本發(fā)明屬于晶體生長技術(shù)領域，涉及一種藍寶石光窗的焊接裝置，特別涉及一種空間帶折彎角度的大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，還涉及用該擴散焊接裝置焊接藍寶石板的方法。

背景技術(shù)：

藍寶石的組成為氧化鋁(Al₂O₃)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。由于藍寶石具有抗高馬赫氣流、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高(2045℃)等特點，尤其中波紅外波段透過率高達到80％以上，因此被用于條件苛刻的紅外成像窗口玻璃。利用藍寶石作為紅外成像窗口玻璃的常見的場合是飛機和船舶等。

由于實際應用中往往需求空間帶折彎角度的大尺寸紅外成像窗口，而常見的藍寶石連接方式，如化學粘結(jié)、金屬焊料焊接、玻璃焊接、金屬結(jié)構(gòu)固定和擴散焊接等，其連接強度由50MPa至200MPa不等，除擴散焊接之外，其他焊縫強度往往達不到藍寶石自身強度(200MPa)，同時由于采用金屬、玻璃或化學粘結(jié)劑等連接方式，對于連接處也有各種影響，粘結(jié)劑通常不耐高溫，金屬連接對成像造成一定影響，而玻璃焊接其焊縫強度由玻璃限制，因此比較各種連接方式，擴散焊接相對具有一定優(yōu)勢。

國內(nèi)亦有一些科研院所，對厚度3mm-10mm寬度不超過100mm的藍寶石板片進行焊接，然而其焊接方式多采用水平固定兩端加壓的方式，無法解決帶角度焊接的需求。雖然也有專利指出(201510956722.9)，選用特殊焊接材料以降低焊接溫度而確保焊接強度，降低焊接工藝難度，然而這并未從根本上解決實際應用場合中，對于多角度大尺寸紅外成像光窗，無法采用藍寶石材料的矛盾。

因此市場上急需一種空間帶折彎角度的大尺寸藍寶石光窗擴散焊接的裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)帶折彎角度的大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置和方法，既保證帶折彎角度焊接的同時，也可保證焊縫和焊縫周圍的藍寶石板在焊接后應力小、耐老化，且避免藍寶石板在焊接過程中受到環(huán)境雜質(zhì)的侵蝕。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，所述大尺寸藍寶石光窗由兩塊大尺寸藍寶石板通過擴散焊接形成一折彎結(jié)構(gòu)，且折彎結(jié)構(gòu)的折彎角度為0～180°；其創(chuàng)新點在于：所述擴散焊接裝置包括

一折彎結(jié)構(gòu)的難熔金屬發(fā)熱體，所述難熔發(fā)熱體中心開有與大尺寸藍寶石光窗相配合的嵌入槽；

一保溫材料層，所述保溫材料層包覆在難熔金屬發(fā)熱體外表面，且保溫材料層的幾何對稱中心與難熔發(fā)熱體的幾何對稱中心重合；所述保溫材料層的側(cè)壁設有一連接孔，且保溫材料層的兩端對稱開有方形通孔；在保溫材料層的前側(cè)壁的中心開有一通透方孔，所述通透方孔的形狀與大尺寸藍寶石光窗的形狀一致；

一感應線圈，所述感應線圈設置在保溫材料層的折彎處；

一進氣管，所述進氣管的一端與保溫材料層側(cè)壁的連接孔連接，進氣管的另一端與外接氣源連接；

還包括一對固定組件，所述固定組件設置在保溫材料層兩端的方形通孔中，用于固定需擴散焊接的大尺寸藍寶石板。

進一步地，所述感應線圈為一U型結(jié)構(gòu)，且U型感應線圈的開口方向與嵌入槽的開口方向一致。

進一步地，所述難熔金屬發(fā)熱體的外側(cè)壁上還均勻分布有若干個圓孔。

進一步地，所述難熔金屬選用鉬、鎢、銥或鎢鉬合金中的一種。

進一步地，所述保溫材料層由熱導率低的金屬氧化物制備成。

進一步地，所述金屬氧化物選用ZrO₂或Y₂O₃中的一種。

一種采用上述的用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置的焊接方法，其創(chuàng)新點在于：所述焊接方法包括如下步驟：

(1)將多晶氧化鋁切片垂直設置在難熔金屬發(fā)熱體中心，然后將兩塊大尺寸藍寶石板焊接端分別由保溫材料層兩端的方形通孔插入難熔金屬發(fā)熱體中心，使兩塊大尺寸藍寶石板端頭壓住多晶氧化鋁切片；

(2)利用固定組件向暴露在保溫材料層外的藍寶石板兩端均勻施加0.1MPa-100MPa壓力，使焊接端壓緊多晶氧化鋁切片；

(3)打開進氣管，向擴散焊接裝置通入體積比為1:1000的O₂和Ar的混合氣體；

(4)打開電源，將難熔金屬發(fā)熱體以50℃/hr-200℃/hr升溫至1500℃-2000℃，保溫1hr至20hr，同時保持兩端均勻施壓，對兩塊大尺寸藍寶石板進行擴散焊接；

