專利名稱：結(jié)合方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)合方法和及其裝置，通過該方法和裝置，經(jīng)過對彼此接觸的多個結(jié) 合物體進(jìn)行加壓和加熱，各個要被結(jié)合的物體被連接到一起。
背景技術(shù)：
作為將要被結(jié)合的物體連接到一起的一種方法，擴(kuò)散結(jié)合(diffusion bonding)已 為人所知。具體而言，這種方法借助通電或高頻加熱等，在對彼此相互接觸的結(jié)合物體施 與壓力時，物體被加熱，于是在接觸區(qū)域內(nèi)已有的原子發(fā)生擴(kuò)散，結(jié)果，兩個結(jié)合物體被 連接(結(jié)合)在一起。在通電的情況下，作為要被結(jié)合的物體(導(dǎo)體)，已選擇以鋼材料、 鎳合金和銅合金等為首的所有類型的金屬材料。
在對上述金屬結(jié)合物體實施擴(kuò)散結(jié)合的情況下，當(dāng)在結(jié)合環(huán)境中包含過量的氧時，金 屬結(jié)合物體的表面上會形成氧化膜，該氧化膜的溫度隨隨著對結(jié)合物體通電而升高。在這 種情況下，原子的擴(kuò)散被氧化膜所阻隔，因此，存在對結(jié)合區(qū)域的結(jié)合強(qiáng)度(bonding strength)(連接強(qiáng)度joint strength)不能被確保的顧慮。
為了避免這種顧慮，對這種金屬結(jié)合材料的通電和加壓通常在高真空結(jié)合容器或者包 含惰性氣體的結(jié)合容器中進(jìn)行的。在結(jié)合容器中形成高真空的情況下，須聯(lián)合使用回轉(zhuǎn)泵 (rotary pump)和擴(kuò)散泵(diffusing pump)對結(jié)合容器進(jìn)行抽真空，從而將結(jié)合容器 中的壓力普遍設(shè)定在10—3pa數(shù)量級上。在需要進(jìn)一步降低壓力的情況下，除了上述兩種類 型的泵以外，還要聯(lián)合使用渦輪分子泵(turbomolecular pump)。
此外，在惰性氣體被供應(yīng)到結(jié)合容器內(nèi)的情況下，盡管取決于環(huán)境，氮?dú)庖惨呀?jīng)被使 用，但主要采用氬氣、氦氣等作為該惰性氣體。(例如，參看日本專利公開號2006-315040)
為在結(jié)合容器中建立高真空而設(shè)置擴(kuò)散泵或者渦輪分子泵時，由于這種泵的成本很 高，設(shè)備的成本投資逐步上升。而且，在使用惰性氣體的情況下，完全排出結(jié)合容器中最 初包含的原有氣體(氧)并不容易實現(xiàn)，因此，氧化膜的生成這一缺陷顯然不易避免。另 外，由于氬氣、氦氣等成本相當(dāng)高，實施擴(kuò)散結(jié)合的處理成本也己趨于昂貴。
此外，最近，摻氮不銹鋼受到關(guān)注，特定含量的氮可以改善耐腐蝕性。然而，當(dāng)對這種材料的進(jìn)行熔焊時，有報道稱，結(jié)合區(qū)(bonding reagion)的含氮量會降低。當(dāng)然， 出于這種原因，人們對耐腐蝕性的降低也存在顧慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的在于提供一種結(jié)合方法，采用該方法能夠容易地避免在要被結(jié)合的 物體上生成氧化膜。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種結(jié)合方法，即使將摻氮不銹鋼材料結(jié)合在一起，也能
保證其結(jié)合強(qiáng)度(連接強(qiáng)度)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種能夠以低成本實施的結(jié)合方法 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能夠?qū)嵤┥鲜鼋Y(jié)合方法的結(jié)合裝置。 根據(jù)本發(fā)明的第一實施例提供一種結(jié)合方法，當(dāng)對于相互接觸的第一結(jié)合物體和第二
