CN111590187A - 一种电流加热扩散连接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电流加热扩散连接装置及方法，属于板材扩散连接技术领域。解决了现有的扩散连接工艺存在加热时间长、热暴露时间长，炉温冷却后的板材组织晶粒粗大，表面氧化严重，导致板材的综合力学性能降低的问题。本发明直流电源的分别通过两段水冷导线连接两个铜电极；所述两个铜电极连接在待连接板材的两端；所述水冷导线通过循环水系统保持水温低于阈值A；陶瓷模具包括上下两部分，所述待连接板材设置在陶瓷模具的两部分之间；液压机用于对夹持在陶瓷模具之间的待连接板材施压；压力传感器用于采集液压机对陶瓷模具施加的压力，并对采集的信号进行显示。本发明适用于板材扩散连接使用。

Description

一种电流加热扩散连接装置及方法
技术领域
本发明属于板材扩散连接技术领域。
背景技术
电流的焦耳热效应使得通电导体可以在很短的时间内达到一个较高的温度。这对提高生产效率和节约能源有重要意义。其关键在于传统的加热方式中热源来自于外部热源，而电流加热时，热源来自内部。利用这一工艺优势，国内外的学者将电流加热技术与焊接工艺结合，并将其推向产业化。
近几年，采用电流加热的焊接工艺不断涌现，解决了难焊接材料的部分焊接性能差的难题，其中电流加热搅拌摩擦焊接技术降低了搅拌头的力矩和压力，且可以焊接部分高温合金。
扩散连接是高温压力焊接的一种，固体只能依靠扩散方式进行迁移(气体和液体可以依靠对流和扩散)，当温度升高时，原子的能量增加。当达到一定程度时，原子便可以离开平衡位置而迁移到另一个位置，固态材料的扩散连接便是利用原子的这种扩散而得以实现的，扩散连接技术是要扩散的两个或者几个坯料通过表面的相互紧密的接触，在一定的温度和压力作用下使接触面互扩散，最终连接界面组织连续，界面达到原子量级结合的固态连接方法。扩散连接工艺适用于大体积合金的焊接，且没有回弹或残余应力，焊接表面规则，无宏观焊缝，界面组织差异小。
扩散连接工艺通常要求板材在高温下长时间的加热，对于高温合金材料(如镍基高温合金)加热时间达2小时。传统的炉温加热方式通过热传导和对流的方法加热板材，虽然温度可以精确地控制，但长时间的加热不仅严重浪费了电能，而且推高了加热设备的制造要求和成本。由于热暴露时间长，炉温冷却后的板材组织晶粒粗大，表面氧化严重，综合力学性能降低。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的扩散连接工艺存在加热时间长、热暴露时间长，冷却后的板材组织晶粒粗大，表面氧化严重，综合力学性能降低的问题，提出了一种电流加热扩散连接装置及方法。
本发明所述一种电流加热扩散连接装置，该装置包括液压机1、铜电极2、水冷导线3、水管4、压力传感器5、陶瓷模具7、直流电源8和循环水系统9；
直流电源8的两个电极分别通过两段水冷导线3连接两个铜电极2；所述两个铜电极2分别连接在待连接板材的两端；所述水冷导线3为中空结构的导线，所述水冷导线3的中空部通过水管4与循环水系统9连通，并通过循环水系统9保持水温低于阈值A；其中，阈值A的范围为：18度到27度；
陶瓷模具7设置在液压机1的施压平台上，包括上夹持部与下夹持部，所述待连接的至少两块板材平行放置在上夹持部与下夹持部之间；液压机1用于对所述上夹持部施压；压力传感器5用于采集液压机1对上夹持部施加的压力。
进一步地，还包括封边装置，所述封边装置用于对待连接的至少两块板材进行焊接封边。
进一步地，封边后的待连接的至少两块板材的边缘留有一个排气孔。
进一步地，还包括排气管15，所述排气管15焊接在封边后的待连接板材的边缘的排气孔上。
进一步地，还包括抽真空系统，抽真空系统用于抽取封边后的待连接的至少两块板材之间的空气。
