本申请是申请日为2018年12月31日、申请号为201811650730.0、发明名称为钎焊用的治具的专利申请的分案申请。
本公开特别涉及一种真空钎焊用的治具。
背景技术：
陶瓷作为高温结构材料因其具有良好的生物相容性、耐热、耐腐蚀和电气绝缘性能等而被广泛用于各个领域。不过在实际应用中，为了解决陶瓷本身硬度过大造成的加工性差的问题，需要将陶瓷和金属通过一定方法连接起来形成金属-陶瓷复合结构件。
目前，连接陶瓷和金属材料最常用的方法是钎焊。钎焊具有热影响区小、形成的接头可靠等优点，非常适合用于异种材料之间的连接。但是由于陶瓷自身的润湿性很差，使得陶瓷与金属材料之间难以形成良好的连接。而且陶瓷与金属彼此的热膨胀系数差异较大，会导致接头中热应力过大，影响接头的强度和气密性等性能。然而，在传统的陶瓷与金属材料的钎焊中，经常存在待焊件受热不均匀，容易受杂质污染等问题。
技术实现要素：
本公开有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种能够减少待焊件的污染并改善待焊件受热均匀性的真空钎焊用的治具。
为此，本公开提供了一种真空钎焊用的治具，其包括：载物台，其具有用于放置待焊件的凹槽、以及与所述凹槽的底部贯通的贯通孔；以及压块，其为直径不同的第一圆柱体与第二圆柱体的组合体并与所述凹槽配合，所述压块覆盖所述待焊件而使所述待焊件固定于所述凹槽，所述压块设置有通气孔，其中，在所述压块中，所述第一圆柱体的直径小于所述凹槽，所述第二圆柱体的直径大于所述凹槽，并且所述待焊件与所述第一圆柱体的高度之和大于所述凹槽的深度。
在本公开中，载物台具贯通孔，并且压块具有通气孔，待焊件被压块覆盖而固定于凹槽。在这种情况下，真空钎焊时贯通孔和通气孔内可以形成气体流动，因此在钎焊过程中能够使治具温度分布均匀而使待焊件受热均匀，并且能够排出钎焊过程中所产生的金属蒸汽等杂质，从而避免待焊件受到污染。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述压块覆盖所述待焊件时，所述第一圆柱体覆盖所述待焊件。由此，能够使待焊件固定于凹槽内。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述第一圆柱体与所述凹槽的侧壁之间存在间隙。由此，能够进一步排出钎焊过程中所产生的杂质。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述压块具有多个通气孔，在所述多个通气孔中，至少包括沿着所述压块的长度方向贯通所述压块的通气孔，并且所述贯通孔与所述通气孔形成气体流动。在这种情况下，能够提高待焊件受热的均匀性，并且能够避免待焊件受到污染。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述凹槽呈圆柱体状，并且所述凹槽的底部呈平坦状。由此，能够有利于凹槽与压块的配合，并且能够将待焊件平稳地放置在载物台的凹槽。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述载物台具有多个所述凹槽，各个所述凹槽分别具有相应的所述压块配合。由此，能够同时对多个待焊件进行钎焊。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述载物台具有环绕所述多个凹槽的沟槽。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，还包括覆盖所述载物台的盖体，所述盖体的边缘与所述沟槽配合。在这种情况下，在钎焊时盖体与载物台的配合能够有助于保护治具内的气氛。
