扩散连接制备微流道化学机械系统研究

赵 科，李京龙，熊江涛，张赋升，孙 福

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省摩擦焊接重点实验室，陕西 西安 710072)

焊接设备

扩散连接制备微流道化学机械系统研究

赵 科1，2，李京龙1，2，熊江涛1，2，张赋升2，孙 福1，2

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 陕西省摩擦焊接重点实验室，陕西 西安 710072)

在采用扩散连接的方法制备具有微型流道结构的化学机械系统时，流道部分因焊接压力无法直接传递，往往形成未焊合造成泄漏。采用一个简单的线性弹性模型对不同宽度和厚度的流道处的接触压力进行了有限元模拟，并结合流道处的金相照片对其连接状态进行分析。结果表明：要实现层板间的有效连接，层板间各处的接触压力应不小于1 MPa；流道所允许的宽度是有限的，并且随着流道厚度的增加而增加。

微化学机械系统(MCMS)；扩散连接；微通道

0 前言

微化学机械系统集微机电系统的设计思想和化学化工基本原理于一体，移植了集成电路和微加工制造技术等多种高新科学技术，是现代化工机械技术一个极其重要的发展方向，具有效率高、体积小等许多独特优点，近年来引起了众多科学工作者的关注[1-3]。目前微化学系统一般采用多层槽板重叠布置，运用扩散连接来实现层板间的连接[4-7]。但很少有扩散连接条件下流道区域层板间的压力分布状态的研究。流道横截面示意如图1所示，由于内部流道结构的存在，使得实体表面施加的均匀压力无法一致地传递到流道部分。这些焊接压力无法传递的区域易发生未焊合，从而导致泄漏或串腔等缺陷的产生。

本研究采用AISI304不锈钢(0Cr18Ni9Ti)薄板做造型，结合ABAQUS有限元模拟和实验，对不同厚度和宽度条件下的流道压力分布状态进行分析，从而为流道几何尺寸的设计和扩散连接工艺的选取提供参考。

1 实验方法和步骤

在薄板上蚀刻不同宽度和厚度的流道，对其进行扩散连接。在连接前将薄板放入酒精中进行超声波清洗3 min，冷风吹干备用。焊接工艺为：焊接压力9 MPa，焊接温度900℃，保温时间2 h。焊后对试样进行磨制和抛光，利用光学显微镜观察其连接界面，并结合有限元的计算结果进行分析。

2 有限元模型

为了便于得到更好的实验验证，对模型进行了简化，如图1所示。假设图1中上下表面所受的压力为施加的焊接压力。由于在扩散连接过程中，温度和压力是恒定的，因此采用一个简单的线性二维模型，模型中的材料属性为304不锈钢，在焊接温度900℃时的弹性模量E＝125 000 MPa和泊松比μ＝0.23。在模型中，焊接压力施加在放置于实体上下表面的两个离散刚体板上。根据接触状态将接触属性分为两种：刚体与金属薄板间的无摩擦接触和金属层板间的摩擦接触。为了防止模型的不收敛性，载荷被分为两个分析步：

图1 流道横截面示意

(1)在分析步1中给底部的刚体设定一个位移边界条件，使其在Y方向固定不动。并对顶层离散刚体板加一个位移载荷，向下移动很小的位移(1×10-9)，将各个接触关系平稳地建立起来。

(2)在分析步2中，取消位移载荷，换成9 MPa的压力载荷。

该模型中所有金属层板的网格单元都是四节点四边形双线性平面应力减缩积分单元，刚体板采用二维刚体单元。

3 实验结果和分析

对流道厚度为0.15 mm、0.3 mm和0.5 mm，宽度k＝0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的薄板进行了扩散连接实验。由于层板间压力分布不均，造成层板间局部区域连接质量较差。因此，重点关注流道区域的压力分布状态和连接状态。图2为不同流道中心区域的金相照片，由图2a、图2c可知，当流道厚度h＝0.15 mm，宽度k＝0.2 mm(见图2a)和厚度h＝0.5 mm，宽度k＝0.5 mm (见图2c)时，流道中心区域连接良好，但当流道宽度增大到一定值时，0.15 mm和0.5 mm厚的流道中心区域都发生了明显的未焊合，如图2b、2d所示。