进一步地，水冷导线3包括铜软管，所述铜软管为中空结构，且铜软管的两端为密闭结构，铜软管的侧壁的外侧附有绝缘层；，所述铜软管的侧壁开有两个通孔，所述两个通孔临近铜软管的两端设置，用于与循环水系统9的进出水口连通。
进一步地，绝缘层采用橡胶层。
进一步地，抽真空系统包括真空计11、高压软管12和真空泵13；
高压软管12的一端通过排气孔与封边后的板材的内部连通；高压软管12的另一端连接真空泵13，所述高压软管12上还设有真空计11。
进一步地，还包括两个电极夹板6，两个电极夹板6分别连接在所述待连接的板材的两侧；铜电极2夹在电极夹板6上。
进一步地，直流电源8的输出电流为0—10000A，输出电压为0—8V，输出频率为0—40kHz。
一种电流加热扩散连接方法，该方法基于上述一种电流加热扩散连接装置实现，具体为：
步骤一、对待连接板材进行封边焊接，并留有一个排气孔；
步骤二、将封边后的待连接板材放置在陶瓷模具7中；
步骤三、将陶瓷模具7和封边装置的整体均置于液压机内的平台上，将铜电极2连接在待连接板材的两侧；
步骤四、采用抽真空系统抽取封边后的待连接板材之间的空气；
步骤五、控制循环水系统工作，所述循环水系统使水冷导线3内的水温保持在阈值A；
步骤六、控制直流电源8放电，依据待加热板材的电流密度和温度的关系快速增加电流值，直到板材的温度稳定；
步骤七、开启液压机，对陶瓷模具7施压，直至陶瓷模具7获得的压力达到预定压力值，保压时间T后关闭直流电源8，再升起液压机，完成对待连接的板材的扩散连接。
本发明提出的电流快速加热扩散连接工艺及其装置可应用于多种钢铁材料、轻合金、高温合金和金属间化合物等材料的扩散连接。且可是适用于多种异种材料的扩散连接。
本发明与现有的扩散连接工艺相比，有如下主要优点：
1.本发明所述装置和方法适用于大尺寸的板材的扩散连接，装置对板材的尺寸无严格的规定，提高了大尺寸板材的扩散连接效率；
2.本发明所述装置和方法中的电流方向平行于板材平面区域，因为电流流经的横截面积很小，所以，在加热至相同的温度时，该工艺中加载的电流值低。
3.本发明所述装置和方法中的真空系统仅需抽取待连接板材之间的空气，大大降低了抽真空的时间，进一步提高工艺的效率；
4.扩散连接后的板材可快速取出自模具而后冷却，如空冷和水冷。防止晶粒粗大，抑制晶粒长大，降低氧化程度。
5.工艺装置简单，而且可以实现工艺的自动化和规模化。
附图说明
图1是本发明所述扩散连接装置主视图；
图2是本发明所述扩散连接装置的侧视图；
图3是待扩散连接板材的封边结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种电流加热扩散连接装置，该装置包括液压机1、铜电极2、水冷导线3、水管4、压力传感器5、陶瓷模具7、直流电源8和循环水系统9；
直流电源8的两个电极分别通过两段水冷导线3连接两个铜电极2；所述两个铜电极2分别连接在待连接板材的两端；所述水冷导线3为中空结构的导线，所述水冷导线3的中空部通过水管4与循环水系统9连通，并通过循环水系统9保持水温低于阈值A；其中，阈值A的范围为：18度到27度；
陶瓷模具7设置在液压机1的施压平台上，包括上夹持部与下夹持部，所述待连接的至少两块板材平行放置在上夹持部与下夹持部之间；液压机1用于对所述上夹持部施压；压力传感器5用于采集液压机1对上夹持部施加的压力。
本实施方式所述的水循环系统与水冷导线的中空腔连通，并保持水冷导线内的水温保持在室温就可以，这样有效地保证了扩散连接过程中导线的温度不会过高，压力传感器采用压力计实现，扩散连接时，需要根据压力传感器采集的压力值调整液压机的压力，保证了扩散连接的准确性。通常采用压力计进行压力采集，对陶瓷模具7被施加的压力进行实时显示，调节液压机1施加的压力。
