kovar合金与玻璃的焊接方法

摘要

本发明公开了一种kovar合金与玻璃的焊接方法，其包括如下步骤：S1.提供kovar合金；S2.打磨抛光kovar合金；S3.超声清洗和清洁处理；S4.激光对kovar合金重熔处理；S5.送入管式炉中加热。本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法中，采用激光器进行直线照射处理kovar合金表面，而不是采用炉子对整个kovar合金进行处理，不仅减少了能源浪费，同时由于仅仅对需要润湿(或封接)的区域进行了处理，合金其他区域没有受到影响，从而合金(金属)的性能没有得到恶化，提高了服役性能。

说明书

技术领域

本发明涉及kovar合金的焊接技术领域，尤其涉及一种kovar合金与玻璃的焊 接方法。

背景技术

玻璃材料因高温耐磨、耐蚀、绝缘，抗氧化能力强等特点被广泛的应用， 但玻璃本身的低延性、冲击韧性差则限制了其在工程中的应用。因此结合了玻 璃与金属双重优良性能的玻璃金属复合连接(焊接)材料应运而生，并广泛应 用于微电子封装、电池、仪器仪表、太阳能真空集热管、复合材料等领域，因 此研究玻璃与金属封接有重要意义。

玻璃与金属的封接方法有很多种，其中研究最多且理论较成熟的为匹配封 接。匹配封接是在封接前先对金属进行预氧化处理，使金属表面生成一层厚度 适当的氧化层，再将金属与玻璃放在炉中加热保温一定时间然后冷却至室温， 但是匹配封接要在炉中加热然后冷却，从而匹配封接的生产周期长。

玻璃与金属焊接性能的好坏通常使用润湿性来衡量，其中，润湿性是指固 体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象，润湿性通过润湿角来表示。当液滴 滴在固体表面时，根据润湿性不同可出现不同形状，液滴在固液接触边缘的切 线与固体平面间的夹角称为润湿角。上述润湿性能的好坏直接影响玻璃与金属 的焊接效果，具体地，两者之间的润湿角越小表明润湿性越好。

从而，上述匹配封接中，金属表面经过预氧化处理形成的氧化层对玻璃与 金属的润湿性有很大影响，氧化层与液态金属的界面张力要比金属与玻璃界面 张力低，因此氧化层一般能提高润湿性。故传统的玻璃与金属(合金)的匹配 封接中，合金表面都是先放在炉子中进行预先热氧化处理，获得一定厚度的氧 化层，然后玻璃在与金属(合金)进行润湿(又叫封接，焊接)。上述封接方 法要在炉中加热进行预先热氧化后冷却，然后在进行润湿(封接)，从而造成 了生产周期长。

此外，现有的封接方法中，对于金属(合金)不需要进行润湿或封接的区 域也进行了热氧化，恶化了材料的性能，使得材料的服役性能大为下降，而且 对整个金属(合金)进行处理，浪费了额外的能源。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种kovar合金与玻璃的焊接方法。

激光加工技术由于可以对指定区域进行加工处理，能够完成熔化合金表面， 从而使得合金表面指定区域形成一定的改性层，该层与金属(合金)直接进行 润湿，可以完全润湿。由此大大促进了玻璃与金属(合金)封接的改进，同时 没有对其他区域进行处理，对合金服役性能也得到了极大的改善。

基于激光加工技术，为了实现上述目的，本发明的一种kovar合金与玻璃的 焊接方法，其包括如下步骤：

S1.提供与玻璃进行封接的kovar合金；

S2.对提供的kovar合金进行表面抛光处理；

S3.再对经过表面抛光处理的kovar合金进行清洗，清洗后吹干备用；

S4.激光器在控制系统控制下，发射激光对kovar合金的待加工区域进行扫 描重熔处理；

S5.将与kovar合金进行焊接的玻璃放置于kovar合金的加工区域上，并将 kovar合金与玻璃送入管式炉中进行加热，加热时进行程序升温，加热完毕后， 进行保温处理，再降温至室温。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中对kovar合金进行表面抛光处理 时，利用砂纸对kovar合金表面进行打磨抛光。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中进行清洗时，首先进行超声清洗， 再利用无水酒精或丙酮进行清洗。

作为本发明的进一步改进，所述kovar合金的厚度为0.5mm～10mm，所述 kovar合金经重熔处理后，表面粗糙度小于重熔处理前kovar合金表面粗糙度的 两倍。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中，发射的激光的波长为 800～10640nm，功率为30～700W，扫描速度为2～26mm/s。

作为本发明的进一步改进，所述激光器为YAG激光器、二氧化碳激光器、 或半导体激光器。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5还包括：

S51.提供玻璃粉，将其放置于圆筒中，再将圆筒放置于压力机下，于5MPa 下加压，形成玻璃块；

S52.将玻璃块放置于kovar合金的加工区域上，并将kovar合金与玻璃块送 入管式炉中进行加热，加热时进行程序升温，加热完毕后，进行保温处理，再 降温至室温。

