CN113134658B

CN113134658B - 非接触电磁超声辅助焊接设备

Info

Publication number: CN113134658B
Application number: CN202110486953.3A
Authority: CN
Inventors: 张茗瑄; 赵微; 于航; 张天一; 那洋洋; 马志鹏
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-05-03
Also published as: CN113134658A

Abstract

本发明涉及的是非接触电磁超声辅助焊接设备，它包括保温室、控制台，保温室设置在控制台上，永磁体连接柱固定在控制台横梁上，永磁体连接柱下端伸入到保温室内与永磁体夹具相连，永磁体夹具下端夹紧永磁体；永磁体正下方有工作台和电阻加热装置，升降旋钮上端穿过保温室底面支撑在电阻加热装置下面，在永磁体和工作台间设有多匝线圈，永磁体、多匝线圈、工作台间隔设置，永磁体和多匝线圈用于相互作用产生电磁超声波；保温室底部设有热电偶，多匝线圈、热电偶均与控制台相连接，保温室设有观察窗和手套接口，手套接口与工作台对应设置。本发明在液态钎料中原位产生超声波，去除母材和液态钎料表面的氧化膜，实现焊接接头的有效连接。

Description

非接触电磁超声辅助焊接设备

技术领域：

本发明涉及的是一种焊接设备，具体涉及的是非接触电磁超声辅助焊接设备。

背景技术：

随着航空、航天、核能、电子等新技术的发展，新材料、新结构形式的采用，对连接技术提出了更高的要求，钎焊技术因此受到了更多的重视，并迅速地发展起来。超声波辅助钎焊具有可以在非真空不使用钎剂的条件下实现对难润湿材料良好焊接的优点，当超声波振动传入液态钎料后，可在液态钎料中产生空化效应，空化泡溃灭瞬间产生的高温高压微射流冲击破坏金属表面氧化膜，经一段时间累积后，实现母材表面氧化膜的去除，使新鲜的母材金属与钎料接触，实现溶解扩散或冶金反应，形成良好的钎焊接头。该技术在精密元器件制造、异种材料连接以及复杂薄板结构的生产中得到了广泛的应用，是一种成本低、焊接效果良好且绿色环保的新技术。

根据被连接构件间的位置，焊接接头的基本形式有对接接头、丁字形接头、搭接接头、角接接头、塞焊等几种类型的接头形式。

当前对于超声波辅助钎焊技术主要是通过超声波工具头与母材相接触来实现，存在着实验过程控制难度大、可能使陶瓷等脆性材料开裂等问题，且当前常用的设备均是在空气环境中实施钎焊，当钎料熔点较高时，温度难以控制且热量散失严重，难以获得理想的焊接接头。

发明内容：

本发明的一个目的是提供非接触电磁超声辅助焊接设备，这种非接触电磁超声辅助焊接设备是一种实现陶瓷等脆性材料电磁超声辅助钎焊设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种非接触电磁超声辅助焊接设备包括保温室、控制台、永磁体、多匝线圈、工作台和电阻加热装置，保温室设置在控制台上，控制台一侧设有立柱，立柱上端设有横梁，永磁体连接柱固定在横梁上，永磁体连接柱下端伸入到保温室内与永磁体夹具相连，永磁体夹具下端夹紧永磁体；永磁体正下方装有工作台，工作台下面设置电阻加热装置，工作台由镍铬合金加工而成，升降旋钮上端穿过保温室底面支撑在电阻加热装置下面，在永磁体和工作台间设有多匝线圈，永磁体、多匝线圈、工作台间隔设置，永磁体和多匝线圈用于相互作用产生电磁超声波，多匝线圈通过保温室外部的绝缘管与控制台相连接；保温室底部设有热电偶，热电偶与控制台相连接，保温室设有观察窗和手套接口，手套接口与工作台对应设置。

上述方案中控制台内有控制主板，控制台具有显示面板，控制台还设置有加热控制按钮、电流控制按钮、接线柱。

上述方案中永磁体连接柱下端有三个水平调节孔，三个水平调节孔沿竖直方向排列，水平调节孔为长方形孔隙；永磁体夹具包括夹具体、连接筒，连接头设置于夹具体的顶面，连接筒设置螺栓孔，永磁体连接柱插入连接筒内，插拔式螺栓穿过螺栓孔和水平调节孔将永磁体连接柱和连接筒紧固在一起；夹具体的下端设置两个夹紧螺栓，每个夹紧螺栓的一端与夹具体通过螺母紧固在一起，每个夹紧螺栓的另一端带有圆弧形橡胶片，永磁体通过两个圆弧形橡胶片夹紧固定。通过长方体状的插拔式螺栓与永磁体夹具连接，可实现调节永磁体高度，永磁体通过两个带有圆弧形橡胶片的螺栓夹紧，圆弧形橡胶片对永磁体进行柔性紧固，对永磁体没有伤害。