結(jié)合物體進(jìn)行加熱時，壓力被施與第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體，從而將兩個結(jié)合物體連
接在一起，該結(jié)合方法包括以下步驟
將第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體放入結(jié)合容器中，并且將氮?dú)鈱?dǎo)入結(jié)合容器，同時將
結(jié)合容器內(nèi)的壓力控制在3-105Pa之間；并且
在對第一結(jié)合物體和另一個結(jié)合物體施壓的同時對第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體進(jìn)
行加熱。
在上述壓力范圍內(nèi)對結(jié)合裝置供以氮?dú)獾那闆r下，氧氣分壓(partial pressure)被 顯著降低。因此，容易防止在要被結(jié)合的物體的表面上產(chǎn)生氧化膜，因此有效促進(jìn)擴(kuò)散結(jié) 合。作為結(jié)果，保證了結(jié)合區(qū)的連接強(qiáng)度。
另外，在這種情況時，由于不需要在結(jié)合容器中提供高真空，也就無需為獲得高真空 而設(shè)置高成本的擴(kuò)散泵或渦輪分子泵等的抽真空機(jī)構(gòu)。因此，設(shè)備投資得以減少，并且， 由于利用了低成本的氮?dú)猓瑪U(kuò)散結(jié)合的成本也得以降低。
作為要被結(jié)合的物體，被加熱時沒有氮化膜形成且能夠促使氮進(jìn)入固溶體(solid solution)的物體應(yīng)為首選。在這種情況時，由于第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體上不形成 氮化膜，擴(kuò)散不受到阻礙。此外，即使在第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體間存在空隙(voids)、 并且作為環(huán)境氣體的氮?dú)獯嬖谟谶@種空隙中的情況下，氮?dú)庖矔诘谝唤Y(jié)合物體或者第二
結(jié)合物體上形成固溶體。因此，很容易地使空隙消失，結(jié)合區(qū)的連接強(qiáng)度也能加強(qiáng)。
鋼材料作為一種材料類型的首選例子被給出。此處，諸如碳鋼、合金鋼、不銹鋼之類 的鋼材料由于在空氣中被熔煉而含有氮。此外，己被確實摻氮的摻氮不銹鋼也含有氮，因
5此，被加熱時不會導(dǎo)致氮化膜的形成，而且還能促使氮進(jìn)入固溶體。具體而言，在使用 這種材料的情況下，結(jié)合物體促使氮進(jìn)入固溶體，結(jié)果，這種作用使空隙消失。特別是摻 氮不銹鋼，通過促使氮進(jìn)入固溶體，防止氮含量的降低，從而確保耐腐蝕性。
此外，作為在加熱時不引起氮化膜的形成并能夠促使氮進(jìn)入固溶體的其他金屬的例 子，銅、鎳及其合金也將被給出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例提供一種結(jié)合裝置，在此結(jié)合裝置中，當(dāng)對相互接觸的第 一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體進(jìn)行加熱時，壓力被施與第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體，從而 將兩個結(jié)合物體連接在一起，此結(jié)合裝置包括
為第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體加熱的加熱機(jī)構(gòu)；
內(nèi)部容納第一結(jié)合物體和第二結(jié)合物體的結(jié)合容器；
為結(jié)合容器提供氮?dú)獾牡獨(dú)夤┙o源；
從結(jié)合容器中排氣的排氣機(jī)構(gòu)；和
用于控制由氮?dú)夤┙o源供給的、被導(dǎo)入結(jié)合容器的氮?dú)獾膲毫Φ目刂茩C(jī)構(gòu)。 其中，壓力控制機(jī)構(gòu)將氮?dú)獾膲毫刂圃?-105Pa之間。
