CN1669718A

CN1669718A - 真空扩散焊机加压装置及加压方法

Info

Publication number: CN1669718A
Application number: CN 200510041844
Authority: CN
Inventors: 熊江涛; 李京龙; 张赋升; 王忠平
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: CN100368135C

Abstract

本发明公开了一种真空扩散焊机加压装置，其目的是解决现有技术焊接时间长，焊接温度高的问题，其解决技术问题的方案是在现有技术的基础上增加一个振动气缸(1)，和与振动气缸(1)配套的精密调压阀、振动控制阀和可编程控制器PLC，振动气缸(1)与加压气缸(2)共用一根上加压轴(3)，其余零部件均刚性连接，振动气缸(1)通过精密调压阀、振动控制阀与气源气路连接，并与加压气路的并联；振动控制阀由可编程控制器PLC控制。本发明公开了这种真空扩散焊机加压装置的加压方法，通过振动加载或者振动与静压的复合加载，可降低焊接温度30～300℃、减少焊接保温时间20％～50％，提高设备效率1～3倍。

Description

真空扩散焊机加压装置及加压方法

技术领域

本发明涉及一种真空扩散焊机加压装置，还涉及这种真空扩散焊机加压装置的加压方法。

背景技术

真空扩散焊机加压装置的执行体主要为单气压缸或单液压缸，例如，张赋升等人在其研制的扩散焊机中采用的是单液压缸执行体[张赋升，熊江涛等。新型辐射加热真空焊机研制。兰州理工大学学报，2004，30：243～245]。以此类执行体为核心构成的加压系统的公知形式如附图1-a所示。单缸执行体使加压只能在恒压、缓升以及缓降三种方式中选择、组合。个别设备为增加压力，使用串联双气压缸执行体。但加压仍只限于上述三种方式。更重要的这三种加压方式使被焊件接头的接触界面始终处于静载或准静载状态下，无法提供交变冲击载荷，因此无法利用接头接触界面原子的快速动态扩散，也无法破碎接触界面氧化膜。由于在使用此类加压系统扩散焊过程中，下加压轴9、上压头10、被焊零件上部11、被焊零件下部12、下压头13、真空室底板14之间不用在加压之前刚性连接，当施加压力后，上述各部件所在的加压轴线，便自然处于力学稳定状态，不会产生被焊接头错位、偏斜等现象。基于上述原因，真空扩散焊机表现出以下不足：第一，焊接时间长，整个焊接过程为5～10小时；焊接温度高，一般为0.6～0.85T_m，其中T_m为被焊材料熔点温度。所以焊接效率较低；第二，由于焊接温度较高，所以不适于焊接线膨胀系数相差1.5～2倍以上的异种材料。第三，不适于焊接铝合金、铝基复合材料等具有稳定、致密氧化膜的材料；

发明内容

为了克服现有技术的下列不足：第一，焊接时间长；第二，不适于焊接线膨胀系数相差1.5～2倍以上的异种材料；第三，不适于焊接铝合金、铝基复合材料等具有稳定、致密氧化膜的材料。本发明提供一种真空扩散焊机加压装置，其在保留了现有真空扩散焊机恒压、缓升以及缓降三种方式的基础上，还可提供频率、幅值能够分别调节的振动冲击载荷压力。振动冲击载荷压力不仅可以单独使用，而且还可以与原有的静载或准静载加压方式偶合在一起使用。

本发明还提供这种真空扩散焊机加压装置的加压方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种真空扩散焊机加压装置，包括加压气缸2、上加压轴3、压力传感器4、上法兰顶部凸台5、上法兰6、下法兰7、波纹管8、下加压轴9、上压头10、下压头13、底板14和真空室15，其特征在于：还包括振动气缸1、精密调压阀、振动控制阀和可编程控制器PLC，振动气缸1与加压气缸2共用一根上加压轴3，上加压轴3通过螺纹与压力传感器4上端刚性连接，压力传感器4下端通过螺纹与上法兰顶部凸台5连接，下法兰7与波纹管8连成一体，下加压轴9穿过波纹管8与上法兰6固连，下加压轴9下端伸入真空室15内；振动气缸1通过精密调压阀、振动控制阀与气源气路连接，并与加压气路并联；振动控制阀由可编程控制器PLC控制。

所述的下加压轴9下端与上压头10刚性连接，上压头10与被焊零件上部11上端刚性连接；下压头13下端固定在底板14上，下压头13上端与被焊零件下部12下端刚性连接。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种上述真空扩散焊机加压装置的加压方法，其特征在于下述步骤：

1)将被焊零件上部11与被焊零件下部12装入真空室，将被焊零件上部11上端与上压头10刚性连接，上压头10与下加压轴9刚性连接；被焊零件下部(12)下端与下压头(13)上端刚性连接。

