陶瓷与金属特种焊接技术的开发与应用
边美华１，曾鹏飞２，符亚波３，许先果１
（１．重庆大学机械工程学院，重庆４０００４４；２．重庆工业设备安装集团公司，重庆４００１３４；
３．攀钢集团成都钢铁有限责任公司金堂分公司，四川金堂６１０４０３）
摘
要：介绍了近年来发展的陶瓷与金属的焊接技术，并对其焊接工艺特点及应用情况进行了分析与总结。
关键词：陶瓷；焊接中图分类号：ＴＧ４５６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００６）０３－００６１－０２
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｐｅｃｉａｌＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＣｅｒａｍｉｃａｎｄＭｅｔａｌ
ＢＩＡＮＭｅｉ－ｈｕａ１，ＺＥＮＧＰｏｎｇ－ｆｅｉ２，ＦＵＹａ－ｂｏ３，ＸＵＸｉａｎ－ｇｕｏ１
（１．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｄｕｓｔｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎＧｒｏｕｐＣｏ．ＬＴＤ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００１３４，Ｃｈｉｎａ；３．ＰａｎｇａｎｇＧｒｏｕｐＣｈｅｎｇｄｕＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．ＬＴＤＪｉｎｔａｎｇＳｕｂｓｉｄａｒｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｎｔａｎｇ６１０４０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｅｗｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｃｅｒａｍｉｃａｎｄｍｅｔａｌｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍｅｄ，ｔｏｏ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ；ｗｅｌｄｉｎｇ
陶瓷具有强度高、硬度高、弹性模量大、热胀系数小、密度低、抗腐蚀及耐磨等优良的力学性能和物理化学性能，可望在航空、航天、军工、核能、汽车及刀具制造等领域获得广泛应用。但陶瓷的机械加工性能差、延性和冲击韧度低、耐热冲击能力弱，因此不易制成大型形状复杂的构件，故其单独使用受到了实际问题的挑战，而是必须通过焊接简单陶瓷零件制造复杂构件成为可能的制造途径。为解决这一问题，世界各国学者和工程工作者在不断探求陶瓷的焊接技术，以期获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的陶瓷－金属焊件。而且这一技术倍受人们的关注，并已成为材料工程领域的热点研究课题之一。
金属与陶瓷在化学键型、微观结构、物理性质和力学性能等方面存在较大差异，采用电弧焊或电阻焊不能获得满意的焊接接头，生产中常用的是钎焊和扩散焊。但是随着研究的不断深入，又出现了许多新的方法，例如，激光焊、中性原子束焊、超声波焊、微波焊以及燃烧合成技术等。本文主要就近年来针对陶瓷与金属焊接而开发的上述方法
的焊接工艺特点和应用现状作一介绍。
１激光焊接
陶瓷制品的激光焊接的主要困难是热裂纹。这是因为陶瓷的弹性模量高，导热能力低，在局部温度效应很高的情况下，导致应力的产生。其传统的解决办法是对陶瓷工件进行预热和调整激光束等措施。Ｍｉｔｔｗｅｉｄａ公司的激光应用中心开发了一种能够规定应力危险区加热的方法，即用双束激光进行陶瓷焊接，其原理如图所示１。它是利用扫描器引入的