有了這種結(jié)構(gòu)，廉價的設(shè)備投資就能輕易避免要被結(jié)合的物體上氧化膜和氮化膜的生 成。因此，能以低成本有效促進(jìn)和實施擴(kuò)散結(jié)合。
作為上述結(jié)構(gòu)中的排氣機(jī)構(gòu)，如上所述，可以優(yōu)選成本相對較低的回轉(zhuǎn)泵。結(jié)果，設(shè) 備投資的成本輕易降低，價錢也不貴。此外，旋轉(zhuǎn)泵如與機(jī)械增壓泵(mechanical booster pump)結(jié)合使用則更為可取。
在上述結(jié)構(gòu)中，要結(jié)合的物體的加熱是通過對其進(jìn)行通電(即，對其供電)?；蛘?， 也可以通過高頻感應(yīng)加熱對結(jié)合物體進(jìn)行加熱。
根據(jù)本發(fā)明，在上述方式中，因為擴(kuò)散結(jié)合是在預(yù)定壓力范圍內(nèi)的氮?dú)猸h(huán)境中實施的， 所以防止了在要結(jié)合的物體表面上形成氧化膜和氮化膜。結(jié)果，擴(kuò)散結(jié)合能被有效地促進(jìn)， 結(jié)合區(qū)的連接強(qiáng)度也能確保。
此外，由于不需要在結(jié)合容器內(nèi)形成高真空，所以也無需為獲得高真空而安裝高成本 的抽真空裝置。因此，設(shè)備投資不貴。另外，通過使用低成本的氮?dú)?，擴(kuò)散結(jié)合的成本得 以降低。
以下結(jié)合


本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述及其他實體特征和優(yōu)點(diǎn)將在下 文的說明中顯而易見。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)合裝置的結(jié)構(gòu)的主要部分的輪廓圖； 圖2是顯示圖1所示結(jié)合裝置在結(jié)合物體被加壓時對其進(jìn)行加熱的典型狀態(tài)下的主要 部件的輪廓圖3是顯示結(jié)合裝置中環(huán)境氣體及其壓力與氮?dú)夂脱鯕夥謮褐g關(guān)系的圖表； 圖4是顯示被結(jié)合物體的結(jié)合溫度與連接效率之間關(guān)系的曲線圖；和 圖5是顯示在1000°C時被結(jié)合的結(jié)合物體的抗拉強(qiáng)度(tensile strength)與環(huán)境氣 體之間關(guān)系的圖表。
具體實施例方式
下面，將參照附圖詳細(xì)介紹和說明本發(fā)明所述的結(jié)合方法與實施該方法的裝置之間關(guān) 系的實施例。
圖1是本實施例所述結(jié)合裝置10典型結(jié)構(gòu)的主要部件的輪廓圖。結(jié)合裝置10包括配 備未示出的開關(guān)門的結(jié)合容器12、和設(shè)置在結(jié)合容器12內(nèi)的第一電極14與第二電極16。 第一電極14和第二電極16以及將在以后說明的電源18 —起構(gòu)成加熱源。
用于通過供氣管線20向結(jié)合容器12供給氮?dú)獾牡獨(dú)夤?2連接到結(jié)合容器12。此外， 用于控制氮?dú)饬髁康馁|(zhì)量流控制器24 (mass flow controller,以下簡稱MFC)和壓力調(diào) 節(jié)閥26從氮?dú)夤?2的一側(cè)依次插入供氣管線20。
此外，第一排氣管線28和第二排氣管線29被連接到結(jié)合容器12上，用于將氣體從 結(jié)合容器12內(nèi)排出。回轉(zhuǎn)泵30被插入第一排氣管線28，機(jī)械增壓泵31被插入第二排氣 管線29。因此，結(jié)合容器12內(nèi)的氣體被回轉(zhuǎn)泵30和機(jī)械增壓泵31除去。
眾所周知，在各種類型的泵中，回轉(zhuǎn)泵30的成本相對較低。但是同時，采用這種回 轉(zhuǎn)泵30不易降低壓力。在本實施例中，當(dāng)壓力調(diào)節(jié)閥26關(guān)閉且結(jié)合容器被抽空時，壓力 處于10—卞a數(shù)量級上。
