鉬組玻璃與可伐合金的雷射焊接工藝方法與流程
2023-06-10 10:42:26
本發明涉及的是利用雷射焊接進行目組玻璃與可伐合金焊接工藝，屬於非金屬與金屬材料的技術連接領域，該工藝方法主要可以用於真空集熱管和航空航天領域的焊接，屬於焊接技術領域。
背景技術：
隨著科學技術的快速發展，玻璃與金屬連接技術可以應用於太陽能發電中，即獲得高質量的太陽能真空集熱管，可以大大提高太陽能熱力發電的效率，同時對玻璃與金屬的封接技術提出了更高的要求。
目前玻璃與金屬的連接方法有陽極鍵合、釺焊、摩擦焊、電子束焊、爆炸焊等，但這些方法存在容易老化、精確度低、強度低和氣孔多等缺陷。金屬材料與玻璃連接的主要問題是：(1)熱膨脹係數相差大，應力集中，焊後出現大量微裂紋，接頭性能差；(2)玻璃材料主要結合方式是共價鍵，金屬材料的主要結合方式是離子鍵和金屬鍵，潤溼性很差，界面結合困難；(3)非金屬材料韌性差，容易發生斷裂。玻璃材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕、絕緣性能優異等特點，但玻璃本身的低延展性和較差的衝擊韌性限制了其在工程中的應用。金屬材料具有良好塑韌性和切削加工性，而非金屬材料脆性較大，與非金屬材料形成了互補，因此對研發出一種可靠的玻璃與金屬連接技術提出了迫切要求。
雷射焊接技術是將兩種異種材料通過高能束流，快速熔化，形成較小的熱影響區，達到相互連接的目的。現有的雷射焊接工藝原理主要為：雷射束照射在金屬表面，首先將金屬融透，然後傳熱給玻璃，達到玻璃的軟化溫度，在界面處反應，生成新物質，形成化學結合。主要包含以下工藝步驟：(1)將焊接件進行表面處理；(2)為了防止在焊接過程中開裂，焊前進行預熱，預熱溫度為260-400℃，保溫時間為15min，(3)雷射焊接，雷射功率為600-900w，焊接速度為2.5-5.5mm/s，離焦量為0mm，保護氣體為氬氣，氣體流量為20l/min，掃描次數為1-3道；(4)焊後熱處理，隨爐冷卻，室溫下取出焊接件。
研究發現採用雷射焊接工藝熱變形較小，熱影響區小，精確度高，成形快；焊接過程中局部重疊部分加熱和冷卻保持著平衡，熔池非常穩定；能有效降低焊後應力，得到良好的焊接接頭。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種鉬組玻璃與可伐合金雷射焊接新工藝，這種工藝提高了玻璃與可伐合金焊接接頭的抗剪切強度及使用壽命，具有良好的經濟性效果。
本發明所要解決的技術問題採用以下技術方案來實現，具體包括以下步驟：
(1)清潔試樣：首先用金相砂紙將可伐合金表面的氧化膜去除，優選砂紙從400目打磨至1200目，然後進行拋光，最後進行脫脂去油處理；鉬組玻璃表面用600-800目金相砂紙磨平；最後再分別用丙酮、乙醇和清水清洗表面，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)製取氧化膜：將經過表面清潔後的可伐合金在真空中淨化處理，然後放置在氧化爐中製備氧化膜，通過控制氧化時間和氧化溫度獲得不同厚度的氧化膜；
(3)製備中間層：將ni2o3、mno2、b2o3、al2o3、sio2氧化物粉末和酒精混合，製備成塗覆液，優選比例為每150g氧化物粉末對應100ml酒精，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，使塗覆層厚度優選100-150μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為700-900℃，時間為5-20min；優選氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％；
(4)焊前預熱：將夾具放在爐中進行預熱，預熱溫度為260-400℃，預熱時間為15min；
(5)雷射焊接：設定好雷射焊工藝，對可伐合金和鉬組玻璃進行雷射焊接；
(6)焊後熱處理：焊接結束後，將焊件迅速移至加熱爐中進行去應力退火，隨爐冷卻至室溫，可得到可靠的玻璃與金屬的焊接件；
進一步優選，條件如下：
上述技術方案中，所述步驟(2)真空淨化時間為5min，真空度不高於10-1mpa，溫度為600-700℃；然後再在空氣氧化爐中進行保溫製備氧化膜，保溫時間優選5-20min，氧化得到以fe2o3和fe3o4為主要成分的氧化膜；
上述技術方案中，所述步驟(4)中所使用的爐和步驟(6)所使用的加熱爐為均為電阻加熱爐，步驟(6)焊後熱處理溫度為260-400℃，隨爐冷卻；
上述技術方案中，所述步驟(5)雷射器為nd:yag雷射器，雷射焊參數為：雷射功率為600-900w，焊接速度為2.5-5.5mm/s，離焦量優選為0mm，保護氣體為氬氣，氣體流量為20l/min，掃描次數為1-3次；
本發明與現有技術相比較具有顯著優點：
1.本發明選用的材料為鉬組玻璃和可伐合金，二者在20-450℃範圍內，熱膨脹係數非常相近，可以從根源上減小焊後應力；
2.通過優化雷射焊工藝參數，可以精確控制熱輸入，避免了由於較大熱輸入造成的開裂和熔斷等現象；本發明採用焊前預熱及焊後熱處理措施，避免了由於急速升溫和急速冷卻造成的開裂。
3.雷射焊接方法成本低，效率高，焊接質量好，更加適合批量製造；
附圖說明
圖1本發明雷射焊接示意圖；
圖2某一雷射焊接尺寸示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步我說嘛，但本發明並不限於以下實施例。
實施例1
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將可伐合金和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)可伐合金試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為120μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；(4)將氧化後的可伐合金試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為2.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，鉬組玻璃與金屬的抗剪切強度可達2.79mpa。
