CN101444873B

CN101444873B - 结合方法及其装置

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Publication number: CN101444873B
Application number: CN 200810179513
Authority: CN
Inventors: 大桥修; 峰岸敬一; 吉田安德; 和田光司
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP2009131861A; US8901465B2; DE102008058773A1; JP5263923B2; US20090139646A1; CN101444873A

Abstract

本发明涉及一种结合方法及其装置。氮气罐(22)、回转泵(30)和机械增压泵(31)连接到结合容器(12)，结合容器(12)构成用于进行扩散结合的结合装置(10)，所述结合装置进一步包括压力传感器(32)。结合容器(12)内形成有氮气气压，在控制电路(38)的控制操作下，氮气导入量被控制，致使压力基本上固定在3-10⁵Pa之间的预定压力上。在这种状态时，在液压缸(44)的杆(46)的作用下，第二电极(16)趋近第一电极(14)，并最终压在位于第一电极(14)上的第一被结合物体(W1)和第二被结合物体(W2)上。此外，电流通过第一电极(14)和第二电极被施与第一被结合物体(W1)和第二被结合物体(W2)。

Description

结合方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种结合方法和及其装置，通过该方法和装置，经过对彼此接触的多个结合物体进行加压和加热，各个要被结合的物体被连接到一起。

背景技术

作为将要被结合的物体连接到一起的一种方法，扩散结合(diffusion bonding)已为人所知。具体而言，这种方法借助通电或高频加热等，在对彼此相互接触的结合物体施与压力时，物体被加热，于是在接触区域内已有的原子发生扩散，结果，两个结合物体被连接(结合)在一起。在通电的情况下，作为要被结合的物体(导体)，已选择以钢材料、镍合金和铜合金等为首的所有类型的金属材料。

在对上述金属结合物体实施扩散结合的情况下，当在结合环境中包含过量的氧时，金属结合物体的表面上会形成氧化膜，该氧化膜的温度随随着对结合物体通电而升高。在这种情况下，原子的扩散被氧化膜所阻隔，因此，存在对结合区域的结合强度(bondingstrength)(连接强度joint strength)不能被确保的顾虑。

为了避免这种顾虑，对这种金属结合材料的通电和加压通常在高真空结合容器或者包含惰性气体的结合容器中进行的。在结合容器中形成高真空的情况下，须联合使用回转泵(rotary pump)和扩散泵(diffusing pump)对结合容器进行抽真空，从而将结合容器中的压力普遍设定在10^-3Pa数量级上。在需要进一步降低压力的情况下，除了上述两种类型的泵以外，还要联合使用涡轮分子泵(turbomolecular pump)。

此外，在惰性气体被供应到结合容器内的情况下，尽管取决于环境，氮气也已经被使用，但主要采用氩气、氦气等作为该惰性气体。(例如，参看日本专利公开号2006-315040)

为在结合容器中建立高真空而设置扩散泵或者涡轮分子泵时，由于这种泵的成本很高，设备的成本投资逐步上升。而且，在使用惰性气体的情况下，完全排出结合容器中最初包含的原有气体(氧)并不容易实现，因此，氧化膜的生成这一缺陷显然不易避免。另外，由于氩气、氦气等成本相当高，实施扩散结合的处理成本也已趋于昂贵。

此外，最近，掺氮不锈钢受到关注，特定含量的氮可以改善耐腐蚀性。然而，当对这种材料的进行熔焊时，有报道称，结合区(bonding reagion)的含氮量会降低。当然，出于这种原因，人们对耐腐蚀性的降低也存在顾虑。

发明内容

本发明的一般目的在于提供一种结合方法，采用该方法能够容易地避免在要被结合的物体上生成氧化膜。

本发明的主要目的在于提供一种结合方法，即使将掺氮不锈钢材料结合在一起，也能保证其结合强度(连接强度)。

本发明的进一步目的在于提供一种能够以低成本实施的结合方法

本发明的另一个目的在于提供一种能够实施上述结合方法的结合装置。

根据本发明的第一实施例提供一种结合方法，当对于相互接触的第一结合物体和第二结合物体进行加热时，压力被施与第一结合物体和第二结合物体，从而将两个结合物体连接在一起，该结合方法包括以下步骤：