上述方案中保温室与永磁体连接柱之间设置密封。

上述方案中保温室长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为400~600 mm，观察窗长度为500~700 mm，宽度为150~300mm，手套接口的直径为100~200 mm。

上述方案中控制台长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为500~700 mm，用于控制通入多匝线圈的交变电流峰值、电流频率和保温室内温度，电流峰值调节范围为0~600 A，调节精度为1~5 A；电流频率调节范围为0~70 kHz，调节精度为0.1~1 kHz；温度调节范围为50~500 ℃，调节精度为1~5 ℃。

上述方案中永磁体材料为钕铁硼，产生静磁场，其磁感应强度为0.6~1.6 T，形状为圆柱体，直径为50~100 mm，高度为50~100 mm。

上述方案中永磁体夹具由绝缘陶瓷制成，宽度为100~200 mm，高度为100~200 mm，螺栓孔为3~5个。

上述方案中多匝线圈材料为铜线圈，直径为5~20 mm，匝数为5~100匝。

上述方案中工作台长度为60~150 mm，宽度为40~120 mm，厚度为5~20 mm，其下部的升降旋钮调节范围为为0~150 mm。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明是可以在液态钎料中原位直接生成超声波的辅助焊接设备，通过静磁场和交流磁场相互作用而产生洛伦兹力，在液态钎料中原位产生超声波，从而去除母材和液态钎料表面的氧化膜，实现焊接接头的有效连接。

2.本发明材料成本低、组装及使用过程简单、参数易调节。

3.本发明采用保温室设计，有利于减少工作环境中的热量损失，获得理想的焊接接头。

4.本发明操作简单，可直接在液态钎料中原位生成超声波，有效去除陶瓷材料母材和钎料表面的氧化膜，对陶瓷材料母材的尺寸也没有限制。

5. 本发明利用高强电磁力在液态钎料内直接生成超声波，这种超声波不但具有传统超声波的所有效果，而且超声波工具头不用直接接触母材从而可以避免陶瓷等脆性材料开裂问题。

附图说明：

图1为本发明所述电磁超声辅助设备主体结构示意图；

图2为本发明所述保温室内部结构示意图。

图中：1.控制台底座，2.控制台，3.绝缘管，4.热电偶，5.手套接口，6.观察窗，7.永磁体连接柱，8.保温室，9.横梁，10.立柱，11.升降旋钮，12.保温室底座，13.显示面板，14.永磁体夹具，15.插拔式螺栓，16.永磁体，17.多匝线圈，18.电阻加热装置，19.工作台，20.夹紧螺栓，21.焊接试样。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种非接触电磁超声辅助焊接设备控制系统、保温和测温系统、电磁系统、加热系统和操作系统，具体包括控制台2，控制台2上为保温室8左部为立柱10，保温室8前部安装有两个手套接口5，可以实现焊接试样21在高温环境下的装配，手套接口5上方装有观察窗6，可以对焊接试样21的装配和钎焊过程进行实时观察，保温室8的右下部分安装热电偶4，热电偶4并与控制台2相连，连接线置于保温室8下方的保温室底座12内，可实现保温室8内温度的测控，立柱10上端设有横梁9，保温室8上部与横梁9中间的永磁体连接柱7密封连接，永磁体连接柱7下端伸入到保温室8内与永磁体夹具14相连，永磁体夹具14下端夹紧永磁体16；永磁体连接柱7一端有三个水平调节孔，通过长方体状的插拔式螺栓15与永磁体夹具14连接，可实现调节永磁体16高度，永磁体16通过永磁体夹具14底部的两个带有圆弧形橡胶片的夹紧螺栓20夹紧固定，保温室8下部安装工作台19、电阻加热装置18和升降旋钮11，通过升降旋钮11调整焊接试样21高度，电阻加热装置18产生热量传导至工作台19,对焊接试样21进行加热，在保温室8后部、工作台19和永磁体16之间安装多匝线圈17，永磁体16、多匝线圈17、工作台19间隔设置，永磁体16与多匝线圈17之间有一定间隔，多匝线圈17与工作台19之间也有一定间隔，永磁体16和多匝线圈17用于相互作用产生电磁超声波，通过保温室8外部的绝缘管3与控制台2连接，可以进行交变电流的电流峰值和频率等控制。

