CN115559895A - 一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备，涉及陶瓷柱塞生产领域，包括陶瓷套和金属内芯，所述金属内芯从陶瓷套的上端贯穿至陶瓷套的下端，所述陶瓷套上下两端与金属内芯之间设有焊接连接槽；所述焊接连接槽内部填充有焊接料且焊接料经激光焊接于焊接连接槽内形成连接陶瓷套和金属内芯的焊接接头。本发明使得陶瓷套与金属内芯的连接性大幅度提升装配效果有所提升，后续使用时，连接部位的耐冲击性好。

Description

一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备

技术领域

本发明属于陶瓷柱塞生产技术领域，具体涉及一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备。

背景技术

柱塞是柱塞泵的核心部件之一，它通过高压密封圈的配合，在泵中做往复运动，使水或液相介质形成高压流体。为了在泵内达到高压，柱塞必需与密封圈紧密配合，而且柱塞长期在高压下做往复摩擦运动，要求构成柱塞工作面光洁度高、材料强度高、韧性好。

柱塞泵是高端采油装备的核心部件，高压泵是瓶颈项目，目前广泛使用金属柱塞，其表面电镀、喷涂、熔覆耐磨材料，但在使用过程中，易出现孔洞和涂层剥落，造成柱塞异常失效，导致柱塞与腔体密封不严，会引起柱塞泵增压不足而效率降低。而且在某些行业内，磨损或剥落的金属碎屑和涂层会被液相介质携带，对介质产生污染，而陶瓷材料具有极高的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐高压和抗热冲击性能，陶瓷柱塞泵可以在严苛的酸碱性介质中使用，不会被腐蚀。因此，陶瓷柱塞是理想的金属柱塞替代品，并在化工、石油、食品、制药等行业中得到广泛的应用。

目前，针对陶瓷柱塞的装配主要采用胶合装配方式，陶瓷套与金属内芯的连接性主要局限于中间胶合层的性能及寿命，陶瓷柱塞长期在高压的缸体内做往复摩擦，中间胶合层耐久寿命下降后，很容易使陶瓷套与金属内芯间发生相对结构位移，造成陶瓷套出现开裂，导致柱塞失效，介质泄露，柱塞泵无法运行。

综上，为解决上述提及的问题，我们提出了一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种新型陶瓷柱塞及其装配方法及设备。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

作为本发明的一个方面，本发明提供了一种新型陶瓷柱塞，包括陶瓷套和金属内芯，所述金属内芯从陶瓷套的上端贯穿至陶瓷套的下端，所述陶瓷套上下两端与金属内芯之间设有焊接连接槽；

所述焊接连接槽内部填充有焊接料且焊接料经激光焊接于焊接连接槽内形成连接陶瓷套和金属内芯的焊接接头。

作为本发明的进一步优化方案，所述焊接料所含的化学成分以质量百分比计算，包括40-45%Al、35-40%Ni、10-15%Ti及3-10%C。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种新型陶瓷柱塞的装配设备，包括加热炉，于加热炉中部贯穿设置的水平转动台，定位共振机构，焊接料输送机构及激光焊接机构；

所述定位共振机构设于加热炉内并与水平转动台呈垂直贯穿设置，所述水平转动台驱动定位共振机构转动，用于固定陶瓷柱塞；

所述焊接料输送机构用于向焊接连接槽内填充焊接料；

所述激光焊接机构用于激光辐射加热熔化焊接料。

作为本发明的进一步优化方案，所述加热炉包括炉体、设于炉体内侧壁上的保温层以及设于炉体内底部的燃烧器，所述加热炉的外部设有用于调控加热炉温度的温控设备。

作为本发明的进一步优化方案，所述定位共振机构包括转动座、共振座、共振块、第一磁块及第二磁块，所述共振座与转动座中部垂直贯穿，且共振座上下两端设有对称的喇叭口，所述共振块结构呈倒锥状且中部开设有供陶瓷柱塞贯穿的通口，且共振块设于喇叭口内并与喇叭口呈间隙配合，所述喇叭口的外端部设有围板，所述第二磁块均布设于喇叭口的内壁上，所述第一磁块为两个对称设于共振块的外壁上，所述第一磁块及第二磁块的磁性相同。

