CN109926748A - 一种金属焊料封接的真空观察窗及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种金属焊料封接的真空观察窗及其制作方法，所述的金属焊料封接的真空观察窗结构包括：中部具有台阶状通孔的法兰、中空台阶圆柱体过渡件和具有倒角的圆台窗体，所述的制备方法为采用金属焊料封接。本发明包含一种中空台阶圆柱体过渡件，其特征在于该过渡件是一种具备过渡作用的薄壁结构，能够对窗体与金属封接后产生的应力起到缓冲作用；该中空台阶圆柱体过渡件大圆周与台阶状通孔法兰的大通孔之间留有空隙，能够提高整个窗口的抗冲击能力。本发明具有透光性好、耐腐蚀、耐高温、耐高压的特点，可靠性好，适用于真空炉、镀膜机及多种涉及极端环境的真空密封设备。

Description

一种金属焊料封接的真空观察窗及其制作方法

技术领域

本发明属于真空器件领域，涉及真空钎焊、镀膜、真空密封等设备的制造，具 体是一种金属焊料封接的真空观察窗及其制作方法。

背景技术

真空观察窗是采用一些特定的封接技术将平面窗口与法兰封接起来，再通过法兰将窗体材料与真空设备相连接，以此导入或导出电磁辐射、观察密闭***内部情 况的装置。

传统的真空观察窗封接方式大致有四种：一是采用O圈或四氟垫圈靠机械力压封，在使用中此类窗口往往会出现O圈或四氟垫圈老化、变形及O圈和四氟垫圈 放气等问题；二是熔封，即可伐合金预氧化后，在高温下将玻璃加热至熔融软化从 而与可伐合金的预氧化膜层浸润封接，这种封接方式只能用于可伐与可伐玻璃的封 接；三是采用玻璃焊料封接，该法也是先将可伐合金预氧化、制作与可伐合金和玻 璃膨胀系数相匹配的玻璃焊料、用玻璃焊料将可伐合金、窗口进行封接。如专利 CN 103787595 B中所述，浸润封接而获得的封接体，其封接界面实质是玻璃-金属 结合形成的脆性界面，此类界面抗冲击能力低，残余应力无法释放，可靠性差。四 是铅系焊料封接，如专利CN 103172277 A中所述在200～400℃下通过搭接的形式 对光学玻璃平面与可伐合金进行焊接，该结构不具备薄壁过渡结构和由此产生的空 隙结构，对于应力的缓冲能力还尚有不足。

发明内容

本发明克服上述现有技术的不足，提供一种金属焊料封接的真空观察窗，通过 窗体焊接部位金属化的方式，使窗体的金属化膜层和过渡件通过金属焊料结合，形 成金属-金属结合界面，避免了脆性界面的形成；过渡件作为窗体材料和法兰之间的 薄壁结构，采用套接的形式与窗体结合，加之过渡材料和法兰之间的空隙，使窗体 与法兰并不直接接触，这种结构具有应力缓冲作用和抗冲击能力，极大地提高了窗 口的可靠性，能够满足真空钎焊、镀膜、高精密搭建光路等多种涉及高温、高真空、 超高真空环境的设备使用要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种金属焊料封接的真空观察窗，包括法兰、过渡件和窗体，其特点在于，所 述的法兰的中部具有台阶状通孔，该通孔的小圆周外端面为法兰焊接区，所述的过 渡件为薄壁过渡的中空台阶圆柱体，该中空台阶圆柱体的大圆周内表面为第一焊接 区，该中空台阶圆柱体的小圆周外端面为第二焊接区，所述的窗体为一具有倒角的 圆台，该圆台的外侧表面为圆台焊接区域；所述的窗体嵌入在所述的过渡件内，且 圆台焊接区域与第一焊接区焊接固定，所述的法兰嵌套在所述的过渡件外，且该过 渡件与法兰之间具有空隙，第二焊接区与法兰焊接区焊接固定。

所述的法兰采用304不锈钢、316L不锈钢、无氧铜或钛金属材料制成。

所述的过渡件材质是可伐合金、因瓦合金或不锈钢金属材料。

所述的窗体的材料是石英玻璃、K9玻璃、蓝宝石、氟化钙、硒化锌等玻璃或 晶体材料，或这些材料的镀膜产品。

一种金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特点在于，包括如下步骤：

①按照国家标准加工法兰，中部具有台阶状通孔，即该通孔一端孔径较大， 为大通孔，另一端台阶处孔径较小，为小通孔；

②加工过渡件，薄壁过渡的中空台阶圆柱体，该中空台阶圆柱体一端大圆周 的外孔径与所述的法兰的大通孔的内孔径相适配，该中空台阶圆柱体另一端小圆周 的外孔径与所述的小通孔的内孔径相适配；

