CN203146496U - 一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接的模具，被连接硬质材料包括：陶瓷、玻璃及其他硬质材料。本模具创新之一：能同时起到以下作用：1）简化连接工艺装置，操作简便；2）装卡被连接材料，确保整个结构的稳定性；3)控制接头连接界面间的间隙；4）提供充足的预压力；5）充当间接热源，为连接接头输入充足的热量；6）减缓冷却速率；7）简便工件被连接后的拆卸。创新之二：使用本模具能够采用整体随模加热、冷却的方法。

Description

一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具

技术领域

本实用新型涉及一种大气环境下硬质材料实现可控间隙的随模加热及冷却连接的模具，尤其涉及一种适用于诸如陶瓷、玻璃及其他硬质材料间的快捷、高效及高强的连接模具。

背景技术

随着科技进步和社会生产的发展，硬质材料诸如陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷等）、玻璃（氧化物玻璃和非氧化物玻璃）及金属化合物或矿物类材料因其优异性能得到了广泛地使用。陶瓷因在电性能、化学性能、光学性能及耐热性方面具有金属和其他聚合物材料所无法胜任的优异性能，使其在材料工程、电子工程、化学工程以及机械工程中得到广泛的应用，尤其是在航空航天、生物医疗、机械加工及节能装备方面，陶瓷材料是各国科技发展战略蓝图中的重点；玻璃材料与陶瓷材料一样具有被人类社会使用的悠久历史，是与人类日常生活密切相关的一种硬质材料。玻璃材料因其在力学性能、光学性能及热学方面的独特性能，被广泛地使用在建筑装饰、车辆制造、光伏设备等行业；其他的硬质材料，诸如金属化合物（Cr基、Mn基、W基等）及其他硬质矿物材料也被广泛的使用在社会生产的各个领域。

但硬质材料高硬度、高熔点及大的脆性，使其大规模的应用受到了限制，尤其是在对复杂结构和复合材料越来越关注的当今社会，如何解决硬质材料在复杂结构及制造新的复合材料中的应用难点成了当今普遍关注的焦点。目前各国的研究重点集中在开发可靠地连接方法，将规则的硬质材料件组装成复杂结构或结合成复合材料，主要的研究力量有日本、美国和欧洲（以德国、法国为代表）。日本在硬质材料的连接方面研究最为深入，取得了大量令人振奋的成果，如全陶瓷内燃机、陶瓷真空泵等。

到目前为止，硬质材料的连接主要是同质或异质的硬质材料连接，或者是硬质材料与金属（单质或复合物）的连接，广泛采用的技术主要是机械连接和扩散焊。机械连接主要包括铰接和栓接两种，但该方法获得的接头强度及密封性较差，同时机械加工困难以及对材料基体损伤大，因此不能被广泛地使用在对性能有严格要求的场合；扩散焊因其高连接质量及可靠性，通常被广泛地应用在硬质材料连接领域中。但传统的扩散焊因其真空环境要求高、工艺设备复杂和生产周期长等缺点，因此不能很好的适应绿色环保及节能减排的现代生产发展趋势；以超声波连接方法为代表的机械振动连接方法因其能够用简单的设备在短时间内实现材料的连接，正受到愈来愈广泛的关注；但传统的超声焊接等机械振动连接方法亦存在对被连接材料机械冲击损伤大的明显缺陷，且大多用于硬质材料与相对软的金属材料（Al、Cu、Mg等）的连接，应用受到一定局限。因此如何有效的开发出新的连接方法和装卡模具，使之能同时具备扩散焊和机械振动连接二者优点，即在形成高质量、高可靠性的同时使加工工艺简便，成了当今社会硬质材料加工生产领域中亟需解决的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中问题，本实用新型提供一种能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接的模具，被连接硬质材料选自：陶瓷、玻璃、金属化合物或矿物材料，其特征在于：

