一种三层材料套封结构及该结构的成型方法技术

本发明专利技术公开了一种三层材料套封结构及该结构的成型方法，结构包含三层：内部层为铜柱结构，中间层为陶瓷环结构，外部层为不锈钢座结构，三层逐层钎焊套封，通过两层钎料将三层材料连接在一起。其成形方法工艺步骤主要包括：零件制备、零件相互位置装配、钎料填入、真空钎焊。本发明专利技术得到了包括铜、陶瓷、不锈钢的三层材料套封结构，实现了两种不同的金属材料与陶瓷材料的复合套封结构一次成型，发明专利技术具有制造简单，工艺方法可靠，生产效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异种材料焊接
，特别是涉及一种三层材料套封结构及该结构的成型方法。
技术介绍
陶瓷与金属套封结构强度高、耐热性好，形成的层状复合构件能够较好的发挥金属与陶瓷的性能，是陶瓷与金属复合构件的一种典型结构。对于铜、陶瓷与不锈钢三种材料三层结构，不同材料的热物性参数，不同的焊接特性为一次成型带来了较大的难题。成型工艺选择不当将会引起陶瓷套碎裂、焊接质量不好以及应力较大等问题。关于金属陶瓷的焊接报导很多，文献《活化钼-锰法连接高纯Al2O3陶瓷/不锈钢》使用72Ag28Cu钎料钎焊制备了高纯Al2O3陶瓷/不锈钢平板接头，文献《日用陶瓷与不锈钢钎焊连接的界面组织与性能分析》,实现了镀镍陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢的钎焊连接，文献《高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊》介绍了Ag-Cu-Ti活性钎料直接钎焊高纯氧化铝陶瓷与无氧铜。上述成型的多为平板简单试验件。随着使用要求的提高和材料学科的发展，将多种材料结合在一起，发挥各种材料的特性，是发展需求，然而将多种材料结合在一起的方法成为瓶颈。将铜、陶瓷与不锈钢三种材料结合在一起机械连接方式绝缘密封性不易保证，且须采用较复杂结构的陶瓷。三种材料钎焊的套封结构难以对构件进行精确定位，也为焊接带来了很大难度。现有技术中没有采用铜、陶瓷与不锈钢三种材料结合而成的套封结构，同时，铜、陶瓷与不锈钢三种材料钎焊在一起常需要2次工序完成工件的钎焊，第2次钎焊时，第1次钎焊的钎缝容易重熔而开焊。
技术实现思路
针对上述现有技术中没有采用铜、陶瓷与不锈钢三种材料结合而成的套封结构，同时，铜、陶瓷与不锈钢三种材料钎焊在一起常需要2次工序完成工件的钎焊，第2次钎焊时，第1次钎焊的钎缝容易重熔而开焊的问题，本专利技术提供了一种三层材料套封结构及该结构的成型方法。为解决上述问题，本专利技术提供的一种三层材料套封结构及该结构的成型方法通过以下技术要点来达到目的：一种三层材料套封结构，所述套封结构由铜柱、陶瓷环及不锈钢座组成，所述铜柱为材质为铜的柱状结构，所述陶瓷环为材质为陶瓷的环状结构，所述不锈钢座为材质为不锈钢的桶状结构；所述铜柱的下端与陶瓷环的中心孔间隙配合，陶瓷环的下端与不锈钢座的桶状空间间隙配合，铜柱与陶瓷环、陶瓷环与不锈钢座均采用钎焊固定连接；所述铜柱的上端面高于不锈钢座的上端面，铜柱与陶瓷环之间的钎焊缝与不锈钢座之间具有间隙，陶瓷环与不锈钢座之间的钎焊缝与铜柱之间具有间隙，铜柱与不锈钢座之间具有间隙。具体的，以上得到的三层材料套封结构中，套封结构的两端分别为铜柱、不锈钢座，陶瓷材料作为铜柱与不锈钢座之间的密封件和连接件。即：铜柱的柱体部分插入陶瓷环中，与陶瓷环内壁通过钎焊相连，陶瓷环插入不锈钢座内，陶瓷环外壁与不锈钢座通过钎焊相连，其形成的套封结构可以实现铜柱与不锈钢座之间的绝缘，发挥铜材料、陶瓷材料和不锈钢材料的优点。以上结构得到的套封结构，不同材料的连接点处的抗剪强度一般在10MPa以上，甚至可以达到100MPa 以上。