(5)焊接完成后，將難熔金屬發(fā)熱體以50℃/hr-200℃/hr降至室溫，關(guān)閉電源取出完成焊接的藍寶石光窗。

進一步地，所述大尺寸藍寶石板焊接端面為M面，與保溫材料層的方形通孔長邊平行的面為應用面A面，且焊接面M面與應用面A面均經(jīng)過研磨和拋光處理。

進一步地，所述多晶氧化鋁切片由Al₂O₃粉體、SiO₂、MgO和Ti粉體壓制而成厚度為100μm至500μm的切片，所述Al₂O₃粉體的重量含量≥90％，SiO₂、MgO和Ti粉體的總重量含量≤10％；且所述Al₂O₃粉體選用粒徑為0.1μm-10μm的粉體，SiO₂、MgO和Ti粉體均選用粒徑＜5μm的粉體。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，利用感應線圈將電磁能傳遞至難熔金屬發(fā)熱體上，使藍寶石焊縫處獲得高溫；由于難熔發(fā)熱體中心開有與大尺寸藍寶石光窗相配合的嵌入槽，使得難熔金屬發(fā)熱體方兩端成角與藍寶石光窗角度一致，金屬發(fā)熱體既作為發(fā)熱器加熱又能起到限定藍寶石板的作用，在實現(xiàn)了多角度擴散焊接同時，為藍寶石板材兩端施加壓力提供了導向保護作用，防止藍寶石板承壓滑移，造成局部應力不均勻；且在保溫材料層的前側(cè)壁的中心開有一通透方孔，可方便觀察放置于難熔金屬發(fā)熱體中的藍寶石光窗是否放置到位，同時，也方便擴散焊接后的藍寶石光窗能夠順利取出；

(2)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，其中，感應線圈選用U型結(jié)構(gòu)，在實際操作過程中，感應線圈的截面形狀能夠決定感應電流的分布情況，且選用U型結(jié)構(gòu)的感應線圈的開口方向與嵌入槽的開口方向一致，進而保證了焊縫處的溫度分布均勻，從而保證了焊接的質(zhì)量；

(3)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，其中，難熔金屬發(fā)熱體側(cè)壁上均勻分布有若干個圓孔，能夠有效調(diào)整發(fā)熱體上的電流走向與分布，精確控制發(fā)熱體溫度分布從而調(diào)整藍寶石焊縫處的溫度梯度，確保藍寶石焊縫熱應力降至最低，提高了焊縫的質(zhì)量；另外，圓孔起到氣體導流的作用，使混合氣體流動更加均勻，避免了雜質(zhì)在晶體表面層積和滲透；

(4)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，其中，難熔金屬選用鉬、鎢、銥或鎢鉬合金中的一種，這些材料的耐高溫性能相對于其他金屬材料，性能更佳；保溫材料層由熱導率低的金屬氧化物制備成，金屬氧化物優(yōu)選ZrO₂或Y₂O₃，相對于其他金屬氧化物，保溫性能更佳；

(5)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置的焊接方法，其中，向難熔金屬發(fā)熱體通入體積比為1:1000的O₂和Ar的混合氣體能夠有效避免金屬氧化物高溫分解氧氣或藍寶石高溫分解氧氣，保護了藍寶石光窗焊接端面和應用面的質(zhì)量；

(6)本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置的焊接方法，其中，選用由Al₂O₃粉體、SiO₂、MgO和Ti粉體壓制而成的多晶氧化鋁切片，與傳統(tǒng)多晶氧化鋁切片相比，焊接效果好，易于焊接均勻，焊接后機械強度好，焊接時所需溫度較低，不影響原有藍寶石材料的性能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1是本發(fā)明用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中難熔金屬發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面的實施例可以使本專業(yè)的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。

實施例

本實施例用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置，如圖1所示，大尺寸藍寶石光窗由兩塊大尺寸藍寶石板3通過擴散焊接形成一折彎結(jié)構(gòu)，且折彎結(jié)構(gòu)的折彎角度為120°；擴散焊接裝置包括一折彎結(jié)構(gòu)的鎢發(fā)熱體4，該鎢發(fā)熱體4中心開有與大尺寸藍寶石光窗相配合的嵌入槽41；一ZrO₂保溫材料層2，該ZrO₂保溫材料層包覆在鎢發(fā)熱體4外表面，且ZrO₂保溫材料層2的幾何對稱中心與鎢發(fā)熱體4的幾何對稱中心重合；此外，ZrO₂保溫材料層2的側(cè)壁設有一連接孔，且ZrO₂保溫材料層2的兩端對稱開有方形通孔21；一U型結(jié)構(gòu)的銅感應線圈1，該銅感應線圈1設置在ZrO₂保溫材料層2的折彎處，且U型銅感應線圈的開口方向與嵌入槽41的開口方向一致；一鉬進氣管5，該鉬進氣管5的一端與ZrO₂保溫材料層2側(cè)壁的連接孔連接，鉬進氣管5的另一端與外接氣源連接。