Ｎｄ：ＹＡＧ
激光器
ＣＯ２
激光束
扫描器反射镜
ＣＯ２激光束对材料加
热，要求在焊接过程，能
陶瓷
图１双束激光焊接示意图
够保证它与另一束光纤导入Ｎｄ：ＹＡＧ一连续波激光束相连接。这种方法的优点是能在几秒钟内获得可控的温度场，并能在自由条件下进行加工，无需特殊处理［１］。
用该方法焊接的Ａｌ２Ｏ３陶瓷试样，试验表明，激光焊接区细晶粒是均匀的，几乎看不到什么变
收稿日期：２００５－０９－１９
作者简介：边美华（１９８０－），男，江西峡江人，在读硕士生；
电话：０２３－６５１２６８１９；Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｍｈ１２３４５６＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
化。在电子显微镜下，可以看到晶粒呈片瓦结构，防止了裂纹的产生和扩展。经１００次反复加热和冷却的热疲劳试验，焊接试样的抗弯强度并没有
《热加工工艺》２００６年第３５卷第３期
６１
明显下降。目前已出现用二氧化碳激光装置来焊接氧化铝瓷、莫来石瓷和镁橄榄石瓷等新型陶瓷。
们利用家用微波炉（ｌｉｔｔｉｏｎ１５１型，７００Ｗ）实现了
Ａｌ２Ｏ３薄片间的玻璃封接。
Ｓａｔｏ等［５］用微波在短时间内焊接了ＭｇＯ陶
瓷。微波焊接的温度和压力越高，接头的抗弯强度越大，微波焊接后接头的硬度比基体的硬度高，在温度约１８６７℃、压力０．５ＭＰａ下微波焊接４ｍｉｎ，弯曲强度达最大值的７０％。
２中性原子束焊接
［２］
中性原子束焊接方法是利用重型原子束照射金属与陶瓷的接合面，使接合面的原子“活化”。清洁的物质表面具有极佳的活性，然而物质表面往往沾有污物或者覆盖着一层极薄的氧化膜，使其活性降低。该方法主要是对接合面照射氩等惰性气体的１０００￣１８００电子伏特的低能原子束，从表面除去２０μｍ左右的薄层，使表面活化，然后加压，利用表面优异的反应速度进行常温状态下的接合。此方法可用于氮化硅等高强度陶瓷或者高温超导陶瓷与金属的接合。另外，对于超大规模集成电路芯片与电路基板的接合也显示出良好的效果。其接合强度可与以往的加热接合相同，而且接合的电阻极小，接合效果甚佳。
Ｓｉｒｂｅｌｇｌｉｔｔ等［６］用单模和多模微波腔体焊接了
陶瓷片。
ＺＨＯＵＪｉａｎ等［７］成功地对Ａｌ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３以及
并借助电镜、Ａｌ２Ｏ３和ＨＡＰ生物陶瓷进行了焊接。
电子探针分析了界面结合情况。前者在压力２
ＭＰａ，１３００℃保温１５ｍｉｎ时结合强度达到基体强
度；后者在２．５ＭＰａ，１２００℃保温１５ｍｉｎ左右成功将两类材料焊接在一起。
５燃烧合成技术
燃烧合成（ＣＳ）技术，又称为自蔓延高温合成技术，是前苏联化学物理研究所的科学家
３超声波焊接
这种方法主要用于铝与陶瓷的焊接，它是通
Ｍｅｒｚｈａｎｏｖ等人于１９６７年首先提出的［８］。ＣＳ焊接
作为一种新型特种焊接工艺，目前基本处于试验阶段，国内外对它的研究主要集中在异种难熔金属、陶瓷和金属间化合物焊接方面。
日本学者Ｍｉｙａｍｏｔｏ［９］首次利用ＣＳ焊接技术实现了金属Ｍｏ与ＴｉＣ陶瓷的焊接。Ｒａｂｉｎ等［１０］详细研究了ＳｉＣ陶瓷及纤维增强陶瓷焊接，采用该Ｔｉ－Ｃ－Ｎｉ粉末作为焊料实现了ＳｉＣ陶瓷的焊接。体系在ＣＳ焊接过程中，不仅反应生成ＴｉＣ－Ｎｉ，而且由于Ｔｉ、Ｎｉ是活性比较强的元素，因此在界面处可以与陶瓷反应，提高接头可靠性。
在国内，李树杰等［１１］选择在航空领域最有应用前景的ＳｉＣ陶瓷，以镍基高温合金作为母材，以
