CN116604167B - 一种x射线管阳极焊接装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种X射线管阳极焊接装置及焊接方法,属于X射线管焊接领域,包括炉体,炉体内由上至下依次设置有第一压块组件和第二压块组件,阳极靶和转轴基座层叠后形成装配体,装配体夹设于第一压块组件和第二压块组件之间,阳极靶和转轴基座的外周设置有加热模块;第一压块组件包括由上至下依次层叠的第一压板和第一电极,第二压块组件包括由上至下依次层叠的第二电极和第二压板;第一压板和第二压板在竖直方向上相向移动以对阳极靶和转轴基座施加预紧力,第一电极和第二电极电性连接脉冲电源;还包括超声模块,超声模块的超声输出端与阳极靶和/或转轴基座接触。本发明提供的焊接装置降低了阳极靶表面的加工精度要求,提高了焊接效率。
Description
技术领域
本发明属于X射线管焊接领域,涉及一种X射线管阳极焊接装置及焊接方法。
背景技术
X射线管阳极中旋转阳极靶与转子轴杆进行同轴固定,为适配高转速及处于高温中,连接端界面出现微量膨胀情况,一般通过转接件轴承套将其衔接固定,组成整体同步运动结构,同时,又进一步加强其固定强度,因此,其衔接固定方式采用焊接连接。
CN210548690U公开了一种X射线管阳极焊接装置,包括一石英钟罩、固定于石英钟罩底部的底座,底座的中轴上固定有中心轴杆,中心轴杆上设有连接杆,连接杆上通过连接组件固定有多个X射线管,X射线管的无氧铜部件与待焊接部件的中轴均垂直于地面,X射线管在石英钟罩内通过焊接设备钎焊。
现有的X射线管阳极焊接装置的焊接时间长,焊接效率低,且焊接接头的结合强度无法达到使用要求,因此亟需对现有的X射线阳极管焊接装置进行改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种X射线管阳极焊接装置及焊接方法,通过设置超声模块和脉冲电源,利用超声辅助焊接和脉冲电流加热可以提高阳极靶的表面能,显著提高了阳极靶与转轴基座之间的原子扩散速率,增加了阳极靶与转轴基座之间的界面接触电阻和接触面积,从而降低了阳极靶表面的加工精度要求。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种X射线管阳极焊接装置,所述X射线管阳极焊接装置用于将阳极靶与转轴基座焊接固定,所述转轴基座带动所述阳极靶旋转,所述X射线管阳极焊接装置包括炉体,所述炉体内由上至下依次设置有第一压块组件和第二压块组件,所述阳极靶和所述转轴基座层叠后形成装配体,所述装配体夹设于所述第一压块组件和所述第二压块组件之间,所述阳极靶和所述转轴基座的外周设置有加热模块。
所述第一压块组件包括由上至下依次层叠的第一压板和第一电极,所述第二压块组件包括由上至下依次层叠的第二电极和第二压板;所述第一压板和所述第二压板在竖直方向上相向移动以对所述阳极靶和所述转轴基座施加预紧力,所述第一电极和所述第二电极电性连接脉冲电源,通过所述第一电极和所述第二电极分别向所述阳极靶和所述转轴基座施加脉冲电流,以在所述阳极靶和所述转轴基座的界面处形成液相薄膜。
所述X射线管阳极焊接装置还包括超声模块,所述超声模块的超声输出端与所述阳极靶和/或所述转轴基座接触,所述超声模块发出的超声波带动所述阳极靶和/或所述转轴基座横向振动。
本发明针对X射线管的焊接特点设计了一种扩散焊接装置,通过设置超声模块和脉冲电源,利用超声辅助焊接和脉冲电流加热可以提高阳极靶的表面能,显著提高了阳极靶与转轴基座之间的原子扩散速率,增加了阳极靶与转轴基座之间的界面接触电阻和接触面积,从而降低了阳极靶表面的加工精度要求。
本发明借助第一压板和第二压板在轴向上施加的挤压预紧力,有利于破坏阳极靶焊接面处的氧化膜,配合超声辅助焊接,降低了第一压板和第二压板所需施加的预紧力,从而有效避免阳极靶和转轴基座在大重量的轴向挤压过程中出现严重的挤压变形。
本发明借助脉冲电流产生的电阻热和放电热使得阳极靶与转轴基座的焊接面形成液相薄膜,液相薄膜可以充分浸润阳极靶和转轴基座之间的焊接面处的空洞孔隙,使得焊接形成的焊接头致密无空鼓,有利于焊缝组织的均匀化并改善其性能,显著降低焊接接头的热应力,提高了焊接接头处的结合强度。
本发明提供的焊接装置的加热设备有加热模块、第一电极和第二电极,加热模块可以对装配体提供辐射热,第一电极和第二电极通过脉冲电源通入脉冲电流可以对装配体提供电阻热和放电热,在辐射热、电阻热和放电热的共同作用下,阳极靶和转轴基座的界面微区局部熔化并形成瞬时液相薄膜,由于阳极靶和转轴基座之间的焊接面上的晶格发生畸变、位错和空位等缺陷使得焊接面处的原子能量显著增加,原子处于高度激活状态,因此只需较短的加热保温时间即可完成焊接,提高了焊接效率。
作为本发明一种优选的技术方案,所述加热模块包括第一石墨发热件、第二石墨发热件、第一发热电源和第二发热电源,所述第一发热电源和所述第二发热电源分别连接所述第一石墨发热件和所述第二石墨发热件。
所述第一石墨发热件设置于所述阳极靶的外周,用于对所述阳极靶加热;所述第二石墨发热件设置于所述转轴基座的外周,用于对所述转轴基座加热。
由于阳极靶和转轴基座的热膨胀系数不同,在加热后产生的体积膨胀情况存在差异,如果阳极靶和转轴基座的焊接环境温度相同,在加热时阳极靶和转轴基座的体积无法同步膨胀,在冷却过程中二者的体积也无法同步收缩,由此阳极靶和转轴基座之间的焊接面存在应变力,使得焊接后的工件变形。
为此,本发明提供的加热模块包括两组加热体,分别对阳极靶和转轴基座进行独立加热,第一发热电源和第一发热电源分别为第一石墨发热件和第二石墨发热件供电,使之产生辐射热,分别为阳极靶和转轴基座提供设定的焊接温度,使阳极靶与转轴基座所处环境温度独立可调,以实现阳极靶和转轴基座的体积在扩散焊加热和冷却过程中可以同步膨胀收缩;同时,通过控制脉冲电流的脉冲频率和电流峰值,可以使得阳极靶与转轴基座的焊接面处的微区温度迅速升高并瞬时形成液相薄膜,从而缩短了焊接面处可能发生的因热膨胀系数差异导致的变形应力的产生时间。
此外,本发明通过设置两组加热体分别对阳极靶和转轴基座的整体进行加热,有效降低了焊接过程中焊接区域和非焊接区域的整体温差,防止在焊接过程中,焊接区域和非焊接区域因温差过大造成热胀冷缩而产生变形的情况发生。
作为本发明一种优选的技术方案,所述X射线管阳极焊接装置还包括第一温度传感器、第二温度传感器和控制模块,所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别电性连接所述控制模块。
所述第一温度传感器配置于所述阳极靶的侧壁,用于实时监测所述阳极靶的表面温度;所述第二温度传感器配置于所述转轴基座的侧壁,用于实时监测所述转轴基座的表面温度;所述控制模块用于实时采集所述阳极靶和所述转轴基座的表面温度。
所述控制模块分别独立地反馈控制所述第一发热电源和所述第二发热电源,根据所述阳极靶和所述转轴基座的表面温度调节所述第一石墨发热件和所述第二石墨发热件的发热温度。
作为本发明一种优选的技术方案,所述第一电极和所述装配体之间的接触面设置有第一压力传感器,所述第二电极和所述装配体之间的接触面设置有第二压力传感器。
所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别独立地电性连接控制模块,所述控制模块分别独立地反馈控制所述第一压板和所述第二压板的移动距离。