一种模具，所述模具能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接，其包括模具底板1、竖立挡板2、紧压件7、配合螺母件8，其特征在于：所述四周竖立挡板2连接于模具底板1上；所述被连接工件11位于模具底板1上及四周竖立挡板2围成的腔内；所述紧压件7与竖立挡板2连接，配合螺母件8用于调节所述紧压件7对被连接工件11的压力大小。

作为本实用新型的进一步改进，上述被连接工件11的材料可以是相同或不同的硬质材料，包括基材一4、基材二6，基材一（4）、基材二（6）中间设有中间层（5）。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具底板1和四周竖立挡板2通过模具底板1上的限位槽、螺栓、螺柱或销紧密配合；上述模具底板1形状优选方形、圆形或者不规则的多边形；上述述竖立挡板2为分立的组装件或整体件，上述整体件优选方形环套、圆环形或任意多边形环套。

优选与模具及被连接工件11尺寸相匹配紧压件7，连接于竖立挡板2上，配合螺母件8来控制调节该紧压件对被连接工件的压力大小。因此该紧压件7能同时起到结构加固和施加预压力的作用。上述紧压件7与竖立挡板2优选竖立挡板2上的螺栓、螺柱或销连接，上述紧压件7的形状优选条状或弓状，上述紧压件7优选对称布置在被连接工件11的边缘。

作为本实用新型的进一步改进，上述中间层5的厚度根据工艺参数调节，当其为可成型材质时，优选片状、箔状；当中间层5为粉体或微粒材料时，优选采用受热易挥发性的有机溶剂作为粘结剂，利用通用粉体压膜设备压制成标准尺寸的中间层。

中间层5的形状根据基材一4和基材二6发生改变；当基材一、二为不规则形状时，如多边形、环形等，中间层5的尺寸优选比基材一4稍大0.5～3mm。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具还可包括间隙控件3，所述间隙控件3紧贴于竖立挡板2内壁，位于竖立挡板2和被连接工件11之间。采用辅助的间隙控件3，通过预设不同工艺所要求的间隙量来抑制第二基材在预压力和连接压力共同作用下的下降距离，从而实现精确地控制连接接头间隙。间隙控件可为块状、环状，可为整体件或分立件；根据实际需要，间隙控件亦可与竖立挡板结合为一体，即在竖立挡板内壁上形成凸台以限定第二基材下落位置，使第一、二基材之间形成预设的工艺参数间隙。

为了实现精确地间隙控制，基材二6的尺寸优选至少比基材一4在一个方向上大一定尺度，并对称向两端伸出，从而与间隙控件3形成良好配合。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具外形尺寸根据被连接工件11的尺寸而定，但模具壁厚必须综合考虑加热效率以及使用寿命两者之间的矛盾，因此其壁厚优选在3～10mm之间。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具还可以包括加热设备9（微波、电磁、电阻等），用于对该模具及模具中的被连接工件11进行整体加热，热量通过模具向被连接工件11传递，使中间层5温度达到预设温度值。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具还可以包括振动设备10，用于提供一定频率的机械振动。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具还可搭配使用压力传感器和/或温度传感器，以此来实时监测接头中的连接压力和接头中的连接温度。

作为本实用新型的进一步改进，上述模具材料最大工作温度应高于被连接工件的工作温度400℃以上，同时还应具有抗氧化、尤其是高温抗氧化等优异性能，材料优选碳素钢、不锈钢（Cr系、W系、Mo系）或合金钢中的一种或几种。

作为本实用新型的进一步改进，上述硬质材料为陶瓷、玻璃、金属化合物或矿物材料中的一种或几种，所述金属化合物为单质或合金。

上述被连接工件11可以为基材一4的材料为陶瓷、玻璃或金属，基材二6的材料为陶瓷、玻璃或其他硬质合金；或者所述基材二6为金属（单质或者合金），基材一4的材料为陶瓷、玻璃或其他硬质合金；或者所述基材一4为金属（单质或者合金），基材二6为陶瓷、玻璃或其他硬质合金。

