CN110039144B - 多场耦合空气反应钎焊装置及应用其进行空气反应钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

多场耦合空气反应钎焊装置及应用其进行空气反应钎焊方法，本发明属于空气反应钎焊技术领域，它为了解决现有空气气氛加热系统只能提供单一的加热功能，无法满足RAB连接对多场耦合需求的问题。本发明多场耦合空气反应钎焊装置中的加热炉体置于支撑架的架体平台面上，压力气缸上的压力轴竖直伸入加热炉体的炉膛内部，电场机构位于磁场机构的管件内，其中电场机构包括顶部电极、多个连接杆和底部电极，所述的磁场机构为螺线管。钎焊过程是将待焊母材装配在电场机构的底部电极和顶部电极之间，电场机构装配于磁场机构的通电螺线管中。本发明多场耦合空气反应钎焊装置能够提供压力、电场和磁场的多场耦合连接环境，提高了RAB连接质量。

Description

多场耦合空气反应钎焊装置及应用其进行空气反应钎焊方法
技术领域
本发明属于空气反应钎焊技术领域，具体涉及一种适用于实现陶瓷材料、金属材料以及复合材料同质或异质连接的多场耦合空气反应钎焊设备及方法。
背景技术
空气反应钎焊(Reactive Air Brazing,RAB)，是一种新型的连接方法，采用贵金属-金属氧化物钎料体系，能够在空气气氛直接实现材料高温钎焊连接。与传统高温真空钎焊相比，空气反应钎焊不需要真空系统或保护性气氛，极大的降低了设备和生产成本，同时获得的钎焊接头具备抗高温氧化性能，特别适用于高温腐蚀环境结构件和功能件的连接，例如固体氧化物燃料电池堆封接。
目前市场上还没有专门针对空气反应钎焊所开发的设备，一定程度上阻碍了空气反应钎焊方法的推广和应用。当前经常使用的空气气氛加热系统，例如马弗炉、感应加热系统和火焰加热系统等，都只能提供单一的加热功能，无法满足RAB连接对多场耦合的需求，尤其是对装配应力场的需求，这严重限制了RAB连接的质量和灵活性，导致连接过程无法达到一定的工艺要求，因此接头会产生过多连接缺陷。目前针对空气反应钎焊连接的工艺方法也不够详细，为了减少工艺过程对接头连接质量的影响，需要开发针对空气反应钎焊特性的连接工艺。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有空气气氛加热系统只能提供单一的加热功能，无法满足RAB连接对多场耦合需求的问题，而提供一种多场耦合空气反应钎焊装置及应用其进行空气反应钎焊方法。
本发明多场耦合空气反应钎焊装置包括加热炉体、支撑架、压力气缸、电场机构和磁场机构，所述的加热炉体置于支撑架的架体平台面上，加热炉体的顶部和两侧炉壁上各开有一个通孔，压力气缸上的压力轴从加热炉体顶部通孔竖直伸入加热炉体的炉膛内部，电场机构和磁场机构通过卡具安装在炉膛的底部，电场机构位于磁场机构的管件内，电场机构通过导线经加热炉体侧炉壁上的一个通孔与电场电源连接，磁场机构通过导线经加热炉体侧炉壁上的另一个通孔与磁场电源连接；
其中所述的电场机构包括顶部电极、多个连接杆和底部电极，在底部电极的上表面竖立有多个连接杆，顶部电极穿过连接杆设置在底部电极的上方，待焊工件装配在底部电极与顶部电极之间；
其中所述的磁场机构为螺线管，即铂导线螺旋缠绕在管件的绕线沟槽中。
本发明应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法按下列步骤实现：
步骤一、对母材的待连接表面进行除污和清洁处理，得到清洁后的母材；
步骤二、向RAB钎料中加入粘接剂，混合均匀得到钎料膏；
步骤三、将钎料膏均匀涂覆在母材的待连接表面，干燥处理后得到待焊母材；
步骤四、将待焊母材装配在电场机构的底部电极和顶部电极之间，保证待焊母材与底部电极和顶部电极紧密接触，得到预装焊件的电场机构；
步骤五、将预装焊件的电场机构装配于磁场机构的通电螺线管中；
步骤六、在加热炉体内，控制压力气缸上的压力轴竖直向下运动抵在电场机构的顶部电极上，逐渐增加装配压力至焊接所需压力值；
步骤七、开启加热炉体，电场机构和磁场机构通电，在电场和磁场的多场耦合环境下进行空气反应钎焊，冷却至室温，取出，完成空气反应钎焊。