在本发明中,通过脉冲电源对转轴基座和阳极靶施加可控的脉冲电流,使得阳极靶和转轴基座之间在短时间内形成微区液相薄膜,第一压板和第二压板分别对阳极靶和转轴基座施加轴向的预紧力。如上所述,由于本发明在加压的基础上结合了超声振荡辅助扩散焊接,因此施加的预紧力无需过大,在保证焊接效果的同时也能有效防止阳极靶和转轴基座出现挤压变形。为了实时监控第一压板和第二压板施加的预紧力,本发明设置了第一压力传感器和第二压力传感器,分别对第一压板和第二压板向装配体施加的预紧力进行实时监测。控制模块根据压力实时反馈值和给定值计算预紧力的偏差值,向第一压板和第二压板输出控制信号,实现压力的自动调节。
所述第一压板和所述第一电极之间设置有第一绝缘层,所述第二压板和所述第二电极之间设置有第二绝缘层。
作为本发明一种优选的技术方案,所述超声模块包括依次连接的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆。
所述超声发生器和所述超声换能器位于所述炉体外部,所述超声变幅杆穿过所述炉体,所述超声变幅杆位于所述炉体内的一端与所述阳极靶和/或转轴基座紧密接触。
本发明在焊接装置中加入超声模块的作用在于:
(1)本发明采用超声辅助焊接使得阳极靶和转轴基座之间的焊接面处产生微观塑性变形,增大了阳极靶与转轴基座之间的接触面积;同时利用超声波产生的横向振荡使得阳极靶和转轴基座的两个接触面之间相互摩擦,通过面与面之间的相互摩擦配合第一压板和第二压板对装配体施加的预紧力使得阳极靶的焊接面的氧化膜破碎并脱落,随着接触面积的增大和氧化膜的脱落,进一步提高了焊接接头处的结合强度;
(2)本发明采用超声模块可以避免阳极靶在焊接面处的晶粒异常长大,通过超声振荡使得阳极靶和转轴基座在焊接面处往复摩擦,引发阳极靶在焊接面处的晶粒再结晶,促进晶粒细化,从而在焊接面处产生更多的原子激活中心,加快了焊接面处的原子键合破碎,缩短了焊接时间,提高了焊接接头处的结合强度。
第二方面,本发明提供了一种采用第一方面所述的X射线管阳极焊接装置的焊接方法,所述焊接方法包括:
在阳极靶的待焊面镀膜,阳极靶与转轴基座层叠形成装配体,其中,阳极靶镀膜的一侧面与转轴基座贴合;
将装配体放入第一压块组件和第二压块组件之间,对装配体施加预紧力,开启超声模块、加热模块和脉冲电源,对装配体进行扩散焊接。
本发明提供了一种焊接方法,改善了传统扩散焊接的加热方式和加压方式,配合本发明提供的焊接装置可以更好地完成阳极靶与转轴基座之间的焊接工艺。
在加热方式上,本发明提供的焊接方法以加热模块辐射加热为主,以第一电极和第二电极的电流加热为辅。利用加热模块产生的辐射热,为装配体提供了预期的焊接环境温度;然后采用可控脉冲电流通过第一电极和第二电极对装配体产生电阻热和放电热;在轴向预紧力的作用下使得阳极靶和转轴基座之间的接触面达到原子级接触,通过原子的短程扩散即可完成焊接过程。
在加压方式上,本发明提供的焊接方法以第一压板和第二压板的轴向加压为主,以超声模块的横向振荡摩擦为辅。通过对阳极靶和/或转轴基座施加超声振荡,使得阳极靶和转轴基座之间产生横向的相对位移和相互摩擦,从而增大了二者之间的接触面积,同时细化了焊接面处的晶粒,使得焊接面处的原子处于高度激活状态,配合焊接面处的原子级接触,极大地缩短了焊接时间,从而在较低的扩散焊接温度和较小的预紧压力下实现阳极靶和转轴基座之间的快速焊接。
本发明提供的扩散方法还包括在焊接前对阳极靶的待焊面镀膜,通过镀膜的良好扩散性使得镀膜材料向转轴基座的内部扩散,从而增强了阳极靶和转轴基座之间的焊接结合强度。
作为本发明一种优选的技术方案,所述镀膜的厚度为3-6μm,所述镀膜的材质为钛。
本发明提供的焊接方法在焊接前对阳极靶的待焊面进行镀膜,通过在待焊面电沉积膜层可以阻隔待焊面与空气接触,防止氧化物的形成同时提高界面处的原子扩散速率,降低了加热温度,缩短了焊接时间。
所述焊接方法还包括:在阳极靶镀膜前,对阳极靶的待焊面进行两次喷砂处理,所述喷砂处理的过程包括:
通过喷砂设备将含有第一砂料的高压气体喷射至阳极靶的待焊面,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为第二砂料,在高压气体的裹挟下喷射至阳极靶的待焊面,完成第二喷砂处理。
其中,所述第一砂料的粒径大于所述第二砂料的粒径,所述第一砂料的直径为1-2mm,例如可以是1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2.0mm;所述第二砂料的直径为0.2-0.5mm,例如可以是0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述高压气体的压力为0.4-1MPa,例如可以是0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa或1MPa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第一喷砂处理的时间为5-10min,例如可以是5.0min、5.5min、6.0min、6.5min、7.0min、7.5min、8.0min、8.5min、9.0min、9.5min或10.0min;所述第二喷砂处理的时间10-20min,例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在第二喷砂处理过程中,对阳极靶施加脉冲电流,所述脉冲电流的脉冲频率为50-100Hz,例如可以是50Hz、55Hz、60Hz、65Hz、70Hz、75Hz、80Hz、85Hz、90Hz、95Hz或100Hz;所述脉冲电流的电流密度为1-5A/dm2,例如可以是1.0A/dm2、1.5A/dm2、2.0A/dm2、2.5A/dm2、3.0A/dm2、3.5A/dm2、4.0A/dm2、4.5A/dm2或5A/dm2,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明提供的焊接方法还包括在镀膜前对阳极靶的待焊面进行喷砂,首先利用大粒径的第一砂料以较大的冲击动能在阳极靶的待焊面冲击形成较纳米组织层;随后采用小粒径的第二砂料对阳极靶的待焊面进行第二喷砂处理,在第二喷砂处理过程中对阳极靶施加脉冲电流,通过脉冲电流在阳极靶的内部形成电场,阳极靶内部的电子在电场作用下运动,从而降低了阳极靶的变形抗力,阳极靶的塑性得到明显提升。通过脉冲电流配合小粒径的第一砂料以较小的冲击动能对阳极靶的待焊面的纳米组织层进行形貌改善和缺陷重塑,减小了第一砂料冲击产生的缺陷峰的高度,降低了阳极靶的表面粗糙度,使得镀膜材料可以更加均匀覆盖阳极靶,最终实现了阳极靶待焊面的高表面能与低表面粗糙度共存的纳米组织层。
本发明特别限定了对阳极靶施加脉冲电流的脉冲频率和电流密度,在此范围内可以增强第二砂料的冲击抛磨效果,进一步降低待焊面的表面粗糙度。但脉冲频率或电流密度过高也会导致阳极靶待焊面的粗糙度增大,不利于后续镀膜的均匀性。
作为本发明一种优选的技术方案,所述扩散焊接的过程具体包括如下步骤:
(Ⅰ)对炉体进行抽真空或向炉体内通入保护气体,通过第一压板和第二压板向装配体施加预紧力,接通第一发热电源和第二发热电源,第一石墨发热件和第二石墨件发热,对装配体加热至第一温度;
(Ⅱ)接通脉冲电源,通过第一电极和第二电极对装配体施加脉冲电流,使得阳极靶和转轴基座的界面处形成液相薄膜;
(Ⅲ)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度降低至第二温度;开启超声模块使得阳极靶和转轴基座之间发生横向的相对位移,在第二温度下对装配体进行保温并持续加压,直至阳极靶和转轴基座之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力。
在本发明提供的焊接方法主要包括两个核心步骤:液相薄膜的形成以及超声加压扩散焊接。