另外，在本公开所涉及的治具中，可选地，所述待焊件放置在所述凹槽的底部，并且与所述凹槽的侧壁之间存在空隙。由此，能够有利于钎焊的进行，并且有助于钎焊结束后的取件。
另外，在本公开所涉及的治具中，所述载物台由选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成，所述压块由选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成，并且所述压块一体成型。在这种情况下，能够使载物台和压块适用于高温钎焊。
根据本公开，能够提供一种减少待焊件的污染并改善待焊件受热均匀性的钎焊用的治具。
附图说明
图1示出了本发明的实施方式所涉及的陶瓷与金属的钎焊方法的流程示意图。图2示出了本发明的实施方式所涉及的治具的立体图。
图3示出了图2所示的治具沿着线a-a'的截面图。
图4示出了本发明的实施方式所涉及的装配有待焊件的治具的截面图。
图5示出了本发明的实施方式所涉及的待焊件的装配结构图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
图1示出了本发明的实施方式所涉及的陶瓷与金属的钎焊方法的流程示意图。
本实施方式所涉及的陶瓷与金属的钎焊方法包括：准备待焊陶瓷31和待焊金属33，并且对待焊陶瓷31进行表面处理，以使待焊陶瓷31的表面形成为光滑表面(步骤s10)；在待焊陶瓷31的表面进行金属化处理，形成与待焊陶瓷31结合的中间金属层，待焊陶瓷31的热膨胀系数与中间金属层的热膨胀系数匹配(步骤s20)；将待焊陶瓷31、金属钎料32与待焊金属33依次叠放并进行钎焊(步骤s30)。在本实施方式中，待焊件30可以包括待焊陶瓷31、金属钎料32和待焊金属33。待焊件30的形状没有特别限制，在一些示例中，待焊件30可以为圆柱状。
在本实施方式所涉及的陶瓷与金属的钎焊方法中，陶瓷与金属的钎焊方法包括了对待焊陶瓷31进行表面处理，并且待焊陶瓷31的表面经过金属化处理，形成具有匹配热膨胀系数的中间金属层，在这种情况下，钎料能够很好的浸润表面经过金属化处理的待焊陶瓷31，并且中间金属层能够使陶瓷与金属的钎焊界面热膨胀系数呈现梯度过渡，从而能够减小界面间因材料不同导致的热膨胀系数差异，减小接头热应力并且提高气密性能。
此外，在本实施方式所涉及的钎焊方法中，在钎焊时还可以通过选用适宜的钎焊温度和保温时间可以改善界面间脆性相的产生和分布，增加强度、减小热应力和母材的热变形，消除焊缝中的裂纹，提升陶瓷与金属的钎焊界面的气密性和强度。
在本实施方式中，在步骤s10中，可以对待焊陶瓷31的表面进行研磨及抛光处理至表面粗糙度小于0.05μm。在这种情况下，待焊陶瓷31的表面光滑且平整，有利于后续陶瓷与金属之间的钎焊。在一些示例中，待焊陶瓷31的表面的粗糙度可以为0.04μm、0.03μm、0.02μm、0.01μm等。
另外，在本实施方式中，在步骤s10中，待焊陶瓷31可以由选自氧化铝(al2o3)、氧化锆(zro2)、氧化硅(sio2)、碳素材料(c)、氮化硅(si3n4)、碳化硅(sic)、氧化钛(tio2)、硅铝酸盐(na2o·al2o3·sio2)或钙铝系(cao·al2o3)中的至少一种构成。在这种情况下，能够获得具有生物兼容性的待焊陶瓷31。
另外，在本实施方式中，待焊陶瓷31可以为氧化铝(al2o3)陶瓷。在一些示例中，待焊陶瓷31优选由质量分数为96％以上的氧化铝(al2o3)构成。更优选地，待焊陶瓷31由质量分数为99％以上的氧化铝(al2o3)构成，最优选地，待焊陶瓷31由质量分数为99.99％以上的氧化铝(al2o3)构成。一般而言，在待焊陶瓷31中，氧化铝(al2o3)质量分数的增加，能够使其主晶相增多，待焊陶瓷31的物理性能也能够提高，例如抗压前度、抗弯强度、弹性模量也相应地提高，由此可以认为，质量分数更高的氧化铝(al2o3)会呈现更好的生物兼容性和长期可靠性。在另一些示例中，待焊陶瓷31还可以为氧化锆(zro2)陶瓷。