本发明所述的一种多场耦合空气反应钎焊设备，通过炉体顶部伸入压力杆和左右侧壁连接平行铂电极以及耐高温螺线管，能在加热待连接工件的同时，提供压力、电场和磁场的多场耦合连接环境；通过对气动控制机构进行程序控制，可以精确调节压力杆的下降速率和装配压力，方便待连接母材进行装配，提高了RAB连接过程的稳定性；通过平行铂电极和耐高温螺线管连接的外部电源可以对电场和磁场进行精确调节，使用方便，可以达到降低连接温度，优化连接质量的目的。本发明的一种多场耦合空气反应钎焊设备，为RAB连接提供了可靠的连接设备，通过调节压力、电场和磁场可以实现多种材料RAB连接，有效推动了RAB连接的研究和应用。
附图说明
图1为本发明多场耦合空气反应钎焊装置的结构示意图；
图2为本发明所述电场机构的结构示意图；
图3为本发明所述电场机构中平行电极示意图；
图4为本发明所述磁场机构耐高温螺线管结构示意图；
图5为本发明所述磁场机构耐高温螺线管俯视图；
图6为应用实施例多场耦合空气反应钎焊连接Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷焊后的接头界面微观组织照片；
图7为应用实施例多场耦合空气反应钎焊连接Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷焊后接头经800℃/300h高温老化后界面微观组织照片；
图8为应用实施例多场耦合空气反应钎焊连接Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷的接头焊后及高温老化后接头剪切强度柱状图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式多场耦合空气反应钎焊装置包括加热炉体1、支撑架3、压力气缸4、电场机构8和磁场机构10，所述的加热炉体1置于支撑架3的架体平台面上，加热炉体1的顶部和两侧炉壁上各开有一个通孔，压力气缸4上的压力轴5从加热炉体1顶部通孔竖直伸入加热炉体1的炉膛2内部，电场机构8和磁场机构10通过卡具安装在炉膛2的底部，电场机构8位于磁场机构10的管件18内，电场机构8通过导线经加热炉体1侧炉壁上的一个通孔与电场电源9连接，磁场机构10通过导线经加热炉体1侧炉壁上的另一个通孔与磁场电源11连接；
其中所述的电场机构8包括顶部电极12、多个连接杆13和底部电极14，在底部电极14的上表面竖立有多个连接杆13，顶部电极12穿过连接杆13设置在底部电极14的上方，待焊工件装配在底部电极14与顶部电极12之间；
其中所述的磁场机构10为螺线管，即铂导线19螺旋缠绕在管件18的绕线沟槽中。
本实施方式电场电源9和磁场电源11能够提供直流、交流和脉冲电流。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的底部电极14和顶部电极12的结构相同，底部电极14和顶部电极12的结构均是铂电极16固定在陶瓷底座15上。
本实施方式电极的结构示意图如图3所示，陶瓷底座15上开有三个通孔17。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是连接杆13和绝缘底座15的材质为氧化铝陶瓷。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是压力气缸4由空气压缩机7提供压缩气体，空气压缩机7位于支撑架3的底部。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是电场电源9和磁场电源11分别安装在支撑架3左右侧壁的外协板上。
具体实施方式六：本实施方式应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法按下列步骤实施：
步骤一、对母材的待连接表面进行除污和清洁处理，得到清洁后的母材；
步骤二、向RAB钎料中加入粘接剂，混合均匀得到钎料膏；
步骤三、将钎料膏均匀涂覆在母材的待连接表面，干燥处理后得到待焊母材；
步骤四、将待焊母材装配在电场机构的底部电极和顶部电极之间，保证待焊母材与底部电极和顶部电极紧密接触，得到预装焊件的电场机构；
