一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属与金刚石焊接领域，尤其涉及一种微波等离子体焊接方法，具体 涉及一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法。 技术背景
[0002] 金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是自然界中最坚硬的物质。金刚石的热导率 一般为136. 16wAm·k)、热膨胀系数极小；化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性；还具有非 磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等，在红外区域具有较好的光透过性能，因此 具有许多重要的工业用途，如应用于各种高功率窗口，如高功率〇) 2激光窗口、高功率微波 窗口等。诸如这些应用都需要金刚石窗口和金属法兰焊接形成金刚石真空窗口，便于和其 他设备的连接。金刚石的碳原子具有饱和性和方向性，与大多数金属不亲和，其湿润角很 大，化学稳定性很好，几乎不与酸起作用，与碱作用缓慢，在高温下，铁、钴、镍、锰、铬以及铂 族金属在处于熔融状态时，能溶解金刚石。另一组元素Ti、Zr、V等都与金刚石有较好的亲 和性，但必须在一定温度、压力下，且是纯金属与金刚石表面的碳原子接触时，才能生成金 属碳化物。因而，金刚石与金属的焊接大多采用含有上述金属的焊料，如1958年美国通用 电气公司在Ag-Cu合金中加入氢化钛，通过钛实现对金刚石的焊接。目前金刚石真空窗口 的焊接方法采用常规设备和工艺烧结，然而，上述金属的表面，在一定温度下，很容易被氧 化，这种被氧化了的金属表面，是不能与金刚石生成金属碳化物层的。如果采用真空或通入 保护气氛的烧结炉设备，价格昂贵，且温度升温缓慢。在缓慢升温的过程中，细小的焊料颗 粒会聚集变大使焊接变形较大，焊缝组织粗大，此外，焊料中有机溶剂缓慢释放形成空洞， 焊接质量不佳。
[0003] 微波等离子体是气体吸收微波能量放电产生等离子体，等离子体的温度随吸收的 微波能量而变化，且加热速度快，能量密度高，能量转化率高，通入一定的还原性气体可以 防止焊料的氧化，非常适合金刚石真空窗口的焊接。目前，尚无有关利用微波等离子体焊接 金属与金刚石的方法。微波等尚子体的稳定与微波功率和气压有关，且等尚子体的温度随 微波功率和气压的增加而增加，如果直接将试样直接放在放电电极上，在放电过程中试样 的温度升温较慢，焊料中有机溶剂会缓慢挥发产生一些气孔使焊料蓬松，不利于焊料的热 传递，导致焊料的熔化不均匀。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用微波等离子体 焊接金刚石真空窗口的方法，该方法显著提高焊接质量与稳定性，提高金属与金刚石的焊 接效率。
[0005] 为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案： 一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法，其特征在于包括如下步骤： 第一步，首先将金属法兰进行表面机械处理，然后将金属法兰和金刚石窗口进行超声 波清洗去除表面油污，干燥后待用； 第二步，将第一步清洗后的金属法兰和金刚石窗口分别涂上焊料(焊料的涂布厚度为 0· 03-0. 5mm)，然后将涂有焊料的面接触叠放，施加压力(压力为1-10N)使金属法兰、焊料和 金刚石窗口充分接触，得到试样； 第三步，将第二步叠放后的金属法兰、焊料和金刚石窗口试样放入焊接腔中的基片台 上，然后对焊接腔进行抽真空，调苄基片台的位置使试样上表面低于屏蔽圆筒的上端面； 第四步，通入气体(采用氢气)，调节气体流量、微波功率和气压，使气体吸收微波能量 产生等离子体(即微波等离子体）； 第五步，调苄基片台（样品台）的位置(高度）使试样快速进入微波等离子体内（即试样 距屏蔽圆筒上端面的距离为l〇mm)，调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口 充分润湿结合； 第六步，焊接完成后，得到试件；真空冷却，去真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工 作完成。