本发明利用高强电磁力在液态金属内直接生成超声波，这种超声波不但具有传统超声波的所有效果，而且超声波工具头不用直接接触母材而在液态钎料中直接产生超声波。

控制系统主要包括控制台2，控制台2内有控制主板，控制台2具有显示面板13，控制台2还设置有加热控制按钮、电流控制按钮、接线柱，控制台底部设置控制台底座1。控制台2长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为500~700 mm，用于控制通入多匝线圈的交变电流峰值、电流频率和保温室内温度，电流峰值调节范围为0~600 A，调节精度为1~5 A；电流频率调节范围为0~70 kHz，调节精度为0.1~1 kHz；温度调节范围为50~500 ℃，调节精度为1~5 ℃。

保温和测温系统主要包括保温室8和热电偶4，电磁系统主要包括永磁体16、多匝线圈17，加热系统主要包括电阻加热装置18，操作系统主要包括工作台19、升降旋钮11。

本实施方式中工作台长度为60~150 mm，宽度为40~120 mm，厚度为5~20 mm，其下部的升降旋钮调节范围为为0~150 mm。

本实施方式中保温室长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为400~600 mm，观察窗长度为500~700 mm，宽度为150~300mm，手套接口的直径为100~200 mm，保温室底部设置保温室底座12。

本实施方式中永磁体连接柱7下端的三个水平调节孔沿竖直方向排列，水平调节孔为长方形孔隙；永磁体夹具14包括夹具体、连接筒，连接头设置于夹具体的顶面，连接筒设置3-5个螺栓孔，永磁体连接柱7插入连接筒内，插拔式螺栓15穿过其中一个螺栓孔和一个水平调节孔将永磁体连接柱7和连接筒紧固在一起；夹具体的下端设置两个夹紧螺栓20，每个夹紧螺栓20的一端与夹具体通过螺母紧固在一起，每个夹紧螺栓20的另一端带有圆弧形橡胶片，永磁体16通过两个圆弧形橡胶片对扣在外夹紧固定。通过长方体状的插拔式螺栓15与永磁体夹具14连接，可实现调节永磁体高度，永磁体16通过两个带有圆弧形橡胶片的螺栓夹紧，圆弧形橡胶片对永磁体进行柔性紧固，对永磁体没有伤害。永磁体夹具14由绝缘陶瓷制成，宽度为100~200 mm，高度为100~200 mm，螺栓孔为3~5个。

本发明焊接的材料可以是氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷中的一种；硅酸盐玻璃系、硼酸盐玻璃系中的一种。

本发明所用的钎料可以是Sn基钎料Sn-（6-15）Zn、Sn-（0.1-5）Bi、Sn-（1-10）Cu、Sn-（0.1-8）Ag-（0.01-20）Cu和Sn-（1-15）Zn-（5-20）Ga-（5-20）In钎料中的一种。

钎料可以是片状和颗粒状。填充方式可以是预涂覆在待焊表面和预放置在焊缝边缘。钎焊接头形式可以是搭接和角接的形式。

本实施方式中永磁体材料为钕铁硼，产生静磁场，其磁感应强度为0.6~1.6 T，形状为圆柱体，直径为50~100 mm，高度为50~100 mm。多匝线圈材料为铜线圈，直径为5~20mm，匝数为5~100匝。

本发明进行非接触电磁超声焊接具体步骤：

1.焊前利用抛光机对陶瓷试样上待焊表面进行抛光处理，之后用丙酮进行超声波清洗5~15 min（包括所用Sn基钎料），待焊接试样晾干后装卡于工作台19上，通过升降旋钮11调整工作台19高度，通过调整插拔式螺栓15位置调整永磁体夹具14高度。

