专利名称：一种自通电加热扩散接合方法
技术领域：
本发明涉及一种自通电加热扩散接合方法，更确切地说涉及一种适用于同种材质或不同种材质的导电材料间的自通电加热扩散接合方法。
背景技术：
随着先进材料需求的日益增长，在其构件的制造过程中，不可避免地存在着结构分离面和工艺分离面，故当它们作为结构材料应用时，会遇到大量同质材料、异质材料乃至多层材料的连接问题。鉴于连接部位是整体结构的薄弱环节，因此解决同质材料、异质材料和多层材料的高质量、高可靠性的连接这一关键技术，对减轻结构重量，改善结构性能，促进先进材料在航空、航天、海洋开发、核能、兵器以及其他军用和民用产品上的推广应用与商业化都具有重要意义。
由于先进材料所具有的优异特性，以及在极端工作条件下对接合接头的成份、组织、性能和可靠性寿命等提出的极为苛刻的要求，已经很难、甚至不可能采用传统的焊接技术作为它们的接合工艺。从而导致了固态连接技术的迅猛发展，并成为先进材料制备技术中一个必不可缺的、十分活跃的研发方向和关键技术支撑。国内外同行普遍认为，固态连接将是当今21世纪最具革命性和突破性发展的先进连接技术。
固态连接作为一种优质、高效、节能、低耗、清洁的先进连接技术，在高新技术产业发展和传统产业的产品技术升级中都具有巨大的技术开发潜力和广阔的商业化前景。通过与材料技术和无损检测技术的相互渗透融合，在先进材料及先进制造技术领域中，固态连接技术正起着无可替代的重要作用。
作为一种固态连接技术，扩散接合最重要的技术优势在于被连接材料不熔化的条件下，通过加热、加压和塑性流变使接触界面高度激活、相互扩散和动态再结晶而形成连接接头，其接合区为锻造组织。因此，扩散接合这种特有的热/力耦合作用过程对被连接材料原有的组织结构、理化性能所造成的焊接损伤和破坏性影响最小，连接接头的可靠性和寿命最高，这些都是传统的熔化焊接、机械连接和胶接工艺所不能比拟的。
发明内容
本发明提供了一种自通电加热扩散接合的方法，它是通过智能化的加热、加压控制方式，实现了同种导电材质或不同种导电材质在中高温度范围内和不同气氛条件下高效率的扩散接合。本发明提供的自通电加热扩散接合的方法具有控制精度高、操作简单、工艺重现性好以及高效节能、低耗清洁和快速可靠等特点。
本发明提供的是一种适用于同种材质或不同材质的导电材料在中高温度范围内和不同气氛条件下扩散接合的方法，具有多段电流控制加热程序、位移反馈引导电流控制及气氛控制和压力调整与电流控制程序连动等特点。
所述的扩散接合的电流控制加热程序可以分为五段。第一段为预热段，要求电流加载速度比较慢，其目的是为了防止接合端面之间发生放电破坏；第二段为快速加热段，电流的加载速度一般比较快，可以大大提高接合效率；第三段为缓慢加热段，其目的是为了避免结合端面的局部过热和应力的高度集中；第四段为保温阶段，可以保证接合端面之间的扩散充分进行；第五段为电流卸载阶段，可以避免残余热应力的过度集中。各段电流加载速度的数值根据实施材料的电阻、耐热性和脆塑性转变温度等参数具体确定；在不同的电流控制加热程序阶段，可以通过程序设定大、小两个不同的接合压力；
接合压力的控制方式为在预热阶段和快速加热阶段施加的是程序设定的小压力，目的是保证接合端面之间的良好接触，同时避免接合端面部位过度应力集中而产生缺陷；在缓慢加热阶段；则施加的是程序设定的大接合压力，以保证接合端面之间扩散的充分进行和塑性流变的有效作用；在保温阶段和电流卸载阶段施加的也是程序设定的小压力，既可以保证扩散的进行又可以避免热/力耦合作用过程对接合部位组织结构的破坏。
接合气氛采用开放式环绕气流保护，使接合端面的高温区域处于气氛保护之中，既方便操作，又可以防止接合端面的氧化，效果良好。根据不同材料和工艺的要求，在保温阶段和电流卸载阶段可采用与升温阶段不同的气氛环境。亦即在前三段和后二段采用不同气氛保护。通常前三段的气氛为氩气或氮气，后二段为空气或真空。
在电流控制加热程序的第三段可以根据动电极位移反馈信息对程序设定电流进行智能加减。具体而言，就是电流控制系统根据一定时间段内动电极位移速率的变化相应地调整第三段曲线的加载电流。如果单位时间(例如5秒)内动电极位移速率的变化在±5.0％之内，则加载电流保持不变；反之，加载电流根据以下公式变化I＝I0(1-τ)式中，I0为前一单位时间内的加载电流，τ为动电极位移速率变化率(绝对值大于等于5.0％)所述的电流控制加热程序的第一、第四、第五段的运行时间是由程序设定，而第二段的运行时间的控制方式为程序设定运行时间和程序设定动电极后退位移量二者选择控制，只要二者之间有一个达到了其程序设定值，那么第二段电流控制加热程序的的运行就立刻结束。此时，动电极位移量归零。第三段的运行时间的控制方式是程序设定动电极前进位移量控制，当接合部位被加热到一定程度以后，接合压力克服了棒材的热膨胀，从而动电极开始前进，当动电极前进位移量达到程序设定值以后，第三段电流控制加热程序的运行结束。另外，也可以选择通过手动控制的方式人为地结束第三段电流控制加热程序的运行。