过超声波振动和加压实现常温下结合的一种有效方法。其步骤是：（１）在金属或者陶瓷的任何一方与接合面平行的方向给以超声波振动并把该振动传往另一方的接合面上；（２）加压［２］。日本ＵＬｔｅｘ公司开发了一种自动式超声波陶瓷与金属焊机，其波长为几米到５０ｍ，振幅为数微米至５０μｍ，频率为２０￣４０ｋＨＺ［３］。
用此方法焊接铝和各类陶瓷均获得成功，而且接合时间仅需要数秒。由于此方法的接合能是利用了超声波振动，因而设备较简单，缩短了焊接时间，比一般常用焊接方法成本大幅度降低。
４微波焊接
利用微波在高温下焊接陶瓷，是近十几年来迅速发展的一种新技术。微波焊接是利用微波电磁场与材料的相互作用，使电介质在交变电场的作用下产生极化和损耗，从而完成焊接。
微波焊接具有接头强度高、升温速度快、晶粒不会严重长大、晶界相元素分布比焊接前更均匀和温度易于控制、能耗低等优点。国内外对它的研究很多。
ＴｉＣ－Ｎｉ－Ａｌ为焊料，利用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００热模拟机进
行ＣＳ焊接试验，并对ＣＳ焊接工艺、界面反应及微观结构都做了较全面的分析。他们认为连接机制有两点：一是母材与焊料之间发生界面扩散而形成界面反应层；二是焊料中的液相通过毛细渗透作用渗入ＳｉＣ陶瓷的空隙中，冷却后产生界面机械咬合作用。刘伟平等［１２］则在常规真空扩散焊机上实现了陶瓷与陶瓷的ＣＳ焊接。
Ｍｅｅｋ等［４］最早开始微波焊接的研究工作，他６２
６结语
（下转第６６页）
《热加工工艺》２００６年第３５卷第３期
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（上接第６２页）
综合上述内容，尽管陶瓷与金属的焊接方法很多，但每种方法都有其自身的优点和缺点，甚至有些方法还处于实验研究阶段，一时还难以实用化。但是随着焊接技术的发展，陶瓷与金属的焊接技术必将得以完善和发展，同时还可能会出现新的焊接方法，这为陶瓷与金属的焊接提供了坚实的基础。参考文献：
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《热加工工艺》２００６年第３５卷第３期
陶瓷与金属特种焊接技术的开发与应用
边美华１，曾鹏飞２，符亚波３，许先果１
（１．重庆大学机械工程学院，重庆４０００４４；２．重庆工业设备安装集团公司，重庆４００１３４；
３．攀钢集团成都钢铁有限责任公司金堂分公司，四川金堂６１０４０３）
摘
要：介绍了近年来发展的陶瓷与金属的焊接技术，并对其焊接工艺特点及应用情况进行了分析与总结。
关键词：陶瓷；焊接中图分类号：ＴＧ４５６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００６）０３－００６１－０２
ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｐｅｃｉａｌＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＣｅｒａｍｉｃａｎｄＭｅｔａｌ
ＢＩＡＮＭｅｉ－ｈｕａ１，ＺＥＮＧＰｏｎｇ－ｆｅｉ２，ＦＵＹａ－ｂｏ３，ＸＵＸｉａｎ－ｇｕｏ１
（１．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｄｕｓｔｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎＧｒｏｕｐＣｏ．ＬＴＤ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００１３４，Ｃｈｉｎａ；３．ＰａｎｇａｎｇＧｒｏｕｐＣｈｅｎｇｄｕＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．