一种微波陶瓷窗的焊接方法

本发明涉及一种微波陶瓷窗的焊接方法，属于微波电真空。

背景技术：

1、在微波电子管、等离子体加热装置、粒子加速器等装置的微波传输系统中，广泛的使用各种微波陶瓷窗，其主要功能是在隔离高真空环境与大气环境的同时传输微波功率。微波陶瓷窗上的陶瓷介质对于气体分子来说是不可以穿越的，而微波功率却能够以很低的损耗穿透陶瓷介质。

2、微波陶瓷窗上的陶瓷与金属焊接是微波陶瓷窗加工制造过程中最关键的环节，焊接过程中可能会导致陶瓷片炸裂的情况，同时焊接的质量也将影响微波陶瓷窗的机械性能、真空气密性能以及承受大功率微波的能力。

3、目前微波陶瓷窗的焊接一般采用钎焊的方式，将装配焊料后的微波陶瓷窗整体放入真空钎焊炉中进行加热和钎焊，钎焊时的温度在800℃以上。在真空钎焊过程中陶瓷、金属以及焊料都被加热到较高的温度，由于陶瓷材料与金属材料的热膨胀系数相差较大，使得陶瓷极易在焊接过程中产生的应力的作用下破裂。即便焊接过程中陶瓷没有破裂，钎焊过程中焊接接头处的残余应力也会降低焊接接头的机械性能，使得微波陶瓷窗上的陶瓷在承受较大微波功率时容易炸裂。

4、因此，如何防止陶瓷在焊接过程中破裂，并且提高陶瓷与金属焊接接头的强度，是现在工业生产中急需解决的一个问题。

5、基于此，提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种微波陶瓷窗的焊接方法，以解决现有技术中微波陶瓷窗焊接过程中陶瓷破裂的问题，同时降低焊接接头处的残余应力，提高焊接接头的强度。

2、本发明所采用的加热源为微波源，使用待焊接的微波陶瓷窗来传输微波，利用微波陶瓷窗上传输的微波对微波陶瓷窗上的陶瓷与金属层之间的中间层进行选择性加热使其熔化，进而完成微波陶瓷窗的焊接。详细技术方案如下：

3、一种微波陶瓷窗的焊接方法，包括以下步骤：

4、步骤1、对微波陶瓷窗上的陶瓷与金属层进行定位和组装，在陶瓷与金属层之间添加一层中间层，组装成为待焊接的微波陶瓷窗；所述中间层由粒径小于50微米的金属粉末或合金粉末组成；

5、步骤2、将待焊接的微波陶瓷窗的一个端口通过微波传输组件与微波源相连，待焊接的微波陶瓷窗的另一个端口连接微波负载或者短路；启动微波源，利用微波对中间层进行选择性加热；

6、步骤3、所述中间层的金属粉末或合金粉末被微波加热熔化后，熔融状态的金属液浸润到陶瓷表面，待熔融状态的金属液冷却后焊接完成。

7、更进一步的改进，在步骤2中，使用微波传输组件将多个待焊接的微波陶瓷窗串联或并联在一起同时进行微波加热。

8、更进一步的改进，所述微波陶瓷窗上的陶瓷为氧化铝陶瓷或氧化铍陶瓷。

9、更进一步的改进，所述金属层为无氧铜或铝合金。

10、更进一步的改进，在对微波陶瓷窗上的陶瓷与金属层进行定位和组装之前，先对金属层进行去油酸洗，对陶瓷采用丙酮配合超声波清洗，清洗完成之后烘干。

11、更进一步的改进，所述中间层所用的合金粉末为ag粉、cu粉和ti粉所组成的混合粉，所述混合粉中ag粉、cu粉和ti粉的质量比为70.5:26.5:3。

12、更进一步的改进，在陶瓷与金属层之间添加中间层的方法如下：

13、将ag粉、cu粉和ti粉按照配比称重后，加入有机溶剂混合均匀，制成膏状的焊料膏；在金属层与陶瓷相连的那一面预留有中间层焊料槽，将焊料膏填涂在中间层焊料槽内，然后组装成为待焊接的微波陶瓷窗。

14、更进一步的改进，所述有机溶剂为丙酮或丁酮。

15、更进一步的改进，微波由微波源产生，经微波传输组件传输至待焊接的微波陶瓷窗处；微波传输组件包括微波传输线、环形器、吸收负载、定向耦合器和微波功率计；待焊接的微波陶瓷窗通过一段转接过渡段与微波传输线连接，转接过渡段采用不锈钢波纹管制成；微波通过微波陶瓷窗后最终被传输至吸收负载并被吸收；在微波陶瓷窗两侧的微波传输线内通入氩气作为焊接过程中的保护气体。

16、更进一步的改进，利用微波对中间层进行选择性加热时，微波源所产生的微波频率为1.3ghz，功率为1kw。

17、公知地，微波陶瓷窗上的陶瓷是一种对微波损耗很小的陶瓷，其吸收的微波相对来说很小；否则，如果微波陶瓷窗上的陶瓷能够剧烈吸收微波，其会因为大量吸收微波而影响微波的传输，影响产品的正常使用。

18、现有技术中，对陶瓷材料采用微波焊接所用到的陶瓷，是一种对微波损耗很高的陶瓷，因此，其在微波环境下，能够对该种陶瓷材料进行加热，从而进行焊接；这种对微波损耗很高的陶瓷是无法应用于微波陶瓷窗上。另外，如果金属材料是板块状的，其吸收的微波同样会很少。

