专利名称：一种铝热反应箔、其制作方法以及在焊接工艺中的应用的制作方法
技术领域：
本发明属于铝热焊接技术领域，特别涉及一种铝热反应箔及其制作方法，以及该铝热反应钼作为引燃剂、内部热源在焊接工艺中的应用，适用于各种细小零部件的焊接、各种装甲及零件的焊接，以及装甲车辆的野外工作、战场应急抢修等焊接工艺。
背景技术：
利用氧化铁和铝粉的反应所放出的热量熔化铁和氧化铝，其应用在焊接中已经使用了将近100年。这种铝热反应最常用在轨道焊接等高温户外作业，在使用中，熔化的金属从熔炉中流入待焊接的模具中，低密度的氧化铝漂浮在熔炉的上层，最后去除。但是，氧化铁和铝粉的反应需要提前预热，放出的热量也不容易控制，因此限制了其应用范围。陶瓷材料具有硬度高、质量轻的优点，其对动能弹和弹药破片的防御能力都很强， 目前已成为一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲。但是在陶瓷装甲及其装甲零件的焊接与修补方面，传统焊接主要存在如下问题一是待焊装甲及零件与基底材料之间的热膨胀系数相差很大，致使在焊接冷却以及温度骤变时，焊缝产生应力，严重影响焊接强度；二是需要有焊接设备和电气等能源，而野战条件下的装甲装备不但没有携带随车电焊设备，也没有电源和储气设备，因此，传统的焊接方法不能满足装甲抢修的需要；三是焊缝金属多为自由结晶，焊缝组织和密度不是很高，所以迫切需要一种在无需电、不用气体且设备简单的条件下的陶瓷装甲的焊接，也解决野战条件下装甲装备和零件的应急焊接修补。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的缺点，提供一种铝热反应箔及其制作方法，该铝热反应箔能够作为引燃剂及内部热源应用在细小零部件的焊接、装甲及其零件的焊接，以及装甲车辆的野外工作、战场应急抢修等焊接工艺中。本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为一种铝热反应箔，由铝和金属氧化物组成，所述的金属氧化物能够和铝发生铝热反应，所述的铝和金属氧化物分别为至少一层的层状结构，并且所述的铝层与金属氧化物层依次交叠排列。作为优选，所述的单层铝层和单层金属氧化物层的厚度和为10 50nm ；所述的铝热反应箔的厚度为5 50 μ m ；所述的金属氧化物包括但不限于氧化锌、三氧化二铁或者氧化铜中的至少一种，优选为氧化锌。以氧化锌为例，如图1所示，本发明的铝热反应箔由至少一层的铝层和至少一层的氧化锌层交替层叠排列而成，当沿铝热反应箔的一端点燃该铝热反应箔时，铝热反应箔就会沿图2所示的方向进行反应，铝层和金属氧化物层的原子进行充分混合，结合键由 Zn-0, Al-Al键转变为Al-0、Si-Si键，键能降低，放出大量的热，反应所放出的热量加速了附近原子的混合，形成沿着铝热反应箔的自动传播反应，此反应能够在几个微秒内完成，反应温度达到1000°C以上。
点燃铝热反应箔可以采用热点燃、激光点燃、燃烧点燃以及电压点燃等方式。当采用电压点燃时，在铝热反应箔的一端施加约12V的激发电压，铝热反应箔就会沿图2所示的反应方向进行反应。本发明铝热反应箔的制作方法包括如下步骤步骤1 提供一个基片，在所述的基片表面涂覆一层光刻胶；步骤2 在光刻胶表面交替沉积铝层和金属氧化物层，在光刻胶表面形成沉积层；步骤3 将沉积后的基片浸入光刻胶刻蚀液中，使光刻胶溶化，沉积层与基片分离，得到铝热反应箔。上述制作方法中，所述的基片为硅基片或者玻璃片，优选为硅基片；所述的光刻胶刻蚀液为丙酮等可刻蚀光刻胶的溶液；所述的沉积方法可以为离子束溅射沉积或者磁控溅射沉积，优选为磁控溅射沉积。本发明的铝热反应箔可以作为引燃剂或者内部热源应用在焊接工艺中。本发明的铝热反应箔作为引燃剂的焊接工艺包括如下步骤步骤1:配制铝热剂；步骤2 将铝热剂置于焊接槽中，将本发明的铝热反应箔置于铝热剂中，部分外露；步骤3 点燃铝热反应箔，该铝热反应箔引燃铝热剂；步骤4 挤压焊缝进行致密化处理，然后清理焊瘤。所述的步骤1中，铝热剂优选含有20%的铝粉，55 60%的氧化铁，铝粉的粒径为20 30目，氧化铁粒径为小于100目；铝热反应箔的厚度优选为5 50 μ m，宽度优选为5 20mmo所述的步骤3中，采用但不限于热点燃、激光点燃、燃烧点燃或者电压点燃方式点燃铝热反应箔。所述的焊接槽体包括但不限于铝合金或者陶瓷。