专利名称：焊接合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接合金，具体地，涉及组成包含至少两种低共熔合金组分的焊接合金。所述焊接合金适合于在金属、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷之间形成焊接接头。本发明还涉及使用所述焊接合金连接两件工件的方法。
背景技术：
以下关于本发明背景技术的论述意在促进对本发明的理解。但是，应理解，此论述不确认或不承认任何所述的材料在本申请的优先权日在任何权限中是发表的、已知的、或者是部分的公知常识。焊接是常用于通过焊接接头连接装置或工件的成熟方法。通常，工件的表面是干净的，然后在此焊接接头处施用焊接合金。这是为了确保此表面没有任何氧化物层并且使此焊接合金与此工件良好接触。此外，在由锡-铅组成的早期焊接合金组合物，需要助焊剂(flux)添加剂防止焊接接头处的氧化，其中氧化引起焊接接头劣化。另外，此类锡-铅焊接合金，虽然具有约200°C的低焊接温度，但是不足以对润湿性差的工件的表面进行润湿。此类工件包括陶瓷、玻璃和玻璃-陶瓷材料。改进此类工件的润湿性的几种尝试包括在焊接合金中掺入钛。此类焊接合金改进在润湿性差的表面如陶瓷上的润湿。然而，由于钛的高熔点，需要高于600°C的高焊接温度。此外，此焊接需要在高真空度中或使用保护气体进行。因此，期望提供克服或至少缓和上述问题的焊接合金。
发明内容
在整个文件中，除非另外相反地说明，术语“包括”、“由…组成”等应解释为非封闭的，换言之，意即“包括但不限于”。本发明的第一个方面，提供组成包括至少两种低共熔合金组分的焊接合金。本发明的第二个方面，提供通过焊接接头连接至少两件工件的方法。所述方法包括，在待连接的至少两件工件之间的焊接接头处提供如本发明的第一个方面所述的焊接合金，在焊接环境中在低于230°C的焊接温度下加热所述焊接合金，然后将加热过的焊接合金冷却由此形成所述焊接接头。本发明的第三个方面，在待连接的至少两件工件之间提供焊接接头，所述焊接接头包括如本发明的第一个方面所述的焊接合金。发明详述本发明涉及组成包括至少两种低共熔合金组分的焊接合金。所述焊接合金适合于在金属、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷之间形成焊接接头。根据本发明的第一方面，提供组成包括至少两种低共熔合金组分的焊接合金，其中所述低共熔合金组分可以是二元、三元或四元的。
选择所述低共熔合金组分，使得所得的焊接合金的熔融温度低于230°C，更优选地，低于200°C。各低共熔合金组分可以选自:Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-Cu、Sn-Ag、Al-Si、 Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi和Sn-Ag-In-Bi。还可以是本领域技术人员已知的其它低共熔组分。除了所述低共熔组分之外，所述焊接合金中还可以包含单质金属。添加此类单质金属以改进表面光泽、保存稳定性，或者减小在焊接接头处焊接合金的表面张力。单质金属包括但不限于Ag、Cu、Fe、In、Mg、Mn和它们的混合物。在本发明的第二个方面，提供通过焊接接头连接至少两件工件的方法。所述方法包括在待连接的至少两件工件之间的焊接接头处提供如本发明的第一个方面所述的焊接合金。所述工件可以是金属、陶瓷、玻璃或玻璃_陶瓷。然后在焊接环境中在低于230°C的焊接温度下加热此焊接合金。在所述低共熔组分中的金属是反应活性的，因此能够防止在焊接接头处发生氧化。故此在所述焊接合金中不需要助焊剂添加剂。此外，所述焊接可以在大气环境如含有氧的大气中进行。再者，不需要保护气体，因为所述焊接可以在非_高真空和低温度环境下进行。在此焊接温度下，在这两件工件之间的焊接接头的区域内，所述焊接合金开始熔解和熔合。在所述焊接接头的界面产生由所述焊接合金中的金属和所述工件形成的金属间相。在此润湿现象之后，所述工件的润湿性被改进。最后，将熔合的焊接合金冷却由此形成所述焊接接头。冷却时，所述熔合的焊接合金固化并且牢固地连接这两件工件。优选地，相对缓慢地冷却所述熔合的焊接合金，特别是当所述工件具有显著不同的热膨胀系数时；否则在快速和/或不均勻冷却的情况中，在所述焊接接头处或者在所述工件本身内可能形成裂缝。
