专利名称：以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法的制作方法
技术领域：
本发明属于高尔夫球运动器具部件制作法，特别是一种以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法。
背景技术：
高尔夫球杆头由本体及打击面板结合而成。其结合方式为机械嵌入(Mechanical Inserted)、胶合(Glued)、焊接(Welded)、硬焊等方式(Brazed)。若高尔夫球杆头本体与打击面板为分别由不同种类的合金制成时，则不易使用传统的焊接制程，此乃因焊接方式先天上受限于异种金属的结合，故目前可采用的方式仅可为机械嵌入、胶合及硬焊等方式。其中硬焊方式需借由填充合金(Filler Metals)置于待结合的的高尔夫球杆头本体与打击面板之间，在炉中加热熔化填充合金后，借由熔融的填充合金分别润湿(Wetting)高尔夫球杆头本体及打击面板；当熔融的填充合金冷却到室温时，即完成高尔夫球杆头的本体与打击面板结合。
高尔夫球杆头的本体材料为不锈钢、麻时效钢、钛合金、铝合金或是镁合金等；打击面板的材料为钛合金、麻时效钢、形状记忆合金钢、块材非晶质合金等。其中较常见的组合为不锈钢，如17-4PH制成的高尔夫球杆头本体及钛合金，如Ti-6Al-4V制成的打击面板。此种组合的高尔夫球杆头的结合制程若是使用传统硬焊结合制程，因加热速率低(约5～50℃/min)，为了减少基材暴露于高温环境下可能产生的不良影响，工作温度往设定在焊填充合金熔点温度上约0～50℃的范围内，再持温10～30min，借由轻微过热的液相填充合金与基材间的润湿作用来结合两端的基材。由于硬焊制程在高于450℃的比较高的温度，所以在硬焊过程中发生比较广泛的冶金反应，使得部分硬焊合金溶入基材中；或是基材中的元素由于在高温的环境下，借由扩散作用进入填充合金中，因而改变了合金的成份，进而影响填充合金的流动性、润湿性，并使结合强度发生称为合金化作用(Alloying)的改变。此外，在填充合金与母材的界面上会形成具有脆性的介金属化合物。若本体/填充合金/打击面板之间所形成的界面层成长过厚，将使接合处的机械强度降低或耐冲击能力变差。这也是为何目前高尔夫球杆头异种金属间结合仍以机械嵌入式或胶合式为主的原因。
而如何克服传统硬焊制程所衍生的缺失，使高尔夫球杆头异种金属间结合能有更佳的抗冲击性能，乃是各大高尔夫球具制造厂努力的目标。欲达成此目标，在设计硬焊制程时应尽可能避免或减少于硬焊界面上发生合金化或生成硬脆介金属化合物，以增进接点的可靠度。若能减少硬焊制程所需的时间或使用其它具有快速加热能力的结合制程，即可克服传统硬焊制程的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善结合性能、提升产品品质、提高生产效率、降低成本的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法。
本发明为在待结合的高尔夫球杆头零件之间设置填充合金；并以红外线为热源的加热方式加热熔融填充合金以结合高尔夫球杆头零件。
其中填充合金设置于侍结合的高尔夫球杆头本体与打击面板之间或高尔夫球杆头本体与配重块之间。
高尔夫球杆头零件的材质为钛合金、铁基合金、镁合金、铝合金、铁锰铝合金、形状记忆合金、钨合金、铜合金、镍合金、铅合金、块材非晶质合金、奈米合金、复合材料或陶瓷材料中任一种。
以红外线为热源加热的速率至少大于或等于1℃/sec。
以红外线为热源加热的速率为50℃/sec。
红外线的波长范围介于0.76～1000μm。
高尔夫球杆头各零件的材质互为异种材质。
高尔夫球杆头各零件的材质互为同种材质。
以红外线为热源加热方式加热熔融填充合金在真空中进行。
以红外线为热源加热方式加热熔融填充合金在保护气体中进行。
填充合金包含任选自银基、镍基、铜基或钛基填料而成的群体中至少一种。
由于本发明为在待结合的高尔夫球杆头零件之间设置填充合金；并以红外线为热源的加热方式加热熔融填充合金以结合高尔夫球杆头零件。由于以红外线快速加热可使用较低的结合温度或较短的结合时间，利于抑制界面之间的冶金反应，可获得较佳的结合强度，即可抑制结合界面上脆性化合物的生成、大幅提升此类产品的品质、生产效率及降低制造过程中能源消耗。不仅改善结合性能、提升产品品质，而且提高生产效率、降低成本，从而达到本发明的目的。
图1、为以本发明制作的高尔夫球杆头分解结构示意立体图。
图2、为以本发明制作的高尔夫球杆头分解结构示意剖视图(高尔夫球杆头本体结合配重块)。
图3、为本发明参数表。
图4、为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(1000℃×30sec)。
图5、为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(1000℃×120sec)。
图6、为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(1000℃×210sec)。
图7、为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(1000℃×300sec)。
图8、为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH经红外线加热结合接点剪力试验数据。
图9、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH不锈钢经红外线加热结合试片横截面SEM影像。