所述的施加大接合压力的控制方式为电流曲线第二段运行时间和动电极后退位移量二者之间优先达到程序设定值的参数决定大接合压力的施加时间，在第三段电流控制加热程序结束时大接合压力施加结束。在电流控制加热程序的其他阶段均为小接合压力。通常小接合压力的为大接合压力的二分之一。对MoSi2冷热端同质材料的结合，小接合压力为大接合压力的1/2。
综上所述，本发明涉及一种自通电加热扩散接合的方法，提供了一种同种材质或不同材质的导电材料在中高温度范围内和不同气氛条件下扩散接合的方法，具有控制精度高、高效节能、低耗清洁和快速可靠等特点，主要应用于金属材料、导电性陶瓷材料和金属间化合物的固态连接。本发明应用多段曲线加热、位移反馈引导的电流控制、不同温度段不同气氛条件的气氛控制和与电流曲线连动的压力控制等手段，能够实现扩散接合工艺过程的完全重现。
图1实施例1(b)和比较例1(a)控制方式区别的示意2实施例2(b)和比较例2(a)控制方式区别的示意3实施例1(b)和比较例1(a)的接合面微观组织(上)和接合处断口形貌(下)比较图4实施例2(b)和比较例2(a)的接合界面(interface)的微观组织比较具体实施方式
下面通过具体的实施例和比较例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。
实施例和比较例1以直径为φ9mm的二硅化钼棒材的冷热端接合作为实施材料，通过本发明所述自通电加热扩散接合方法来完成二硅化钼发热元件冷端和热端的接合。结果如表1和图1、3所示。
具体实施是采用定电流的控制方式，保证加热初期温度控制的稳定性，消除电极与接合材料之间接触电阻对材料接合温度稳定性的影响。具体是采用5段式电流控制程序，依次为预热阶段、快速加热阶段、缓慢加热阶段、保温阶段和电流卸载阶段。其中，预热阶段、保温阶段和电流卸载阶段的程序运行时间是预先设定好的，而所述的快速加热阶段运行时间的控制方式为程序设定运行时间和程序设定动电极后退位移量二者选择控制，只要二者之间有一个达到了其程序设定值，那么第二段电流曲线的运行就立刻结束。缓慢加热阶段的程序时间由程序设定动电极前进位移量这一参数决定，或者通过手动操作结束缓慢加热阶段的运行而进入保温阶段。
在缓慢加热阶段，电流控制加热程序可以根据动电极位移变化速率反馈信息对程序设定电流进行智能调整。在程序中，预先设定了动电极位移变化速率参考值，如果运行过程中单位时间内动电极的平均位移速率偏离参考值，则控制系统根据反馈信息对运行电流进行自动加减，使动电极位移速率始终保持在一个稳定的范围内，有效地防止了接合端面附近过热造成的对接合部位组织结构的破坏。在缓慢加热段施加大接合压力是以本实施例φ9MoSi2接合端面之间扩散充分和塑性流变的有效为准的。显然同质材料截面愈大则施加的大压力愈大，小接合压力为大接合压力的二分之一。
表1实施例和比较例1接合效果的比较
实施例和比较例2以100mm×20mm×20mm的Fe3Al与100mm×20mm×8mm的18-8不锈钢作为实施材料，通过本发明所述自通电加热扩散接合方法来完成二者之间的扩散接合。结果如表2和图2、4所示。其实施步骤同实施例1，仅在后二段是真空状态下。
表2实施例和比较例2接合效果的比较
通过以上二个实施例和对比例比较可以看出，在本发明的扩散接合过程中采用了定电流的控制方法，这可以避免扩散接合初期温度的快速变化和电极间的接触电阻对接合温度的影响。同时，通电初期的小电流，可以防止接合面之间放电的发生；然后电流快速增加，缩短了升温时间，提高了工作效率；然后再次缓慢加热，可以防止局部过热，使接合端面处的温度场相对均匀，相应地接合速度也会相对稳定，从而可以避免接合端面处应力的高度集中，达到所需的温度后，电流进入了保持阶段，以促进接合面之间扩散的充分进行；扩散接合完成以后，电流开始衰减，避免了严重的热冲击。在升温过程中，主动电极可随着样品的热膨胀而后退，避免了局部应力集中而导致的样品破坏，后退量可以自由设定，从而又保证了接合效率；在扩散接合过程中，主动电极前进位移量可控，防止了接合部位局部的严重变形，也保证了接合工艺的可重复性。升温过程中的小压力，保证了接合面的充分接触；扩散过程中的大压力，促进了扩散的充分进行；冷却过程中的小压力，避免了冷却收缩过程中摩擦阻力所导致的拉应力。另外，升温过程中的保护气氛可以避免接合面氧化的发生，保温阶段的气氛可自由设定，以满足不同工艺、不同材料的要求。