作为本发明的进一步优化方案，所述转动座上均布设有多个气缸件，所述气缸件的活塞杆端设有定位板，所述共振座的中部开设有供定位板贯穿的通槽。

作为本发明的进一步优化方案，所述转动座的外周设有齿圈，所述水平转动台包括基座以及轴接在基座上与齿圈相啮合的多个传动齿轮，所述基座内部设有与传动齿轮轴端活动套接的轴套，所述基座上设有驱动端与其中一个传动齿轮轴端相连接的驱动电机。

作为本发明的进一步优化方案，所述激光焊接机构包括直线导轨、冷却系统、滑动设置在直线导轨上的激光焊接主机以及设置在激光焊接主机下端的焊接头。

作为本发明的进一步优化方案，所述焊接料输送机构包括料罐、设于料罐上的计量输送泵、与计量输送泵相连接的输送管、设于激光焊接主机外侧的提升气缸以及固定在提升气缸活塞杆端的送料弯管，所述送料弯管的下端正对陶瓷柱塞的焊接连接槽处。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种新型陶瓷柱塞的装配方法，包括以下步骤，

S1、焊接料制备，按比例称取焊接料的各组分，混合均匀备用；

S2、陶瓷柱塞组装，按照所述陶瓷柱塞的结构，先将陶瓷套固定在定位共振机构上，将胶合剂均匀涂刷在陶瓷套的内壁，加热炉升温至陶瓷套表面温度达1000-1200℃后将金属内芯从陶瓷套的上端贯穿至陶瓷套的下端，得到待焊接的陶瓷柱塞；

S3、激光焊接，通过焊接料输送机构将步骤S1得到的焊接料填充至焊接连接槽中，通过水平转动台驱动定位共振机构转动，带动待焊接的陶瓷柱塞转动并产生共振，待金属内芯表面温度升温至800-1000℃时，激光焊接机构移动至与焊接连接槽对准并产生激光辐射加热熔化焊接料使得焊接连接槽内的焊接料形成连接陶瓷套及金属内芯的焊接接头，得到焊接后的陶瓷柱塞，对其保温10min，最后冷却至室温。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明在陶瓷套上下两端与金属内芯之间设有焊接连接槽，焊接连接槽内部填充有焊接料且焊接料经激光焊接于焊接连接槽内形成连接陶瓷套和金属内芯的焊接接头，相较于传统胶合装配的陶瓷柱塞而言，陶瓷套与金属内芯的连接性大幅度提升。

（2）利用本发明的装配设备及装配方法装配得到的陶瓷柱塞，可缓解焊接接头处的残余应力，使焊接接头强度有所提高，陶瓷柱塞的装配效果有所提升，后续使用时，连接部位的耐冲击性得以提升。

附图说明

图1为本发明提供的整体结构示意图；

图2为本发明提供的新型陶瓷柱塞的结构剖视图；

图3为本发明提供的装配设备的结构示意图；

图4为本发明提供的装配设备的结构剖视图；

图5为本发明提供的共振块的立体结构图；

图中：1、陶瓷套；2、金属内芯；3、焊接连接槽；4、焊接接头；5、加热炉；51、炉体；52、保温层；53、燃烧器；6、焊接料输送机构；61、料罐；62、计量输送泵；63、输送管；64、送料弯管；65、提升气缸；7、水平转动台；71、基座；72、传动齿轮；73、驱动电机；74、轴套；8、定位共振机构；81、转动座；82、定位板；83、气缸件；84、共振座；85、共振块；86、围板；87、第一磁块；88、第二磁块；89、齿圈；9、激光焊接机构；91、直线导轨；92、冷却系统；93、激光焊接主机；94、焊接头；10、温控设备。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种新型陶瓷柱塞，包括陶瓷套1和金属内芯2，所述金属内芯2从陶瓷套1的上端贯穿至陶瓷套1的下端，所述陶瓷套1上下两端与金属内芯2之间设有焊接连接槽3；

所述焊接连接槽3内部填充有焊接料且焊接料经激光焊接于焊接连接槽3内形成连接陶瓷套1和金属内芯2的焊接接头4；

所述焊接料所含的化学成分以质量百分比计算，包括40-45%Al、35-40%Ni、10-15%Ti及3-10%C。

在本实施例中，通过激光焊接辐射加热熔化焊接料，使得整个陶瓷柱塞的陶瓷套1与金属内芯2的连接处形成了具有金属基、中间层以及陶瓷体的三层结构。其中，中间层为富Ti的颗粒状碳化物和细小的Al₂O_3、NiAl、Ni及Ni₃Al枝晶，经检测及力学试验表明，选择焊接料所含的化学成分，以质量百分比计算，包括40%Al、40%Ni、12%Ti及8%C时，得到的焊接接头4的接头强度较好。