作为本发明的进一步改进，在管式炉中进行加热时，在管式炉中的匀温区 进行加热，程序升温时，升温速度为4℃/min，升温至1100℃，保温100min， 降温时，控制降温速率为5℃/min，至温度降低至室温时止。

作为本发明的进一步改进，在管式炉中进行升温和降温是在大气条件下进 行的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的kovar合金与玻璃的焊接 方法通过优化工艺参数、精确控制激光重熔处理区域，控制功率、扫描速度， 获得了特定的改性处理区域，如此克服了现有的预氧化处理方式中存在的不足。

此外，本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法中，采用激光器进行直线照射 处理kovar合金表面，而不是采用炉子对整个kovar合金进行处理，不仅减少了能 源浪费，同时由于仅仅对需要润湿(或封接)的区域进行了处理，合金其他区 域没有受到影响，从而合金(金属)的性能没有得到恶化，提高了服役性能。

本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法还具备能量可控性高、加工热影响区 窄、加工效率高等优点，可更好地适应柔性制造环境。

附图说明

图1为本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法的具体实施方式的方法流程 图；

图2为本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法中润湿角与润湿或不润湿(焊 接性能好坏)的分布示意图，其中图2中以90°为界，指向纸面左侧为润湿， 指向纸面右侧为不润湿；

图3为本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法中焊接在一起的kovar合金与 玻璃的润湿角测试金相照片；

图4为对比例中，没有经过激光重熔处理、也没有经过预先热氧化处理的 kovar合金与玻璃的照片；

图5为对比例中，没有经过激光重熔处理的kovar合金与玻璃焊接后的润湿 角测试金相照片。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实 施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法，其包括如下步骤：

S1.提供与玻璃进行封接的kovar合金。

S2.对提供的kovar合金进行表面抛光处理。其中，对kovar合金进行表面抛 光处理时，利用砂纸对kovar合金表面进行打磨抛光。

S3.再对经过表面抛光处理的kovar合金进行清洗，清洗后吹干备用。所述 步骤S3中进行清洗时，首先进行超声清洗，再利用无水酒精或丙酮进行清洗， 以保证kovar合金加工面的清洁。

S4.激光器在控制系统控制下，发射激光对kovar合金的待加工区域进行扫 描重熔处理。

其中，发射的激光的波长为800～10640nm，功率为30～700W，扫描速度为 2～26mm/s。经过激光的扫描重熔处理后，保证kovar合金表面粗糙度小于重熔 处理前kovar合金表面粗糙度的两倍。本实施方式中，kovar合金的厚度为 0.5mm～10mm。上述激光器可以为YAG激光器、二氧化碳激光器、或半导体激 光器。上述激光对kovar合金的扫描重熔处理是在大气条件下进行的。

S5.将与kovar合金进行焊接的玻璃放置于kovar合金的加工区域上，并将 kovar合金与玻璃送入管式炉中进行加热，加热时进行程序升温，加热完毕后， 进行保温处理，再降温至室温，从而完成玻璃与kovar合金的焊接。

作为一种替代实施方式，当使用玻璃粉进行焊接时，步骤S5还包括：

S51.提供玻璃粉，将其放置于圆筒中，再将圆筒放置于压力机下，于5MPa 下加压，形成玻璃块；

S52.将玻璃块放置于kovar合金的加工区域上，并将kovar合金与玻璃块送 入管式炉中进行加热，加热时进行程序升温，加热完毕后，进行保温处理，再 降温至室温。

其中，将玻璃粉压制成玻璃块，使其在轻微运动过程中不会松散，从而使 焊接能够顺利进行。优选地，玻璃粉为borosilicate玻璃粉。

具体地，进行玻璃粉压制时，将borosilicate玻璃粉放置于Φ5mm×10mm 的钢制圆筒内，再将该圆筒放置于压力机下。在5MPa条件下进行压制，保温至 少10s后，形成玻璃块，取出备用。

上述步骤S5及其替代实施方式中，在管式炉中进行加热时，将kovar合金 与玻璃(粉)在管式炉中的匀温区进行加热，程序升温时，控制升温速度为4℃ /min，并升温至1100℃，保温100min，降温时，控制降温速率为5℃/min，至 温度降低至室温时止。上述在管式炉中进行升温和降温的过程均是在大气条件 下进行的。

下面结合若干实施例对本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法进行详细阐 述。

实施例1

提供与玻璃进行封接的kovar合金，对其表面进行砂纸打磨抛光处理，对合 金进行超声波清洗，并使用无水酒精进行清洗，吹干待用。

使用YAG激光器，在激光头控制系统的控制下，激光头对位于加工区域的 合金进行扫描重熔处理，处理的条件为大气。其中，使用激光波长为1064nm的 激光设备，功率为200W，扫描速度12mm/s。