壓力傳感器32進(jìn)一步連接至結(jié)合容器12,用于測量結(jié)合容器12內(nèi)的壓力。壓力傳感 器32和壓力調(diào)節(jié)閥26分別通過信號線34和36電連接至控制電路38。
第一電極14被固定并定位在結(jié)合容器12中的底座40上，如圖1所示面朝向上。第 一電極14通過引線42電連接至電源18的正極端子(positive terminal)。
另一方面，與第一電極14結(jié)構(gòu)大質(zhì)相同的第二電極16設(shè)置在與第一電極14相對的 位置處。此外，第二電極16固定在液壓缸44的桿46的末端位置處。具體而言，第二電極16隨著桿46的前進(jìn)與縮回接近和遠(yuǎn)離第一電極14。
第二電極16通過引線48電連接至電源18的負(fù)極端子(negative terminal)上。此 外，圖1中顯示的是電斷路狀態(tài)。
本實施例的結(jié)合裝置10基本采用上述構(gòu)成。接下來將根據(jù)其采用的結(jié)合方法來說明 該裝置的操作與效果。
首先，結(jié)合容器12的門被打開，第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2從打開的門被 插入結(jié)合容器12中并置于第一電極14上。此時，第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2都 由摻氮不銹鋼組成，兩者的端部表面相互堆疊在一起。
接下來，門關(guān)閉，并且在結(jié)合容器處于熱密封狀態(tài)以后，回轉(zhuǎn)泵30和機(jī)械增壓泵31 被通電，致使結(jié)合容器12經(jīng)由第一排氣管線28和第二排氣管線29被抽空。當(dāng)然，此時 的壓力調(diào)節(jié)閥26是關(guān)閉的。如上所述，結(jié)合容器12內(nèi)部壓力開始下降并最終達(dá)到大約 10—卞a。
關(guān)于結(jié)合容器12內(nèi)的壓力的信息由壓力感應(yīng)器32和信號線34傳送至控制電路38。 另外，當(dāng)控制電路38確定結(jié)合容器12內(nèi)的壓力已基本恒定時，壓力調(diào)節(jié)閥26由信號線 36傳送來的命令信號開啟。結(jié)果，氮?dú)忾_始從氮?dú)夤?2流經(jīng)氣體供給管線20，并經(jīng)MFC 24 和壓力調(diào)節(jié)閥26被引入結(jié)合容器12中。
在這一點(diǎn)上，控制電路38控制氮的導(dǎo)入量可使結(jié)合容器12內(nèi)的壓力達(dá)到3-105Pa之 間的大致恒定的預(yù)定壓力。具體而言，根據(jù)壓力傳感器32和信號線34所獲的結(jié)合容器12 內(nèi)的壓力信息，控制電路38生成一個指令信號以經(jīng)由信號線36控制壓力調(diào)節(jié)閥26的開 啟程度。更具體地，當(dāng)結(jié)合容器12內(nèi)的壓力超過預(yù)定的上限值時，減小壓力調(diào)節(jié)闊26的 開啟程度可使氮?dú)獾膶?dǎo)入量減少；而另一方面，當(dāng)結(jié)合容器內(nèi)的壓力低于某一下限值時， 增大壓力調(diào)節(jié)閥26的開啟程度可使氮?dú)獾膶?dǎo)入量增加。
例如，如果氮?dú)鈿鈮旱膲毫Ρ３譃?Pa，與相同壓力下的空氣氣壓或氬氣氣壓相比， 結(jié)合容器12內(nèi)的氧氣分壓變得明顯降低。具體而言，在這種情況下，其氧氣分壓相當(dāng)于 真空度為3X10—3Pa情況下的氧氣分壓。類似地，在將結(jié)合容器12內(nèi)的壓力設(shè)置為105 Pa 的同時形成氮?dú)鈿鈮旱那闆r下，與相同壓力下空氣氣壓或氬氣氣壓相比，結(jié)合容器12內(nèi) 的氧氣分壓明顯減小。
在這種方式下，通過使用氮?dú)庾鳛榄h(huán)境氣體，即使在結(jié)合環(huán)境的壓力相對較高的情況 下，也可以使結(jié)合容器12內(nèi)的氧氣分壓與被抽真空狀態(tài)下的氧氣分壓處于同一數(shù)量級。 接下來，如圖2所示，液壓缸44開始動作，其桿46向下推進(jìn)。結(jié)果，第二電極16按壓第二結(jié)合物體W2和第一結(jié)合物體W1，從而形成閉合電路。