实施例2

如图2-5所示，本实施例提供了一种新型陶瓷柱塞的装配设备，包括加热炉5，于加热炉5中部贯穿设置的水平转动台7，定位共振机构8，焊接料输送机构6及激光焊接机构9，于加热炉5内部设置的相关结构及作业时需要伸入加热炉5内的结构均采用耐高温材料制成，至少要保证耐1000℃以上高温的材料；

所述定位共振机构8设于加热炉5内并与水平转动台7呈垂直贯穿设置，所述水平转动台7驱动定位共振机构8转动，用于固定陶瓷柱塞；

所述焊接料输送机构6用于向焊接连接槽3内填充焊接料；

所述激光焊接机构9用于激光辐射加热熔化焊接料。

所述加热炉5包括炉体51、设于炉体51内侧壁上的保温层52以及设于炉体51内底部的燃烧器53，所述加热炉5的外部设有用于调控加热炉5温度以及监控陶瓷套1和金属内芯2表面温度的温控设备10，其中，保温层52由耐高温保温材料制成，保证炉体51具有较好的保温性能，燃烧器53用于加热陶瓷套1及金属内芯2。

所述定位共振机构8包括转动座81、共振座84、共振块85、第一磁块87及第二磁块88，所述共振座84与转动座81中部垂直贯穿，且共振座84上下两端设有对称的喇叭口，所述共振块85结构呈倒锥状且中部开设有供陶瓷柱塞贯穿的通口，且共振块85设于喇叭口内并与喇叭口呈间隙配合，所述喇叭口的外端部设有围板86，所述第二磁块88均布设于喇叭口的内壁上，所述第一磁块87为两个对称设于共振块85的外壁上，所述第一磁块87及第二磁块88的磁性相同。

使用时，首先，焊接料输送机构6向焊接连接槽3内填充好所需用量的焊接料；

随后，水平转动台7驱动转动座81与共振座84一并转动，由于共振座53的喇叭口内侧均匀分布的第二磁块88与共振块85外壁的第一磁块87的磁性相同，所以在共振座84转动的同时，当共振座84的喇叭口上设置第二磁块88的位置转动至不与共振块85上设置第一磁块87的位置重合时，不会发生第一磁块87与第二磁块88相排斥现象，此时共振座84与共振块85相接触，而当共振座84的喇叭口上设置第二磁块88的位置转动至与共振块85上设置第一磁块87的位置重合时，发生第一磁块87与第二磁块88相排斥现象，使得共振座84与共振块85的接触状态解除，且随着共振座84持续转动，共振座84与共振块85则会重复着接触与不接触的状态，简单的来讲，即随着共振座84持续转动，位于共振座84喇叭口内的共振块85将会以振动的状态保持，其产生的振动力会传导至陶瓷柱塞的焊接连接槽3的位置，可使得焊接连接槽3内填充的焊接料得以均匀分散，也可使得陶瓷套1和金属内芯2在保持微振动的状态下进行激光焊接，有效缓解焊接接头4处的残余应力，提高了焊接接头4冷却后的的接头强度，使得焊接接头4在陶瓷柱塞后续使用时的耐冲击性得以增强，陶瓷柱塞的整体装配效果也得以进一步提升。

进一步的，所述转动座81上均布设有多个气缸件83，所述气缸件83的活塞杆端设有定位板82，所述共振座84的中部开设有供定位板82贯穿的通槽，使用时，在未焊接的陶瓷柱塞从共振座84上端贯穿至共振座84下端时，通过气缸件83推动定位板82从共振座84中部的通槽中伸入对未焊接的陶瓷柱塞实现进一步的定位夹持。

所述转动座81的外周设有齿圈89，所述水平转动台7包括基座71以及轴接在基座71上与齿圈89相啮合的多个传动齿轮72，所述基座71内部设有与传动齿轮72轴端活动套接的轴套74，所述基座71上设有驱动端与其中一个传动齿轮72轴端相连接的驱动电机73，使用时，驱动电机73驱动一个传动齿轮72转动使其与转动座81外部的齿圈89产生啮合转动，转动座81得以与基座71产生相对转动，同时，齿圈89与基座71内的另外的传动齿轮72产生啮合传动带动其他的传动齿轮72产生转动。