将第一结合物体和第二结合物体放入结合容器中，并且将氮气导入结合容器，同时将结合容器内的压力控制在3-10⁵Pa之间；并且

在对第一结合物体和另一个结合物体施压的同时对第一结合物体和第二结合物体进行加热。

在上述压力范围内对结合装置供以氮气的情况下，氧气分压(partial pressure)被显著降低。因此，容易防止在要被结合的物体的表面上产生氧化膜，因此有效促进扩散结合。作为结果，保证了结合区的连接强度。

另外，在这种情况时，由于不需要在结合容器中提供高真空，也就无需为获得高真空而设置高成本的扩散泵或涡轮分子泵等的抽真空机构。因此，设备投资得以减少，并且，由于利用了低成本的氮气，扩散结合的成本也得以降低。

作为要被结合的物体，被加热时没有氮化膜形成且能够促使氮进入固溶体(solidsolution)的物体应为首选。在这种情况时，由于第一结合物体和第二结合物体上不形成氮化膜，扩散不受到阻碍。此外，即使在第一结合物体和第二结合物体间存在空隙(voids)、并且作为环境气体的氮气存在于这种空隙中的情况下，氮气也会在第一结合物体或者第二结合物体上形成固溶体。因此，很容易地使空隙消失，结合区的连接强度也能加强。

钢材料作为一种材料类型的首选例子被给出。此处，诸如碳钢、合金钢、不锈钢之类的钢材料由于在空气中被熔炼而含有氮。此外，已被确实掺氮的掺氮不锈钢也含有氮，因此，被加热时不会导致氮化膜的形成，而且还能促使氮进入固溶体。具体而言，在使用这种材料的情况下，结合物体促使氮进入固溶体，结果，这种作用使空隙消失。特别是掺氮不锈钢，通过促使氮进入固溶体，防止氮含量的降低，从而确保耐腐蚀性。

此外，作为在加热时不引起氮化膜的形成并能够促使氮进入固溶体的其他金属的例子，铜、镍及其合金也将被给出。

根据本发明的另一个实施例提供一种结合装置，在此结合装置中，当对相互接触的第一结合物体和第二结合物体进行加热时，压力被施与第一结合物体和第二结合物体，从而将两个结合物体连接在一起，此结合装置包括：

为第一结合物体和第二结合物体加热的加热机构；

内部容纳第一结合物体和第二结合物体的结合容器；

为结合容器提供氮气的氮气供给源；

从结合容器中排气的排气机构；和

用于控制由氮气供给源供给的、被导入结合容器的氮气的压力的控制机构。

其中，压力控制机构将氮气的压力控制在3-10⁵Pa之间。

有了这种结构，廉价的设备投资就能轻易避免要被结合的物体上氧化膜和氮化膜的生成。因此，能以低成本有效促进和实施扩散结合。

作为上述结构中的排气机构，如上所述，可以优选成本相对较低的回转泵。结果，设备投资的成本轻易降低，价钱也不贵。此外，旋转泵如与机械增压泵(mechanical boosterpump)结合使用则更为可取。

在上述结构中，要结合的物体的加热是通过对其进行通电(即，对其供电)。或者，也可以通过高频感应加热对结合物体进行加热。

根据本发明，在上述方式中，因为扩散结合是在预定压力范围内的氮气环境中实施的，所以防止了在要结合的物体表面上形成氧化膜和氮化膜。结果，扩散结合能被有效地促进，结合区的连接强度也能确保。