液相薄膜的形成过程包括:将炉体内抽至真空状态或充入足够压力的保护气体,通过第一压板和第二压板在阳极靶和转轴基座之间施加预紧力;接通加热电源,通过第一石墨加热体和第二石墨加热体分别对阳极靶和转轴基座进行辐射加热;随后,接通脉冲电源,通过第一电极和第二电极对装配体施加脉冲电流,使得阳极靶和转轴基座之间的焊接面升温至第一温度,阳极靶和转轴基座之间的界面瞬间溶解形成液相薄膜,阳极靶和转轴基座之间通过微区的液相薄膜实现点接触,在此状态下焊接面具有较大的接触电阻,焊接面处的电阻热和放电热较高,在第一温度的保温过程中,液相薄膜在毛细作用下得以铺展并填充阳极靶和转轴基座之间的焊接面;
超声加压扩散焊接过程包括:在第一温度下保温一段时间后,调低第一石墨加热体和第二石墨加热体的发热温度,在周期性加压和超声振荡作用下,焊接面处的液相薄膜由点接触转变为面接触;此时,装配体的电流密度下降,焊接面处的电阻热和放电热显著减小,阳极靶和转轴基座的界面温度降低至第二温度,在第二温度下进行扩散焊接直至液相薄膜固化后形成焊接接头,随炉冷却至室温后撤去第一压板和第二压板对装配体施加的预紧力,完成整个扩散焊接过程。
采用本发明提供的扩散焊接工艺,减少了焊接过程中阳极靶产生应力变形以造成焊接接头处开裂的现象发生,可以有效降低焊接接头处的焊接残余应力。此外,通过喷砂和镀膜处理也有效解决了现有技术中存在的阳极靶和转轴基座之间因材料特性差异导致材料之间不易扩散的技术问题。
作为本发明一种优选的技术方案,步骤(Ⅰ)中,所述炉体内抽真空至1-10Pa,例如可以是1Pa、2Pa、3Pa、4Pa、5Pa、6Pa、7Pa、8Pa、9Pa或10Pa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
向炉体内通入保护性气体直至炉体内的压力达到0.2-0.5MPa,例如可以是0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第一压板和所述第二压板对装配体施加的预紧力为1-3MPa,例如可以是1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa、2.0MPa、2.2MPa、2.4MPa、2.6MPa、2.8MPa或3.0MPa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
以20-30℃/min的加热速率将装配体加热至第一温度,例如可以是20℃/min、21/min、22/min、23/min、24/min、25/min、26/min、27/min、28/min、29/min或30/min;所述第一温度为1000-1500℃,例如可以是1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃或1500℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在第一温度下保温30-60min,例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案,步骤(Ⅱ)中,所述脉冲电流的脉冲频率为20-30Hz,例如可以是20Hz、21Hz、22Hz、23Hz、24Hz、25Hz、26Hz、27Hz、28Hz、29Hz或30Hz,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述脉冲电流的电流峰值为300-400A,例如可以是300A、310A、320A、330A、340A、350A、360A、370A、380A、390A或400A,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述脉冲电流的施加时间为20-30min,例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案,步骤(Ⅲ)中,以10-15℃/min的降温速率将装配体降温至第二温度,例如可以是10℃/min、10.5℃/min、11℃/min、11.5℃/min、12℃/min、12.5℃/min、13℃/min、13.5℃/min、14℃/min、14.5℃/min或15℃/min;所述第二温度为500-600℃,例如可以是500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明特别限定了第一温度的升温速率和第二温度的降温速率,在焊接初期,以20-30℃/min的高速率尽快升温至第一温度,这是由于,本发明采用了两种不同的加热方式,即石墨体的辐射热和脉冲电流的电阻热,在焊接初期,液相薄膜刚形成,界面处的微区大部分处于点接触状态,焊接面处的电流密度较大,加热温度较高,为了配合较高的加热温度以减少焊接应力,需要快速升温到指定的第一温度以瞬时形成液相薄膜,如果在形成液相薄膜的阶段缓慢升温,一方面会延长阳极靶界面材料的熔化时间,使得阳极靶和转盘基座长期处于高温环境,易导致阳极靶和转盘基座高温变形;另一方面,在第一温度下,阳极靶和转盘基座的热膨胀系数的差异增大,导致阳极靶和转盘基座的体积膨胀量无法统一变化,在扩散焊接的冷却过程中易导致焊接接头出现严重的内应力。当在第一温度下保温一段时间后,阳极靶的焊接面材料不断熔化,使得液相薄膜体积增大,点接触状态减少,电流密度下降,界面电阻热和放电热逐渐减小,需要对装配体进行降温以使得液相薄膜逐渐固化,此时需要缓慢降温至第二温度,确保液相薄膜由内至外均匀固化,防止因快速降温导致外层先固化,而影响焊接头的结合强度。
在第二温度下,第一压板和第二压板向装配体施加周期变化的预紧压力,包括交替进行的低压阶段和高压阶段,在低压阶段和高压阶段内的预紧压力恒定,相邻的一个低压阶段和一个高压阶段记为一个脉冲周期;在步骤(Ⅲ)中,共经历5-10个脉冲周期,例如可以是5个、6个、7个、8个、9个或10个;总加压时间为50-100min,例如可以是50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min、85min、90min、95min或100min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明采用周期性变化的施加预紧力在一定程度上缓解了阳极靶和转轴基座之间的焊接头的残余应力,扩散焊接产生的焊接应变随时间的变化过程是:在焊接初期的加压阶段,焊接头的应变速率加快,由于液相薄膜的存在,界面处的应变速率进入不稳定的流动阶段;当进入扩散焊接阶段,通过周期性变化的高压阶段使得阳极靶和转轴基座之间发生较大程度的蠕变变形和塑性变形,而在低压阶段,阳极靶和转轴基座之间发生一定程度的弹性变形,使得蠕变变形和塑性变形有所恢复。经过多次周期性循环的高压阶段和低压阶段,会重复交替进行塑性变形和弹性变形,从而有效缓解焊接接头的残余应力。
需要特别说明的是,本发明提供的焊接方法的主要发明点在于,喷砂镀膜、周期性施压和超声振荡的结合,三者之间产生了协同增效作用,加快了焊接面处的原子扩散速率,提高了原子扩散通道,进而增强了焊接头的结合强度。具体而言,在喷砂过程中,阳极靶的待焊面形成纳米组织层,在周期性施压的过程中,阳极靶待焊面形成的纳米组织层产生了剧烈的塑性变形,引入了大量具有高存储能的晶界、亚晶界、位错等非平衡相或高密度缺陷。在超声振荡的加持下使得焊接面处的晶粒尺寸减小,三叉晶界的数量增多,这些高体积分数的晶界充当了原子的快速扩散通道,加速了焊接面处的原子扩散过程。同时,纳米组织层中的非平衡相具有更高的吉布斯自由能,使焊接面处的原子扩散激活能降低,从而大幅提高了扩散焊接过程中焊接面处的原子扩散系数,增加了原子的扩散距离,从而提高了焊接面处的原子扩散深度,使得焊接接头处的结合强度大幅提升。