在這種狀態(tài)下，電流i由電源18提供。該電流i流經(jīng)第一電極14、第一結(jié)合物體Wl、 第二結(jié)合物體W2和第二電極16最后流回電源18。具體而言，電能被同時供至第一結(jié)合物 體Wl和第二結(jié)合物體W2，伴以第一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體W2溫度的升高。而且， 第一結(jié)合物體Wl的原子擴(kuò)散到第二結(jié)合物體W2中，第二結(jié)合物體W2的原子也擴(kuò)散到第 一結(jié)合物體W1中。
如上所述，在本實施例中，在由預(yù)定壓力控制的氮?dú)猸h(huán)境中，或者在氧氣分壓相當(dāng)小 的環(huán)境中，電能被供給到第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2。因此，可以防止第一結(jié)合 物體W1和第二結(jié)合物體W2的表面形成氧化膜。因此，容易促進(jìn)原子的擴(kuò)散。結(jié)果，固相 結(jié)合(solid phase bonding)(擴(kuò)散結(jié)合)可以有效進(jìn)行。因此，能夠確保結(jié)合區(qū)的連接 強(qiáng)度。
另外，由于環(huán)境中存有氮?dú)猓词乖诘谝唤Y(jié)合物體和第二結(jié)合物體(和摻氮不銹鋼一 起)的原子擴(kuò)散區(qū)釋放出氮的情況下，環(huán)境中的氮也能補(bǔ)充到擴(kuò)散區(qū)中。具體而言，因氮 進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的固溶體中，故而可防止氮含量的降低。
此外，在第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2之間因翹曲等而存在空隙的情況下，如 果擴(kuò)散結(jié)合是在氬氣環(huán)境或者氦氣環(huán)境中進(jìn)行，則第一結(jié)合物體W1與第二結(jié)合物體W2的 結(jié)合就是在所述空隙存有氬氣或氦氣的情況下進(jìn)行的。具體而言，第一結(jié)合物體Wl和第 二結(jié)合物體W2之間存有的空隙導(dǎo)致人們對接合強(qiáng)度的擔(dān)憂。
與上述情況相反，本實施例中的擴(kuò)散結(jié)合是在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行的。如上所述，由于第 一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體W2在可使氮進(jìn)入固溶體的狀態(tài)中獲得，因此存在于空隙中 的氮?dú)馔ㄟ^固態(tài)融入第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2中得以被消耗。因此，就有可能 除去第一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體W2之間的空隙，因此結(jié)合物體Wl和W2兩者之間的 連接強(qiáng)度得以提高。
而且，用于形成由不銹鋼與氮?dú)庖黄鹦纬傻牡さ臉?biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)能量高于用于形成氧化 膜的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)能量。就是說，環(huán)境中的氮?dú)獠灰着c第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2發(fā) 生反應(yīng)。因此，對于第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2而言，氮?dú)廒呌诙栊詉nert)。具 體而言，可避免在第一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體W2上形成氮化膜。