所述激光焊接机构9包括直线导轨91、冷却系统92、滑动设置在直线导轨91上的激光焊接主机93以及设置在激光焊接主机93下端的焊接头94，激光焊接机构9是成熟的激光焊接技术，利用高能量密度的激光束作为热源进行高效精密焊接的方式，在本申请中利用激光焊接技术辐射加热熔化焊接料，使焊接料在陶瓷套1与金属内芯2之间产生界面反应，最后形成连接陶瓷套1与金属内芯2的焊接接头4，直线导轨91提供直线位移使得激光焊接主机93下端的焊接头94接近陶瓷柱塞的焊接连接槽3处，激光焊接主机93主要产生用来焊接的激光束、主要由电源、激光发生器、光路部分、控制系统组成，冷却系统92是为激光发生器提供冷却功能，一般为水循环冷水机。

所述焊接料输送机构6包括料罐61、设于料罐61上的计量输送泵62、与计量输送泵62相连接的输送管63、设于激光焊接主机93外侧的提升气缸65以及固定在提升气缸65活塞杆端的送料弯管64，所述送料弯管64的下端正对陶瓷柱塞的焊接连接槽3处，使用时，料罐61用于储存焊接料，计量输送泵62用于焊接料的定量输送，输送管63与送料弯管64用来输送焊接料至焊接连接槽3内，设于激光焊接主机93外侧的提升气缸65用于提升送料弯管64的高度，避免影响后续的激光焊接过程。

实施例3

本实施例提供了一种新型陶瓷柱塞的装配方法，包括以下步骤，

S1、焊接料制备，按比例称取焊接料的各组分，混合均匀备用；

S2、陶瓷柱塞组装，按照上述所述的新型陶瓷柱塞的结构，先将陶瓷套1固定在定位共振机构8上，将胶合剂均匀涂刷在陶瓷套1的内壁，加热炉5升温至陶瓷套1表面温度达1000-1200℃后将金属内芯2从陶瓷套1的上端贯穿至陶瓷套的下端，得到待焊接的陶瓷柱塞；

S3、激光焊接，通过焊接料输送机构6将步骤S1得到的焊接料填充至焊接连接槽3中，通过水平转动台7驱动定位共振机构8转动，带动待焊接的陶瓷柱塞转动并产生共振，待金属内芯表面温度升温至800-1000℃时，加热炉5停止加热，激光焊接机构9移动至与焊接连接槽3对准并产生激光辐射加热熔化焊接料使得焊接连接槽3内的焊接料形成连接陶瓷套1及金属内芯2的焊接接头4，得到焊接后的陶瓷柱塞，对其保温10min，最后冷却至室温。

具体的，利用加热炉5对陶瓷套1及金属内芯2进行加热并利用温控设备10监控陶瓷套1及金属内芯2的温度，使陶瓷套1的温度总体保持不低于1000-1200℃，金属内芯2的温度不高于800-1000℃，保证金属内芯2的温度始终低于陶瓷套1的温度，且具有一定的温度差值下进行激光焊接，在后续的冷却过程中，外部的陶瓷套1温度高于内部的金属内芯2，可对金属内芯2其形成保温效果，减缓金属内芯2的冷却速率，使得收缩速率的差异性被缩小，进而减少焊接接头4区域产生的残余应力，焊接接头4的强度进一步增强，从而提升了陶瓷柱塞的装配效果；

另外，为验证本发明的技术效果，一是在陶瓷套1及金属内芯2焊接装配时不进行相应的加热操作，使得陶瓷套1及金属内芯2在常温下进行焊接装配，二是不控制金属内芯2的温度始终低于陶瓷套1的温度，即在陶瓷套1及金属内芯2表面处于同一温度1000℃下进行激光焊接，经检测及力学试验表明，得到的焊接接头4的接头强度均不及本发明。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型陶瓷柱塞，其特征在于：包括陶瓷套（1）和金属内芯（2），所述金属内芯（2）从陶瓷套（1）的上端贯穿至陶瓷套（1）的下端，所述陶瓷套（1）上下两端与金属内芯（2）之间设有焊接连接槽（3）；