③加工窗体，具有倒角的圆台，该圆台的外径和所述的中空台阶圆柱体过渡 件的大圆周一端的内孔径相适配；

④分别对法兰、过渡件、窗体和焊料进行清洗、抛光、退火处理；

⑤对窗体的圆台焊接区域进行金属化处理形成窗体金属化膜层，并将窗体嵌 入过渡件内后，进行焊接处理，使过渡件的第一焊接区(a)通过金属焊料与窗体 金属化膜层结合；

⑥将法兰套在过渡件外，并对过渡件的第二焊接区(c)与法兰的焊接区(d) 进行焊接，且保证过渡件与法兰其它接触部位之间留有空隙，即制备完成。

所述的金属化处理，其工艺是真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、浸镀或喷 镀中的一种或两种及以上工艺结合运用。

所述的窗体金属化膜层为金属化膜层，或者是银、铜、钛、镍、铬、钼等单组 分纯金属薄膜、金属化合物膜或两种及以上金属及其化合物组成的复合膜。

所述的焊接处理包括真空钎焊或者气体保护焊接，采用的保护气体是还原性气体或者不与焊接金属反应的气体。

所述的过渡件与法兰的焊接为氩弧焊、激光焊接、电子束焊接或钎焊。

本发明专利的优点是：

1、采用薄壁结构连接窗体与法兰材料，该薄壁结构作为应力缓冲结构，能够 有效避免由热膨胀系数引起的残余应力导致焊接区域破坏，且过渡件与法兰之间存 在一定的空隙，该结构能够有效缓冲窗体与金属封接后由于膨胀系数不同而引起的 残余应力、提高窗口的抗冲击性能，不致焊接区域破坏，保证窗口的可靠性。

2、窗体与过渡件的封接方式为金属焊料封接，封接前窗体焊接部位金属化， 焊料对窗体的润湿性好，焊接质量好。

附图说明

图1为金属焊料封接的真空观察窗整体结构示意图。

图2为金属焊料封接的真空观察窗组件图，其中(i)为中部具有台阶状通孔的法兰；(ii)为中空台阶圆柱体过渡件；(iii)为具有倒角的窗体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变换范围。

请分别参阅图1和图2，图1为金属焊料封接的真空观察窗整体结构示意图； 图2为金属焊料封接的真空观察窗组件图。由图可见，金属焊料封接的真空观察窗 的结构包括法兰1、过渡件2和窗体3，窗体3焊接部位b进行了金属化，采用金 属焊料将窗体3与过渡件2的焊接区域a进行封接，过渡件2作为薄壁过渡结构， 其焊接区域c与法兰1的焊接区域d进行焊接，焊接后过渡件2与法兰1之间具有 一定空隙，以此保证真空观察窗口的抗冲击能力。

本发明的具体操作步骤如下：

首先按照设计图纸加工法兰、过渡件、窗体，再将金属焊料制备成与窗体圆周 尺寸相匹配的圆环状；

将窗体、过渡件、法兰、金属焊料清洗、退火、烘干备用；

将窗体焊接部位(请见图2：焊接区域b)暴露，把非焊接区域遮挡起来，然 后放入磁控溅射镀膜机中，进行磁控溅射镀膜金属化，磁控溅射镀覆的金属化膜层 主要分为两个类型，一类是能够与窗体表面紧密结合的材料，主要包括Ti，Cr等金 属，一类是能够与后继焊料较好润湿的材料，主要包括Ni等材料，金属化膜层总 厚度为1～2μm；

采用金属焊料将过渡件与金属化后的窗体进行焊接，焊接过程注意保证窗体与薄壁过渡件之间的同轴度，金属焊料是银铜、银铜锌、银铜锡、铅银等中温质软的 焊料。焊料层厚度为2～5μm。过渡件材质为一定温度范围内膨胀系数变化不大的材 料如可伐合金、因瓦合金；也可以是常用金属的薄壁制品如不锈钢、铜等。