經(jīng)過一段預(yù)定時間以后，電源18停止供給電流i，液壓缸44的桿46向上回縮，從而 回到圖l所示狀態(tài)。結(jié)果，對第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2的通電供能停止，隨著 原子擴(kuò)散的終止，第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2的固相結(jié)合(擴(kuò)散結(jié)合)也隨即完成。具體而言，第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2在其整個表面被相互連接在一起。
如上所述，根據(jù)本實施例，擴(kuò)散區(qū)(結(jié)合區(qū))中氮容量的減少得以被避免，原子的擴(kuò) 撒得以充分實現(xiàn)。因此，結(jié)合區(qū)的耐蝕性和連接強(qiáng)度可得到保證。
而且，從上文可知，如若按照本實施例，則無需再使用諸如氬氣、氦氣之類的高成本 氣體。此外，因無需降低結(jié)合容器內(nèi)的壓力，僅將回轉(zhuǎn)泵30和機(jī)械增壓泵31附接到結(jié)合 容器上即可。換句話說，再無必要設(shè)置高成本的擴(kuò)散泵或者渦輪分子泵。因此，構(gòu)建結(jié)合 裝置IO所需設(shè)備的投資不再昂貴，從而使擴(kuò)散結(jié)合能夠以低成本實現(xiàn)。
上述實施例中采用的是摻氮不銹鋼作為第一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體W2，然而， 以不銹鋼、摻氮不銹鋼、鎳合金、銅合金等為首的其它金屬材料以及除此以外的其他金屬 也能被用作結(jié)合物體。在這種情況下，氧化膜和氮化膜的形成也能得以避免。而且，由于 這種材料能導(dǎo)致氮進(jìn)入進(jìn)固溶體，從而避免了在結(jié)合區(qū)內(nèi)殘留空隙，因此結(jié)合區(qū)的連接強(qiáng) 度得到保證。自然，結(jié)合區(qū)的質(zhì)量也較好。而且，即便第一結(jié)合物體Wl和第二結(jié)合物體 W2分別為不同類型的金屬也仍然可以接受。換句話說，本發(fā)明對異種類型的金屬結(jié)合也仍 然適用。
此外，在本實施例中，結(jié)合容器12內(nèi)的壓力被控制以保持基本恒定。然而，也可以 控制壓力使其從下限3Pa到上限105Pa之間重復(fù)變化。
而且，在本實施例中，通過對第一結(jié)合物體W1和第二結(jié)合物體W2通電供能，使得結(jié) 合物體W1和W2兩者同時被加熱。不過，顯然也可以采用其它加熱方式，例如，高頻感應(yīng) 加熱或者類似的方法。
此外，也可以設(shè)置擴(kuò)散泵或者渦輪分子泵等來代替旋轉(zhuǎn)泵30。例1
圖l和圖2所示的結(jié)合裝置被連接到一個氣體分析系統(tǒng)。具體而言，出口管被連接到 結(jié)合容器12上，氣體分析裝置和壓力檢測裝置和計算機(jī)一并與出口管相連。
在這種情況下，結(jié)合容器12內(nèi)的環(huán)境氣體和壓力通過各種方式被加以改變，從而分 別測定氮?dú)夂脱鯕獾姆謮?。測定結(jié)果概括于圖3中。從圖3可以清楚地看出，在氮?dú)鈿怏w 壓力被設(shè)為3Pa時，氧氣分壓與壓力設(shè)為3X10"Pa時的氧氣分壓相等。
從圖3還可知，氮?dú)鈿怏w壓力設(shè)為105Pa時，氧氣分壓比相同壓力下氬氣中的氧氣分 壓要小得多。據(jù)此可知，氮?dú)饽墚a(chǎn)生比氬氣更小的氧氣分壓，從而容易避免結(jié)合物體的氧 化。