图10、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH不锈钢经红外线加热结合界面中各位置的EPMA化学成份分析数据。
图11、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(850℃×30sec)。
图12、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(850℃×120sec)。
图13、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(850℃×300sec)。
图14、为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH经红外线加热结合接点剪力试验数据。
图15、为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(830℃×300sec)。
图16、为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(850℃×120sec)。
图17、为Ti-6A-4V/95Ag-5Al/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(850℃×300sec)。
图18、为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH经红外线加热结合接点横截面SEM影像(900℃×120sec)。
图19、为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH经红外线加热结合接点剪力试验数据。
具体实施例方式
本发明所使用的红外线硬焊结合装置为日本制的ULVAC SINKO-RIKO RHL-P610C型红外线加热炉体，炉内设有六组内具钨电热丝的石英灯管及六个抛物线形的黄金聚光反射曲面，最高工作温度可达到约1300℃，输入功率(Rating)为12.0KW。整体结合系统是在国内自行组装而成。配备有一端封口的石英保护管及其他附属的进排气设备。而此红外线快速加热装置可在流动氩气保护气氛或＜5×10-5mbar真空下进行红外线快速结合制程。红外线波长大致介于0.76～1000μm的范围内。
红外线具有光波的反射特性，因此可利用几何镜面来加以聚焦增加红外线的能量密度及提升加热速率。常用的反射曲面有椭圆面形成及抛物面形态两种(视工件形态而异)，对镜面表面施以镀金处理，并以适度的冷却水冷却镜面，如此，会具有较佳的反射效应，也适合在较高温度下使用。借由红外线穿透石英保护管，然后聚焦于工件的加热区上，在整个过程中能源高效率使用并避免不当的浪费，使红外线加热法具有快速升温及快速冷却的特性，并大幅缩短整体结合时程。相较于加热速率仅约5～50℃/min传统的加热方式，使用红外线快速结合制程具有高达3000℃/min的快速升降温速率，故于结合制程中基材暴露于高温中的时间将大幅减少，从而减低因高温而造成对材料不良影响的可能性。此外，加上以秒为计时单位的灵敏制程控制，使得结合温度不再受限于填充合金熔点温度上约0～50℃的范围内，从而改以选择界面组织控制的观点来设定较合适的工作温度。故就生产效率及制程变数的控制两方面而言，使用红外线快速结合制程均优于传统硬结合制程。
本发明为在待结合的高尔夫球杆头本体与打击面板或配重块之间设置填充合金，并以红外线快速加热以熔融填充合金后，借由熔融的填充合金在控制的时程内分别润湿及结合高尔夫球杆头的本体及打击面板或配重块；当熔融的填充合金冷却至室温时，便制成高尔夫球杆头。
如图1所示，以本发明结合的高尔夫球杆头包含高尔夫球杆头本体1、打击面板2及填充合金3。
打击面板2与高尔夫球杆头本体1结合前，先将填充合金3置于高尔夫球杆头本体1与打击面板2之间；利用红外线加热填充合金3，以使填充合金3熔融；当填充合金3冷却后，便将打击面板2结合于高尔夫球杆头本体1上。
由于目前较常见的组合为不锈钢制的高尔夫球杆头本体1及钛合金制的打击面板2。
高尔夫球杆头本体1的材质为17-4PH不锈钢，其为美国Armco公司于1950年代中所研发的一种不锈钢，其兼具高强度及优良的加工性、抗腐蚀性、焊接性等。打击面板2材质为Ti-6Al-4V合金，其具有优异的比强度、抗腐蚀能力及良好的焊接性，故被选为制作高尔夫球杆头的材料。填充合金3分别采用wt％为100Ag、72Ag-28Cu、95Ag-Al等三种银基填充合金，或镍基、铜基或钛基；即填充合金3任选自银基、镍基、铜基或钛基填料而成的群体中至少一种。高尔夫球杆头本体1的材质与打击面板2的材质可互为异种材质，亦可为同种材质。
如图2所示，以本发明结合的高尔夫球杆头包含高尔夫球杆头本体10、配重块20及填充合金30。
高尔夫球杆头本体10的材料较佳为钛合金、铁基合金、镁合金、铝合金、铁锰铝合金、形状记忆合金、钨合金、铜合金、镍合金、块材非晶质合金、奈米合金、复合材料、陶瓷材料等。
配重块20的材料较佳为比重较高尔夫球杆头本体10材料大的金属或合金，例如钨、钨合金、铜合金、铅合金等。
填充合金30的材料可任选自银基、镍基、铜基或钛基填料而成的群体中至少一种。
高尔夫球杆头本体10的材质与配重块20的材质可互为异种材质，亦可为同种材质。
当高尔夫球杆头本体10与配重块20结合前，先将填充合金30置于高尔夫球杆头本体10与配重块20之间；利用红外线加热填充合金30，以使填充合金30熔融；当填充合金30冷却后，便将配重块20结合于高尔夫球杆头本体10上。
为避免产生合金化作用，红外线加热的速率较佳为至少1℃/sec，更佳为50℃/sec。
