首先進行超聲清洗，再利用無水酒精或丙酮進行清洗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述kovar合金的厚度為0.5mm~IOmm,所述kovar合金經(jīng)重熔處理后,表面粗糙度小于重熔處理前kovar合金表面粗糙度的兩倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述步驟S4中，發(fā)射的激光的波長為800~10640nm，功率為30~700W，掃描速度為2~26mm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法，其特征在于，所述激光器為YAG激光器、二氧化碳激光器、或半導(dǎo)體激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,所述步驟S5還包括: 551.提供玻璃粉，將其放置于圓筒中，再將圓筒放置于壓力機下，于5MPa下加壓，形成玻璃塊； 552.將玻璃塊放置于kovar合金的加工區(qū)域上，并將kovar合金與玻璃塊送入管式爐中進行加熱，加熱時進行程序升溫，加熱完畢后，進行保溫處理，再降溫至室溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的kovar合金與玻璃的焊接方法,其特征在于,在管式爐中進行加熱時，在管式爐中的勻溫區(qū)進行加熱，程序升溫時，升溫速度為4°C /min,升溫至1100°C，保溫lOOmin，降溫時，控制降溫速率為5°C /min，至溫度降低至室溫時止。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的kovar合金與玻璃的焊接方法，其特征在于，在管式爐中進行升溫和降溫是在大氣條件下進行的。
【文檔編號】C03C27/00GK103922613SQ201410169153
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】張敏, 陳長軍, 劉星, 王曉南, 張超, 李洋, 萬德田 申請人:蘇州大學(xué)