同时，以上结构中，组成套封结构的各部件结构简单，加工制造容易，加工制造成本低，特别适用于核领域设备中所需要同时采用陶瓷、铜、不锈钢的场合。同时，本专利技术还公开了一种三层材料套封结构的成型方法，该方法用于以上所述的三层材料套封结构的制造，包括顺序进行的以下步骤：S1、加工出预定尺寸的铜柱、陶瓷环及不锈钢座；S2、对铜柱、陶瓷环及不锈钢座进行装配，保证三者在钎焊前相互之间的位置关系；S3、在步骤S2中或步骤S2完成之后，在铜柱与陶瓷环之间的间隙内，以及陶瓷环与不锈钢座的间隙内填充钎料；S4、进行钎焊；其中，步骤S1中对陶瓷环进行陶瓷金属化处理，在步骤S4中采用分段式加热真空钎焊。以上套封结构的成型方法工艺路线中，对陶瓷环进行了陶瓷金属化处理，利于套封结构制造过程中的钎焊效果，可达到获得绝缘和密封性能力更好的套封结构的技术效果。由于铜、陶瓷、不锈钢三种材料的热膨胀系数差距较大，同时陶瓷较脆，在套封结构中，陶瓷环同时受外层不锈钢座、内层铜柱的应力，故在步骤S4中采用分段式加热的方式，可有效避免陶瓷在套封结构的套封过程中脆裂。采用真空钎焊的方式，可有效促使钎焊过程中所产生的气体逸出钎焊熔池和保护钎焊熔池。作为对以上所述的一种三层材料套封结构的成型方法进一步的技术方案：为利于提升钎焊所要连接的两个部件之间的钎焊结合强度，在步骤S1中还包括对得到的预定尺寸的铜柱、陶瓷环及不锈钢座进行清洗的工序。由于陶瓷的热膨胀系数比铜小，不锈钢的热膨胀系数比陶瓷的膨胀系数大，故在钎焊过程中，铜柱与陶瓷环之间的间隙会变小，陶瓷环与不锈钢座之间的间隙会变大，为便于把控对本套封结构中钎焊所得到的焊接层的密封性和绝缘性，在步骤S3中对铜柱、陶瓷环及不锈钢座进行装配时，三者的相互位置关系遵循以下原则：在钎焊之前，定义铜柱外径为A，陶瓷环的内径为B，陶瓷环的外径为C，不锈钢内径为D，钎焊温度为T，铜柱、陶瓷环、不锈钢座三者中，分别对应的铜的平均线胀系数为α1；陶瓷的平均线胀系数为α2，不锈钢的平均线胀系数为α3，则A与B之间的关系为：B=A+AT(α2-α1)+E；D=C+F；其中，E、F为常数补偿值，E、F取值范围均介于0.05-0.2mm之间；其中，所述陶瓷环为等径环，铜柱下端与陶瓷环配合的部分各点直径相等，不锈钢座上与陶瓷环配合的桶状空间各点内径相等。作为步骤S4的具体实现方式，步骤S4的钎焊方式为：采用丝状AgCu28钎料，并将钎料弯曲成环状填充于对应间隙内，在真空条件下，对填充有钎料的套封结构采用多级逐渐升温加热机制，待钎料溶化后，对套封结构采用炉冷的方式冷却；所述多级逐渐升温加热机制包括顺序进行的第一升温阶段、第一保温阶段、第二升温阶段、第二保温阶段、第三升温阶段、第三保温阶段；所述第一升温阶段为在t1分钟内，使填充有钎料的套封结构匀速升温至T1℃，所述第一保温阶段为将处于T1℃的填充有钎料的套封结构保温t2分钟；所述第二升温阶段为在t3分钟内，使填充有钎料的套封结构匀速升温至T2℃，所述第二保温阶段为将处于T2℃的填充有钎料的套封结构保温t4分钟；所述第三升温阶段为在t5分钟内，使填充有钎料的套封结构匀速升温至T3℃，所述第二保温阶段为将处于T3℃的填充有钎料的套封结构保温t6分钟；其中，t1的取值介于30-50之间，t2的取值介于5-15之间，t3的取值介于10-30之间，t4的取值介于10-20之间，t5的取值介于5-15之间；t6的取值介于5-10之间；其中，T1的取值介于450-550之间，T2的取值介于700-800之间，T3的取值介于820-850之间；其中，炉冷时套封结构的冷却速度不大于5℃/min。作为以上所述的一种三层材料套封结构进一步的技术方案：为利于铜柱与陶瓷环相对轴向位置定位的便捷性和准确性，所述铜柱呈阶梯轴状，陶瓷环的上端与铜柱上的轴肩接触。