另外，在一些示例中，根据使用场合，待焊陶瓷31也可以由选自氧化硅(sio2)、氧化钾(k2o)、氧化钠(na2o)、氧化钙(cao)、氧化镁(mgo)、氧化铁(fe2o3)中的至少一种构成。
另外，在本实施方式中，在步骤s10中，待焊金属33可以选自ti(钛)、nb(铌)、ni(镍)、zr(锆)、ta(钽)及它们的合金中的至少一种。由此，能够获得具有生物兼容性的待焊金属33。另外，在一个示例中，待焊金属33可以为纯ti。在另一个示例中，待焊金属33可以为ti合金。另外，在又一个示例中，待焊金属33可以为铁镍合金。
另外，在一些示例中，待焊金属33也可以选自不具有生物兼容性的金属。例如，待焊金属33可以由选自铜(cu)、铁(fe)、镁(mg)、铅(pb)、铝(al)及它们的合金中的至少一种等。
另外，在本实施方式中，在步骤s20之前，还可以包括对待焊金属33进行表面处理。在一些示例中，待焊金属33可以使用砂纸逐级打磨来对待焊金属33进行表面处理。由此，能够更好地将待焊金属33的表面打磨成合适的粗糙度，增加待焊金属33的润湿性。例如，在一个示例中，待焊金属33可以用#200、#400、#600、#1200、#2000和#4000砂纸逐级打磨。在另一个示例中，待焊金属33可以用#100、#300、#500、#1000、#1500、#2500和#4000砂纸逐级打磨。另外，在又一个示例中，待焊金属33可以用#280、#400、#800、#1600、#2500、#3500和#5000砂纸逐级打磨。
另外，在本实施方式中，在步骤s20之前，可以包括对打磨后的待焊金属33进行清洗。在一些示例中，可以对打磨后的待焊金属33用乙醇清洗10min至20min，再用异丙醇清洗10min至20min。例如，可以对打磨后的待焊金属33用乙醇清洗15min，再用异丙醇清洗15min。由此，能够去除待焊技术的表面的异物利于后续的钎焊。
在本实施方式中，在步骤s20中，金属化处理的方法可以为溅射、蒸镀、pvd(物理气相沉积)、cvd(化学气相淀积)、镀覆或高温烧结。由此，能够在待焊陶瓷31表面形成与之结合的中间金属层。在一些示例中，金属化处理的方法优选为溅射。
另外，在本实施方式中，在步骤s20中，中间金属层可以为选自nb、au、ti及它们的合金中的至少一种。由此，能够很好地润湿表面具有中间金属层的待焊陶瓷31。在一些示例中，中间金属层可以为选自nb(铌)、au(金)、ti(钛)中的一种。例如，在一个示例中，中间金属层可以为nb。另外。在另一个示例中，中间金属层可以为au等。
另外，在本实施方式中，在步骤s20中，待焊陶瓷31的热膨胀系数与中间金属层的热膨胀系数匹配，即中间金属层的热膨胀系数可以介于待焊陶瓷31的热膨胀系数和待焊金属33的热膨胀系数之间，由此能够使待焊陶瓷31与待焊金属33的界面间的热膨胀系数呈现梯度过渡，减小接头界面间由于材料不同导致的热膨胀系数差异，进而减小界面的热应力，提高性能。
另外，在本实施方式中，在步骤s20中，可以包括对具有中间金属层的待焊陶瓷31进行清洗。由此，能够去除待焊陶瓷31的表面的异物利于后续的钎焊。在一些示例中，可以对具有中间金属层的待焊陶瓷31用乙醇清洗3min至5min，再用异丙醇清洗3min至5min。例如，在一个示例中，可以对具有中间金属层的待焊陶瓷31用乙醇清洗4min，再用异丙醇清洗4min。
在本实施方式中，在步骤s30中，金属钎料32可以为选自au、ag、ti、nb及它们的任意合金中的至少一种。在这种情况下，能够实现钎料对待焊陶瓷31与待焊金属33的润湿。另外，在一些示例中，金属钎料32可以au基钎料、ag基钎料中的至少一种。例如，在一个示例中，金属钎料32可以为纯au。