上述陶瓷选自氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷或碳化物陶瓷。

上述玻璃选自氧化物玻璃或非氧化物玻璃。

本实用新型的有益效果是：

1、使用本实用新型创新设计的可重复使用的模具可以来改变传统连接工艺中的随炉加热方法，简化工艺流程的同时极大的降低生产成本，与此同时该模具适用于各种工况下，如小批量样品试制、应用场合的直接生产以及非车间生产环境中的加工，尤其适合于非规则形状产品的应急生产场合。

2、本实用新型的模具同时兼具装配卡具和热传导媒介作用，一方面解决了因传统的扩散焊须在封闭的腔体中实现而造成机械振动难以施加的难点；另一方面降低了传统的机械振动连接中振动传播压头因热传导而导致的过热问题以及振动传播过程中对基材一4、基材二6造成的振动摩擦损伤。

3、本实用新型采用紧压件7来同时发挥结构紧固和预压力施加的作用，解决了传统方法中广泛采用机械振动头来提供预压力从而造成接头在加热过程中过分受热的难题。本实用新型中，接头预热阶段依赖特殊设计的紧压件来提供充分的预压力确保接头的结构稳定性，在振动施加阶段，因该工艺阶段时间较短，连接压力既可通过紧压件施加亦可通过压头来施加，而无需担心压头过度受热的问题，该模具尤其适用于高温（≥700℃）条件下的硬质材料连接。

4、使用本实用新型的模具可以采用了多种措施来精确控制连接接头间隙，解决了传统扩散连接方法只能不可预期的随机获得接头间隙的难题。通过从特殊设计的间隙控件、被连接基材尺寸以及中间层尺寸三方面综合来控制连接接头间隙，从而能够满足不同连接基材物理性能对连接工艺参数的需求，从而使被连接材料间的性能得到最完美匹配，且能够在没有复杂的保护措施下的大气环境中获得高连接质量和高可靠性的连接接头。

5、本实用新型通过采用设计的模具，尤其适用于大尺寸、大面积的规则或者不规则的相同或不同硬质材料间的连接，同样该方法也适用于硬质材料与金属（单质或者合金）的连接领域。

附图说明

图1是本实用新型结构组件拆分示意图一；

图2是本实用新型结构组件拆分示意图二；

图3是本实用新型结构连接组装图；

图4是本实用新型紧压件7与基材二6位置关系图；

图5是本实用新型模具底板1的形状，a、b为矩形，c、d、e分别为三角形、圆形、正五边形；其中，a带有配合螺母件8，b、c、d、e为带有竖立挡板的模具底板1的俯视图；

图6是本实用新型竖立挡板2的形状，a为矩形竖立挡板的侧视图、b、c、d、e分别为竖立挡板的矩形、三角形、圆形、正五边形的俯视图；

图7是本实用新型紧压件7的形状。

图中各部件名称如下：模具底板1，竖立挡板2，间隙控件3，基材一4，中间层5，基材二6，紧压件7，配合螺母件8，加热设备9，机械振动10。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

实施例一：参见附图1所示，一种模具，所述模具能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接，其包括模具底板1、竖立挡板2、紧压件7、配合螺母件8、被连接工件11，所述竖立挡板2连接于模具底板1上；所述被连接工件11位于模具底板1上及四周竖立挡板2围成的腔内；所述紧压件7与竖立挡板2连接，配合螺母件8用于调节所述紧压件7对被连接工件11的压力大小。被连接工件11：指需要连接在一起的工件。

上述模具的材料为碳素钢。

被连接工件11为相同的硬质材料陶瓷，分为基材一4、中间层5、基材二6，将基材一4、基材二6与中间层5参见图1所示的“三明治”结构装配进入模具中。

被连接工件11的形状为较规则的同心环形、尺寸相当，且为大规模批量生产，模具底板1形状为圆形，参见附图5d所示；竖立挡板2为整体件圆形环套，参见附图6d所示。模具底板1和四周竖立挡板2为限位槽连接，从而减小附加的定位及紧固措施。