所述高压阶段的压力为10-15MPa,例如可以是10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa或15MPa;所述低压阶段的压力为5-8MPa,例如可以是5.0MPa、5.5MPa、6.0MPa、6.5MPa、7.0MPa、7.5MPa或8.0MPa;一个脉冲周期的时间为10-15min,例如可以是10min、10.5min、11min、11.5min、12min、12.5min、13min、13.5min、14min、14.5min或15min;在一个脉冲周期内,所述高压阶段的保压时间为8-12min,例如可以是8.0min、8.5min、9.0min、9.5min、10.0min、10.5min、11.0min、11.5min或12.0min;所述低压阶段的保压时间为2-3min,例如可以是2.0min、2.1min、2.2min、2.3min、2.4min、2.5min、2.6min、2.7min、2.8min、2.9min或3.0min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
装配体降温至第二温度后的10-15min开启超声模块,例如可以是10min、10.5min、11min、11.5min、12min、12.5min、13min、13.5min、14min、14.5min或15min;在撤去预紧力之前的5-10min关闭超声模块,例如可以是5.0min、5.5min、6.0min、6.5min、7.0min、7.5min、8.0min、8.5min、9.0min、9.5min或10.0min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明在施加脉冲电流后,一旦焊接面微区形成液相薄膜,即可切断脉冲电流,降低温度并进入周期性施压的扩散焊接阶段。在进入扩散焊接阶段的最初一段时间内(10-15min),超声模块仍处于关闭状态,因为此时的液相薄膜刚刚形成,大部分微区内的液相薄膜仍处于点接触状态,如果此时施加超声振荡,使得阳极靶和转轴基座之间形成的点接触的液相薄膜被破坏,而无法继续生长形成连续的片状液相薄膜。因此,需要等到点接触状态的液相薄膜在降温过程中形成连续的面接触的片状液相薄膜后再施加超声振荡辅助扩散焊接。
此外,在扩散焊接结束前(即撤去预紧力前)的5-10min提前关闭超声模块,这是由于液相薄膜在周期性施压阶段仍处于半流动状态,此时施加超声振荡有助于提高液相薄膜的铺展和渗透。但在扩散焊接结束前的5-10min时,液相薄膜已经固化,此时即便施加超声振动不仅对液相薄膜的铺展渗透无益,还会使得刚刚固化成型的结合区域在高频超声的振动下开裂,影响焊接头的结合强度。
在低压阶段内,所述超声模块对阳极靶和/或转轴基座施加高频振动;在高压阶段内,所述超声模块对阳极靶和/或转轴基座施加低频振动。
在低压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为900-1000W,例如可以是900W、910W、920W、930W、940W、950W、960W、970W、980W、990W或1000W;超声频率为50-60kHz,例如可以是50kHz、51kHz、52kHz、53kHz、54kHz、55kHz、56kHz、57kHz、58kHz、59kHz或60kHz,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为600-700W,例如可以是600W、610W、620W、630W、640W、650W、660W、670W、680W、690W或700W;超声频率为30-40kHz,例如可以是30kHz、31kHz、32kHz、33kHz、34kHz、35kHz、36kHz、37kHz、38kHz、39kHz或40kHz,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明在周期性施压过程中配合周期性变化的超声振荡,在周期施压的低压阶段采用高频振荡,在周期施压的高压阶段采用低频振荡,进一步提高了阳极靶和转轴基座之间的焊接强度。在高压阶段,超声模块产生的低频弹性超声波作用于阳极靶的表面,超声波的振动频率等于阳极靶的固有振动频率,从而激发了阳极靶的低频共振振荡效应,低频共振可提高熔池的结晶效率,降低阳极靶、液相薄膜和转轴基座之间的固液界面的元素偏析,配合施加的高压预紧力,有利于消除焊接头的组织缺陷,从而获得更高的焊接硬度和结合强度。在低压阶段,高频振荡使得焊接面产生微观塑性变形,增大了阳极靶和转轴基座之间的实际接触面积,配合持续施加的低压引发界面材料再结晶,细化了阳极靶的界面材料晶粒,在焊接面处产生原子激活中心,加快界面原子键合。
作为本发明一种优选的技术方案,所述焊接方法还包括:
在扩散焊接过程中,对阳极靶和转轴基座的表面温度进行实时监测,控制模块根据阳极靶和转轴基座的热膨胀系数分别控制阳极靶和转轴基座的加热温度;
具体包括如步骤:
(1)根据阳极靶和转轴基座的热膨胀系数计算阳极靶和转轴基座的理论温差ΔH;
(2)控制模块通过第二温度传感器采集转轴基座的表面温度,记为H1;
(3)控制模块通过第一温度传感器采集阳极靶的表面温度,并反馈控制第一石墨加热体的发热温度,使得阳极靶的表面温度调整至H2,H2=H1+ΔH,ΔH采用如下公式计算:
;
其中,m1为转轴基座的热膨胀系数,m2为阳极靶的热膨胀系数。
本发明通过对热膨胀系数不同的阳极靶和转轴基座施加不同的焊接温度,从而在加热和冷却的过程中,实现阳极靶和转轴基座绝对统一的体积膨胀量,有效降低了阳极靶和转轴基座因体积膨胀率不同产生的变形应力,防止了焊接面处产生空腔、鼓包和起裂等缺陷。
示例性地,本发明提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.2-0.5mm直径的第一砂料的高压气体以0.4-1MPa的喷射压力向阳极靶的待焊面喷射5-10min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为1-2mm直径的第二砂料,在高压气体的裹挟下以0.4-1MPa的喷射压力向阳极靶的待焊面喷射10-20min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为50-100Hz,电流密度为1-5A/dm2;
(2)在阳极靶的待焊面通过磁控溅射沉积形成3-6μm的钛膜,阳极靶与转轴基座层叠形成装配体,其中,阳极靶镀膜的一侧面与转轴基座贴合;
(3)对炉体进行抽真空或向炉体内通入保护气体,所述炉体内抽真空至1-10Pa,向炉体内通入保护性气体直至炉体内的压力达到0.2-0.5MPa;通过第一压板和第二压板向装配体施加1-3MPa的预紧力,接通第一发热电源和第二发热电源,第一石墨发热件和第二石墨件发热,以20-30℃/min的加热速率将装配体加热至1000-1500℃,在该温度下保温30-60min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极和第二电极对装配体施加20-30min的脉冲电流,脉冲频率为20-30Hz,电流峰值为300-400A,使得阳极靶和转轴基座的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以10-15℃/min的降温速率降温至500-600℃;在该温度下,第一压板和第二压板向装配体施加5-10个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为10-15MPa,保压时间为8-12min;低压阶段的压力为5-8MPa,保压时间为2-3min;