另外，在本实施方式中，在步骤s30中，金属钎料32可以为薄片状。在这种情况下，金属钎料32能够更好地浸润待焊材料。但是本实施方式不限于此，在一些示例中，金属钎料32可以为粉末状、膏状、丝状、条状等。例如，在一个示例中，金属钎料32可以为粉末状。另外，在另一个示例中，金属钎料32可以为膏状。
另外，在本实施方式中，在步骤s30中，可以包括对金属钎料32进行预处理。在一些示例中，金属钎料32可以使用砂纸逐级打磨来对金属钎料32进行表面处理。由此，能够去除表面的氧化膜。例如，在一个示例中，金属钎料32可以用#200、#400、#600、#1200、#2000和#4000砂纸逐级打磨。在另一个示例中，金属钎料32可以用#100、#300、#500、#1000、#1500、#2500和#4000砂纸逐级打磨。另外，在又一个示例中，金属钎料32可以用#280、#400、#800、#1600、#2500、#3500和#5000砂纸逐级打磨。
以下，结合图示详细地描述本实施方式所涉及的步骤30中所使用的钎焊用的治具1。
图2示出了本发明的实施方式所涉及的治具1的立体图。图3示出了图2所示的治具1沿着线a-a'的截面图。在图3中，为了方便表示载物台10的结构，省略了与载物台10配合的盖体。
在本实施方式中，钎焊用的治具(以下有时称“治具”)1可以具有载物台10和与载物台10配合的压块20。在步骤s30中，通过将待焊件30(待焊陶瓷31、金属钎料32和待焊金属33)依次置于载物台10，并且将与载物台10配合的压块20配置在待焊件30上，从而能够实现待焊件30实现钎焊。
另外，在一些示例中，载物台10可以呈半圆柱状。在这种情况下，能够更好地进行钎焊。例如，半圆柱状的载物台10可以置于具有圆柱状的炉体管的钎焊管式炉(未图示)中进行钎焊。另外，载物台10的形状可以与钎焊管式炉的炉体管的形状匹配。在这种情况下，有利于治具1在钎焊管式炉中的固定,能够更好地进行钎焊。例如，钎焊管式炉的炉体管可以呈棱柱状，载物台10可以也呈棱柱状。
另外，在本实施方式中，钎焊管式炉可以连接真空泵(未图示)。在一些示例中，钎焊管式炉(未图示)内的真空度可以为10-4pa。在另一些示例中，钎焊管式炉(未图示)内的真空度可以为10-3pa。另外，在又一示例中，钎焊管式炉(未图示)内的真空度可以为10-2pa。
另外，在一些示例中，根据选择的钎料(金属钎料32)，钎焊管式炉(未图示)内的真空度还可以为8×10-3pa、5×10-3pa、3×10-3pa、7×10-2pa、5×10-2pa、2×10-2pa或1pa。
另外，在本实施方式中，载物台10可以具有用于放置待焊件30的凹槽11、以及与凹槽11的底部11a贯通的贯通孔12(参见图4)。另外，在一些示例中，载物台10可以具有至少一个凹槽(例如图3中的凹槽11，图3示出了四个凹槽的例子)、以及从凹槽(凹槽11)的底部11a贯穿载物台10的贯通孔12(贯通孔12)。其中，凹槽11可以用于放置待焊件30(包括待焊陶瓷31、金属钎料32和待焊金属33)，并且能够与压块20配合。在载物台10设置多个凹槽的情况下，能够进行批量钎焊，提高作业效率。
在本公开所涉及的治具1中，如上所述，载物台10具有用于放置待焊件30的凹槽11以及贯通凹槽11的底部11a的贯通孔12，另外压块20与载物台10中的凹槽11配合，并且压块20具有通气孔21。在这种情况下，贯通孔12和通气孔21内可以形成气体流动，因此在钎焊过程中能够使治具1温度分布均匀而使待焊件30受热均匀，并且通气孔21能够排出钎焊过程中所产生的金属蒸汽等杂质，从而避免待焊件30受到污染。
在一些示例中，凹槽11的底部11a可以为平坦状(参见图3)。由此，在凹槽11的底部11a能够平稳地放置待焊件30。