[0006] 所述第一步中超声波清洗为分别用丙酮、乙醇溶剂进行超声波清洗。
[0007] 所述第三步中的基片台上的试样上表面低于屏蔽圆筒上端面的距离为3_5mm。
[0008] 所述第四步中微波等离子体产生的工艺参数如下：气体流量400~1000sCCm，微波 功率 800-1400w，气体压强 16-25kPa。
[0009] 所述第五步中的焊接工艺参数如下：试样的温度为600-1000 °C，保温时间 l-5min〇
[0010] 所述第六步中的真空冷却时间为5-15min。
[0011] 采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明将微波等离子体作 为施焊热源，使得整过连接过程时间缩短（即提高金属与金刚石的焊接效率)、操作简单，金 属与金刚石能够较好的焊接，本发明焊接过程中是在通气氛的焊接腔室进行，避免了大气 中有害气体对焊接界面性能的影响，有效地提高了焊接界面综合性能，本发明将微波等离 子体技术应用于金属与金刚石的焊接，显著提高焊接质量与稳定性，提高金属与金刚石的 焊接效率等。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明焊接腔室的示意图。
[0013]图中：1、微波等离子体；2、试样；3、基片台；4、屏蔽圆筒；5、焊接腔室。
【具体实施方式】
[0014] 通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例； 一种利用微波等离子体焊接金刚石真空窗口的方法，包括如下步骤： 第一步，首先将金属法兰进行表面机械处理，然后将金属法兰和金刚石窗口进行超声 波清洗去除表面油污(分别用丙酮、乙醇溶剂进行超声波清洗)，干燥后待用；由于具体金属 和金刚石的成分不属于本发明的保护重点(金刚石窗口为现有的)，故在此不予累述。
[0015] 第二步，将第一步清洗后的金属法兰和金刚石窗口分别涂上焊料(焊料的涂布厚 度为0. 03-0. 5_)，然后将涂有焊料的面接触叠放，施加压力(压力为1-10N)使金属法兰、 焊料和金刚石窗口充分接触，得到试样； 第三步，将第二步叠放后的金属法兰、焊料和金刚石窗口试样2放入焊接腔中的基片 台3上，然后对焊接腔室(焊接腔)5进行抽真空，调苄基片台的位置使试样上表面低于屏蔽 圆筒4的上端面(试样表面低于屏蔽圆筒上端面的距离为3-5mm，试样2位于屏蔽圆筒4内， 基片台3的上部位于屏蔽圆筒4内）； 第四步，通入氢气，调节气体(氢气）流量、微波功率和气压，使气体吸收微波能量产生 等离子体（即微波等离子体);微波等离子体产生的工艺参数如下：气体流量400~1000sccm， 微波功率800-1400w，气体压强16-25kPa; 第五步，调苄基片台3的位置使试样2进入接触微波等离子体1 (即试样2距屏蔽圆筒 4上端面的距离为10mm，此时试样2的下端面位于屏蔽圆筒4上端面之上，屏蔽圆筒4上端 面之上产生微波等离子体1 )，调试焊接工艺参数保证焊料与金属法兰和金刚石窗口充分润 湿结合；焊接工艺参数如下：试样的温度为600-1000°C，保温时间l_5min; 第六步，焊接完成后，得到试件；真空冷却（真空冷却时间为5-15min)，去真空并取出 焊接完成的试件，整个焊接工作完成。
[0016] 焊接处综合力学性能好，如表1所示，表中数据为三个试验的结果的平均值。
[0017] 表1焊接接头性能比较
以因瓦合金厚度为5mm,直径为25mm;金刚石厚度为0. 3mm,直径为10mm焊接为例，本 发明与现有技术相比，焊接效率显著提升，如表2所示。
[0018] 表2煌梓效率对比（丁时单份，分钟） 本发明的具体实施例如下: '
' ' ' 实施例1: 因瓦合金法兰厚度为1〇_，直径为10mm;金刚石窗口的厚度为0. 3_，直径为10mm;焊 料为银铜钛焊料。
[0019]第一步，将因瓦合金法兰进行表面机械处理，然后将因瓦合金法兰和金刚石窗口 分别用丙酮、乙醇溶剂超声清洗去除油污，干燥待用。
[0020] 第二步，将清洗后的因瓦合金法兰和金