加热制程可于空气中进行。然而，为避免熔融的填充合金3(30)在制程或冷却后产生氧化等不良反应，其较佳置于真空中进行，或置于为氮气、氩气或氦气的惰性保护气体中进行。
红外线结合制程中一律进行500℃×90sec的预热前处理；升温速率为900℃/min；真空度为＜8×10-5torr；本发明所使用的制程参数如图3所示填充合金wt％为100Ag时1000℃持温30sec、120sec、300sec；1050℃持温30sec、120sec、300sec；1100℃持温30sec、120sec、300sec。
填充合金wt％为72Ag-28Cu时800℃持温30sec、120sec、300sec；850℃持温30sec、120sec、300sec；900℃持温30sec、120sec、300sec。
填充合金wt％为95Ag-5Al时830℃持温30sec、120sec、300sec；850℃持温30sec、120sec、300sec；900℃持温30sec、120sec、300sec。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH时，经红外线于1000℃×30sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图4所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH时，经红外线于1000℃×120sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图5所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH时，经红外线于1000℃×210sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图6所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH时，经红外线于1000℃×300sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图7所示。
如图4、图5、图6、图7所示，经红外线短时间，如30sec加热结合所得的结合界面，其填充合金与基材间的冶金反应将明显被抑制。
如图8所示，当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/Ag/17-4PH时，以不同红外线结合条件下接点剪力试验数据显示，使用较低的结合温度或较短的结合时间，将可获得较佳的结合强度。这是由于为材料为Ag的填充合金3(30)与材料为Ti-6Al-4V或17-4PH不锈钢的打击面板2(配重块20)之间的冶金反应因使用红外线快速加热制程而被抑制。对wt％为100Ag(纯银)而言，其最高的剪力强度约为91.7Mpa。此外，由图4亦可观察到使用红外线快速结合制程将可得到一个密实的接点。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH不锈钢时，经红外线于800℃×120sec加热结合后，试片横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图9所示。
如图10所示，当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH时，以红外线结合后界面中各位置的EPMA化学成份分析数据显示，大致可分为Ti-Cu化合物内固溶少量其他，如TiCu、Ti2Cu3、TiCu4的金属区及残留填充合金区。同时也可发现，因填充合金中的Cu原子和基材反应，而Ag原子并未参与介面反应，如此势必造成填充合金区Cu浓度下降，相对Ag的浓度提升。因此，如图9所示，填充合金内可发现Ag的初晶组织。此现象可简单地自Ag-Cu二元合金相图中得到合理的解释，即其组成线偏离原始的共晶成份而至亚共晶成份所致。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH时，经红外线于850℃×30sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图11所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH时，经红外线于850℃×120sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图12所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH时，经红外线于850℃×300sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图13所示。
如图10、图11、图12、图13所示，可以发现随着加热温度或持温时间的升高或延长，填充合金与基材之间反应层的厚度会增加。此外，在持温30sec的条件下，由于持温时间过短，使得填充合金熔融后未能完成与基材反应，因而结合界面处有较大规模的富Ag共晶组织存在。