此外，由于不需要在结合容器内形成高真空，所以也无需为获得高真空而安装高成本的抽真空装置。因此，设备投资不贵。另外，通过使用低成本的氮气，扩散结合的成本得以降低。

以下结合附图说明本发明的优选实施例，本发明的上述及其他实体特征和优点将在下文的说明中显而易见。

附图说明

图1是根据本发明实施例的结合装置的结构的主要部分的轮廓图；

图2是显示图1所示结合装置在结合物体被加压时对其进行加热的典型状态下的主要部件的轮廓图；

图3是显示结合装置中环境气体及其压力与氮气和氧气分压之间关系的图表；

图4是显示被结合物体的结合温度与连接效率之间关系的曲线图；和

图5是显示在1000℃时被结合的结合物体的抗拉强度(tensile strength)与环境气体之间关系的图表。

具体实施方式

下面，将参照附图详细介绍和说明本发明所述的结合方法与实施该方法的装置之间关系的实施例。

图1是本实施例所述结合装置10典型结构的主要部件的轮廓图。结合装置10包括配备未示出的开关门的结合容器12、和设置在结合容器12内的第一电极14与第二电极16。第一电极14和第二电极16以及将在以后说明的电源18一起构成加热源。

用于通过供气管线20向结合容器12供给氮气的氮气罐22连接到结合容器12。此外，用于控制氮气流量的质量流控制器24(mass flow controller，以下简称MFC)和压力调节阀26从氮气罐22的一侧依次***供气管线20。

此外，第一排气管线28和第二排气管线29被连接到结合容器12上，用于将气体从结合容器12内排出。回转泵30被***第一排气管线28，机械增压泵31被***第二排气管线29。因此，结合容器12内的气体被回转泵30和机械增压泵31除去。

众所周知，在各种类型的泵中，回转泵30的成本相对较低。但是同时，采用这种回转泵30不易降低压力。在本实施例中，当压力调节阀26关闭且结合容器被抽空时，压力处于10^-1Pa数量级上。

压力传感器32进一步连接至结合容器12，用于测量结合容器12内的压力。压力传感器32和压力调节阀26分别通过信号线34和36电连接至控制电路38。

第一电极14被固定并定位在结合容器12中的底座40上，如图1所示面朝向上。第一电极14通过引线42电连接至电源18的正极端子(positive terminal)。

另一方面，与第一电极14结构大质相同的第二电极16设置在与第一电极14相对的位置处。此外，第二电极16固定在液压缸44的杆46的末端位置处。具体而言，第二电极16随着杆46的前进与缩回接近和远离第一电极14。

第二电极16通过引线48电连接至电源18的负极端子(negative termina1)上。此外，图1中显示的是电断路状态。

本实施例的结合装置10基本采用上述构成。接下来将根据其采用的结合方法来说明该装置的操作与效果。

首先，结合容器12的门被打开，第一结合物体W1和第二结合物体W2从打开的门被***结合容器12中并置于第一电极14上。此时，第一结合物体W1和第二结合物体W2都由掺氮不锈钢组成，两者的端部表面相互堆叠在一起。

接下来，门关闭，并且在结合容器处于热密封状态以后，回转泵30和机械增压泵31被通电，致使结合容器12经由第一排气管线28和第二排气管线29被抽空。当然，此时的压力调节阀26是关闭的。如上所述，结合容器12内部压力开始下降并最终达到大约10^-1Pa。

关于结合容器12内的压力的信息由压力感应器32和信号线34传送至控制电路38。另外，当控制电路38确定结合容器12内的压力已基本恒定时，压力调节阀26由信号线36传送来的命令信号开启。结果，氮气开始从氮气罐22流经气体供给管线20，并经MFC24和压力调节阀26被引入结合容器12中。

在这一点上，控制电路38控制氮的导入量可使结合容器12内的压力达到3-10⁵Pa之间的大致恒定的预定压力。具体而言，根据压力传感器32和信号线34所获的结合容器12内的压力信息，控制电路38生成一个指令信号以经由信号线36控制压力调节阀26的开启程度。更具体地，当结合容器12内的压力超过预定的上限值时，减小压力调节阀26的开启程度可使氮气的导入量减少；而另一方面，当结合容器内的压力低于某一下限值时，增大压力调节阀26的开启程度可使氮气的导入量增加。