采用本发明的接合方法，不但可以提高接合工艺的效率，还可以大幅度地提高接头部位处的强度和韦伯模量。这说明本发明不但能够实现同种材质或不同材质的导电材料在中高温度范围内和不同气氛条件下扩散接合过程的实时高精度智能控制，而且还可以有效地提高接合强度和接合工艺的稳定性。
本发明既适用于工业化生产，也可用于科研研究工作，在高新材料研究开发领域和工业化生产方面具有重要的实用价值。
权利要求
1.一种自通电加热扩散接合方法，其特征在于(1)采用多段电流控制加热程序；(2)位移反馈引导电流控制；(3)气氛控制和与电流控制程序连动的大小压力的调节。
2.按权利要求1所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于所述的多段电流控制加热程序依次为预热、快速加热、缓慢加热、保温和电流卸载降温5个段，其中预热段、保温段和电流卸载降温段的程序运行时间是预先设定的。
3.按权利要求1或2所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于所述的快速加热段的第二段运行时间的控制方式为程序设定运行时间和程序设定动电极后退位移量二者选择控制，其中一个达到了其程序设定值，那么该段的电流控制加热程序立刻结束，此时，动电极位移量归零。
4.按权利要求1或2所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于所述的缓慢加热的第三段的运行时间的控制方式是程序设定动电极前进位移量控制，当接合部位被加热到一定程度以后，接合压力克服了棒材的热膨胀，从而动电极开始前进，当动电极前进位移量达到程序设定值以后，第三段电流控制加热程序的运行结束，或选择通过手动控制的方式人为地结束第三段电流控制加热程序的运行。
5.按权利要求2所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于在缓慢加热的第三段根据动电极位移反馈信息对程序设定电流进行智能加减，单位时间内动电极位移速率的变化在±5.0％之内，则加载电流保持不变；反之，加载电流应按下式确定I＝I0(1-τ)式中，I0为前一单位时间内的加载电流，τ为动电极位移速率变化率。
6.按权利要求1所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于所述施加大接合压力的控制方式为电流控制加热程序的第二段运行时间和动电极后退位移量二者之间优先达到程序设定值的参数决定大接合压力的施加时间，在第三段电流控制加热程序结束时大的接合压力施加结束；在电流控制加热程序的其他阶段均为小接合压力。
7.按权利要求6所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于在电流控制加热程序的第三段缓慢加热施加大接合压是以保证接合端面之间的扩散充分和塑性流变的有效为准。
8.按权利要求1所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于所述的气氛控制，在前三段和后两段采用不同的气氛。
9.按权利要求8所述的自通电加热扩散接合方法，其特征在于前三段用的气氛所用的气氛为氩气或氮气，后两段为真空或空气。
全文摘要
本发明涉及一种自通电加热扩散接合的方法，提供了一种同种材质或不同材质的导电材料在中高温度范围内和不同气氛条件下扩散接合的方法，具有控制精度高、高效节能、低耗清洁和快速可靠等特点，主要应用于金属材料、导电性陶瓷材料和金属间化合物的固态连接。本发明应用5段电流加热控制程序、位移反馈引导的电流控制、不同温度段不同气氛条件的气氛控制和与电流曲线连动的压力控制等手段，能够实现扩散接合工艺过程的完全重现。用本发明提供的方法接合后的同质或不同质导电材料的韦伯模量，结合强度等均大于现有的方法。
文档编号B23K20/14GK1657216SQ20051002415
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月2日 优先权日2005年3月2日
发明者江莞, 郜剑英 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所