例2由SUS304 (不銹鋼)材料制成的長度為30mm、底面直徑為12mm的圓柱形結(jié)合物體的 底面彼此接觸。在這種情況下，在結(jié)合物體被結(jié)合裝置10的第一電極14和第二電極16 施以5.2MPa的壓力的同時，通過由點(diǎn)焊被附接到連接界面附近的R-型熱電偶的測量，通 電供能在結(jié)合溫度為700°C、 800°C、 900°C、 1000T和1100°C中的任一溫度下被實施，從而 使兩個結(jié)合物體被結(jié)合在一起。結(jié)合物體被以每分鐘100°C的速度加熱到結(jié)合溫度，并在 該結(jié)合溫度保持20分鐘。結(jié)合容器12分別被充以5Pa、 10卞a和l()Spa中任一壓力的氮?dú)?氣壓。
出于對比目的，在結(jié)合裝置內(nèi)被供給環(huán)境氣體時，除了壓力分別設(shè)為10—2Pa、 5Pa、102Pa 和105pa以外，都將遵照上述條件，從而實現(xiàn)將上述結(jié)合物體結(jié)合在一起。
圖4曲線圖顯示了 SUS304的強(qiáng)度除以各結(jié)合物體的連接強(qiáng)度所得的連接效率與結(jié)合 溫度之間的關(guān)系。圖5顯示在1000°C下被結(jié)合在一起的結(jié)合物體的抗拉強(qiáng)度。由圖4可見， 連接效率隨著結(jié)合溫度的上升和環(huán)境氣體壓力的降低而提高，并且在1000°C和1100°C時 獲得與SUS304相同的強(qiáng)度。而且，由圖5可知，假設(shè)結(jié)合容器12內(nèi)的壓力相同，氮?dú)猸h(huán) 境下比空氣氣壓的連接強(qiáng)度要大。
此外，對比結(jié)合后結(jié)合物體的氧化情況，在105Pa氣壓中進(jìn)行結(jié)合時，有濃黑色氧化 膜形成。另一方面，在10卞a下，證實有深綠色氧化膜，而在5Pa下則無氧化膜存在并證 實有金屬光澤。
與上述情況相反，雖然即使在氮?dú)猸h(huán)境中結(jié)合也被證實有類似的趨勢，但其氧化程度 比相同壓力下在空氣氣壓中結(jié)合的氧化程度要小得多。因此推斷是由于氮?dú)猸h(huán)境抑制了氧 分壓所致。
而且，采用掃描電字顯微術(shù)(scanning electron microscopy,縮寫SEM)分別對1000°C 下105Pa和5Pa氮?dú)鈿鈮汉?05Pa和10—2Pa空氣氣壓下的被結(jié)合物體的拉伸斷裂面進(jìn)行觀 測。結(jié)果證實，無論是在空氣氣壓中被結(jié)合的結(jié)合物體還是在氮?dú)鈿鈮褐斜唤Y(jié)合的結(jié)合物 體，隨著環(huán)境氣壓的降低，其凹痕(dimiples)都會變大，且各凹痕中夾雜物(inclusions) 的量都會減少。而且，在相同壓力的情況下，與在空氣氣閥中結(jié)合后的結(jié)合物體相比，在 氮?dú)猸h(huán)境中被結(jié)合物體的凹痕更大，而且夾雜物的量更少。通過這些觀測，可知在較小環(huán) 境氣體的壓力下可以獲得更滿意的結(jié)合，而在相同壓力下，使用氮?dú)獗瓤諝猥@得更令人滿 意的結(jié)合效果。
盡管本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例己經(jīng)被詳細(xì)展示和說明，但是應(yīng)理解，在不背離所附權(quán) 利要求的前提下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1. 一種結(jié)合方法，其特征在于，在對相互接觸的第一結(jié)合物體(W1)和第二結(jié)合物體(W2)進(jìn)行加熱時，壓力被施加到所述第一結(jié)合物體(W1)和所述第二結(jié)合物體(W2)，從而使兩個結(jié)合物體連接在一起，所述方法包含以下步驟將所述第一結(jié)合物體(W1)和所述第二結(jié)合物體(W2)放置在結(jié)合容器(12)中，并將氮?dú)庖胨鼋Y(jié)合容器(12)中，同時將所述結(jié)合容器(12)內(nèi)的壓力控制在3Pa至105Pa之間；和對所述第一結(jié)合物體(W1)和所述第二結(jié)合物體(W2)加熱，同時對所述第一結(jié)合物體(W1)和所述第二結(jié)合物體(W2)加壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合方法，其特征在于，通過通電對所述第一結(jié)合物體(W1) 