CN104785880A - 一种超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法 - Google Patents

一种超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法，其特征在于工作腔体内设有工作台，工作台内设有电加热装置，工作台上设有温度传感器，加热装置和温度传感器分别经导线与工作腔体外的温控装置相连接，工作台上设有电场装置，电场装置的下极板由陶瓷垫片夹持设置在工作台面上，上极板由陶瓷柱支撑在工作台面的正上方，下极板和上极板分别经导线与工作腔体外的高压直流电源相连接，功率超声装置由固定支架固定于钎焊工作台的正上方；功率超声装置的变幅杆经法兰与超声传递杆相连接，超声传递杆插入工作腔体并与设置在陶瓷垫片上的工件相接触，本发明提高接头连接质量和力学性能，在航天航空铝合金焊接领域有很大的应用空间。

Description

一种超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种钎焊领域的焊接装置及焊接方法，具体涉及一种功率超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法。
背景技术
目前，出于节约资源的考虑，轻量化已经成为航空航天、铁路、汽车等领域的一个重要发展方向，实现轻量化最有效的措施就是采用轻金属合金（如镁合金，铝合金）。目前，连接这类合金最常用的连接方法之一就是钎焊，而钎焊方法在实际应用中存在许多不足之处。钎焊作为连接异种合金最常用的方法之一，它的连接机理是利用熔点比母材低的填充金属（钎料），在低于母材熔点高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面的润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接。因此钎料在母材表面的铺展润湿对形成良好的接头至关重要。而铝合金和镁合金钎焊一个重要问题就是表面氧化膜的去除，表面氧化膜的存在是导致接合不良以及出现焊接缺陷的重要原因。
外加能场辅助焊接是目前材料加工领域一个新的研究方向，超声波作为一种能量的载体，可以通过空化作用和声流效应来破除母材表面的氧化膜，从而促进润湿，而电场通过降低元素之间的扩散激活能、促进界面的空位扩散和元素之间的固溶等机制，促进了界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成，降低了界面张力，增强了界面附着功，从而改善润湿性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述钎焊过程中存在的润湿性及接头弱连接的问题，提供一种功率超声-电场辅助钎焊装置及焊接方法。
本发明通过以下措施达到：
一种超声-电场辅助钎焊装置，包括密封的工作腔体和功率超声装置，其特征在于工作腔体内设有工作台，工作台内设有电加热装置，工作台上设有温度传感器，加热装置和温度传感器分别经导线与工作腔体外的温控装置相连接，工作台上设有电场装置，电场装置的下极板由陶瓷垫片夹持设置在工作台面上，上极板由陶瓷柱支撑在工作台面的正上方，下极板和上极板分别经导线与工作腔体外的高压直流电源相连接，功率超声装置由固定支架固定于钎焊工作台的正上方；功率超声装置的变幅杆经法兰与超声传递杆相连接，超声传递杆插入工作腔体并与设置在陶瓷垫片上的工件相接触。
本发明所述的导线分别经密封的陶瓷绝缘套穿过工作腔体，经使导线与工作腔体绝缘并密封。
本发明所述的超声传递杆位于上极板的正后方，并经腔体上壁穿过腔体后直接作用于工件的上表面。
本发明所述的下极板经陶瓷垫片设置在工作台上，陶瓷垫片的厚度为2mm,上极板与下极板的间距为78mm。
本发明所述电场装置位于超声变幅杆的正前方10mm左右处，电场装置所用高压电源的输出电压为0-20Kv，并可提供0-2.5kV/cm的电场强度。
本发明所述加热装置为电阻加热，加热电源为交流220V的焊机，并可提供25-600℃的温度区间。
 一种超声-电场辅助钎焊方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、将工件固定于钎焊工作台上的陶瓷垫片上，并与超声传递杆的下表面相接触，
步骤二、密封工作腔体，首先对腔体进行抽真空，等真空度达到5.0×10-3Pa左右后，通过温度控制装置使电加热装置加热，使工作台面温度达到350-600℃，保温0-20min后，
步骤三、先打开电场装置，电场强度设为0.5-2.5kV/cm，电场作用时间为0-90s，电场作用完毕后再打开功率超声装置，其工作频率为20kHz，超声功率为0.6-2kW之间，超声作用时间0-180s，此过程结束后，关闭加热，使工件随炉冷却，等炉腔温度降至200℃左右时，关真空。
步骤四、钎焊过程完成后，首先将高压电源内部电荷进行释放，以确保安全，等工件温度降到室温时，取出工件，关闭炉腔，并保持炉腔内有一定的真空度，完成试验。