具体实施例方式实施例实施例1使用可商购的Sn-Zn低共熔组分和Al-Si低共熔组分作为形成本发明的焊接合金的二元低共熔组分。在感应炉中，将99. 5重量％ WSn-Zn低共熔组分与0. 5重量％ WAl-Si组分混合。 在真空中将此混合物熔融以防止被氧和氮污染。然后冷却此熔融物形成糊状的所述焊接合金。为了在铝板和玻璃之间形成焊接接头，首先将铝板置于电加热板上。然后将此 [Sn-Zn]-[A1-Si]焊接合金糊置于此铝板上。其后将玻璃置于此焊接合金糊之上。由加载弹簧的钢条在此铝板和玻璃之间提供的机械压力在朝向加热板的方向作用，由此将此铝板和玻璃夹在一起。然后运行电加热板从铝板至玻璃的方向提供加热。加热提供200°C的焊接温度。同时，在玻璃侧提供另一个加热源如电阻加热器并在从玻璃至铝板的方向上提供加热。在顶部和底部的同时加热减小了铝板和玻璃之间的热梯度。为了防止焊接接头或玻璃破裂，如此小的热梯度是必不可少的。在200 V下加热数分钟后，停止加热源，并使熔合的焊接合金缓慢冷却以进一步防止破裂。实施例2
焊接合金组合物中的两种低共熔组分与实施例1中的相同，除了现在将99. 0重量％的Sn-Zn低共熔组分和1. 0重量％的Al-Si低共熔组分在感应炉中混合以形成焊接合金并挤出成细焊条。为了在不锈钢板和陶瓷之间形成焊接接头，使用常规焊接技术中使用的丁烷焰和加热棒。与实施例1中所述相似地布置此不锈钢板和陶瓷并在加热板组件中处理。将此焊条置于此不锈钢板和陶瓷之间。操作丁烷焰和加热棒，在200°C的温度下加热焊条、不锈钢板和陶瓷以熔解焊条。此焊条与不锈钢板和陶瓷熔合，由此形成焊接接头。实施例3在感应炉中，将90. 0重量％的Sn-Zn低共熔组分与6. 5重量％的Sn-Ag-Cu低共熔组分混合。将少量的In (3. 4重量％ )、Fe (0. 03重量％ )、Mg(0. 05重量％ )和Μη(0· 02 重量％)加入此混合物。在惰性保护的感应炉中熔解此混合物形成糊状的此焊接合金。添加的少量Fe和Mn促进成核和快速均勻的固化。为了在钛板和陶瓷之间形成焊接接头，使用常规焊接技术中使用的丁烷焰和加热棒。通过在陶瓷上施加负荷，而不是如实施例1中所述的由加载弹簧的钢条提供机械压力， 将此钛板和陶瓷固定在一起。不是将此钛板和陶瓷置于加热板组件内，而是将此钛板和陶瓷置于炉中，在炉中通过火焰、电阻加热器均勻加热以熔解焊接合金，由此形成焊接接头。上述焊接合金提供若干优点，不需要助焊剂添加剂。这消除了要除去焊接后工件中剩余的助焊剂残留物的问题。在大气环境中进行焊接，而不需要保护气体或高真空。这不需要昂贵且复杂的设备。低于230°C的低加工温度减少焊接过程中的氧化，并且显著减少因工件之间的不同热膨胀系数的热应变产生的接头裂缝。这还有助于通过降低对更昂贵的加热器的依赖来降低总成本。添加第二低共熔组分如Al-Si有助于改进此焊接合金的延展性(其可容易地形成糊状物、箔或条状物)，并且还有助于表面氧化物的分解。所得的焊接接头具有良好的焊接强度并且提供连接两件工件(无论是相似或不同的材料如金属、玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷)的可能性。这些焊接合金适用于钟表零件、工业玻璃部件、机械工具如陶瓷切割器、工程部件、牙科部件和微电子学中的电接头的金属化。虽然为了清楚的理解，上文借助于实例和实施例，通过一个或多个实施方案，在一些细节上已描述本发明，但是，对本领域技术人员而言，考虑到本发明的教导，显而易见地在不脱离随附权利要求书中所述的本发明的范围的情况下可以对其进行某些改变、变化和修改。