2.关闭保温室8，通过手套接口5中的隔热手套将陶瓷试样和钎料Sn-9Zn装配成搭接接头，并调整搭接接头位置，参阅图2。

3.通过控制台2启动电阻加热装置18，温度调节范围为50~500 ℃，调节精度为2℃，加热工作台至200~400 ℃，直至Sn基钎料熔化。

4.通过控制台2向多匝线圈17通入交变电流，电流峰值为0~600 A，调节精度为5A，频率为0~70 kHz，调节精度为1 kHz。

5.通过观察窗6对焊接情况进行观察，待Sn基钎料完成填缝后通过控制台关闭电阻加热装置18、停止向多匝线圈17通入交变电流。

6.记录显示面板13显示的电流、频率等参数。

7.待焊接试样21随炉冷却至室温后，打开保温室8，将工作台19和永磁体夹具14复位，取出焊接试样21。

本发明操作简单，可直接在液态钎料中原位生成超声波，有效去除陶瓷材料母材和钎料表面的氧化膜，对陶瓷材料母材的尺寸也没有限制。

本发明采用了电磁超声的方法，通过不直接接触母材或钎料进行钎焊，防止因超声波振动可能对母材造成开裂等影响，从而提供了一种参数和过程易控制、对实验材料起到保护作用的钎焊设备。

Claims

1.一种非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：这种非接触电磁超声辅助焊接设备包括保温室（8）、控制台（2）、永磁体（16）、多匝线圈（17）、工作台（19）和电阻加热装置（18），保温室（8）设置在控制台（2）上，控制台（2）一侧设有立柱（10），立柱（10）上端设有横梁（9），永磁体连接柱（7）固定在横梁（9）上，永磁体连接柱（7）下端伸入到保温室（8）内与永磁体夹具（14）相连，永磁体夹具（14）下端夹紧永磁体（16）；永磁体（16）正下方装有工作台（19），工作台（19）下面设置电阻加热装置（18），工作台由镍铬合金加工而成，升降旋钮（11）上端穿过保温室底面支撑在电阻加热装置下面，在永磁体（16）和工作台（19）间设有多匝线圈（17），永磁体（16）、多匝线圈（17）、工作台（19）间隔设置，永磁体（16）和多匝线圈（17）用于相互作用产生电磁超声波，多匝线圈（17）通过保温室外部的绝缘管（3）与控制台（2）相连接；保温室（8）底部设有热电偶（4），热电偶（4）与控制台（2）相连接，保温室（8）设有观察窗（6）和手套接口（5），手套接口（5）与工作台（19）对应设置；

所述的永磁体连接柱（7）下端有三个水平调节孔，三个水平调节孔沿竖直方向排列，水平调节孔为长方形孔隙；永磁体夹具（14）包括夹具体、连接筒，连接头设置于夹具体的顶面，连接筒设置螺栓孔，永磁体连接柱（7）插入连接筒内，插拔式螺栓（15）穿过螺栓孔和水平调节孔将永磁体连接柱（7）和连接筒紧固在一起；夹具体的下端设置两个夹紧螺栓（20），每个夹紧螺栓（20）的一端与夹具体通过螺母紧固在一起，每个夹紧螺栓（20）的另一端带有圆弧形橡胶片，永磁体（16）通过两个圆弧形橡胶片夹紧固定。

2.根据权利要求1所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的控制台（2）内有控制主板，控制台（2）具有显示面板（13），控制台（2）还设置有加热控制按钮、电流控制按钮、接线柱。

3.根据权利要求2所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的保温室（8）与永磁体连接柱（7）之间设置密封。

4.根据权利要求3所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的保温室长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为400~600 mm，观察窗长度为500~700 mm，宽度为150~300mm，手套接口的直径为100~200 mm。

5.根据权利要求4所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的控制台长度为600~800 mm，宽度为400~600mm，高度为500~700 mm，用于控制通入多匝线圈的交变电流峰值、电流频率和保温室内温度，电流峰值调节范围为0~600 A，调节精度为1~5 A；电流频率调节范围为0~70 kHz，调节精度为0.1~1 kHz；温度调节范围为50~500 ℃，调节精度为1~5 ℃。

6.根据权利要求5所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的永磁体材料为钕铁硼，产生静磁场，其磁感应强度为0.6~1.6 T，形状为圆柱体，直径为50~100 mm，高度为50~100 mm。

7.根据权利要求6所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的永磁体夹具（14）由绝缘陶瓷制成，宽度为100~200 mm，高度为100~200 mm，螺栓孔为3~5个。

8.根据权利要求7所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的多匝线圈（17）材料为铜线圈，直径为5~20 mm，匝数为5~100匝。

9.根据权利要求8所述的非接触电磁超声辅助焊接设备，其特征在于：所述的工作台长度为60~150 mm，宽度为40~120 mm，厚度为5~20 mm，其下部的升降旋钮调节范围为0~150mm。