和所述第二結(jié)合物體(W2)進(jìn)行加熱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合方法，其特征在于，通過高頻加熱對所述第一結(jié)合物 體(Wl)和所述第二結(jié)合物體(W2)進(jìn)行加熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合方法，其特征在于，能夠使氮進(jìn)入固溶體的材料被用 作所述第一結(jié)合物體(Wl)或所述第二結(jié)合物體(W2)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)合方法，其特征在于，鋼材料、摻氮不銹鋼、鎳合金以 及銅合金中的任意一種被用作所述第一結(jié)合物體(Wl)或所述第二結(jié)合物體(W2)。
6. —種結(jié)合裝置(10)，其特征在于，在對相互接觸的第一結(jié)合物體(Wl)和第二結(jié) 合物體(W2)進(jìn)行加熱時，壓力被施加到所述第一結(jié)合物體(Wl)和所述第二結(jié)合物體(W2)， 從而使兩個結(jié)合物體結(jié)合在一起，所述結(jié)合裝置包括對所述第一結(jié)合物體(Wl)和所述第二結(jié)合物體(W2)加熱的加熱機(jī)構(gòu)(14， 16， 18); 其中容納所述第一結(jié)合物體(Wl)和所述第二結(jié)合物體(W2)的結(jié)合容器(12); 向所述結(jié)合容器(12)提供氮?dú)獾牡獨(dú)夤┙o源(22); 實施從所述結(jié)合容器(12)中排氣的排氣機(jī)構(gòu)(30， 31);和用于控制由所述氮?dú)夤┙o源(22)提供并被引入所述結(jié)合容器(12)內(nèi)的氮?dú)鈮毫Φ膲毫刂茩C(jī)構(gòu)(38)，其中，所述壓力控制機(jī)構(gòu)(38)將氮?dú)鈮毫刂圃?-105Pa之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)合裝置(10),其特征在于，所述排氣機(jī)構(gòu)(30， 31)至 少包括回轉(zhuǎn)泵(30)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)合裝置(10),其特征在于，所述加熱機(jī)構(gòu)包括含有電源 (18)和電極(14, 16)的通電機(jī)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)合裝置(10)，其特征在于，所述加熱機(jī)構(gòu)包括高頻加熱 機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)合方法及其裝置。氮?dú)夤?22)、回轉(zhuǎn)泵(30)和機(jī)械增壓泵(31)連接到結(jié)合容器(12)，結(jié)合容器(12)構(gòu)成用于進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合的結(jié)合裝置(10)，所述結(jié)合裝置進(jìn)一步包括壓力傳感器(32)。結(jié)合容器(12)內(nèi)形成有氮?dú)鈿鈮?，在控制電?38)的控制操作下，氮?dú)鈱?dǎo)入量被控制，致使壓力基本上固定在3-10⁵Pa之間的預(yù)定壓力上。在這種狀態(tài)時，在液壓缸(44)的桿(46)的作用下，第二電極(16)趨近第一電極(14)，并最終壓在位于第一電極(14)上的第一被結(jié)合物體(W1)和第二被結(jié)合物體(W2)上。此外，電流通過第一電極(14)和第二電極被施與第一被結(jié)合物體(W1)和第二被結(jié)合物體(W2)。
文檔編號B23K20/00GK101444873SQ20081017951
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者吉田安德, 和田光司, 大橋修, 峰岸敬一 申請人:Smc株式會社