如图14所示，当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/72Ag-28Cu/17-4PH时，以不同红外线结合条件下接点剪力试验数据显示，最大剪强度值发生在结合温度为800℃、持温时间120sec的试片，其平均剪强度值最高约为96.4Mpa。然而自图14可观察到结合强度并不随着持温时间或温度的增加而增加，反而有下降的趋势。其强度下降的原因主要归因于介面有连续形态的介金属相的成长所致。此结果与前述填充合金为wt％为100Ag的结果类似，使用较低的结合温度或较短的结合时间，将可获得较佳的结合强度。此结果主要是由于72Ag-28Cu与Ti-6Al-4V或17-4PH不锈钢基材之间的冶金反应，因使用红外线快速加热制程而被抑制。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH时，经红外线于830℃×300sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图15所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH时，经红外线于850℃×120sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图16所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH时，经红外线于850℃×300sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图17所示。
当打击面板2(配重块20)/填充合金3(30)/高尔夫球杆头本体1(10)的材质为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH时，经红外线于900℃×120sec加热结合后，接点横截面的扫描式电子显微镜(SEM)放大影像如图18所示。
自图15、图16、图17、图18中可知，残留填充合金区并未发现介金属相层的生成，基材与填充合金界面处所生成的相层由于小于1μm而低于EPMA化学成份可解析范围，因此无法确切地将此相层的化学成份作出正确的定量分析。
如图19所示，当打击面板(配重块)/填充合金/高尔夫球杆头本体的材质为Ti-6Al-4V/95Ag-5Al/17-4PH时，以不同红外线结合条件下接点剪力试验数据显示，与前两种剪力测试结果类似，由于红外线快速加热制程有利于抑制界面反应层的生成，故使用较低的结合温度，将可获得较佳的结合强度。
由上述可知，红外线快速结合制程的应用，将可抑制结合界面上脆性化合物的生成、大幅提升此类产品的品质、生产效率及降低制造过程中能源消耗。故此技术将可广泛应用于各式填充合金作高尔夫球杆头的制程中，预期将有助于此类产品品质的提升及成本降低。
权利要求
1.一种以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，它为在待结合的高尔夫球杆头零件之间设置填充合金；并加热熔融填充合金以结合高尔夫球杆头零件；其特征在于所述的加热熔融填充合金的加热方式为以红外线为热源的加热方式。
2.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的填充合金设置于侍结合的高尔夫球杆头本体与打击面板之间或高尔夫球杆头本体与配重块之间。
3.根据权利要求1或2所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的高尔夫球杆头零件的材质为钛合金、铁基合金、镁合金、铝合金、铁锰铝合金、形状记忆合金、钨合金、铜合金、镍合金、铅合金、块材非晶质合金、奈米合金、复合材料或陶瓷材料中任一种。
4.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的以红外线为热源加热的速率至少大于或等于1℃/sec。
5.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的以红外线为热源加热的速率为50℃/sec。
6.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的红外线的波长范围介于0.76～1000μm。
7.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的高尔夫球杆头各零件的材质互为异种材质。
8.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的高尔夫球杆头各零件的材质互为同种材质。
9.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的以红外线为热源加热方式加热熔融填充合金在真空中进行。
10.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的以红外线为热源加热方式加热熔融填充合金在保护气体中进行。
11.根据权利要求1所述的以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法，其特征在于所述的填充合金包含任选自银基、镍基、铜基或钛基填料而成的群体中至少一种。
全文摘要
一种以红外线快速加热结合的高尔夫球杆头制作法。为提供一种改善结合性能、提升产品品质、提高生产效率、降低成本的高尔夫球运动器具部件制作法，提出本发明，它为在待结合的高尔夫球杆头零件之间设置填充合金；并以红外线为热源的加热方式加热熔融填充合金以结合高尔夫球杆头零件。
文档编号B23K3/04GK1600483SQ03157598
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月24日 优先权日2003年9月24日
发明者吴锡侃, 薛人恺, 陈建同 申请人:吴锡侃, 薛人恺, 陈建同