(6)装配体降温至500-600℃后的10-15min后开启超声模块使得阳极靶和转轴基座之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为900-1000W,超声频率为50-60kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为600-700W,超声频率为30-40kHz;
(7)在500-600℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶和转轴基座之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的5-10min关闭超声模块。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明针对X射线管的焊接特点设计了一种扩散焊接装置,通过设置超声模块和脉冲电源,利用超声辅助焊接和脉冲电流加热可以提高阳极靶的表面能,显著提高了阳极靶与转轴基座之间的原子扩散速率,增加了阳极靶与转轴基座之间的界面接触电阻和接触面积,从而降低了阳极靶表面的加工精度要求。
本发明借助第一压板和第二压板在轴向上施加的挤压预紧力,有利于破坏阳极靶焊接面处的氧化膜,配合超声辅助焊接,降低了第一压板和第二压板所需施加的预紧力,从而有效避免阳极靶和转轴基座在大重量的轴向挤压过程中出现严重的挤压变形。
本发明借助脉冲电流产生的电阻热和放电热使得阳极靶与转轴基座的焊接面形成液相薄膜,液相薄膜可以充分浸润阳极靶和转轴基座之间的焊接面处的空洞孔隙,使得焊接形成的焊接头致密无空鼓,有利于焊缝组织的均匀化并改善其性能,显著降低焊接接头的热应力,提高了焊接接头处的结合强度。
本发明提供的焊接装置的加热设备有加热模块、第一电极和第二电极,加热模块可以对装配体提供辐射热,第一电极和第二电极通过脉冲电源通入脉冲电流可以对装配体提供电阻热和放电热,在辐射热、电阻热和放电热的共同作用下,阳极靶和转轴基座的界面微区局部熔化并形成瞬时液相薄膜,由于阳极靶和转轴基座之间的焊接面上的晶格发生畸变、位错和空位等缺陷使得焊接面处的原子能量显著增加,原子处于高度激活状态,因此只需较短的加热保温时间即可完成焊接,提高了焊接效率。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的X射线管阳极焊接装置的结构示意图;
图2为本发明一个具体实施方式提供的X射线管阳极焊接方法的流程图;
图3为图2提到的焊接方法中扩散焊接的流程图。
其中:1-炉体;2-第一压板;3-第二压板;4-第一电极;5-第二电极;6-阳极靶;7-转轴基座;8-第一石墨发热件;9-第二石墨发热件;10-超声发生器;11-超声换能器;12-超声变幅杆;13-第一发热电源;14-第二发热电源;15-第一温度传感器;16-第二温度传感器;17-第一绝缘层;18-第二绝缘层;19-第一压力传感器;20-第二压力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图,对本发明技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式,用于说明本发明的构思;这些说明均是解释性和示例性的,不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外,本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案,这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
在一个具体实施方式中,本发明提供了一种X射线管阳极焊接装置,如图1所示,所述X射线管阳极焊接装置用于将阳极靶6与转轴基座7焊接固定,转轴基座7带动阳极靶6旋转,X射线管阳极焊接装置包括炉体1,炉体1内由上至下依次设置有第一压块组件和第二压块组件,阳极靶6和转轴基座7层叠后形成装配体,装配体夹设于第一压块组件和第二压块组件之间,阳极靶6和转轴基座7的外周设置有加热模块。
第一压块组件包括由上至下依次层叠的第一压板2和第一电极4,第二压块组件包括由上至下依次层叠的第二电极5和第二压板3;第一压板2和第二压板3在竖直方向上相向移动以对阳极靶6和转轴基座7施加预紧力,第一电极4和第二电极5电性连接脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5分别向阳极靶6和转轴基座7施加脉冲电流,以在阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜。
X射线管阳极焊接装置还包括超声模块,超声模块的超声输出端与阳极靶6和/或转轴基座7接触,超声模块发出的超声波带动阳极靶6和/或转轴基座7横向振动。
在图1所示的实施例中,加热模块包括第一石墨发热件8、第二石墨发热件9、第一发热电源13和第二发热电源14,第一发热电源13和第二发热电源14分别连接第一石墨发热件8和第二石墨发热件9。
第一石墨发热件8设置于阳极靶6的外周,用于对阳极靶6加热;第二石墨发热件9设置于转轴基座7的外周,用于对转轴基座7加热。
在图1所示的实施例中,X射线管阳极焊接装置还包括第一温度传感器15、第二温度传感器16和控制模块(图中未示出),第一温度传感器15和第二温度传感器16分别电性连接控制模块。
第一温度传感器15配置于阳极靶6的侧壁,用于实时监测阳极靶6的表面温度;第二温度传感器16配置于转轴基座7的侧壁,用于实时监测转轴基座7的表面温度;控制模块用于实时采集阳极靶6和转轴基座7的表面温度。
控制模块分别独立地反馈控制第一发热电源13和第二发热电源14,根据阳极靶6和转轴基座7的表面温度调节第一石墨发热件8和第二石墨发热件9的发热温度。
在图1所示的实施例中,第一电极4和装配体之间的接触面设置有第一压力传感器19,第二电极5和装配体之间的接触面设置有第二压力传感器20。
第一压力传感器19和第二压力传感器20分别独立地电性连接控制模块,控制模块分别独立地反馈控制第一压板2和第二压板3的移动距离。
第一压板2和第一电极4之间设置有第一绝缘层17,第二压板3和第二电极5之间设置有第二绝缘层18。
在图1所示的实施例中,超声模块包括依次连接的超声发生器10、超声换能器11和超声变幅杆12。
超声发生器10和超声换能器11位于炉体1外部,超声变幅杆12穿过炉体1,超声变幅杆12位于炉体1内的一端与阳极靶6和/或转轴基座7紧密接触。
在另一个具体实施方式中,本发明提供了一种X射线管阳极焊接方法,见图2和图3,焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.2-0.5mm直径的第一砂料的高压气体以0.4-1MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射5-10min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为1-2mm直径的第二砂料,在高压气体的裹挟下以0.4-1MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射10-20min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶6施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为50-100Hz,电流密度为1-5A/dm2;