用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置還包括一對固定組件，固定組件設置在ZrO₂保溫材料層2兩端的方形通孔21中，用于固定需擴散焊接的大尺寸藍寶石板3。

為了方便觀察放置于難熔金屬發(fā)熱體中的藍寶石光窗是否放置到位，同時，也方便擴散焊接后的藍寶石光窗能夠順利取出，在ZrO₂保溫材料層2的前側(cè)壁的中心開有一通透方孔22，該通透方孔22的形狀與大尺寸藍寶石光窗的形狀一致。

銅感應線圈1采用單扎，距離ZrO₂保溫材料層2 5mm，銅感應線圈1截面為長方形，中心水道亦為長方形。

根據(jù)趨膚深度公式[1]可知，加載10KHz中頻率電壓，發(fā)熱體4厚度3MM足夠。

其中，ω是電源頻率與2π的乘積，γ是W的電導率，μ是W的相對磁導率。

根據(jù)感應電動勢公式[2]：

其中，B是電磁場強度，S是發(fā)熱體截面積，t是電源頻率的倒數(shù)。由此可知，感生電流距離感應線圈越近電流越大因此產(chǎn)生熱量越多，反之電流快速衰減熱量減小，為保證焊縫附近溫度分布勻稱且具有一定梯度，將鎢發(fā)熱體4，兩端遠離銅感應線圈1的位置均勻分布有直徑為3mm的圓孔42，如圖2所示，有利于調(diào)整發(fā)熱體局部截面積，調(diào)整電流密度，提高發(fā)熱量。

作為本領域技術(shù)人員，應當了解，難熔金屬發(fā)熱體不局限于鎢發(fā)熱體，也可選用鉬發(fā)熱體、銥發(fā)熱體或鎢鉬合金發(fā)熱體中的任意一種；ZrO₂保溫材料層也可采用Y₂O₃保溫材料層。

參考發(fā)明專利201410541528.x所述原理，利用O₂：Ar為1:1000的混合氣體，大量的Ar氣體保護了W發(fā)熱器，而少量的O₂抑制了金屬氧化物保溫層受熱分解氧氣，也防止藍寶石板高溫分解或與W發(fā)生還原反應造成表面質(zhì)量下降的情況，因而在焊接過程中通過鉬進氣管5通入體積比為1:1000的O₂和Ar混合氣體。

對于不同成分的多晶氧化鋁切片配合藍寶石板3所施加壓力以及保壓時間，其擴散焊接結(jié)果均有不同影響。經(jīng)大量試驗，多晶氧化鋁切片中SiO₂：MgO：Ti之比例在100:1:1時，對應多種工藝條件效果均比較理想。本實施例多晶氧化鋁切片是選用粒度為0.5um的Al₂O₃粉體和粒度為1μm的SiO₂粉體、1μm的MgO粉體及1μm的Ti粉體壓制成厚度為300um的切片，且表面光滑清潔。

根據(jù)實際應用情況，藍寶石光窗多采用A面作為成像應用面，所以大尺寸藍寶石板3焊接端面為M面，與ZrO₂保溫材料層2方形通孔21長邊平行的面為應用面A面，且在擴散焊接之前，焊接面和應用面均經(jīng)過仔細磨拋清洗確保干凈。

本實施例用于大尺寸藍寶石光窗的擴散焊接裝置的焊接方法，根據(jù)上述實驗設計思路，其具體步驟如下：

(1)將厚度為300um的多晶氧化鋁切片垂直設置在鎢發(fā)熱體4中心，然后將兩塊大尺寸藍寶石板3焊接端分別由ZrO₂保溫材料層2兩端的方形通孔41插入鎢發(fā)熱體4中心，使兩塊大尺寸藍寶石板3端頭壓住多晶氧化鋁切片；

(2)利用固定組件向暴露在ZrO₂保溫材料層2外的藍寶石板3兩端均勻施加0.1MPa-100MPa壓力，使焊接端壓緊多晶氧化鋁切片；

(3)打開鉬進氣管5，向擴散焊接裝置通入體積比為1:1000的O₂和Ar的混合氣體；

(4)打開電源，將鎢發(fā)熱體4以50℃/hr-200℃/hr升溫至1500℃-2000℃，保溫1hr至20hr，同時保持兩端均勻施壓，對兩塊大尺寸藍寶石板3進行擴散焊接；

(5)焊接完成后，將鎢發(fā)熱體4以50℃/hr-200℃/hr降至室溫，關(guān)閉電源取出完成焊接的藍寶石光窗。

利用本實施例所示裝置與方法所得擴散焊接藍寶石光窗表面光潔，其焊縫處抗壓強度在200MPa左右，接近藍寶石自身強度，焊接件整體應力比較低，是理想的帶折角的光窗材料。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征以及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。