2)关闭真空室门，在真空条件下通过可编程控制器PLC输入和控制所需要的振动压力频率，精密调压阀调节所需要的振动压力幅值，加载振动压力，完成焊接过程。

完成步骤1)后，通过加压气路、加压气缸施加静载或准静载压力，同时，可编程控制器PLC输入和控制所需要的振动压力频率，精密调压阀调节所需要的振动压力幅值，加载振动压力，完成焊接过程。

振动压力的加载、振动压力与静载或准静载加压方式的偶合既可在扩散焊加热之前的真空、室温条件下进行，也可在扩散焊加热、保温过程的任意区间段进行，具体选择根据被焊材料的性质而定。

本发明的有益效果是：由于采用振动气缸与加压气缸的串联机械结构以及振动气路与加压气路的并联气路结构，使恒压、缓升以及缓降的静载或准静载加压方式与振动的交变冲击加压方式，不仅可以互无干扰的单独使用，而且可以耦合在一起使用。因此为扩散焊加压方式提供了多种全新的选择方案。

在扩散焊过程中施加振动压力，使热能与振动面能量在接头界面处耦合，而耦合的效果大于上述两能量的累加效应。首先，在保证高强度焊接的基础上，可降低焊接温度30～300℃、减少焊接保温时间20％～50％，提高设备效率1～3倍；其次，振动为待焊表面提供了集中的面能量，降低了焊接温度，所以可以明显缓解因线膨胀系数差异而在热过程中引入的热应力。适合陶瓷与金属等线膨胀系数差异较大的异种材料焊接；最后，由于振动破碎了待焊表面稳定、致密的氧化膜，所以适合铝合金、铝基复合材料的焊接。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是现有技术示意图

图中，1-振动气缸，2-加压气缸，3-上加压轴，4-压力传感器，5-上法兰顶部凸台，6-上法兰，7-下法兰，8-波纹管，9-下加压轴，10-上压头，11-被焊零件上部，12-被焊零件下部，13-下压头，14-真空室底板，15-真空室。

具体实施方式

参照图1。加压执行体由一个可施加静载或准静载压力的加压气缸2与一个可施加冲击压力的振动气缸1串联组成。即振动气缸1在加压气缸2上方，两者共用一根上加压轴3。

振动气缸1与加压气缸2共用的上加压轴3通过螺纹与压力传感器4上端刚性连接，压力传感器4下端通过螺纹与上法兰顶部凸台5连接，下法兰7与波纹管8一体，同时上法兰6内部固定着下加压轴9，下加压轴9穿过波纹管8伸入真空室15内部。

为使被焊接头不会在振动压力加载过程中产生错位、偏斜等现象，同时振动压力有效的加载到接头接触界面上，真空室内部加压轴线上各个部件之间，除被焊零件上部11与被焊零件下部12接头接触界面外，均要在加压之前进行刚性连接。即，在真空室15内部的下加压轴9下端连接有上压头10，同时上压头10与被焊零件上部11连接，两连接均为刚性。下压头13下端固定在真空室底板14上，同时下压头13上端夹持着被焊零件下部12。

振动气缸工作时便可将交变冲击载荷，即振动压力完全传递到被焊零件上部11与被焊零件下部12接触的接头界面上。

振动气缸的工作是通过振动气路控制的。气路上，振动气缸依次与精密调压阀、振动控制阀、气源串联构成振动气路，其中振动控制阀由可编程控制器PLC控制。在这一串联气路上，精密调压阀控制振动压力幅值、振动控制阀通过接受可编程控制器给出的频率信号控制振动压力的频率。

气路上，振动气路与加压气路共用一个气源。并且在加压气缸2与振动气缸1串联构成的加压执行体与气源之间，振动气路与加压气路以并联方式存在。

扩散焊过程中，单独使用振动压力的加压方法是：在室温环境下，打开真空室门；将被焊零件上部11与被焊零件下部12装入真空室，分别使被焊零件上部11、上压头10、下加压轴9之间，被焊零件下部12、下压头13、真空室底板14之间刚性连接(例如，螺纹连接)。同时确保连接后上述各部件同轴；关闭真空室门；抽真空，使真空室内真空度优于1.3×10^-2Pa；通过可编程控制器PLC输入与精密调压阀调节分别调节所需要的振动压力频率、幅值；加载振动压力。振动压力的加载既可在扩散焊加热之前的真空、室温条件下进行，也可在扩散焊加热、保温过程的任意区间段进行。具体选择根据被焊材料的性质而定。

被焊件采用具有稳定、致密氧化膜的铝合金LD2试件。比较常规真空恒温、恒压扩散焊与真空振动复合能量扩散焊工艺参数与焊后接头性能。

两种焊接方法的焊前试件表面处理相同：1500#金相砂纸打磨，Keller试剂(HF：2ml，HCl：3ml，HNO₃：5ml，H₂O：190ml)化学清洗2min，酒精超声波清洗3min。