  本发明利用超声的空化作用、声流效应以及电场对元素扩散的促进来辅助钎焊。钎焊过程中，铺展在母材表面的液态钎料在超声波作用下产生空化作用，空化泡爆破产生的局部高压破坏了钎料表面的氧化膜，使液态钎料与母材直接接触，形成润湿结合。另外超声可以破碎较大的枝晶，使柱状晶向等轴晶发生转变，从而细化结合区的晶粒，改善接头组织并提高接头性能。另外，由于超声的辅助，可以实现铝合金在空气中的钎焊连接，相比真空钎焊大大提高了效率。另一方面，本发明在施加超声的同时，还在焊接区建立了一个局部强电场，电场可以通过降低元素之间的扩散激活能、促进界面的空位扩散和元素之间的固溶等机制，促进界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成，可降低界面张力，增强界面附着功，从而改善润湿性，并且使钎缝组织更加均匀；超声-电场的复合在很大程度上改善了传统钎焊存在的问题，这在轻金属钎焊连接领域具有一定研究价值，本发明在航空航天等领域有着较大的应用空间。
附图说明
图1 为本发明超声-电场辅助钎焊装置的示意图。
图2为本发明超声装置示意图。
图3为本发明电场装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述，但下述阐述并不能限制本发明的保护范围。
一种超声-电场辅助钎焊装置，包括密封的工作腔体和功率超声装置，其特征在于工作腔体内设有工作台，工作台内设有电加热装置，工作台上设有温度传感器，加热装置和温度传感器分别经导线与工作腔体外的温控装置相连接，工作台上设有电场装置，电场装置的下极板由陶瓷垫片夹持设置在工作台面上，上极板由陶瓷柱支撑在工作台面的正上方，下极板和上极板分别经导线与工作腔体外的高压直流电源相连接，功率超声装置由固定支架固定于钎焊工作台的正上方；功率超声装置的变幅杆经法兰与超声传递杆相连接，超声传递杆插入工作腔体并与设置在陶瓷垫片上的工件相接触，本发明所述的导线分别经密封的陶瓷绝缘套穿过工作腔体，经使导线与工作腔体绝缘并密封；所述的超声传递杆位于上极板的正后方，并经腔体上壁穿过腔体后直接作用于工件的上表面；所述的下极板经陶瓷垫片设置在工作台上，陶瓷垫片的厚度为2mm,上极板与下极板的间距为78mm,所述电场装置位于超声变幅杆的正前方10mm左右处，电场装置所用高压电源的输出电压为0-20kV，并可提供0-2.5kV/cm的电场强度；明所述加热装置为电阻加热，加热电源为交流220V的焊机，并可提供25-600℃的温度区间。
 一种超声-电场辅助钎焊方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、将工件固定于钎焊工作台上的陶瓷垫片上，并与超声传递杆的下表面相接触；
步骤二、密封工作腔体，首先对腔体进行抽真空，等真空度达到5.0×10-3Pa左右后，通过温度控制装置使电阻加热装置加热，使工作台面温度达到350-600℃，保温0-20min后；
步骤三、先打开电场装置，电场强度设为0.5-2.5kV/cm，电场作用时间为0-90s，电场作用完毕后再打开功率超声装置，其工作频率为20kHz，超声功率为0.6-2kW之间，超声作用时间0-180s，此过程结束后，关闭加热，使工件随炉冷却，等炉腔温度降至200℃左右时，关真空；
步骤四、钎焊完成后，首先将高压电源内部电荷进行释放，以确保安全，等工件温度降到室温时，取出工件，关闭炉腔，并保持炉腔内有一定的真空度，完成试验。
实施例：
如附图1所示，本发明的超声-电场辅助钎焊装置包括：工作腔体1、钎焊工作台2、加热装置3、温控装置4、电场装置5和功率超声装置6。
如附图2 所示的功率超声装置6，所述功率超声装置固定于钎焊工作台的正上方，主要包括：法兰7、变幅杆8、出水口9、线圈10、密封外壳11、进水口12、换能器13、超声电源14、超声传递杆15；法兰7用于连接变幅杆8和超声传递杆15；通过进出水口12和9可以实现装置的冷却；超声电源14产生电能并通过换能器13转化为超声振动；变幅杆8用于放大和聚集超声能量；超声传递杆15可以将经变幅杆放大聚焦后的超声作用到工件上。利用超声的空化作用和声流效应可以破除工件表面的氧化膜，提高钎料在母材表面的润湿性，另外通过破碎枝晶可达到细化晶粒的作用。
如附图3所示的电场装置5，所述电场装置主要包括：陶瓷垫片16和17用于绝缘钎焊工作台2和下电极板23、下电极板23与工件22；陶瓷柱18用于绝缘钎焊工作台2和上电极板21；上下电极板通过导线与高压直流电源19相连接；20为陶瓷绝缘柱，用于绝缘导线和腔体；
本发明还包括利用上述超声-电场辅助钎焊装置的钎焊方法，包括以下步骤：
钎焊前，首先将工件22固定于钎焊工作台2之上，并与超声传递杆15的下表面相接触，然后用如权利要求1所述的温控系统4设置好预设的钎焊温度，最后关闭腔体1；
钎焊过程中，利用权利1所述的加热装置3对工件进行加热，加热到预设的温度，保温一定时间后打开超声装置6和电场装置5，进行辅助钎焊；
钎焊完成后，将超声和电场装置关闭，并将高压电源19内部电荷进行释放，以确保安全，等工件温度降到室温时，取出工件，完成工作；
以上公开的仅为本发明的原理装置，本发明并非局限于此，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，因此本说明书内容不能理解为对该发明的限制。