步骤五、将预装焊件的电场机构装配于磁场机构的通电螺线管中；
步骤六、在加热炉体内，控制压力气缸上的压力轴竖直向下运动抵在电场机构的顶部电极上，逐渐增加装配压力至焊接所需压力值；
步骤七、开启加热炉体，电场机构和磁场机构通电，在电场和磁场的多场耦合环境下进行空气反应钎焊，冷却至室温，取出，完成空气反应钎焊。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤一中的母材为金属材料或陶瓷材料，其中金属材料为铜、铂、金、镍、镍基合金、TiAl合金或不锈钢；陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、二氧化硅陶瓷、尖晶石类陶瓷或钙钛矿类陶瓷。
本实施方式母材为耐氧化同质或异质的金属材料，金属材料还可以是不锈钢和表面预制抗氧化保护层的金属单质或合金。母材也可为复合材料，如铝、铜、镍、钛等及其合金的金属基复合材料，氧化物陶瓷、尖晶石陶瓷、钙钛矿陶瓷等非金属基复合材料。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤一中所述的除污和清洁处理是将母材置于酒精中进行超声清洗5～10min，然后进行烘干处理。
本实施方式烘干处理是在干燥箱中烘干，烘干温度为100～200℃，时间为2～5h。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤二中所述的RAB钎料为贵金属-金属氧化物钎料体系，其中贵金属为银、金或铂，金属氧化物为氧化铜、氧化钒、氧化铌、氧化铝、氧化钛、氧化镁或氧化镍。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤二中所述的粘接剂由乙基纤维素和松油醇均匀混合制备而成。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是当RAB钎料为银基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为960～1150℃；当RAB钎料为金基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为1060～1200℃；当RAB钎料为铂基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为1760～1900℃。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是控制空气反应钎焊的升温和降温速率均为3～5℃/min。
实施例：本实施例多场耦合空气反应钎焊装置包括加热炉体1、支撑架3、压力气缸4、电场机构8和磁场机构10，所述的加热炉体1置于支撑架3的架体平台面上，加热炉体1的顶部和两侧炉壁上各开有一个通孔，压力气缸4上的压力轴5从加热炉体1顶部通孔竖直伸入加热炉体1的炉膛2内部，电场机构8和磁场机构10通过卡具安装在炉膛2的底部，电场机构8位于磁场机构10的管件18内，电场机构8通过导线经加热炉体1侧炉壁上的一个通孔与电场电源9连接，磁场机构10通过导线经加热炉体1侧炉壁上的另一个通孔与磁场电源11连接；
其中所述的电场机构8包括顶部电极12、三个连接杆13和底部电极14，顶部电极12和底部电极14的结构相同，底部电极14和顶部电极12的结构均是铂电极16固定在陶瓷底座15上，在底部电极14的上表面竖立有三个连接杆13，顶部电极12穿过连接杆13设置在底部电极14的上方，待焊工件装配在底部电极14与顶部电极12之间；
其中所述的磁场机构10为螺线管，即铂导线19螺旋缠绕在管件(氧化铝管)18的绕线沟槽中。
本实施例气缸4通过气管与气动控制机构6连通，气动控制机构6安装在支撑架3的底板上，气动控制结构6与空气压缩机7连通，空气压缩机7安装在支撑架3底部，为压力机构提供稳定压缩气体。待焊工件放入炉膛2中，通过压力气缸4上的压力轴5施加装配压力，通过气动控制机构6精确调节压力轴5的加载速率和压力值，RAB连接过程施加可控的装配压力，可以提高RAB接头质量，有助于消除结构空洞缺陷。