例如，如果氮气气压的压力保持为3Pa，与相同压力下的空气气压或氩气气压相比，结合容器12内的氧气分压变得明显降低。具体而言，在这种情况下，其氧气分压相当于真空度为3×10^-3Pa情况下的氧气分压。类似地，在将结合容器12内的压力设置为10⁵Pa的同时形成氮气气压的情况下，与相同压力下空气气压或氩气气压相比，结合容器12内的氧气分压明显减小。

在这种方式下，通过使用氮气作为环境气体，即使在结合环境的压力相对较高的情况下，也可以使结合容器12内的氧气分压与被抽真空状态下的氧气分压处于同一数量级。

接下来，如图2所示，液压缸44开始动作，其杆46向下推进。结果，第二电极16按压第二结合物体W2和第一结合物体W1，从而形成闭合电路。

在这种状态下，电流i由电源18提供。该电流i流经第一电极14、第一结合物体W1、第二结合物体W2和第二电极16最后流回电源18。具体而言，电能被同时供至第一结合物体W1和第二结合物体W2，伴以第一结合物体W1和第二结合物体W2温度的升高。而且，第一结合物体W1的原子扩散到第二结合物体W2中，第二结合物体W2的原子也扩散到第一结合物体W1中。

如上所述，在本实施例中，在由预定压力控制的氮气环境中，或者在氧气分压相当小的环境中，电能被供给到第一结合物体W1和第二结合物体W2。因此，可以防止第一结合物体W1和第二结合物体W2的表面形成氧化膜。因此，容易促进原子的扩散。结果，固相结合(solid phase bonding)(扩散结合)可以有效进行。因此，能够确保结合区的连接强度。

另外，由于环境中存有氮气，即使在第一结合物体和第二结合物体(和掺氮不锈钢一起)的原子扩散区释放出氮的情况下，环境中的氮也能补充到扩散区中。具体而言，因氮进入扩散区内的固溶体中，故而可防止氮含量的降低。

此外，在第一结合物体W1和第二结合物体W2之间因翘曲等而存在空隙的情况下，如果扩散结合是在氩气环境或者氦气环境中进行，则第一结合物体W1与第二结合物体W2的结合就是在所述空隙存有氩气或氦气的情况下进行的。具体而言，第一结合物体W1和第二结合物体W2之间存有的空隙导致人们对接合强度的担忧。

与上述情况相反，本实施例中的扩散结合是在氮气环境下进行的。如上所述，由于第一结合物体W1和第二结合物体W2在可使氮进入固溶体的状态中获得，因此存在于空隙中的氮气通过固态融入第一结合物体W1和第二结合物体W2中得以被消耗。因此，就有可能除去第一结合物体W1和第二结合物体W2之间的空隙，因此结合物体W1和W2两者之间的连接强度得以提高。

而且，用于形成由不锈钢与氮气一起形成的氮化膜的标准生产能量高于用于形成氧化膜的标准生产能量。就是说，环境中的氮气不易与第一结合物体W1和第二结合物体W2发生反应。因此，对于第一结合物体W1和第二结合物体W2而言，氮气趋于惰性inert)。具体而言，可避免在第一结合物体W1和第二结合物体W2上形成氮化膜。

经过一段预定时间以后，电源18停止供给电流i，液压缸44的杆46向上回缩，从而回到图1所示状态。结果，对第一结合物体W1和第二结合物体W2的通电供能停止，随着原子扩散的终止，第一结合物体W1和第二结合物体W2的固相结合(扩散结合)也随即完成。具体而言，第一结合物体W1和第二结合物体W2在其整个表面被相互连接在一起。