提供borosilicate玻璃粉，对borosilicate玻璃粉进行压制成块，将玻璃块放 置在经过重熔处理处理的合金上，送入管式炉中加热。加热时，控制升温速度 为4℃/min，并升温至1100℃，保温100min后，进行降温。降温时，控制降温 速率为5℃/min，至温度降低至室温时止。

实施例2

提供与玻璃进行封接的kovar合金，对其表面进行砂纸打磨抛光处理，对合 金进行超声波清洗，并使用丙酮进行清洗，吹干待用。

使用二氧化碳激光器，在激光头控制系统的控制下，激光头对位于加工区 域的合金进行扫描重熔处理，处理的条件为氧气。其中，使用激光波长为10640nm 的激光设备，功率为700W，扫描速度26mm/s。

提供borosilicate玻璃粉，对borosilicate玻璃粉进行压制成块，将玻璃 块放置在经过重熔处理处理的合金上，送入管式炉中加热。加热时，控制升 温速度为4℃/min，并升温至1100℃，保温100min后，进行降温。降温时， 控制降温速率为5℃/min，至温度降低至室温时止。

实施例3

提供与玻璃进行封接的kovar合金，对其表面进行砂纸打磨抛光处理，对合 金进行超声波清洗，并使用丙酮进行清洗，吹干待用。

使用半导体激光器，在激光头控制系统的控制下，激光头对位于加工区域 的合金进行扫描重熔处理，处理的条件为大气。其中，使用激光波长为880nm 的激光设备，功率为30W，扫描速度2mm/s。

提供borosilicate玻璃粉，对borosilicate玻璃粉进行压制成块，将玻璃 块放置在经过重熔处理处理的合金上，送入管式炉中加热。加热时，控制升 温速度为4℃/min，并升温至1100℃，保温100min后，进行降温。降温时， 控制降温速率为5℃/min，至温度降低至室温时止。

本发明针对上述实施例1、2、3中焊接在一起的玻璃与kovar合金的焊接性 能基于润湿性进行了润湿角的测试实验，该测试实验的步骤如下。

如图2所示，润湿角超过90°为不润湿，小于90°为润湿，角度越小，则 润湿性能(焊接性能)越好。

将焊接在一起的玻璃与kovar合金在炉中升温到1100℃并保温100分钟， 在炉中冷却后取出。使用镶嵌金相试样用的树脂将合金和玻璃一起封闭起来， 沿着玻璃块的正中间使用精密线性切割机切割下来，然后镶嵌成金相试样。经 过抛光处理后，放置在金相显微镜下使用低倍拍摄玻璃块边缘的金相照片。

如图3所示，为实施例1中经过激光重熔处理后的焊接在一起的玻璃与kovar 合金润湿角的金相照片。其中，沿着玻璃与金属的交界添加一条长直线L1，沿 着玻璃外边缘画一条直线L2，这两条直线相交形成的夹角(取靠近玻璃侧)为 润湿角。根据测量可知，该润湿角为28.5°，从而表明经过激光重熔处理后， 玻璃与kovar合金之间的焊接性能非常好。

针对实施例2、3进行类似的测试实验，其中实施例2中，润湿角为30°， 实施例3中润湿角为26°。

如图4所示，对比性地，针对没有经过预先热氧化，也没有进行激光处理 的kovar合金与玻璃块放入炉中进行润湿实验，升温到1100℃并保温100分钟， 冷却后取出来进行测试。

由照片中可知，由于润湿角大于90°，不需要制备成金相试样来观察，从 而kovar合金与玻璃块没有焊接在一起。

如图5所示，对比性地，针对没有进行激光处理的kovar合金在700℃下保 温10min进行预先热氧化，合金整个表面形成一层氧化层。然后将氧化后的kovar 合金与玻璃块放入炉中进行润湿实验，升温到1100℃并保温100分钟，炉中冷 却，制备成金相试样观察。

由金相照片可知，本对比例中L3和L4之间的润湿角为45°，其焊接效果 与本发明的kovar合金与玻璃块的焊接效果相比较差。

综上所述，本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法通过优化工艺参数、精确 控制激光重熔处理区域，控制功率、扫描速度，获得了特定的改性处理区域， 如此克服了现有的预氧化处理方式中存在的不足。

此外，本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法中，采用激光器进行直线照射 处理kovar合金表面，而不是采用炉子对整个kovar合金进行处理，不仅减少了能 源浪费，同时由于仅仅对需要润湿(或封接)的区域进行了处理，合金其他区 域没有受到影响，从而合金(金属)的性能没有得到恶化，提高了服役性能。

本发明的kovar合金与玻璃的焊接方法还具备能量可控性高、加工热影响区 窄、加工效率高等优点，可更好地适应柔性制造环境。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施 方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经 适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。