所述焊接连接槽（3）内部填充有焊接料且焊接料经激光焊接于焊接连接槽（3）内形成连接陶瓷套（1）和金属内芯（2）的焊接接头（4）。

2.根据权利要求1所述的一种新型陶瓷柱塞，其特征在于：所述焊接料所含的化学成分以质量百分比计算，包括40-45%Al、35-40%Ni、10-15%Ti及3-10%C。

3.一种生产如权利要求1-2任一所述的新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：包括加热炉（5），于加热炉（5）中部贯穿设置的水平转动台（7），定位共振机构（8），焊接料输送机构（6）及激光焊接机构（9）；

所述定位共振机构（8）设于加热炉（5）内并与水平转动台（7）呈垂直贯穿设置，所述水平转动台（7）驱动定位共振机构（8）转动，用于固定陶瓷柱塞；

所述焊接料输送机构（6）用于向焊接连接槽（3）内填充焊接料；

所述激光焊接机构（9）用于激光辐射加热熔化焊接料。

4.根据权利要求3所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述加热炉（5）包括炉体（51）、设于炉体（51）内侧壁上的保温层（52）以及设于炉体（51）内底部的燃烧器（53），所述加热炉（5）的外部设有用于调控加热炉（5）温度的温控设备（10）。

5.根据权利要求3所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述定位共振机构（8）包括转动座（81）、共振座（84）、共振块（85）、第一磁块（87）及第二磁块（88），所述共振座（84）与转动座（81）中部垂直贯穿，且共振座（84）上下两端设有对称的喇叭口，所述共振块（85）结构呈倒锥状且中部开设有供陶瓷柱塞贯穿的通口，且共振块（85）设于喇叭口内并与喇叭口呈间隙配合，所述喇叭口的外端部设有围板（86），所述第二磁块（88）均布设于喇叭口的内壁上，所述第一磁块（87）为两个对称设于共振块（85）的外壁上，所述第一磁块（87）及第二磁块（88）的磁性相同。

6.根据权利要求5所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述转动座（81）上均布设有多个气缸件（83），所述气缸件（83）的活塞杆端设有定位板（82），所述共振座（84）的中部开设有供定位板（82）贯穿的通槽。

7.根据权利要求5所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述转动座（81）的外周设有齿圈（89），所述水平转动台（7）包括基座（71）以及轴接在基座（71）上与齿圈（89）相啮合的多个传动齿轮（72），所述基座（71）内部设有与传动齿轮（72）轴端活动套接的轴套（74），所述基座（71）上设有驱动端与其中一个传动齿轮（72）轴端相连接的驱动电机（73）。

8.根据权利要求3所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述激光焊接机构（9）包括直线导轨（91）、冷却系统（92）、滑动设置在直线导轨（91）上的激光焊接主机（93）以及设置在激光焊接主机（93）下端的焊接头（94）。

9.根据权利要求3所述的一种新型陶瓷柱塞的装配设备，其特征在于：所述焊接料输送机构（6）包括料罐（61）、设于料罐（61）上的计量输送泵（62）、与计量输送泵（62）相连接的输送管（63）、设于激光焊接主机（93）外侧的提升气缸（65）以及固定在提升气缸（65）活塞杆端的送料弯管（64），所述送料弯管（64）的下端正对陶瓷柱塞的焊接连接槽（3）处。

10.一种利用如权利要求2-9任一所述的新型陶瓷柱塞装配设备进行新型陶瓷柱塞的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、焊接料制备，按比例称取焊接料的各组分，混合均匀备用；

S2、陶瓷柱塞组装，按照所述陶瓷柱塞的结构，先将陶瓷套（1）固定在定位共振机构（8）上，将胶合剂均匀涂刷在陶瓷套（1）的内壁，加热炉（5）升温至陶瓷套（1）表面温度达1000-1200℃后将金属内芯（2）从陶瓷套（1）的上端贯穿至陶瓷套（1）的下端，得到待焊接的陶瓷柱塞；

S3、激光焊接，通过焊接料输送机构（6）将步骤S1得到的焊接料填充至焊接连接槽（3）中，通过水平转动台（7）驱动定位共振机构（8）转动，带动待焊接的陶瓷柱塞转动并产生共振，待金属内芯（2）表面温度升温至800-1000℃时，激光焊接机构（9）移动至与焊接连接槽（3）对准并产生激光辐射加热熔化焊接料使得焊接连接槽（3）内的焊接料形成连接陶瓷套（1）及金属内芯（2）的焊接接头（4），得到焊接后的陶瓷柱塞，对其保温10min，最后冷却至室温。

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