(2)在阳极靶6的待焊面通过磁控溅射沉积形成3-6μm的钛膜,阳极靶6与转轴基座7层叠形成装配体,其中,阳极靶6镀膜的一侧面与转轴基座7贴合;
(3)对炉体1内抽真空至1-10Pa,或向炉体1内通入保护性气体直至炉体1内的压力达到0.2-0.5MPa;通过第一压板2和第二压板3向装配体施加1-3MPa的预紧力,接通第一发热电源13和第二发热电源14,第一石墨发热件8和第二石墨件发热,以20-30℃/min的加热速率将装配体加热至1000-1500℃,在该温度下保温30-60min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5对装配体施加20-30min的脉冲电流,脉冲频率为20-30Hz,电流峰值为300-400A,使得阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以10-15℃/min的降温速率降温至500-600℃;在该温度下,第一压板2和第二压板3向装配体施加5-10个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为10-15MPa,保压时间为8-12min;低压阶段的压力为5-8MPa,保压时间为2-3min;
(6)在周期性施加预紧压力的同时,装配体降温至500-600℃后的10-15min后开启超声模块使得阳极靶6和转轴基座7之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为900-1000W,超声频率为50-60kHz;在高压阶段内,超声模块发出的超声功率为600-700W,超声频率为30-40kHz;
(7)在500-600℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶6和转轴基座7之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的5-10min关闭超声模块。
实施例1
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.2mm直径的第一砂料(金刚砂)的高压气体以1MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射5min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为1mm直径的第二砂料(金刚砂),在高压气体的裹挟下以1MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射10min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶6施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为50Hz,电流密度为1A/dm2;
(2)在阳极靶6的待焊面通过磁控溅射沉积形成3μm的钛膜,阳极靶6与转轴基座7层叠形成装配体,其中,阳极靶6镀膜的一侧面与转轴基座7贴合;
(3)对炉体1进行抽真空至1Pa,通过第一压板2和第二压板3向装配体施加1MPa的预紧力,接通第一发热电源13和第二发热电源14,第一石墨发热件8和第二石墨件发热,以20℃/min的加热速率将装配体加热至1000℃,在该温度下保温60min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5对装配体施加20min的脉冲电流,脉冲频率为20Hz,电流峰值为300A,使得阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以10℃/min的降温速率降温至500℃;在该温度下,第一压板2和第二压板3向装配体施加5个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为10MPa,保压时间为12min;低压阶段的压力为5MPa,保压时间为3min;
(6)在周期性施加预紧压力的同时,装配体降温至500℃后的10min后开启超声模块使得阳极靶6和转轴基座7之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为900W,超声频率为50kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为600W,超声频率为30kHz;
(7)在500℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶6和转轴基座7之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的5min关闭超声模块。
实施例2
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.3mm直径的第一砂料(金刚砂)的高压气体以0.7MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射7min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为1.5mm直径的第二砂料(金刚砂),在高压气体的裹挟下以0.7MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射15min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶6施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为70Hz,电流密度为3A/dm2;
(2)在阳极靶6的待焊面通过磁控溅射沉积形成4μm的钛膜,阳极靶6与转轴基座7层叠形成装配体,其中,阳极靶6镀膜的一侧面与转轴基座7贴合;
(3)对炉体1进行抽真空至10Pa,通过第一压板2和第二压板3向装配体施加2MPa的预紧力,接通第一发热电源13和第二发热电源14,第一石墨发热件8和第二石墨件发热,以25℃/min的加热速率将装配体加热至1200℃,在该温度下保温40min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5对装配体施加25min的脉冲电流,脉冲频率为25Hz,电流峰值为350A,使得阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以12℃/min的降温速率降温至550℃;在该温度下,第一压板2和第二压板3向装配体施加7个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为12MPa,保压时间为10min;低压阶段的压力为6MPa,保压时间为2.5min;