本实施例中，所述加热炉体1为马弗炉，顶部和两侧开通孔，通孔的装配间隙用防火石棉填充，减少炉体加热过程热量流失，确保炉体稳定加热环境。
本实施例中，所述压力轴5是底部为半球形的刚玉棒，半球形压头可以提高施加装配压力的灵活性，避免由于工件表面不平整导致压头损坏。
本实施例中，所述气动控制机构6包括机控阀、比例阀、调速阀、可编程逻辑控制器和程序控制模块，通过程序可以精确控制压力轴5的加载速率和气缸4的压力大小，方便使用。
本实施例中，将待焊工件装配在平行铂电极之间，将压力轴4施加在顶部电极12的陶瓷底座15上，加载一定的装配压力，可以确保铂电极与工件的紧密接触，电场机构8和磁场机构10为待连接工件提供稳定的电场和磁场，实现了RAB连接过程中装配压力、电场和磁场的耦合，有助于改善连接工艺，提高连接质量。
应用实施例：本实施例应用多场耦合空气反应钎焊装置对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行异种材料空气反应钎焊，选用Ag-4mol％CuO作为RAB钎料，具体按照下列步骤实施：
步骤一、将Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷放入乙醇溶液中进行超声10min，得到清洁母材；
步骤二、向Ag-4mol％CuO加入乙基纤维素和松油醇，均匀混合得到钎料膏；
步骤三、将钎料膏均匀涂覆在Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷待连接表面，均匀涂覆后放入干燥箱中进行烘干，烘干温度为150℃，时间为2h；
步骤四、将干燥后母材装配在电场机构的底部电极和顶部电极之间，保证待焊母材与与两电极紧密接触，得到预装焊件的电场机构；
步骤五、将预装焊件的电场机构装配于磁场机构的通电螺线管中；
步骤六、在加热炉体内，预设压力值为2N，控制压力轴竖直向下运动，直至电场机构的顶部电极上，增加装配压力值为RAB连接所需的20N；
步骤七、开启加热炉，设定升温和降温速率分别为5℃/min，目标加热温度为960℃；设定电场机构所需的电流为3A，电压为8V；设定磁场机构所需的电流为3A，电压为8V；
步骤八、在电场、磁场以及压力场的多场耦合作用下对Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷进行空气反应钎焊，冷却至室温后，取出完成空气反应钎焊。
本实施例应用多场耦合空气反应钎焊装置对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行异种材料空气反应钎焊，焊后获得的Al2O3/ZrO2接头典型界面组织如图6所示。图中左侧为ZrO2陶瓷，右侧为Al2O3陶瓷，接头组织分析显示，ZrO2陶瓷与Al2O3陶瓷界面结合良好，没有形成未焊合的空洞缺陷，可以达到使用要求。
本实施例应用多场耦合空气反应钎焊装置对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行异种材料空气反应钎焊，将焊后Al2O3/ZrO2接头在空气气氛中进行800℃高温老化300h，高温老化后的界面组织如图7所示。图中左侧为ZrO2陶瓷，右侧为Al2O3陶瓷，接头组织分析显示，经过800℃/300h高温氧化后，界面结合依然良好，未出现空洞裂纹缺陷，接头满足高温服役需求。
本实施例应用多场耦合空气反应钎焊装置对Al2O3陶瓷与ZrO2陶瓷进行异种材料空气反应钎焊，将焊后以及高温老化后的Al2O3/ZrO2接头进行剪切强度测试，结果如图8所示。分析表明，焊后接头剪切强度为40±3MPa，经过800℃/300h高温氧化后接头剪切强度为38±5MPa，Al2O3/ZrO2接头连接强度稳定性良好，并没有发生明显衰减，接头满足高温服役需求。

Claims (9)