选用与模具及连接工件尺寸相匹配紧压件7，通过竖立挡板2上的定位螺柱限位，配合螺母件8来控制调节该紧压件对被连接工件的压力大小，因此该紧固件能同时起到结构加固和施加预压力的作用。

中间层5为可成型材质时，优选采用通用轧膜机轧制成不同厚度的片状、箔状，且中间层5的尺寸优选比基材一4稍大0.5～3mm。

上述紧压件7对称布置在基材二的边缘；其形状为弓状，参见附图7所示。

上述模具还可搭配使用压力传感器和温度传感器，以此来实时监测接头中的连接压力和接头中的连接温度。

本实施例通过特殊设计的通过中间层、预压力及连接压力来间接实现连接接头间隙，能够在没有复杂的保护措施下的大气环境中获得高连接质量和高可靠性的连接接头。

实施例二：参见附图2所示，一种模具，所述模具能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接，其包括模具底板1、竖立挡板2、间隙控件3，紧压件7、配合螺母件8，所述竖立挡板2连接于模具底板1四周；所述被连接工件11位于模具底板1上及四周竖立挡板2围成的腔内；所述间隙控件3紧贴于竖立挡板2内壁，位于竖立挡板2和被连接工件11之间，所述紧压件7与竖立挡板2连接，配合螺母件8用于调节所述紧压件7对被连接工件11的压力大小。

上述模具的材料为不锈钢（Cr系）。

被连接工件11包括不同的硬质材料，分为基材一4、基材二6，将基材与中间层5参见图2所示的“三明治”结构装配进入模具中。基材一4的材料为玻璃，基材二6的材料为合金。

被连接工件11形状复杂，为不规则五边形、尺寸较大或少量生产，模具底板1为规则的方形，参见附图5所示，通过螺柱的定位方式来实现与竖立挡板2的配合，以增加模具的重复使用率。竖立挡板2为组装件，即由独立的规则板件组合，参见附图6a所示。

根据被连接工件11的物理形状，间隙控件3为块状的分立件，间隙控件3限定基材二6下落位置，使基材一4与基材二6之间形成预设的工艺参数间隙。为实现精确地间隙控制，基材二6的尺寸参数至少比基材一4在一个方向上大一定尺度，使之能够对称向两端伸出，从而与间隙控件3形成良好配合，参见附图2所示。

选用与模具及连接工件尺寸相匹配紧压件7，通过竖立挡板2上的定位螺栓限位，配合螺母件8来控制调节该紧压件对被连接工件的压力大小，因此该紧固件能同时起到结构加固和施加预压力的作用。

中间层5为粉体或微粒材料时，优选采用受热易挥发性的有机溶剂作为粘结剂，利用通用粉体压膜设备压制成标准尺寸的中间层。中间层5的尺寸优选比基材一4稍大0.5～3mm，参见附图2所示。

上述紧压件7优选为对称布置在被连接材料边缘；其形状为弓状，参见附图7所示。

上述模具还可搭配使用压力传感器和温度传感器，以此来实时监测接头中的连接压力和接头中的连接温度。

本实施例能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接，简化工艺流程的同时极大的降低生产成本，与此同时该连接方法适用于各种工况下的有效连接，如小批量样品试制、应用场合的直接生产以及非车间生产环境中的加工，尤其适合于非规则形状产品的应急生产场合。

本实施例通过特殊设计的间隙控件、被连接基材尺寸以及中间层尺寸三方面综合来控制连接接头间隙，从而能够满足不同连接基材物理性能对连接工艺参数的需求，从而使被连接材料间的性能得到最完美匹配，且能够在没有复杂的保护措施下的大气环境中获得高连接质量和高可靠性的连接接头。

实施例三：参见附图3所示，一种模具，所述模具能够使硬质材料在大气环境下实现可控间隙的随模加热及冷却连接，其包括模具底板1、竖立挡板2、间隙控件3，紧压件7、配合螺母件8，所述竖立挡板2连接于模具底板1上，被连接工件11位于模具底板1上及四周竖立挡板2围成的腔内；所述间隙控件3紧贴于竖立挡板2内壁，位于竖立挡板2和被连接工件11之间，所述紧压件7与竖立挡板2连接，配合螺母件8用于调节所述紧压件7对被连接工件11的压力大小。