ＬＴＤＪｉｎｔａｎｇＳｕｂｓｉｄａｒｙＣｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｎｔａｎｇ６１０４０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｅｗｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｃｅｒａｍｉｃａｎｄｍｅｔａｌｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍｅｄ，ｔｏｏ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ；ｗｅｌｄｉｎｇ
陶瓷具有强度高、硬度高、弹性模量大、热胀系数小、密度低、抗腐蚀及耐磨等优良的力学性能和物理化学性能，可望在航空、航天、军工、核能、汽车及刀具制造等领域获得广泛应用。但陶瓷的机械加工性能差、延性和冲击韧度低、耐热冲击能力弱，因此不易制成大型形状复杂的构件，故其单独使用受到了实际问题的挑战，而是必须通过焊接简单陶瓷零件制造复杂构件成为可能的制造途径。为解决这一问题，世界各国学者和工程工作者在不断探求陶瓷的焊接技术，以期获得兼具陶瓷和金属各自优异性能的陶瓷－金属焊件。而且这一技术倍受人们的关注，并已成为材料工程领域的热点研究课题之一。
金属与陶瓷在化学键型、微观结构、物理性质和力学性能等方面存在较大差异，采用电弧焊或电阻焊不能获得满意的焊接接头，生产中常用的是钎焊和扩散焊。但是随着研究的不断深入，又出现了许多新的方法，例如，激光焊、中性原子束焊、超声波焊、微波焊以及燃烧合成技术等。本文主要就近年来针对陶瓷与金属焊接而开发的上述方法
的焊接工艺特点和应用现状作一介绍。
１激光焊接
陶瓷制品的激光焊接的主要困难是热裂纹。这是因为陶瓷的弹性模量高，导热能力低，在局部温度效应很高的情况下，导致应力的产生。其传统的解决办法是对陶瓷工件进行预热和调整激光束等措施。Ｍｉｔｔｗｅｉｄａ公司的激光应用中心开发了一种能够规定应力危险区加热的方法，即用双束激光进行陶瓷焊接，其原理如图所示１。它是利用扫描器引入的
Ｎｄ：ＹＡＧ
激光器
ＣＯ２
激光束
扫描器反射镜
ＣＯ２激光束对材料加
热，要求在焊接过程，能
陶瓷
图１双束激光焊接示意图
够保证它与另一束光纤导入Ｎｄ：ＹＡＧ一连续波激光束相连接。这种方法的优点是能在几秒钟内获得可控的温度场，并能在自由条件下进行加工，无需特殊处理［１］。
用该方法焊接的Ａｌ２Ｏ３陶瓷试样，试验表明，激光焊接区细晶粒是均匀的，几乎看不到什么变
收稿日期：２００５－０９－１９
作者简介：边美华（１９８０－），男，江西峡江人，在读硕士生；
电话：０２３－６５１２６８１９；Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｍｈ１２３４５６＠ｔｏｍ．ｃｏｍ
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《热加工工艺》２００６年第３５卷第３期
６１
明显下降。目前已出现用二氧化碳激光装置来焊接氧化铝瓷、莫来石瓷和镁橄榄石瓷等新型陶瓷。
们利用家用微波炉（ｌｉｔｔｉｏｎ１５１型，７００Ｗ）实现了
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Ｓａｔｏ等［５］用微波在短时间内焊接了ＭｇＯ陶
瓷。微波焊接的温度和压力越高，接头的抗弯强度越大，微波焊接后接头的硬度比基体的硬度高，在温度约１８６７℃、压力０．５ＭＰａ下微波焊接４ｍｉｎ，弯曲强度达最大值的７０％。
２中性原子束焊接
［２］