通过有限元软件对上述流道处的压力分部状态进行了相应的模拟计算。图3为流道厚h＝0.5 mm，宽度k＝0.8 mm的流道的S22应力云图，可以看出流道中心区域层板间的应力S22(接触压强)明显小于两侧。为了更好地对比分析模拟结果和实验结果，表1列出了有限元的分析结果和相应的实验结果。表1中临界应力为流道中心单元节点的应力值(S22)，即为两层板间的接触压力。焊合状态是指流道中心区域的焊接状态。由表1可知，流道厚度一定时，流道宽度越大，中心处的应力S22越小，并当宽度增大到一定值后中心处便发生明显的未焊合。如6#、9#和10#流道中心区域的应力S22分别为0.92 MPa、0.89 MPa、0.23 MPa，实验结果显示流道中心区域未焊合。其他流道连接良好，其中3#流道中心处的应力S22最小，其值为1.05 MPa。通过对比分析以上理论分析和实验结果可知，当模拟计算的临界应力S22降到1 MPa时，未焊合便可能发生。因此，只要层板间各处的接触压力大于1 MPa，就不会产生因未焊合而导致的泄漏缺陷。反之当流道宽度相比于它的厚度足够宽时，中心处的接触压力减小甚至为零，此时无论施加多大的压力，中心区域都无法焊合。

4 结论

(1)本研究所采用的简单塑性模型基本可以实现对扩散连接过程中层板间接触压力的预测。

(2)用扩散焊制备具有微通道的化学机械系统时，当层板厚度一定时，需限制流道的宽度才能实现良好连接。

(3)当扩散连接条件一定时，所允许的流道宽度与流道厚度有关，随着流道厚度的增加，允许的流道宽度也随之增加，并且通过有限元模拟计算表明中心处的压力大于1 MPa时，可实现层板间的有效连接。

图2 不同流道中心区域的金相照片

图3 流道区域的应力(S22)云图

表1 模拟结果与实验结果对比

[1]涂善东，周帼彦，于新海.化学机械系统的微小化与节能[J].化工进展，2007，26(2)：253-261.

[2] Schubert K，Brandner J，Fichtner M，et al.Microstructure devices for applications in thermal andchemical process engineering[J].Microscale Thermophysical Engineering，2001，5(1)：17-39.

[3] Lacaze J，Tierce S，Lafont M-C，et al.Study of the microstructure resulting from brazed aluminium materials used in heat exchangers[J].Materials Science and Engineering A，2005 (413-414)：317-321.

[4]熊江涛，李京龙，杨思乾，等.TA3多层板及TA3+TC4真空扩散焊[J].航天制造技术，2002(4)：10-13.

[5]张赋升，孙 福，王艳芳，等.用扩散焊进行多层不锈钢打印喷头的实体制造[J].热加工工艺，2006，35(7)：26-28.

[6]彭成章，陈安华，王文明.分层实体制造中金属层片连接的扩散焊接工艺[J].矿冶工程，2005，25(4)：86-88.

[7]易树平，哈 津，林红利，等.分层实体制造中金属分层板结合的新方法[J].重庆大学学报，2002，25(2)：1-4.

Micro-chemo-mechanical system with micro channel manufactured by diffusion bonding

ZHAO Ke1，2，LI Jing-long1，2，XIONG Jiang-tao1，2，ZHANG Fu-sheng2，SUN Fu1，2
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnic University，Xi'an 710072，China)

Diffusion bonding is used for micro-chemo-mechanical system with microchannel，the regions of microchannel do not directly transmit pressure，and result in leakage.A simple linear elastic model is used to calculate the stress between the lamina which has different span and thickness，and analyse combined appearance of microstructure.The results show when the lamina is bonded together，the stress should be more than 1MPa.The width of microchannel is limited，and which increased，when the thickness increased.Key words：micro-chemo-mechanical system(MCMS)；diffusion bonding；micro channel

TG453.9

A

1001-2303(2012)07-0022-03

2012-03-21

西北工业大学凝固国家重点实验室资助项目(43-QP-2009，31-TP-2009)

赵 科(1987—)，男，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事先进连接技术的研究。