常规真空恒温、恒压扩散焊工艺参数：真空度3.8×10^-3Pa，焊接压力3MPa，焊接保温温度520℃，焊接保温时间210min。焊后接头抗拉强度为72MPa。

真空振动复合能量扩散焊工艺参数：真空度3.8×10^-3Pa，焊接压力2.5MPa，焊接保温温度480℃，焊接保温时间60min；振动力幅值600N，振动频率167Hz，施加振动温度480℃，振动时间20min(焊接保温阶段的前20min)；焊后接头抗拉强度为106MPa。

扩散焊过程中，振动压力与静载或准静载加压方式偶合的加压方法是：在室温环境下，打开真空室门；将被焊零件上部11与被焊零件下部12装入真空室，分别使被焊零件上部11、上压头10、下加压轴9之间；被焊零件下部12、下压头13、真空室底板14刚性连接(例如，螺纹连接)，同时确保连接后上述各部件同轴；关闭真空室门；抽真空，使真空室内真空度优于1.3×10^-2Pa；通过加压气路、加压气缸2施加静载或准静载压力；通过可编程控制器PLC输入与精密调压阀调节分别调节所需要的振动压力频率、幅值；加载振动压力。振动压力与的静载或准静载加压方式偶合的偶合既可在扩散焊加热之前的真空、室温条件下进行，也可在扩散焊加热、保温过程的任意区间段进行。具体选择根据被焊材料的性质而定；

振动气缸可以和任意规格、型号的单气压缸或单液压缸串联。但是，若选用液压缸，则应配有相应的油箱和液压装置。在选择振动气缸的振动频率时，因避开加压装置的共振频率区。

被焊件采用线膨胀系数差异较大钛合金TC4与SiC陶瓷等。比较常规真空恒温、恒压扩散焊与真空振动复合能量扩散焊工艺参数与焊后接头性能。：

两种焊接方法的焊前试件表面处理相同：1500#金相砂纸打磨，酒精超声波清洗3min。

常规真空恒温、恒压扩散焊工艺参数：真空度3.8×10^-3Pa，焊接压力2MPa，焊接保温温度1280℃，焊接保温时间90min。焊后接头抗拉强度为102MPa。

真空振动复合能量扩散焊工艺参数：真空度3.8×10^-3Pa，焊接压力2.5MPa，焊接保温温度1000℃，焊接保温时间45min；振动力幅值480N，振动频率140Hz，施加振动温度1000℃，振动时间25min(焊接保温阶段的前25min)；焊后接头抗拉强度为144MPa。

Claims

1、一种真空扩散焊机加压装置，包括加压气缸(2)、上加压轴(3)、压力传感器(4)、上法兰顶部凸台(5)、上法兰(6)、下法兰(7)、波纹管(8)、下加压轴(9)、上压头(10)、下压头(13)、底板(14)和真空室1(5)，其特征在于：还包括振动气缸(1)、精密调压阀、振动控制阀和可编程控制器PLC，振动气缸(1)与加压气缸(2)共用一根上加压轴(3)，上加压轴(3)通过螺纹与压力传感器(4)上端刚性连接，压力传感器(4)下端通过螺纹与上法兰顶部凸台(5)连接，下法兰(7)与波纹管(8)连成一体，下加压轴(9)穿过波纹管(8)与上法兰(6)固连，下加压轴(9)下端伸入真空室(15)内；振动气缸(1)通过精密调压阀、振动控制阀与气源气路连接，并与加压气路并联；振动控制阀由可编程控制器PLC控制。

2、根据权利要求1所述的真空扩散焊机加压装置，其特征在于：所述的下加压轴(9)下端与上压头(10)刚性连接，上压头(10)与被焊零件上部(11)上端刚性连接；下压头(13)下端固定在底板(14)上，下压头(13)上端与被焊零件下部(12)下端刚性连接。

3、一种根据权利要求1所述的真空扩散焊机加压装置的加压方法，其特征在于下述步骤：

1)将被焊零件上部(11)与被焊零件下部(12)装入真空室，将被焊零件上部(11)上端与上压头(10)刚性连接，上压头(10)与下加压轴(9)刚性连接；被焊零件下部(12)下端与下压头(13)上端刚性连接。

4、根据权利要求3所述的真空扩散焊机加压装置的加压方法，其特征还在于：完成步骤1)后，通过加压气路、加压气缸施加静载或准静载压力，同时，通过可编程控制器PLC输入和控制所需要的振动压力频率，精密调压阀调节所需要的振动压力幅值，加载振动压力，完成焊接过程。

5、根据权利要求3或4所述的真空扩散焊机加压装置的加压方法，其特征还在于：振动压力的加载、振动压力与静载或准静载加压方式的偶合既可在扩散焊加热之前的真空、室温条件下进行，也可在扩散焊加热、保温过程的任意区间段进行，具体选择根据被焊材料的性质而定。