中性原子束焊接方法是利用重型原子束照射金属与陶瓷的接合面，使接合面的原子“活化”。清洁的物质表面具有极佳的活性，然而物质表面往往沾有污物或者覆盖着一层极薄的氧化膜，使其活性降低。该方法主要是对接合面照射氩等惰性气体的１０００￣１８００电子伏特的低能原子束，从表面除去２０μｍ左右的薄层，使表面活化，然后加压，利用表面优异的反应速度进行常温状态下的接合。此方法可用于氮化硅等高强度陶瓷或者高温超导陶瓷与金属的接合。另外，对于超大规模集成电路芯片与电路基板的接合也显示出良好的效果。其接合强度可与以往的加热接合相同，而且接合的电阻极小，接合效果甚佳。
Ｓｉｒｂｅｌｇｌｉｔｔ等［６］用单模和多模微波腔体焊接了
陶瓷片。
ＺＨＯＵＪｉａｎ等［７］成功地对Ａｌ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３以及
并借助电镜、Ａｌ２Ｏ３和ＨＡＰ生物陶瓷进行了焊接。
电子探针分析了界面结合情况。前者在压力２
ＭＰａ，１３００℃保温１５ｍｉｎ时结合强度达到基体强
度；后者在２．５ＭＰａ，１２００℃保温１５ｍｉｎ左右成功将两类材料焊接在一起。
５燃烧合成技术
燃烧合成（ＣＳ）技术，又称为自蔓延高温合成技术，是前苏联化学物理研究所的科学家
３超声波焊接
这种方法主要用于铝与陶瓷的焊接，它是通
Ｍｅｒｚｈａｎｏｖ等人于１９６７年首先提出的［８］。ＣＳ焊接
作为一种新型特种焊接工艺，目前基本处于试验阶段，国内外对它的研究主要集中在异种难熔金属、陶瓷和金属间化合物焊接方面。
日本学者Ｍｉｙａｍｏｔｏ［９］首次利用ＣＳ焊接技术实现了金属Ｍｏ与ＴｉＣ陶瓷的焊接。Ｒａｂｉｎ等［１０］详细研究了ＳｉＣ陶瓷及纤维增强陶瓷焊接，采用该Ｔｉ－Ｃ－Ｎｉ粉末作为焊料实现了ＳｉＣ陶瓷的焊接。体系在ＣＳ焊接过程中，不仅反应生成ＴｉＣ－Ｎｉ，而且由于Ｔｉ、Ｎｉ是活性比较强的元素，因此在界面处可以与陶瓷反应，提高接头可靠性。
在国内，李树杰等［１１］选择在航空领域最有应用前景的ＳｉＣ陶瓷，以镍基高温合金作为母材，以
过超声波振动和加压实现常温下结合的一种有效方法。其步骤是：（１）在金属或者陶瓷的任何一方与接合面平行的方向给以超声波振动并把该振动传往另一方的接合面上；（２）加压［２］。日本ＵＬｔｅｘ公司开发了一种自动式超声波陶瓷与金属焊机，其波长为几米到５０ｍ，振幅为数微米至５０μｍ，频率为２０￣４０ｋＨＺ［３］。
用此方法焊接铝和各类陶瓷均获得成功，而且接合时间仅需要数秒。由于此方法的接合能是利用了超声波振动，因而设备较简单，缩短了焊接时间，比一般常用焊接方法成本大幅度降低。
４微波焊接
利用微波在高温下焊接陶瓷，是近十几年来迅速发展的一种新技术。微波焊接是利用微波电磁场与材料的相互作用，使电介质在交变电场的作用下产生极化和损耗，从而完成焊接。
微波焊接具有接头强度高、升温速度快、晶粒不会严重长大、晶界相元素分布比焊接前更均匀和温度易于控制、能耗低等优点。国内外对它的研究很多。
ＴｉＣ－Ｎｉ－Ａｌ为焊料，利用Ｇｌｅｅｂｌｅ１５００热模拟机进
行ＣＳ焊接试验，并对ＣＳ焊接工艺、界面反应及微观结构都做了较全面的分析。他们认为连接机制有两点：一是母材与焊料之间发生界面扩散而形成界面反应层；二是焊料中的液相通过毛细渗透作用渗入ＳｉＣ陶瓷的空隙中，冷却后产生界面机械咬合作用。刘伟平等［１２］则在常规真空扩散焊机上实现了陶瓷与陶瓷的ＣＳ焊接。
Ｍｅｅｋ等［４］最早开始微波焊接的研究工作，他６２
６结语
（下转第６６页）
《热加工工艺》２００６年第３５卷第３期
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综合上述内容，尽管陶瓷与金属的焊接方法很多，但每种方法都有其自身的优点和缺点，甚至有些方法还处于实验研究阶段，一时还难以实用化。但是随着焊接技术的发展，陶瓷与金属的焊接技术必将得以完善和发展，同时还可能会出现新的焊接方法，这为陶瓷与金属的焊接提供了坚实的基础。参考文献：
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