在一些示例中，凹槽11可以呈圆柱体状。在这种情况下，能够特别适用于同样也是圆柱状待焊件30。但是本实施方式不限于此，在一些示例中，凹槽11也可以呈棱柱状等。例如，在一个示例中，凹槽11也可以呈长方体状。在另一个示例中，凹槽11也可以呈正方体状。
另外，在一些示例中，贯通孔12中能够具有热气的流动，从而能够在钎焊过程使载物台10内温度分布均匀，进而使待焊件30均匀受热。另外，贯通孔12的存在还能够更方便地清洁凹槽11。另外，由于贯通孔12能够贯通凹槽11的底部11a，凹槽11可以用于放置待焊件30，因此贯通孔12能够利于取件。
另外，在一些示例中，治具1还可以包括覆盖载物台10的盖体(未图示)。在这种情况下，能够保护钎焊时的气氛，能够很好地维持真空度。
另外，在一些示例中，载物台10可以具有环绕凹槽11的沟槽13，盖体(未图示)的边缘可以与沟槽13配合。由此，盖体(未图示)能够覆盖载物台10。在一些示例中，盖体的边缘可以与沟槽13卡合。
在本实施方式中，如图2和图3所示，压块20可以为内径不同的两个圆柱体的组合体。在这种压块20中，内径小的圆柱体的直径小，因而可以与凹槽11配合，而内径大的圆柱体的直径大，因而可以覆盖凹槽。在这种情况下，能够通过压块20来实现对待焊件30的施压。在另一个示例中，压块20可以为棱柱体。另外，在又一个示例中，压块20可以为圆台。另外，在一些示例中，压块20一体成型。
在本实施方式中，在压块20中可以设置有通气孔21。另外，在一些示例中，压块20可以具有多个通气孔21，例如压块20可以具有2个、3个通气孔21。在这种情况下，由于通气孔21内可以形成气体流动，从而能够在钎焊过程使载物台10内温度分布均匀，进而使待焊件30均匀受热。另外，通气孔21也能够帮助排出钎焊过程中所产生的金属蒸汽等杂质，从而避免待焊件30被污染。
在一些示例中，在多个通气孔21中，可以具有沿着长度方向贯通的通气孔21。在这种情况下，能够进一步提高待焊件30受热的均匀性，并且能够更好地避免待焊件30被污染。
另外，在一些示例中，待焊件30可以位于凹槽11的底部11a与压块20之间。由此，能够使待焊件30很好地被固定在凹槽11内。
另外，在本实施方式中，载物台10的材料可以选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成。在一个示例中，载物台10的材料可以为石墨。在另一个示例中，载物台10的材料可以为合成石。
另外，在本实施方式中，压块20的材料可以选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成。在一个示例中，压块20的材料可以为石墨。在另一个示例中，压块20的材料可以为合成石。
另外，在一些示例中，治具1的长度和凹槽11可以分布于钎焊管式炉的温度均匀的温区。由此，能够同时对多个待焊件30进行很好地钎焊。
图4示出了本发明的实施方式所涉及的装配有待焊件30的治具1的截面图。图5示出了本发明的实施方式所涉及的待焊件30的装配结构图。
另外，在本实施方式中，在步骤s30中，如图4所示，可以将待焊件30放置于载物台10上的凹槽11中，再用压块20将待焊件30压住，即可完成装配。接着，装配好的载物台10、压块20和待焊件30送入例如钎焊管式炉进行钎焊。在一些示例中，装配好的载物台10、压块20和待焊件30被送入钎焊管式炉的温度均匀的温区。由此，能够同时对多个待焊件30进行很好地钎焊。
另外，在一些示例中，压块20与载物台10的凹槽11的侧壁之间的间隙h可以为0.05mm至0.06mm(参见图4)，在这种情况下，能够在钎焊完成时顺利地取出焊接件。另外，如上所述，载物台10可以具有多个凹槽11，由此能够同时对多个待焊件30进行钎焊。例如，除了图2和图3的图示外，载物台10中可以具有4个、12个、16个或20个凹槽。