本发明的铝热反应箔作为内部热源的焊接工艺包括步骤1 提供两块待焊接的基体，在所述的两块基体之间放置由焊料、本发明的铝热反应箔以及焊料构成的三层结构；步骤2 在基体上施加压力，以使铝热反应箔反应后熔化的焊料和基体充分润湿， 提高焊接强度；步骤3 点燃铝热反应箔，铝热反应箔释放的热量充分溶化焊料，使两块基体焊接在一起，焊接完成。所述的基体包括但不限于铝合金、金属或者陶瓷。与现有技术相比，本发明提供的铝热反应箔具有如下优点1、反应速度快，反应时间仅为几个毫秒；2、反应释放的热量很高，反应温度能够达到1000°C以上；因此，将本发明的铝热反应箔作为引燃剂或者内部热源应用在焊接工艺时，铝热反应箔可完成热膨胀系数不同的材料之间的焊接，焊接速度快、焊接强度高，并且操作简单，适用于各种细小零部件的焊接、各种装甲及零件的焊接，以及装甲车辆的野外工作、战场应急等焊接修补。
图1是本发明铝热反应箔的结构示意图；图2是本发明铝热反应箔的反应示意图及反应方向；图3是本发明实施例1中铝热反应箔的制作工艺结构图；图4是本发明实施例1中铝热反应箔作为引燃剂的焊接示意图；图5是本发明实施例1中铝热反应箔作为内部热源的焊接示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明做进一步详细描述。附图中的标记为铝热反应箔1、铝层2、氧化锌层3、硅基片4、光刻胶5、铝热剂6、 焊接槽7、基体8、基体9、基体10、基体11、焊料12。如图1所示，铝热反应箔1由铝层2与氧化锌层3组成，铝层2与氧化锌层3上下交替层叠排列。单层的铝层2与氧化锌层3的厚度之和为10 50nm，铝热反应箔1的总厚度为5 50 μ m。上述铝热反应箔1通过磁控溅射技术沉积而成。如图3所示，首先在硅基片4表面涂覆一层光刻胶5，然后在该光刻胶5表面交替沉积铝层2和氧化锌层3，其中，铝层2 和氧化锌层3的纯度分别为99. 999%和99. 99%，溅射的原子比率为2 3，沉积厚度比为 1 1.16，腔体压力小于IOmTorr,腔体气氛为高纯氩气，沉积后单层铝层2和氧化锌层3的厚度之和为10 50nm，铝热反应箔1的总厚度为5 50 μ m ；最后，将沉积有铝层2和氧化锌层3的硅基片4浸入丙酮溶液中，溶化光刻胶5，使硅基片4与铝热反应箔1分离。本实施例中铝热反应箔的反应示意图及反应方向如图2所示，当在铝热反应箔1 的一端施加约12V的激发电压，铝热反应箔1就会沿如图2所示的反应方向进行反应，铝层 2和氧化锌层3的原子进行充分混合，结合键由&ι-0、Α1-Α1键转变为Α1-0、Ζη-&ι键，键能降低，放出大量的热，反应所放出的热量加速了附近原子的混合，形成沿着铝热反应箔1的自动传播反应，此反应可在几个微秒内完成，反应温度达到1000°C以上。上述铝热反应箔1的反应速度及反应所释放的热量是现有技术不能相比的，可以在空气、氩气及真空环境下显著地改善传统的焊接工艺。铝热反应箔1能够作为引燃剂应用在焊接工艺中。如图4所示，焊接工艺步骤如下1、首先调制铝热剂6并置于基体8和基体9之间的焊接槽7中；其中，铝热剂6含有20%的铝粉，粒径为20 30目，55 60%的氧化铁，粒径小于100目，其余为氧化硅、氧化钙等添加剂组分；2、将铝热反应箔1置于铝热剂6中，部分外露，此时反应箔的厚度为5 50 μ m，宽度为5 20mm ；3、在铝热反应箔1的一端施加约12V的激发电压以点燃铝热反应箔1，铝热反应箔 1引燃铝热剂6;4、挤压焊缝进行致密化处理，最后清理焊瘤，完成焊接。铝热反应箔1还能够作为内部热源应用在焊接工艺中。如图5所示，焊接工艺步骤如下1、在基体10与基体11之间放置焊料12与铝热反应箔1 ；其中，基体10包括合金、 金属或陶瓷，基体11包括金属、合金；在基体10上放置焊料12，焊料12为锡或银锡焊料， 厚度大于20μπι，在焊料12上放置铝热反应箔1，再在铝热反应箔1上放置焊料12，最后放置另一待焊接基体11 ；2、在基体11上施加IOKPa的压力，以使铝热反应箔1反应后熔化的焊料12和基体10与基体11充分润湿，提高焊接强度；3、在铝热反应箔1的一端施加约12V的激发电压以点燃铝热反应箔1，待铝热反应箔1释放的热量充分溶化焊料12，使基体10与基体11焊接在一起时，焊接完成。上述焊接工艺消除了对炉子及外部热源的需求，提供了局部的加热，操作简单，焊接效率高，既完成了焊接又不会损伤焊接基体，非常有利于热膨胀系数不同的陶瓷和金属材料之间的焊接。