(6)在周期性施加预紧压力的同时,装配体降温至550℃后的12min后开启超声模块使得阳极靶6和转轴基座7之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为950W,超声频率为55kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为650W,超声频率为35kHz;
(7)在550℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶6和转轴基座7之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的7min关闭超声模块。
实施例3
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.4mm直径的第一砂料(石英砂)的高压气体以0.6MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射8min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为1.8mm直径的第二砂料(石英砂),在高压气体的裹挟下以0.6MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射18min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶6施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为80Hz,电流密度为4A/dm2;
(2)在阳极靶6的待焊面通过磁控溅射沉积形成5μm的钛膜,阳极靶6与转轴基座7层叠形成装配体,其中,阳极靶6镀膜的一侧面与转轴基座7贴合;
(3)向炉体1内通入氩气直至炉体1内的压力达到0.2MPa,通过第一压板2和第二压板3向装配体施加2.5MPa的预紧力,接通第一发热电源13和第二发热电源14,第一石墨发热件8和第二石墨件发热,以28℃/min的加热速率将装配体加热至1400℃,在该温度下保温65min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5对装配体施加28min的脉冲电流,脉冲频率为25Hz,电流峰值为380A,使得阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以14℃/min的降温速率降温至580℃;在该温度下,第一压板2和第二压板3向装配体施加8个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为14MPa,保压时间为9min;低压阶段的压力为7MPa,保压时间为2.2min;
(6)在周期性施加预紧压力的同时,装配体降温至580℃后的13min后开启超声模块使得阳极靶6和转轴基座7之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为970W,超声频率为58kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为680W,超声频率为38kHz;
(7)在580℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶6和转轴基座7之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的8min关闭超声模块。
实施例4
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法包括:
(1)通过喷砂设备将含有0.5mm直径的第一砂料(金刚砂)的高压气体以0.4MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射10min,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为2mm直径的第二砂料(金刚砂),在高压气体的裹挟下以0.4MPa的喷射压力向阳极靶6的待焊面喷射20min,完成第二喷砂处理;在第二喷砂处理过程中,对阳极靶6施加脉冲电流,脉冲电流的脉冲频率为100Hz,电流密度为5A/dm2;
(2)在阳极靶6的待焊面通过磁控溅射沉积形成6μm的钛膜,阳极靶6与转轴基座7层叠形成装配体,其中,阳极靶6镀膜的一侧面与转轴基座7贴合;
(3)向炉体1内通入氩气直至炉体1内的压力达到0.5MPa,通过第一压板2和第二压板3向装配体施加3MPa的预紧力,接通第一发热电源13和第二发热电源14,第一石墨发热件8和第二石墨件发热,以30℃/min的加热速率将装配体加热至1500℃,在该温度下保温30min;
(4)接通脉冲电源,通过第一电极4和第二电极5对装配体施加30min的脉冲电流,脉冲频率为30Hz,电流峰值为400A,使得阳极靶6和转轴基座7的界面处形成液相薄膜;
(5)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度以15℃/min的降温速率降温至600℃;在该温度下,第一压板2和第二压板3向装配体施加10个脉冲周期的预紧压力,其中,高压阶段的压力为15MPa,保压时间为8min;低压阶段的压力为8MPa,保压时间为2min;
(6)在周期性施加预紧压力的同时,装配体降温至600℃后的15min后开启超声模块使得阳极靶6和转轴基座7之间发生横向的相对位移;在低压阶段内,超声模块发出的超声功率为1000W,超声频率为60kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为700W,超声频率为40kHz;
(7)在600℃的焊接温度下通过加压和超声使得阳极靶6和转轴基座7之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力,在撤去预紧力之前的10min关闭超声模块。
实施例5
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法与实施例3提供的焊接方法的区别在于,省去了步骤(1),未对阳极靶6的待焊面进行喷砂处理,其他工艺参数和操作步骤与实施例3完全相同。
实施例6
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法与实施例3提供的焊接方法的区别在于,省去了步骤(1)和步骤(2),未对阳极靶6的待焊面进行喷砂处理和镀膜,其他工艺参数和操作步骤与实施例3完全相同。
实施例7
本实施例提供了一种X射线管阳极焊接方法,所述焊接方法与实施例3提供的焊接方法的区别在于,步骤(5)中,第一压板2和第二压板3向装配体施加恒定的预紧压力12MPa,保压时间为87.5min;相应地,步骤(6)中,超声模块发出恒定功率950W、恒定频率55Hz的超声波。其他工艺参数和操作步骤与实施例3完全相同。
对实施例1-8焊接得到的焊接头进行焊接强度测试
表1
由表1数据可以看出,实施例1-7的焊接头的焊合率均为100%,均满足焊接基本要求,但实施例1-4的焊接强度明显高于实施例5-7,说明本发明采用喷砂和镀膜处理可以有效提高阳极靶6和转轴基座7之间的焊接强度。此外,在扩散焊接过程中,通过周期性施压配合周期性超声辅助焊接,可以大幅提高焊接头的焊接强度。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (5)