另外，在一些示例中，待焊件30各部件在凹槽11内从下而上叠放的顺序可以为待焊陶瓷31、金属钎料32与待焊金属33(参见图5)。例如，待焊件30各部件在凹槽11内从下而上叠放的顺序可以为圆形al2o3陶瓷基底、纯au钎料环与纯ti金属环，并且圆形al2o3陶瓷基底、纯au钎料环与纯ti金属环的外直径大致相同。
另外，在本实施方式中，在步骤s30中，对待焊件30可以以1℃/min至50℃/min的加热速率升温至1060℃至1150℃，保温1min至30min，然后以2℃/min至20℃/min的降温速率降温至200℃至400℃，然后随炉冷却至150℃以下。其中，1060℃至1150℃可以作为钎焊温度。在这种情况下，能够改善界面间脆性相的产生和分布，增加强度、减小热应力和母材的热变形，消除焊缝中的裂纹，提升陶瓷与金属的钎焊界面的气密性和强度。
另外，在一些示例中，在步骤s30中，可以以20℃/min的加热速率升温至1060℃，保温1min，然后以10℃/min的降温速率降温至400℃，然后随炉冷却至150℃。在另一些示例中，可以以15℃/min的加热速率升温至1065℃，保温3min，然后以12℃/min的降温速率降温至250℃，然后随炉冷却至140℃。另外，在又一示例中，可以以30℃/min的加热速率升温至1100℃，保温5min，然后以8℃/min的降温速率降温至300℃，然后随炉冷却至120℃。
另外，根据选择的钎料(金属钎料32)，钎焊温度还可以为850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1150℃、1200℃等。
虽然以上结合附图和实施方式对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。
1.一种真空钎焊用的治具，其特征在于：
包括：
载物台，其具有用于放置待焊件的凹槽、以及与所述凹槽的底部贯通的贯通孔；以及
压块，其为直径不同的第一圆柱体与第二圆柱体的组合体并与所述凹槽配合，所述压块覆盖所述待焊件而使所述待焊件固定于所述凹槽，所述压块设置有通气孔，
其中，在所述压块中，所述第一圆柱体的直径小于所述凹槽，所述第二圆柱体的直径大于所述凹槽，并且所述待焊件与所述第一圆柱体的高度之和大于所述凹槽的深度。
2.如权利要求1所述的治具，其特征在于：
所述压块覆盖所述待焊件时，所述第一圆柱体覆盖所述待焊件。
3.如权利要求2所述的治具，其特征在于：
所述第一圆柱体与所述凹槽的侧壁之间存在间隙。
4.如权利要求1所述的治具，其特征在于：
所述压块具有多个通气孔，在所述多个通气孔中，至少包括沿着所述压块的长度方向贯通所述压块的通气孔，并且所述贯通孔与所述通气孔形成气体流动。
5.如权利要求1所述的治具，其特征在于：
所述凹槽呈圆柱体状，并且所述凹槽的底部呈平坦状。
6.如权利要求1所述的治具，其特征在于：
所述载物台具有多个所述凹槽，各个所述凹槽分别具有相应的所述压块配合。
7.如权利要求6所述的治具，其特征在于：
所述载物台具有环绕所述多个凹槽的沟槽。
8.如权利要求7所述的治具，其特征在于：
还包括覆盖所述载物台的盖体，所述盖体的边缘与所述沟槽配合。
9.如权利要求1或3所述的治具，其特征在于：
所述待焊件放置在所述凹槽的底部，并且与所述凹槽的侧壁之间存在空隙。
10.如权利要求1所述的治具，其特征在于：
所述载物台由选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成，
所述压块由选自石墨、硅、合成石、碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅中的至少一种构成，并且所述压块一体成型。
技术总结