本实施方式提供了一种适用于大尺寸板材扩散连接的装置及方法。采用电流快速加热板材，大幅度地降低了加热和冷却的时间，节约了能耗。连接后的板材可以快速地冷却至室温，焊缝和母材的组织不易粗化。同时克服了扩散连接工艺能耗大的缺陷，为合金板材的扩散连接提供一种潜力巨大的选择方案。
本发明为电流快速加热扩散连接工艺及其实现装置。本发明工艺为待连接的两层或多层板材中通以低电压的高频大电流，电流的流动路径平行于待连接的板材平面，电极的夹持方式为左右夹持。板材依靠其电阻而升温，无需外加热源。扩散连接模具为陶瓷制品，实现电流加热系统和压力系统之间绝缘。冷却系统为电流加热系统中的电极大部分区域降温，电极在扩散连接中保持较低的温度。抽真空系统和压力系统(液压机)不在电流的回路中，见图1和图2所示。有图1中所述的I为液压机1的压力方向，所述压力方向垂直于陶瓷模具7的上表面，且作用于位于待扩散连接的板材上侧的陶瓷模具7上，图中的II为循环水系统9的水流方向，其水流方向也可以与图1中方向II相反。
进一步地，还包括封边装置，所述封边装置用于对待连接的至少两块板材进行焊接封边。
进一步地，封边后的待连接的至少两块板材的边缘留有一个排气孔。
进一步地，还包括排气管15，所述排气管15焊接在封边后的待连接板材的边缘的排气孔上。
进一步地，还包括抽真空系统，抽真空系统用于抽取封边后的待连接的至少两块板材之间的空气。
进一步地，抽真空系统包括真空计11、高压软管12和真空泵13；
高压软管12的一端通过排气孔与封边后的板材的内部连通；高压软管12的另一端连接真空泵13，所述高压软管12上还设有真空计11。
本实施方式所述的抽真空系统通过排气管15与封边后的待连接板材的内部连通，实现将待连接板材内部的空气抽出，所述排气管15焊接在封边后的待连接板材留出的排气孔上，
进一步地，水冷导线3包括铜软管，所述铜软管为中空结构，且铜软管的两端为密闭结构铜软管的侧壁上附有绝缘层；且两端的外侧未附着有绝缘层，所述铜软管的侧壁开有两个通孔；
所述两个通孔临近铜软管的两端设置，用于与循环水系统9的进出水口连通。
本实施方式中的铜软管的侧壁开有进水口和出水口，所述进水口和出水口分别临近铜管的两端设置；所述进水口和出水口分别与循环水系统9的进出水口连通。
进一步地，绝缘层采用橡胶。
进一步地，还包括两个电极夹板6，两个电极夹板6分别连接在所述待连接的板材的两侧；铜电极2夹在电极夹板6上。
进一步地，直流电源8的输出电流为0—10000A，输出电压为0—8V，输出频率为0—40kHz。
一种电流加热扩散连接方法，该方法基于上述一种电流加热扩散连接装置实现，具体为：
步骤一、对待连接板材进行封边焊接，并留有一个排气孔，两个电极夹板6分别连接在待连接板材的两侧；
步骤二、将封边后的待连接板材放置在陶瓷模具7中；
步骤三、将陶瓷模具7和封边装置的整体均置于液压机内的平台上，将铜电极2夹持在电极夹板6上；
步骤四、采用抽真空系统抽取封边后的待连接板材之间的空气；
步骤五、控制循环水系统工作，所述循环水系统使水冷导线3内的水温保持在阈值A；
步骤六、控制直流电源8放电，依据待加热板材的电流密度和温度的关系快速增加电流值，直到板材的温度稳定；
步骤七、开启液压机，对陶瓷模具7施压，直至陶瓷模具7获得的压力达到预定压力值，保压时间T后关闭直流电源8，再升起液压机，完成对待连接的板材的扩散连接。
本实施方式中，在进行板材连接时，可以将铜电极直接焊接在封边后的待连接板材的两侧，也可以在封边后的待连接板材的两侧焊接电极夹板6，然后再将铜电极夹持在所述电极夹板6上。
本发明中所述装置采用耐高温性能良好的陶瓷模具放置于板材的上下侧，陶瓷模具7为两个，分别在板材的上下方，与板材紧密接触，扩散连接时可以稳定地传递压力。1000℃时的抗压强度变化小，高温热膨胀系数小，热导率低，高温绝缘。陶瓷模具的形状和尺寸依据待连接板材的形状和尺寸而预先加工。水冷导线3虽然与直流电源8连接，但是循环水没有进入直流电源，不会损坏电源。水冷导线始终保持较低的温度，温度与室温接近，可以有效地提高铜电极2的使用性能和周期。