實施例2
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為120μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為3.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，目組玻璃與金屬的抗剪切強度可達3.92mpa。
實施例3
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和目組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為130μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為4mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，目組玻璃與金屬的抗剪切強度可達7.60mpa。
實施例4
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為120μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為4.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，目組玻璃與金屬的抗剪切強度可達12.81mpa。
實施例5
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和目組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為120μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為5.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，目組玻璃與金屬的抗剪切強度可達6.70mpa。
實施例6
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將ni2o3-mno2-b2o3金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為130μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於目組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率600w,焊接速度為4.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，鉬組玻璃與金屬的抗剪切強度可達4.64mpa。
實施例7
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為140μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率700w,焊接速度為4.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，鉬組玻璃與金屬的抗剪切強度可達12.81mpa。
實施例8
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為140μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(3)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(4)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(5)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率800w,焊接速度為4.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(6)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(7)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，鉬組玻璃與金屬的抗剪切強度可達9.86mpa。
實施例9
(1)將可伐合金表面用砂紙從400目磨至1200目，將鉬組玻璃用金相砂紙磨平，分別用丙酮、乙醇清洗表面，清洗時間分別為5min，將金屬和鉬組玻璃在爐中進行烘乾；
(2)金屬試樣尺寸為40×20×1.1mm，在真空度為10-1mpa環境處理5min，然後在溫度為650℃爐中氧化10min；
(3)將金屬氧化物粉末(氧化物粉末質量百分比組成為：ni2o335％、mno210％、b2o319％、al2o35％、sio231％)和酒精混合均勻，比例為150g/100ml，將塗覆液塗覆到步驟(2)可伐合金表面，塗覆層厚度為150μm；然後將可伐合金在爐中採用燒結方式製備中間層，溫度為800℃，時間為10min；
(4)將氧化後的金屬試樣置於鉬組玻璃試樣(20×15×3mm)上，安裝在夾具上；
(5)預熱溫度為300℃，預熱時間15min；
(6)雷射器型號為：yls-3000-sm，雷射參數為：雷射功率900w,焊接速度為4.5mm/s，氣體流量為20l/min；
(7)焊後熱處理溫度為350℃，隨爐冷卻；
(8)強度實驗測試，採用本實例的方法焊接後，鉬組玻璃與金屬的抗剪切強度可達6.35mpa。
註：◎表示優，○表示良好，△表示一般，×表示不合格。