为利于铜柱与陶瓷环相对径向位置定位的便捷性和准确性，铜柱上与陶瓷环端部接触的轴肩上还设置有限位环或至少两个限定凸台；所述限位环为相对于该轴肩外凸的环状筒，所述环状筒的轴线与铜柱的轴线共线，且环状筒的内圈直径与陶瓷环上端的内圈直径相等；所述限位凸台环形均布于以铜柱的轴线为中心线的圆环上，所述圆环的内径与陶瓷环上端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三层材料套封结构，其特征在于，所述套封结构由铜柱、陶瓷环及不锈钢座组成，所述铜柱为材质为铜的柱状结构，所述陶瓷环为材质为陶瓷的环状结构，所述不锈钢座为材质为不锈钢的桶状结构；所述铜柱的下端与陶瓷环的中心孔间隙配合，陶瓷环的下端与不锈钢座的桶状空间间隙配合，铜柱与陶瓷环、陶瓷环与不锈钢座均采用钎焊固定连接；所述铜柱的上端面高于不锈钢座的上端面，铜柱与陶瓷环之间的钎焊缝与不锈钢座之间具有间隙，陶瓷环与不锈钢座之间的钎焊缝与铜柱之间具有间隙，铜柱与不锈钢座之间具有间隙。

【技术特征摘要】
1.一种三层材料套封结构，其特征在于，所述套封结构由铜柱、陶瓷环及不锈钢座组成，所述铜柱为材质为铜的柱状结构，所述陶瓷环为材质为陶瓷的环状结构，所述不锈钢座为材质为不锈钢的桶状结构；所述铜柱的下端与陶瓷环的中心孔间隙配合，陶瓷环的下端与不锈钢座的桶状空间间隙配合，铜柱与陶瓷环、陶瓷环与不锈钢座均采用钎焊固定连接；所述铜柱的上端面高于不锈钢座的上端面，铜柱与陶瓷环之间的钎焊缝与不锈钢座之间具有间隙，陶瓷环与不锈钢座之间的钎焊缝与铜柱之间具有间隙，铜柱与不锈钢座之间具有间隙。2.根据权利要求1所述的一种三层材料套封结构，其特征在于，所述铜柱呈阶梯轴状，陶瓷环的上端与铜柱上的轴肩接触。3.根据权利要求2所述的一种三层材料套封结构，其特征在于，铜柱上与陶瓷环端部接触的轴肩上还设置有限位环或至少两个限定凸台；所述限位环为相对于该轴肩外凸的环状筒，所述环状筒的轴线与铜柱的轴线共线，且环状筒的内圈直径与陶瓷环上端的内圈直径相等；所述限位凸台环形均布于以铜柱的轴线为中心线的圆环上，所述圆环的内径与陶瓷环上端的内圈直径相等。4.根据权利要求1所述的一种三层材料套封结构，其特征在于，所述不锈钢座上还设置有排气孔，所述排气孔用于铜柱、陶瓷环、不锈钢座三者围成的空间与外界的均压。5.根据权利要求1所述的一种三层材料套封结构，其特征在于，所述不锈钢座的底面上设置有用于限定陶瓷环在不锈钢座径向上位置的径向位置限定部。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种三层材料套封结构，其特征在于，所述陶瓷环为等径环，铜柱下端与陶瓷环配合的部分各点直径相等，不锈钢座上与陶瓷环配合的桶状空间各点内径相等；在钎焊之前，定义铜柱外径为A，陶瓷环的内径为B，陶瓷环的外径为C，不锈钢内径为D，钎焊温度为T，铜柱、陶瓷环、不锈钢座三者中，分别对应的铜的平均线胀系数为α1；陶瓷的平均线胀系数为α2，不锈钢的平均线胀系数为α3，则A与B之间的关系为：B=A+AT(α2-α1)+E；D=C+F；其中，E、F为常数补偿值，E、F取值范围均介于0.05-0.2mm之间。7.一种三层材料套封结构的成型方法，其特征在于，该方法用于如权利要求1所述的三层材料套封结构的制造，包括顺序进行的以下步骤：S1、加工出预定尺寸的铜柱、陶瓷环及不锈钢座；S2、对铜柱、陶瓷环及不锈钢座进行装配，保证三者在钎焊前相互之间的位置关系；S3、在步骤S2中或步骤S2完成之...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐彬，王世忠，俞德怀，樊宝全，陈高詹，陶海燕，魏连峰，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51