权利要求
1.焊接合金，其组成包括至少两种低共熔合金组分。
2.权利要求1所述的焊接合金，其中所述至少两种低共熔合金组分中的每一种各自为二元、三元或四元的。
3.权利要求2所述的焊接合金，其中所述至少两种低共熔合金组分选自Sn-ZruSn-Bi、 Sn-Cu, Sn-Ag、Al-Si、Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi 和 Sn-Ag-In-Bi。
4.权利要求3所述的焊接合金，其中所述至少两种低共熔合金组分是Sn-Zn和Al-Si。
5.权利要求4所述的焊接合金，其中所述焊接合金组合物包含96重量％-99. 5重量％ 的Sn-Zn低共熔合金组分和0. 5重量％ -4重量％的Al-Si低共熔合金组分。
6.权利要求5所述的焊接合金，其中所述焊接合金组合物包含99.5重量％的Sn-Zn低共熔合金组分和0. 5重量％的Al-Si低共熔合金组分。
7.权利要求5所述的焊接合金，其中所述焊接合金组合物包含99.0重量％的Sn-Zn低共熔合金组分和1. 0重量％的Al-Si低共熔合金组分。
8.权利要求3所述的焊接合金，其中所述至少两种低共熔合金组分是Sn-Zn和 Sn-Ag-Cuο
9.权利要求8所述的焊接合金，其中所述焊接合金组合物包含90重量％-99. 5重量％ 的Sn-Zn低共熔合金组分和0. 5重量％ -10重量％的Sn-Ag-Cu低共熔合金组分。
10.如上述权利要求中的任一项所述的焊接合金，其中所述焊接合金的熔点低于 230 °C。
11.权利要求10所述的焊接合金，其中所述焊接合金的熔点低于200°C。
12.如上述权利要求中的任一项所述的焊接合金，其还包含单质金属。
13.权利要求12所述的焊接合金，其中所述单质金属选自Ag、Cu、Fe、In、Mg、Mn和它们的混合物。
14.权利要求13所述的焊接合金，其中所述焊接合金组合物包含0重量％-4重量％的所述单质金属。
15.通过焊接接头连接至少两件工件的方法，所述方法包括-在待连接的所述至少两件工件之间的焊接接头处提供如上述权利要求中的任一项所述的焊接合金；-在焊接环境中在低于230°C的焊接温度下加热所述焊接合金；和-将加热过的所述焊接合金冷却，由此形成所述焊接接头。
16.权利要求15所述的方法，其中所述焊接温度低于200°C。
17.权利要求15或16所述的方法，其中所述焊接环境是大气。
18.权利要求15、16或17所述的方法，其中所述焊接环境不含有保护气体。
19.权利要求15-18中的任一项所述的方法，其中所述加热不包括助焊剂的使用。
20.权利要求15-19中的任一项所述的方法，其中在所述焊接接头处，所述至少两件工件中的每一件各自由金属、陶瓷、玻璃或玻璃-陶瓷组成。
21.在待连接的至少两件工件之间的焊接接头，所述焊接接头包含权利要求1-14中的任一项所述的焊接合金。
22.权利要求21所述的焊接接头，其中所述至少两件工件之一是陶瓷。
23.权利要求21所述的焊接接头，其中所述至少两件工件之一是玻璃_陶瓷。
24.权利要求1-14中的任一项所述的焊接合金作为焊接接头的用途。
全文摘要
本发明提供了组成包含至少两种低共熔合金组分的焊接合金。本发明还提供了使用所述焊接合金连接两件工件的方法。
文档编号C22C13/00GK102216478SQ200980145500
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月15日
发明者罗炳鑫 申请人:奥典私人有限公司