将与圆台窗体焊接后的过渡件焊接区域c与法兰焊接区域d进行焊接，常选用 激光焊接、氩弧焊、电子束焊接等产生热量少的焊接方式，或者选择整体升温的钎 焊焊接方式。

实施例

将304不锈钢法兰、过渡件与石英玻璃窗体分别进行清洁、退火，然后将石英 玻璃片的非封接部位遮挡起来，放入磁控溅射镀膜机中对焊接区域b进行磁控溅射 金属化，首先镀制Ti层，镀制时间为30分钟，再镀制Ni层，时间为1个小时，将 金属化后的窗体与过渡件焊接区域a在真空钎焊炉中进行真空钎焊，焊料为银铜共 晶焊料。钎焊后过渡件焊接区域c采用激光焊接技术与304不锈钢法兰焊接区域d 封接起来，石英玻璃真空观察窗制作完成。

采用氦质谱检漏仪对金属焊料封接的真空观察窗样品的漏率进行检验，结果表明：采用金属焊料封接的真空观察窗，其漏率均低于3×10^-11Pa.m³/s。本发明的一 种金属焊料封接的真空观察窗能在高温、高真空、超高真空等极端环境下稳定使用。

Claims (9)

1.一种金属焊料封接的真空观察窗，包括法兰(1)、过渡件(2)和窗体(3)，其特征在于，所述的法兰(1)的中部具有台阶状通孔，该通孔的小圆周外端面为法兰焊接区(d)，所述的过渡件(2)为薄壁过渡的中空台阶圆柱体，该中空台阶圆柱体的大圆周内表面为第一焊接区(a)，该中空台阶圆柱体的小圆周外端面为第二焊接区(c)，所述的窗体(3)为一具有倒角的圆台，该圆台的外侧表面为圆台焊接区域(b)；所述的窗体(3)嵌入在所述的过渡件(2)大圆周内，且圆台焊接区域(b)与第一焊接区(a)焊接固定，所述的法兰(1)嵌套在所述的过渡件(2)外，且该过渡件(2)的大圆周外表面与法兰(1)通孔的大圆周内表面之间具有空隙，第二焊接区(c)与法兰焊接区(d)焊接固定。

2.根据权利要求1所述的金属焊料封接的真空观察窗，其特征在于，所述的法兰(1)采用304不锈钢、316L不锈钢、无氧铜或钛金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的金属焊料封接的真空观察窗，其特征在于，所述的过渡件(2)的材质是可伐合金、因瓦合金或不锈钢金属材料。

4.根据权利要求1所述的金属焊料封接的真空观察窗，其特征在于，所述的窗体(3)的材料是石英玻璃、K9玻璃、蓝宝石、氟化钙、硒化锌等玻璃或晶体材料，或这些材料的镀膜产品。

5.一种金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

①按照国家标准加工法兰，中部具有台阶状通孔，即该通孔一端孔径较大，为大通孔，另一端台阶处孔径较小，为小通孔；

②加工过渡件，薄壁过渡的中空台阶圆柱体，该中空台阶圆柱体一端大圆周的外孔径与所述的法兰(1)的大通孔的内孔径相适配，该中空台阶圆柱体另一端小圆周的外孔径与所述的法兰(1)的小通孔的内孔径相适配；

③加工窗体，具有倒角的圆台，该圆台的外径和所述的中空台阶圆柱体过渡件(2)的大圆周内孔径相适配；

④分别对法兰、过渡件、窗体和焊料进行清洗、抛光、退火处理；

⑤对窗体的圆台焊接区域(b)进行金属化处理形成窗体金属化膜层，并将窗体(3)嵌入过渡件(2)内后，进行焊接处理，使过渡件的第一焊接区(a)通过金属焊料与窗体金属化膜层结合；

⑥将法兰(1)套在过渡件外，并对过渡件(2)的第二焊接区(c)与法兰的焊接区(d)进行焊接，且保证过渡件(2)与法兰(1)其它接触部位之间留有空隙，即制作完成。

6.根据权利要求5所述的金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特征在于，所述的金属化处理，其工艺是真空蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀膜、浸镀或喷镀中的一种或两种及以上工艺结合运用。

7.根据权利要求5所述的金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特征在于，所述的窗体金属化膜层是银、铜、钛、镍、铬、钼等单组分纯金属薄膜、金属化合物膜或两种及以上金属及其化合物组成的复合膜。

8.根据权利要求5所述的金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特征在于，所述的焊接处理包括真空钎焊或者气体保护焊接，采用的保护气体是还原性气体或者不与焊接金属反应的气体。

9.根据权利要求5所述的金属焊料封接的真空观察窗的制作方法，其特征在于，所述的过渡件(2)与法兰(1)的焊接为氩弧焊、激光焊接、电子束焊接或钎焊。