1.多场耦合空气反应钎焊装置，其特征在于该多场耦合空气反应钎焊装置包括加热炉体(1)、支撑架(3)、压力气缸(4)、电场机构(8)和磁场机构(10)，所述的加热炉体(1)置于支撑架(3)的架体平台面上，加热炉体(1)的顶部和两侧炉壁上各开有一个通孔，压力气缸(4)上的压力轴(5)从加热炉体(1)顶部通孔竖直伸入加热炉体(1)的炉膛(2)内部，电场机构(8)和磁场机构(10)通过卡具安装在炉膛(2)的底部，电场机构(8)位于磁场机构(10)的管件(18)内，电场机构(8)通过导线经加热炉体(1)侧炉壁上的一个通孔与电场电源(9)连接，磁场机构(10)通过导线经加热炉体(1)侧炉壁上的另一个通孔与磁场电源(11)连接；
其中所述的电场机构(8)包括顶部电极(12)、多个连接杆(13)和底部电极(14)，在底部电极(14)的上表面竖立有多个连接杆(13)，顶部电极(12)穿过连接杆(13)设置在底部电极(14)的上方，待焊工件装配在底部电极(14)与顶部电极(12)之间；
其中所述的磁场机构(10)为螺线管，即铂导线(19)螺旋缠绕在管件(18)的绕线沟槽中。
2.根据权利要求1所述的多场耦合空气反应钎焊装置，其特征在于所述的底部电极(14)和顶部电极(12)的结构相同，底部电极(14)和顶部电极(12)的结构均是铂电极(16)固定在陶瓷底座(15)上。
3.根据权利要求1所述的多场耦合空气反应钎焊装置，其特征在于压力气缸(4)由空气压缩机(7)提供压缩气体，空气压缩机(7)位于支撑架(3)的底部。
4.根据权利要求1所述的多场耦合空气反应钎焊装置，其特征在于电场电源(9)和磁场电源(11)分别安装在支撑架(3)左右侧壁的外协板上。
5.应用如权利要求1所述的多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法，其特征在于该方法按下列步骤实现：
步骤一、对母材的待连接表面进行除污和清洁处理，得到清洁后的母材；
步骤二、向RAB钎料中加入粘接剂，混合均匀得到钎料膏；
步骤三、将钎料膏均匀涂覆在母材的待连接表面，干燥处理后得到待焊母材；
步骤四、将待焊母材装配在电场机构的底部电极和顶部电极之间，保证待焊母材与底部电极和顶部电极紧密接触，得到预装焊件的电场机构；
步骤五、将预装焊件的电场机构装配于磁场机构的通电螺线管中；
步骤六、在加热炉体内，控制压力气缸上的压力轴竖直向下运动抵在电场机构的顶部电极上，逐渐增加装配压力至焊接所需压力值；
步骤七、开启加热炉体，电场机构和磁场机构通电，在电场和磁场的多场耦合环境下进行空气反应钎焊，冷却至室温，取出，完成空气反应钎焊；
其中步骤二中所述的RAB钎料为贵金属-金属氧化物钎料体系，其中贵金属为银、金或铂，金属氧化物为氧化铜、氧化钒、氧化铌、氧化铝、氧化钛、氧化镁或氧化镍。
6.根据权利要求5所述的应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法，其特征在于步骤一中的母材为金属材料或陶瓷材料，其中金属材料为铜、铂、金、镍、镍基合金、TiAl合金或不锈钢；陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、二氧化硅陶瓷、尖晶石类陶瓷或钙钛矿类陶瓷。
7.根据权利要求5所述的应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法，其特征在于步骤一中所述的除污和清洁处理是将母材置于酒精中进行超声清洗5～10min，然后进行烘干处理。
8.根据权利要求5所述的应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法，其特征在于步骤二中所述的粘接剂由乙基纤维素和松油醇均匀混合制备而成。
9.根据权利要求5所述的应用多场耦合空气反应钎焊装置进行空气反应钎焊方法，其特征在于当RAB钎料为银基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为960～1150℃；当RAB钎料为金基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为1060～1200℃；当RAB钎料为铂基钎料时，步骤七中则控制空气反应钎焊的加热温度为1760～1900℃。
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