微波焊接进展VIP专享VIP免费

［文章编号］!""#$"%"&（’""!）(’$""!%$")微波焊接进展!李小路，周健（武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉#*""+"）［摘要］阐述了微波焊接过程中微波和物质作用的机理、陶瓷的升温特征、实验装置的优化以及近年来国内外微波焊接陶瓷的发展状况，分析了焊接过程中存在的问题，并对微波焊接作出了展望。［关键词］微波焊接；陶瓷；介电损耗［中图分类号］,-&’#.+%［文献标识码］/陶瓷材料具有耐高温和抗腐蚀能力强等优点，正逐渐取代金属材料在高温环境中作为结构材料使用，但是由于陶瓷材料的机械加工性能差、延性和冲击韧度低、耐热冲击能力弱，因此制造形状大而复杂的零件很困难，而通过焊接简单陶瓷零件制造复杂构件成为可能的制造途径［!］。目前已出现了等离子弧、电子束、激光、超声波、爆炸等焊接技术［!，’］，利用微波在高温下焊接陶瓷，是近十几年来迅速发展的一种新技术。微波焊接具有接头强度高、升温速度快、易于控制温度、能耗低等优点。由于升温速率极快，陶瓷内部晶粒不会严重长大，晶界相元素分布比焊接前更均匀，因此材料可以保持优良的性能［*］。!微波焊接的原理微波焊接是利用微波电磁场与材料的相互作用，使电介质在交变电场的作用下产生极化和损耗，从而完成焊接。在微波频段陶瓷材料主要表现为离子迁移损耗和偶极矩松弛损耗。当离子迁移频率和微波作用频率相近或一致时，出现损耗最大值。陶瓷的晶界处往往有不平衡电荷，存在永久性极矩，偶极子反复极化过程中相位滞后于微波电场，形成偶极矩松弛损耗，最终把微波电磁场能量转换为分子或原子（离子）的动能和势能［#，)］。由于微波加热具有选择性，可以对材料损耗大的部分进行选择性加热，所以陶瓷材料的损耗较小。微波加热除了具有热效应以外，还可以产生非热效应扩散［%］。在微波场作用下，离子及缺陷的分布表现出松弛、极化特征，离子晶体中存在离子空位形成的缔合缺陷，并且存在偶极矩，在外加电场作用下，使离子沿电场方向的跃迁几率增加，同时，在微波电场作用下空位表现为围绕离子跃迁，从而形成宏观迁移，降低了离子扩散的活化能，增强了扩散。微波焊接基本公式［#］为!!0!"（!!$"!#）（!）式中!!为介电系数，!#为介电损耗系数，!"为真空中的介电系数。在微波加热时，材料单位体积所吸收的微波能$1可表示为$10’!%!2&’·345"（’）式中!2为相对介电常数，"为介电损耗，&为材料内部电场强度，%为微波频率。当微波在材料中传播时，微波能会发生衰减，微波功率的穿透深度’!／’被定义为微波功率从材料表面衰减至表面值!／’的距离，可用下式计算：’!／’0*#"6.%6%!（!2／!"）!／’345""（*）式中#"为微波在自由空间的波长。当材料吸收微波能后，温度上升，可由(378759:;<3=>45定律来近似描述，有人曾根据几种不同陶瓷的微波升温特点对升温过程进行了数学归纳［+］："(")0%（(，$1）0"."!!!"$*+,?".&)%-（(）!#（(）$1$*+.!"!$!.*)@!"$!’!"（’+*?(）#$*+,（#）第!!卷专辑’A;<.!!(’中国有色金属学报"#$%#&’$($)*+,’-.*/0*’/$,,*+(1$2-.(’""!年!!月B;C.’""!#［基金项目］武汉市晨光计划（’""")""#"*#）［收稿日期］’""!$"6$’"；［修订日期］’""!$!"$’’［作者简介］李小路（!&+6$），男，硕士研究生.万方数据式中!为样品的体积，"为样品的高度，#$为比定压热容；!为密度，%（&）为含有样品的腔体的品质因数。升温过程可分!个阶段，第一项描述材料温度趋于线性缓升阶段。第二项是温度急剧升高阶段，当温度升高时，离子的跃迁频率增大，当达到微波场频率时，就会达到最大损耗，因此此时温度变化是损耗因子的函数，亦即是温度的函数，此阶段是非线性的，从而解释了陶瓷材料在室温下的介电损耗因子较小，但随着温度升高而迅速增加的温度飞升现象（热失控）［"］。第三项为温度饱和阶段。利用微波选择性加热、加热速度快、基体导热系数低等特点，可确保陶瓷接头的温度上升，使陶瓷有效而牢固地连接在一起。!微波焊接研究现状!#"焊接装置目前的装置日趋完善，根据材料的微波升温特点及介电性能随温度变化对微波场的微扰，焊接装置多数采用场强大的单模可调式腔体［$，%］，...