如上所述，根据本实施例，扩散区(结合区)中氮容量的减少得以被避免，原子的扩撒得以充分实现。因此，结合区的耐蚀性和连接强度可得到保证。

而且，从上文可知，如若按照本实施例，则无需再使用诸如氩气、氦气之类的高成本气体。此外，因无需降低结合容器内的压力，仅将回转泵30和机械增压泵31附接到结合容器上即可。换句话说，再无必要设置高成本的扩散泵或者涡轮分子泵。因此，构建结合装置10所需设备的投资不再昂贵，从而使扩散结合能够以低成本实现。

上述实施例中采用的是掺氮不锈钢作为第一结合物体W1和第二结合物体W2，然而，以不锈钢、掺氮不锈钢、镍合金、铜合金等为首的其它金属材料以及除此以外的其他金属也能被用作结合物体。在这种情况下，氧化膜和氮化膜的形成也能得以避免。而且，由于这种材料能导致氮进入进固溶体，从而避免了在结合区内残留空隙，因此结合区的连接强度得到保证。自然，结合区的质量也较好。而且，即便第一结合物体W1和第二结合物体W2分别为不同类型的金属也仍然可以接受。换句话说，本发明对异种类型的金属结合也仍然适用。

此外，在本实施例中，结合容器12内的压力被控制以保持基本恒定。然而，也可以控制压力使其从下限3Pa到上限10⁵Pa之间重复变化。

而且，在本实施例中，通过对第一结合物体W1和第二结合物体W2通电供能，使得结合物体W1和W2两者同时被加热。不过，显然也可以采用其它加热方式，例如，高频感应加热或者类似的方法。

此外，也可以设置扩散泵或者涡轮分子泵等来代替旋转泵30。

【例1】

图1和图2所示的结合装置被连接到一个气体分析***。具体而言，出口管被连接到结合容器12上，气体分析装置和压力检测装置和计算机一并与出口管相连。

在这种情况下，结合容器12内的环境气体和压力通过各种方式被加以改变，从而分别测定氮气和氧气的分压。测定结果概括于图3中。从图3可以清楚地看出，在氮气气体压力被设为3Pa时，氧气分压与压力设为3×10^-3Pa时的氧气分压相等。

从图3还可知，氮气气体压力设为10⁵Pa时，氧气分压比相同压力下氩气中的氧气分压要小得多。据此可知，氮气能产生比氩气更小的氧气分压，从而容易避免结合物体的氧化。

【例2】

由SUS304(不锈钢)材料制成的长度为30mm、底面直径为12mm的圆柱形结合物体的底面彼此接触。在这种情况下，在结合物体被结合装置10的第一电极14和第二电极16施以5.2MPa的压力的同时，通过由点焊被附接到连接界面附近的R-型热电偶的测量，通电供能在结合温度为700℃、800℃、900℃、1000℃和1100℃中的任一温度下被实施，从而使两个结合物体被结合在一起。结合物体被以每分钟100℃的速度加热到结合温度，并在该结合温度保持20分钟。结合容器12分别被充以5Pa、10²Pa和10⁵Pa中任一压力的氮气气压。

出于对比目的，在结合装置内被供给环境气体时，除了压力分别设为10^-2Pa、5Pa、10²Pa和10⁵Pa以外，都将遵照上述条件，从而实现将上述结合物体结合在一起。

图4曲线图显示了SUS304的强度除以各结合物体的连接强度所得的连接效率与结合温度之间的关系。图5显示在1000℃下被结合在一起的结合物体的抗拉强度。由图4可见，连接效率随着结合温度的上升和环境气体压力的降低而提高，并且在1000℃和1100℃时获得与SUS304相同的强度。而且，由图5可知，假设结合容器12内的压力相同，氮气环境下比空气气压的连接强度要大。

此外，对比结合后结合物体的氧化情况，在10⁵Pa气压中进行结合时，有浓黑色氧化膜形成。另一方面，在10²Pa下，证实有深绿色氧化膜，而在5Pa下则无氧化膜存在并证实有金属光泽。