权利要求
1.一种铝热反应箔，由铝和金属氧化物组成，所述的金属氧化物能够和铝发生铝热反应，其特征是所述的铝和金属氧化物分别为至少一层的层状结构，并且所述的铝层与金属氧化物层依次交叠排列。
2.根据权利要求1所述的铝热反应箔，其特征是所述的金属氧化物包括氧化锌、三氧化二铁或者氧化铜中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的铝热反应箔，其特征是所述的单层铝层和单层金属氧化物层的厚度之和为10 50nm。
4.根据权利要求1或2所述的铝热反应箔，其特征是所述的铝热反应箔的厚度为5 50 μ m0
5.根据权利要求1或2所述的铝热反应箔的制作方法，其特征是包括如下步骤 步骤1 提供一个基片，在所述的基片表面涂覆一层光刻胶；步骤2 在光刻胶表面交替沉积铝层和金属氧化物层，在光刻胶表面形成沉积层； 步骤3 将沉积后的基片浸入光刻胶刻蚀液中，使光刻胶溶化，沉积层与基片分离，得到铝热反应箔。
6.根据权利要求5所述的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的基片为硅基片或者玻璃片。
7.根据权利要求5所述的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的光刻胶刻蚀液为丙酮。
8.根据权利要求5所示的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的沉积方法为离子束溅射沉积或者磁控溅射沉积。
9.一种运用权利要求1或2所述的铝热反应箔的焊接工艺，其特征是包括如下步骤 步骤1 配制铝热剂；步骤2 将铝热剂置于焊接槽中，将所述的铝热反应箔置于铝热剂中，部分外露； 步骤3 点燃铝热反应箔，该铝热反应箔引燃铝热剂； 步骤4 挤压焊缝进行致密化处理，然后清理焊瘤。
10.根据权利要求9所示的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的步骤2中，铝热反应箔的厚度为5 50 μ m，宽度为5 20mm。
11.根据权利要求9所示的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的步骤3中，采用热点燃、激光点燃、燃烧点燃或者电压点燃的方式点燃铝热反应箔。
12.一种运用权利要求1或2所述的铝热反应箔的焊接工艺，其特征是包括如下步骤步骤1 提供两块待焊接的基体，在所述的两块基体之间放置由焊料、本发明的铝热反应箔以及焊料构成的三层结构；步骤2 在基体上施加压力，以使铝热反应箔反应后熔化的焊料与基体能够充分润湿； 步骤3 点燃铝热反应箔，铝热反应箔释放的热量充分溶化焊料，使两块基体焊接在一起，焊接完成。
13.根据权利要求12所示的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的基体为铝合金、 金属或者陶瓷。
14.根据权利要求12所示的铝热反应箔的制作方法，其特征是所述的步骤3中，采用热点燃、激光点燃、燃烧点燃或者电压点燃的方式点燃铝热反应箔。
全文摘要
本发明属于铝热焊接技术领域，公开了一种铝热反应箔，该铝热反应箔铝由铝，以及能够和铝发生铝热反应的金属氧化物组成，铝和金属氧化物分别为至少一层的层状结构，并且铝层与金属氧化物层依次交叠排列。当在本发明的铝热反应箔的一端面施加一定热量的激发，反应箔瞬间发生自蔓延反应，反应释放的热量点燃其他铝热剂或者熔化焊料，完成材料之间的焊接。因此，与现有技术相比，本发明的铝热反应箔反应时间仅为几个毫秒，反应放热量高，焊接速度快，可完成热膨胀系数不同的材料之间的焊接，焊接强度高，操作简单，适用于各种装甲及零件的焊接及战场应急焊接修补，也适用于各种细小零部件的焊接。
文档编号B23K23/00GK102248280SQ20111017443
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者朱萍, 李艳玲, 葛芳芳, 薛群基, 黄峰 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所