19、本发明相当于对现有的微波焊接方法进行了改进，且只适用于微波陶瓷窗的焊接。

20、在本发明中，金属粉末或者合金粉末可以剧烈吸收微波从而被加热；当微波通过待焊接的微波陶瓷窗时，微波陶瓷窗上的陶瓷、金属层以及金属粉末或合金粉末都会被加热，不过相比于金属粉末或合金粉末的被加热效果来说，微波陶瓷窗上的陶瓷以及金属层的被加热效果可以忽略不计。因此，本发明的关键是选用中间层所用的材料，中间层需要具有能够剧烈吸收微波从而被选择性加热的特点，且还要兼具当其焊接结束后将不再剧烈吸收微波的特点。

21、微波的功率会影响合金粉末温度上升的快慢以及其在平衡状态下的最高温度，微波的功率越大，合金粉末温度上升的越快，其最终的温度越高。微波的功率筛选，首先需要保证合金粉末的最终温度要超过其熔点；其次，虽然，合金粉末的温升速率越快越好，但如果微波功率太大的话，金属层以及微波陶瓷窗上的陶瓷上吸收的微波也就会更多，会导致金属层和微波陶瓷窗上的陶瓷的最终温度也会有所提高，这与只对中间层选择性加热的目标相违背。因此微波功率不能太大，经过多次试验，微波源的功率为1kw，能够达到焊接目的，同时并不会造成微波陶瓷窗上的陶瓷发生破裂。

22、现有的微波焊接的流程如下：

23、首先，由微波源产生微波，然后通过波导器件将微波传输到一个微波谐振腔内，从而在微波谐振腔内建立起电磁场，再将待焊接的试件放置于微波谐振腔内，试件会吸收微波谐振腔内电磁场的能量而被加热进而实现焊接。这个过程中需要用到一个微波谐振腔，实际操作中一般是将微波源、波导器件、微波谐振腔和其它器件集成到一起，做成一个工业微波炉，待焊接试件的微波焊接过程是在工业微波炉内完成的。其所所用的陶瓷是一种对微波损耗很高的陶瓷。

24、如果采用现有的微波焊接技术对陶瓷与金属进行焊接，一般只限于对微波损耗很高的陶瓷与金属平板的焊接，这是因为金属对电磁场有屏蔽效果，如果将金属放置于微波谐振腔内、并且金属将陶瓷的几个面都遮挡住的话(如金属管套在陶瓷块的外部)，陶瓷或者中间层焊料将很难吸收到谐振腔内电磁场的能量从而无法被加热。

25、而在本发明中，微波陶瓷窗上的陶瓷恰好是被外围的金属层所包裹、遮挡起来，因此，采用现有的微波焊接方法无法对微波陶瓷窗上的陶瓷与金属层进行微波焊接。

26、在本发明中，微波陶瓷窗的主要功能是用来传输微波，如果改变微波陶瓷窗上的陶瓷成分或者焊接后的中间层仍然能持续剧烈吸收微波的话，这导致在焊接后，在后续使用过程中，由于在微波陶瓷窗上会有微波持续传输，造成微波陶瓷窗性能的下降甚至破坏。因此，对微波陶瓷窗的焊接，焊接所用的焊接钎料应该具有这样的特性：即在焊接过程中能够剧烈吸收微波功率，而在焊接完成后则不再剧烈吸收微波功率。

27、本发明所采用的粒径小于50微米的金属粉末或者合金粉末，作为焊接钎料，其处于粉末状的时候会剧烈吸收微波，等到焊接结束凝固后对微波吸收很少。

28、本发明不需要微波谐振腔，待焊接试件也不需要放置在微波谐振腔内，微波焊接过程不是在微波谐振腔内完成，而是在待焊接试件内部完成。因为待焊接试件(也就是微波陶瓷窗)本身就是一个波导器件，其主要功能就是传输微波，在传输微波的过程中，微波就会对微波陶瓷窗上的中间层所在进行加热，从而完成微波陶瓷窗上的陶瓷与金属层的焊接。

29、现有采用微波谐振腔的微波焊接法，由于受限于微波谐振腔的容积限制，很难做到同时焊接多个待焊接试件。而本发明则可以将多个待焊接的微波陶瓷窗串联或并联在一起，然后接通微波源，进而实现批量焊接。

30、另外，现有特种焊接中，采用激光、电磁感应、电子束等加热焊接方式，这些工艺都只能对待焊接试件逐个进行焊接而无法实现同时批量焊接。

31、本发明的有益效果：

32、1、本发明利用待焊接的微波陶瓷窗来传输微波，不需要单独设计微波焊接腔体。

33、2、微波加热的方式与传统的热传导、热辐射的方式不同，具有体积加热效应，加热均匀性好，可以实现焊料内部的同时加热，提高了内部温度分布的均匀性，使得内应力降低。

34、3、微波加热具有升温速度快、焊接强度高、能耗低的优点。

35、4、微波加热具有选择性加热的优点。微波陶瓷窗所采用的陶瓷的介电损耗很低，因此微波陶瓷窗所采用的陶瓷与板状或管状的金属层都不会被微波加热到很高的温度，只有中间层在初期会被选择性加热，从而实现了陶瓷-金属接合区局部选择性加热，充分利用能量的同时避免了微波陶瓷窗在焊接过程中长时间处在高温的作用下导致陶瓷破裂。

36、5、本发明具有可扩展性高的优点，可以将多个待焊接的微波陶瓷窗串连或并联在一起同时进行加热、焊接，从而实现微波陶瓷窗的批量焊接，极大地提高焊接效率。