1.一种X射线管阳极焊接方法,所述X射线管阳极焊接方法在X射线管阳极焊接装置中进行,所述X射线管阳极焊接方法用于将阳极靶与转轴基座焊接固定,所述转轴基座带动所述阳极靶旋转,其特征在于,所述X射线管阳极焊接装置包括炉体,所述炉体内设置有在预定行程范围内相向移动的一对压块组件;所述阳极靶和所述转轴基座层叠后形成装配体,所述装配体夹设于两个压块组件之间,所述阳极靶和所述转轴基座的外周设置有加热模块;
两个压块组件分别连接脉冲电源,以向所述装配体施加脉冲电流,从而在所述阳极靶和所述转轴基座的界面处形成液相薄膜;
所述X射线管阳极焊接装置还包括超声模块,所述超声模块的超声输出端与所述阳极靶和/或所述转轴基座接触,所述超声模块发出的超声波带动所述阳极靶和/或所述转轴基座横向振动;
所述炉体内由上至下依次设置有第一压块组件和第二压块组件;
所述第一压块组件包括由上至下依次层叠的第一压板和第一电极,所述第二压块组件包括由上至下依次层叠的第二电极和第二压板;所述第一压板和所述第二压板在竖直方向上相向移动以对所述阳极靶和所述转轴基座施加预紧力;
所述第一电极和所述第二电极电性连接脉冲电源,通过所述第一电极和所述第二电极分别向所述阳极靶和所述转轴基座施加脉冲电流;
所述加热模块包括第一石墨发热件、第二石墨发热件、第一发热电源和第二发热电源,所述第一发热电源和所述第二发热电源分别连接所述第一石墨发热件和所述第二石墨发热件;
所述第一石墨发热件设置于所述阳极靶的外周,用于对所述阳极靶加热;所述第二石墨发热件设置于所述转轴基座的外周,用于对所述转轴基座加热;
所述X射线管阳极焊接装置还包括第一温度传感器、第二温度传感器和控制模块,所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别电性连接所述控制模块;
所述第一温度传感器配置于所述阳极靶的侧壁,用于实时监测所述阳极靶的表面温度;所述第二温度传感器配置于所述转轴基座的侧壁,用于实时监测所述转轴基座的表面温度;所述控制模块用于实时采集所述阳极靶和所述转轴基座的表面温度;
所述控制模块分别独立地反馈控制所述第一发热电源和所述第二发热电源,根据所述阳极靶和所述转轴基座的表面温度调节所述第一石墨发热件和所述第二石墨发热件的发热温度;
所述第一电极和所述装配体之间的接触面设置有第一压力传感器,所述第二电极和所述装配体之间的接触面设置有第二压力传感器;
所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别独立地电性连接控制模块,所述控制模块分别独立地反馈控制所述第一压板和所述第二压板的移动距离;
所述第一压板和所述第一电极之间设置有第一绝缘层,所述第二压板和所述第二电极之间设置有第二绝缘层;
所述X射线管阳极焊接方法包括:
在阳极靶的待焊面镀膜,阳极靶与转轴基座层叠形成装配体,其中,阳极靶镀膜的一侧面与转轴基座贴合;
将装配体放入第一压块组件和第二压块组件之间,对装配体施加预紧力,开启超声模块、加热模块和脉冲电源,对装配体进行扩散焊接;
所述焊接方法还包括:在阳极靶镀膜前,对阳极靶的待焊面进行两次喷砂处理,所述喷砂处理的过程包括:
通过喷砂设备将含有第一砂料的高压气体喷射至阳极靶的待焊面,完成第一喷砂处理;随后将第一砂料替换为第二砂料,在高压气体的裹挟下喷射至阳极靶的待焊面,完成第二喷砂处理;
在第二喷砂处理过程中,对阳极靶施加脉冲电流,所述脉冲电流的脉冲频率为50-100Hz,所述脉冲电流的电流密度为1-5A/dm2;
所述扩散焊接的过程具体包括如下步骤:
(Ⅰ)对炉体进行抽真空或向炉体内通入保护气体,通过第一压板和第二压板向装配体施加预紧力,接通第一发热电源和第二发热电源,第一石墨发热件和第二石墨件发热,对装配体加热至第一温度;
(Ⅱ)接通脉冲电源,通过第一电极和第二电极对装配体施加脉冲电流,使得阳极靶和转轴基座的界面处形成液相薄膜;
(Ⅲ)调低第一石墨件和第二石墨件的发热温度,使得装配体的温度降低至第二温度;开启超声模块使得阳极靶和转轴基座之间发生横向的相对位移,在第二温度下对装配体进行保温并持续加压,直至阳极靶和转轴基座之间形成焊接接头,冷却至室温后撤去预紧力;
其中,步骤(Ⅰ)中,以20-30℃/min的加热速率将装配体加热至第一温度,所述第一温度为1000-1500℃;
步骤(Ⅲ)中,以10-15℃/min的降温速率将装配体降温至第二温度,所述第二温度为500-600℃;
步骤(Ⅲ)中,在第二温度下,第一压板和第二压板向装配体施加周期变化的预紧压力,包括交替进行的低压阶段和高压阶段,在低压阶段和高压阶段内的预紧压力恒定,相邻的一个低压阶段和一个高压阶段记为一个脉冲周期;
在低压阶段内,所述超声模块对阳极靶和/或转轴基座施加高频振动;在高压阶段内,所述超声模块对阳极靶和/或转轴基座施加低频振动;
在步骤(Ⅲ)中,共经历5-10个脉冲周期,总加压时间为50-100min;
所述高压阶段的压力为10-15MPa,所述低压阶段的压力为5-8MPa,一个脉冲周期的时间为10-15min;在一个脉冲周期内,所述高压阶段的保压时间为8-12min,所述低压阶段的保压时间为2-3min;
在低压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为900-1000W,超声频率为50-60kHz;在高压阶段内,所述超声模块发出的超声功率为600-700W,超声频率为30-40kHz;
装配体降温至第二温度后的10-15min开启超声模块,在撤去预紧力之前的5-10min关闭超声模块;
所述焊接方法还包括:
在扩散焊接过程中,对阳极靶和转轴基座的表面温度进行实时监测,控制模块根据阳极靶和转轴基座的热膨胀系数分别控制阳极靶和转轴基座的加热温度,具体包括如下步骤:
(1)根据阳极靶和转轴基座的热膨胀系数计算阳极靶和转轴基座的理论温差ΔH;
(2)控制模块通过第二温度传感器采集转轴基座的表面温度,记为H1;
(3)控制模块通过第一温度传感器采集阳极靶的表面温度,并反馈控制第一石墨加热体的发热温度,使得阳极靶的表面温度调整至H2,H2=H1+ΔH,ΔH采用如下公式计算:
;
其中,m1为转轴基座的热膨胀系数,m2为阳极靶的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的X射线管阳极焊接方法,其特征在于,所述超声模块包括依次连接的超声发生器、超声换能器和超声变幅杆;
所述超声发生器和所述超声换能器位于所述炉体外部,所述超声变幅杆穿过所述炉体,所述超声变幅杆位于所述炉体内的一端与所述阳极靶和/或转轴基座紧密接触。
3.根据权利要求1所述的X射线管阳极焊接方法,其特征在于,所述镀膜的厚度为3-6μm,所述镀膜的材质为钛;
其中,所述第一砂料的粒径大于所述第二砂料的粒径,所述第一砂料的直径为1-2mm,所述第二砂料的直径为0.2-0.5mm;
所述高压气体的压力为0.4-1MPa;
所述第一喷砂处理的时间为5-10min,所述第二喷砂处理的时间10-20min。
4.根据权利要求1所述的X射线管阳极焊接方法,其特征在于,步骤(Ⅰ)中,所述炉体内抽真空至1-10Pa;
向炉体内通入保护性气体直至炉体内的压力达到0.2-0.5MPa;
所述第一压板和所述第二压板对装配体施加的预紧力为1-3MPa;
在第一温度下保温30-60min。
5.根据权利要求1所述的X射线管阳极焊接方法,其特征在于,步骤(Ⅱ)中,所述脉冲电流的脉冲频率为20-30Hz;
所述脉冲电流的电流峰值为300-400A;
所述脉冲电流的施加时间为20-30min。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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