本发明所述液压机1可以是电子万能试验机，也可以是其他可提供稳定压力的装置或仪器。
本发明中，扩散连接前须完成待连接板材的封边结构，具体扩散连接的封边结构如图图3所示。其中，待扩散连接的板材为两层或多层、同种或异种板材叠放后的封边结构，除在其下方留有一个排气孔外，板材其余的边缘位置使用封边焊的方法封边。电极夹板6的厚度大于板材，电极夹板6与板材两侧拼焊在一起。排气管15与板材的排气孔位置焊接在一起。在抽真空系统的抽取下，将封边后的板材之间的空气排出，方向如图3中III所示，图3中区域14是高温加热区域，温度较为均匀。图3中的封边和拼焊焊接方式为氩弧焊或激光焊。在板材中的两层或多层板材之间，可以依据后续工艺需要涂覆不同形状的阻焊剂，用以实现待连接板材的局部扩散连接。两层或多层板材中同样可以添加中间层，实现中间层的固态扩散连接或瞬间液相扩散连接。
具体实施例：准备好封边结构后，本发明的电流快速加热扩散连接工艺按以下步骤实现：
步骤一、利用铜电极2紧密夹持电极夹板6，电极夹板6与铜电极2之间无明显的间隙，见图1；把焊接完毕的板材放置在上下陶瓷模具7之间，扩散连接区域14与陶瓷模具的施压区域对应；如图3所示；
步骤二、打开循环水系统6，检查循环水的温度，保持水温接近室温，使得循环水可以流通水冷导线3；
步骤三、再打开真空泵13，待真空泵13上的真空计11的示数下降至10-2Pa，打开直流电源8；
步骤四、依据待加热板材的电流密度和温度的关系快速增加电流值，待10min后，板材的温度稳定；
步骤五、开动液压机1，观察压力传感器5，缓慢加压至预定的压力；
步骤六、保温和保压预定时间后，先关闭直流电源8，再升起液压机1。焊后的板材冷却后，或快速取出板材后，关闭真空泵13和循环水系统6。
本发明中的板材在完成扩散连接后，或者待板材在陶瓷模具7中缓慢冷却至室温后再取出，或者可快速地从陶瓷模具7中取出，空冷至室温，也可水冷或油冷至室温。利用不同的冷却速度来控制焊后的板材组织。
本发明和装置的应用领域：用于黑色金属合金、有色金属合金、高温合金、金属基复合材料和金属间化合物材料的同种或异种板材的扩散连接；
用于上述材料板材整体或板材局部的扩散连接，用以作为超塑成形/扩散连接组合工艺的一步；上述材料的两层或多层板材的扩散连接；上述材料的中间层固态扩散连接或瞬间液相扩散连接等扩散连接工艺或以上材料的焊后热处理；
本发明中的装置的部分参数：直流电源8的输出电流0-10000A，输出电压0-8V，输出频率0-40kHz。真空泵13的极限真空度10-3Pa。压力传感器的承载极限10t。陶瓷模具7的热膨胀系数小于6×10-7/K，热导率0.66W/(K·m)。
确定电流快速加热扩散连接工艺的原则：综合考虑待连接板材的电热性能、尺寸和表面粗糙度等材料固有属性和工艺要求，合理确定扩散连接温度、扩散连接压力和扩散连接时间等主要工艺的参数。预先开展待连接板材的电热性能试验和测试，在基本掌握待连接板材的温度变化规律的基础上，再进行电流快速加热扩散连接工艺，保障连接质量和效率。依据焊后的焊缝组织及力学性能，应适时反馈和改变工艺参数，在保证材料扩散连接焊缝质量的同时注意缩短工艺周期和成本。
本发明中改变了现有扩散连接工艺中的加热方式，加热的方式由炉温加热改变为电流加热，加热周期大幅缩短，工艺的效率提升；改变了现有工艺中的电流流动方式，电流路径由垂直于板材平面改变为平行于板材平面，施加的电流值降低，电极的温度降低；改变了现有的模具的材料，使用了耐高温陶瓷模具，陶瓷模具的高温性能稳定；改变了焊后工件的冷却方式，焊后工件可快速地从模具中取出，之后空冷、水冷或油冷，冷却的时间大幅度缩短。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，该装置包括液压机(1)、铜电极(2)、水冷导线(3)、水管(4)、压力传感器(5)、陶瓷模具(7)、直流电源(8)和循环水系统(9)；