与上述情况相反，虽然即使在氮气环境中结合也被证实有类似的趋势，但其氧化程度比相同压力下在空气气压中结合的氧化程度要小得多。因此推断是由于氮气环境抑制了氧分压所致。

而且，采用扫描电字显微术(scanning electron microscopy，缩写SEM)分别对1000℃下10⁵Pa和5Pa氮气气压和10⁵Pa和10^-2Pa空气气压下的被结合物体的拉伸断裂面进行观测。结果证实，无论是在空气气压中被结合的结合物体还是在氮气气压中被结合的结合物体，随着环境气压的降低，其凹痕(dimiples)都会变大，且各凹痕中夹杂物(inclusions)的量都会减少。而且，在相同压力的情况下，与在空气气阀中结合后的结合物体相比，在氮气环境中被结合物体的凹痕更大，而且夹杂物的量更少。通过这些观测，可知在较小环境气体的压力下可以获得更满意的结合，而在相同压力下，使用氮气比空气获得更令人满意的结合效果。

尽管本发明的某些优选实施例已经被详细展示和说明，但是应理解，在不背离所附权利要求的前提下，可以对本发明进行各种变化和改进。

Claims

1.一种扩散结合方法，其特征在于，在对由金属形成并且相互接触的第一结合物体(W1)和第二结合物体(W2)进行加热时，并且压力被施加到所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)，并且所述第一结合物体(W1)的原子扩散进入所述第二结合物体(W2)中，所述第二结合物体(W2)的原子也扩散进入所述第一结合物体(W1)中，从而使两个结合物体(W1，W2)连接在一起，所述方法包含以下步骤：

将所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)放置在结合容器(12)中，并将氮气引入所述结合容器(12)中，同时将所述结合容器(12)内的压力控制在3Pa至10⁵Pa之间；和

对所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)加热，同时对所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)加压。

2.根据权利要求1所述的扩散结合方法，其特征在于，通过通电对所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)进行加热。

3.根据权利要求1所述的扩散结合方法，其特征在于，通过高频加热对所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)进行加热。

4.根据权利要求1所述的扩散结合方法，其特征在于，能够使氮进入固溶体的材料被用作所述第一结合物体(W1)或所述第二结合物体(W2)。

5.根据权利要求4所述的扩散结合方法，其特征在于，钢材料、镍合金以及铜合金中的任意一种被用作所述第一结合物体(W1)或所述第二结合物体(W2)。

6.根据权利要求4所述的扩散结合方法，其特征在于，掺氮不锈钢被用作所述第一结合物体(W1)或所述第二结合物体(W2)。

7.一种扩散结合装置(10)，其特征在于，在对由金属形成且相互接触的第一结合物体(W1)和第二结合物体(W2)进行加热时，压力被施加到所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)，并且所述第一结合物体(W1)的原子扩散进入所述第二结合物体(W2)中，所述第二结合物体(W2)的原子也扩散进入所述第一结合物体(W1)中，从而使两个结合物体(W1，W2)结合在一起，所述结合装置包括：

对所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)加热的加热机构(14，16，18)；

其中容纳所述第一结合物体(W1)和所述第二结合物体(W2)的结合容器(12)；

向所述结合容器(12)提供氮气的氮气供给源(22)；

实施从所述结合容器(12)中排气的排气机构(30，31)；和

用于控制由所述氮气供给源(22)提供并被引入所述结合容器(12)内的氮气压力的压力控制机构(38)，

其中，所述压力控制机构(38)将氮气压力控制在3-10⁵Pa之间。

8.根据权利要求7所述的扩散结合装置(10)，其特征在于，所述排气机构(30，31)至少包括回转泵(30)。

9.根据权利要求7所述的扩散结合装置(10)，其特征在于，所述加热机构包括含有电源(18)和电极(14，16)的通电机构。

10.根据权利要求7所述的扩散结合装置(10)，其特征在于，所述加热机构包括高频加热机构。