Claims (9)

1.一种超声-电场辅助钎焊装置，包括密封的工作腔体和功率超声装置，其特征在于工作腔体内设有工作台，工作台内设有电阻加热装置，工作台上设有温度传感器，加热装置和温度传感器分别经导线与工作腔体外的温控装置相连接，工作台上设有电场装置，电场装置的下极板由陶瓷垫片夹持设置在工作台面上，上极板由陶瓷柱支撑在工作台面的正上方，下极板和上极板分别经导线与工作腔体外的高压直流电源相连接，功率超声装置由固定支架固定于钎焊工作台的正上方；功率超声装置的变幅杆经法兰与超声传递杆相连接，超声传递杆插入工作腔体并与设置在陶瓷垫片上的工件相接触。
2. 根据权利要求1所述的一种超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于加热装置和温度传感器导线分别经密封的陶瓷绝缘套穿过工作腔体与温控装置相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于超声传递杆位于上极板的正后方，并经腔体上壁穿过腔体后直接作用于工件的上表面。
4. 根据权利要求1所述的超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于，所述超声换能器为压电陶瓷换能器。
5. 根据权利要求1所述的一种超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于下极板经陶瓷垫片设置在工作台上，陶瓷垫片的厚度为2mm,上极板与下极板的间距为78mm。
6. 根据权利要求1所述的一种超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于电场装置位于超声变幅杆的正前方10mm左右处，电场装置所用高压电源的输出电压为0-20kV，并可提供0-2.5kV/cm的电场强度。
7.根据权利要求1所述的一种超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于加热装置为电阻加热，加热电源为交流220V的焊机，并可提供25-600℃的温度区间。
8.根据权利要求1所述的超声-电场辅助钎焊装置，其特征在于，所述超声换能器为压电陶瓷换能器。
9.一种超声-电场辅助钎焊方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、将工件固定于钎焊工作台上的陶瓷垫片上，并与超声传递杆的下表面相接触；
步骤二、密封工作腔体，首先对腔体进行抽真空，等真空度达到5.0×10-3Pa左右后，通过温度控制装置使电阻加热装置加热，使工作台面温度达到350-600℃，保温0-20min；
步骤三、先打开电场装置，电场强度设为0.5-2.5kV/cm，电场作用时间为0-90s，电场作用完毕后再打开功率超声装置，其工作频率为20kHz，超声功率为0.6-2kW之间，超声作用时间0-180s，此过程结束后，关闭加热，使工件随炉冷却，等炉腔温度降至200℃左右时，关真空；
步骤四、钎焊完成后，首先将高压电源内部电荷进行释放，以确保安全，等工件温度降到室温时，取出工件，关闭炉腔，并保持炉腔内有一定的真空度，完成试验。
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