上述模具的材料为不锈钢（Mo系）或合金钢中的两种。

被连接工件11包括不同的硬质材料，分为基材一4、基材二6，将基材与中间层5，参见附图3所示的“三明治”结构装配进入模具中。基材一4的材料为金属，基材二6的材料为陶瓷。

被连接工件11形状为较规则的方形，尺寸相当，且为大规模批量生产时，参见附图5所示。模具底板1和四周竖立挡板2优选为限位槽连接，从而减小附加的定位及紧固措施。竖立挡板2优选为整体件方形环套，参见附图6b所示。

间隙控件3与竖立挡板2结合为一体，即在竖立挡板2内壁上形成凸台以限定基材二6下落位置，使基材一4与基材二6之间形成预设的工艺参数间隙。为实现精确地间隙控制，基材二6的尺寸参数至少比基材一4在一个方向上大一定尺度，使之能够对称向两端伸出，从而与间隙控件3形成良好配合，参见附图3所示。

选用与模具及连接工件尺寸相匹配紧压件7，通过竖立挡板2上的定位销限位，配合螺母件8来控制调节该紧压件对被连接工件的压力大小，因此该紧固件能同时起到结构加固和施加预压力的作用。

中间层5为可成型材质时，优选采用通用轧膜机轧制成不同厚度的片状、箔状。

上述紧压件7优选为对称布置在基材二6的两边，参见附图4所示；其形状为弓状，参见附图7所示。

上述模具包括加热设备9（微波、电磁、电阻等），用于对该模具及模具中的被连接工件11进行整体加热，热量通过模具向被连接工件11传递，使中间层5温度达到预设温度值。当被连接基材外形为圆形或近似圆形、中心对称多边形时，优选采用电磁感应、微波加热方式；当被连接材料外形为不规则及大连接尺寸时，优选为电阻加热方式。

上述模具包括振动设备10，用于提供一定频率的机械振动。

上述模具还可搭配使用压力传感器和温度传感器，以此来实时监测接头中的连接压力和接头中的连接温度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其包括模具底板（1）、竖立挡板（2）、紧压件（7）、配合螺母件（8），其特征在于：所述竖立挡板（2）连接于模具底板（1）上，所述紧压件（7）与竖立挡板（2）连接，配合螺母件（8）调节所述紧压件（7）的压力大小。

2.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：所述模具还包括间隙控件（3），所述间隙控件（3）紧贴于竖立挡板（2）内壁。

3.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：所述模具底板（1）和四周竖立挡板（2）通过模具底板（1）上的限位槽紧密配合。

4.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：所述模具底板（1）形状为方形、圆形或者不规则的多边形；所述竖立挡板（2）为分立的单独件或整体件，所述整体件为方形环套、圆环形或任意多边形环套；所述间隙控件（3）的形状为块状或环状；所述紧压件（7）的形状为条状或弓状。

5.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：所述模具的模具底板（1）、竖立挡板（2）、紧压件（7）的壁厚在3-10mm之间。

6.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：还包括被连接工件（11），被连接工件（11）包括基材一（4）、中间层（5）、基材二（6），基材一（4）置于下层、基材二（6）置于上层，中间层（5）位于基材一（4）和基材二（6）中间。

7.根据权利要求6所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：所述紧压件（7）对称分布在被连接工件（11）边缘。

8.根据权利要求6所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：还包括加热设备（9），对模具和被连接工件（11）进行整体加热。

9.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：还包括振动设备（10），提供机械振动。

10.根据权利要求1所述的一种大气环境下硬质材料实现可控间隙连接的模具，其特征在于：还包括压力传感器和/或温度传感器，实时监测接头中的连接压力和接头中的连接温度。

Images