直流电源(8)的两个电极分别通过两段水冷导线(3)连接两个铜电极(2)；所述两个铜电极(2)分别连接在待连接板材的两端；所述水冷导线(3)为中空结构的导线，所述水冷导线(3)的中空部通过水管(4)与循环水系统(9)连通，并通过循环水系统(9)保持水温低于阈值A；其中，阈值A的范围为：18度到27度；
陶瓷模具(7)设置在液压机(1)的施压平台上，包括上夹持部与下夹持部，所述待连接的至少两块板材平行放置在上夹持部与下夹持部之间；液压机(1)用于对所述上夹持部施压；压力传感器(5)用于采集液压机(1)对上夹持部施加的压力。
2.根据权利要求1所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，还包括封边装置，所述封边装置用于对待连接的至少两块板材进行焊接封边。
3.根据权利要求2所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，封边后的待连接的至少两块板材的边缘留有一个排气孔。
4.根据权利要求3所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，还包括抽真空系统，抽真空系统用于抽取封边后的待连接的至少两块板材之间的空气。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，水冷导线(3)包括铜软管，所述铜软管为中空结构，且铜软管的两端为密闭结构，铜软管的侧壁的外侧附有绝缘层；，所述铜软管的侧壁开有两个通孔，所述两个通孔临近铜软管的两端设置，用于与循环水系统(9)的进出水口连通。
6.根据权利要求1所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，绝缘层采用橡胶层。
7.根据权利要求3所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，抽真空系统包括真空计(11)、高压软管(12)和真空泵(13)；
高压软管(12)的一端通过排气孔与封边后的板材的内部连通；高压软管(12)的另一端连接真空泵(13)，所述高压软管(12)上还设有真空计(11)。
8.根据权利要求1、2或4所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，还包括两个电极夹板(6)，两个电极夹板(6)分别连接在所述待连接的板材的两侧；铜电极(2)夹在电极夹板(6)上。
9.根据权利要求1、2或4所述的一种电流加热扩散连接装置，其特征在于，直流电源(8)的输出电流为0—10000A，输出电压为0—8V，输出频率为0—40kHz。
10.一种电流加热扩散连接方法，该方法基于权利要求1所述的一种电流加热扩散连接装置实现，其特征在于，具体为：
步骤一、对待连接板材进行封边焊接，并留有一个排气孔；
步骤二、将封边后的待连接板材放置在陶瓷模具(7)中；
步骤三、将陶瓷模具(7)和封边装置的整体均置于液压机内的平台上，将铜电极(2)连接在待连接板材的两侧；
步骤四、采用抽真空系统抽取封边后的待连接板材之间的空气；
步骤五、控制循环水系统工作，所述循环水系统使水冷导线(3)内的水温保持在阈值A；
步骤六、控制直流电源(8)放电，依据待加热板材的电流密度和温度的关系快速增加电流值，直到板材的温度稳定；
步骤七、开启液压机，对陶瓷模具(7)施压，直至陶瓷模具(7)获得的压力达到预定压力值，保压时间T后关闭直流电源(8)，再升起液压机，完成对待连接的板材的扩散连接。
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