CN205600087U - 一种适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的高频感应加热装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置，涉及金属与陶瓷焊接领域。其特征在于：包括由底座(8)固定的不锈钢炉腔(14)，用法兰(4)与氩气相连的进气管(7)，进气阀(5)与流量计(6)，拍摄观察窗(1)，出气管(11)上的出气阀(12)与压力表(13)，肉眼观察窗(3)，感应钎焊加热的下感应线圈，和润湿加热的上感应线圈。滑道内安装一个垂直滑道，热电偶通过滑块固定，放置下微型卡盘的微型升降台，装有上微型卡盘的三维移动平台，润湿工作平台置于用于润湿的线圈中间，固定于下微型卡盘上。本实用新型加热快、效率高、易操作、成本低及对母材影响小，加热区域仅限于感应加热部分，对陶瓷母材的影响小。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属与陶瓷焊接领域，尤其涉及一种适用于金属与陶瓷/金属润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热的装置。
背景技术
工程陶瓷以其高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等特征，在现代工业及科研生产中扮演着越来越重要的角色。但是由于陶瓷本身的塑韧性差，难以加工大而复杂的结构，因而在很大程度上限制了其应用。
金属材料的强韧性及其易加工性能，可以弥补陶瓷材料的不足。因此实现陶瓷材料和金属材料的连接可以很大程度上扩大陶瓷材料的应用。
液态金属在陶瓷基体上的润湿性，对于开发研究新型金属基和陶瓷基复合材料、制备和研发高性能的金属/陶瓷复合材料、冶金过程中的除渣以及金属与陶瓷的连接等方面有重要意义。随着金属基和陶瓷基复合材料及其连接工艺的发展，润湿理论的研究也更加深入。目前研究的陶瓷体系主要有A l2O3、AlN、TiC、Si3N4、SiC复合材料、ZrO2、石墨等。
摄像技术是一项高科技测量技术，其应用已从电影、军事、航空航天等领域延伸到材料科学及相关科学领域。
目前陶瓷与金属连接的方法可概括为：机械连接、静电连接、热等静压、钎焊、固态扩散连接、摩擦焊、超声波连接等。
陶瓷与金属异种材料钎焊连接难点主要表现在以下几个方面：(1)陶瓷材料属于低膨胀性材料与金属的热膨胀系数差异大，因此在接头处容易产生较大的残余应力，从而降低接头的力学性能；(2)陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，表现出良好的稳定性，因此表面很难被金属键的金属润湿。
常用的金属和陶瓷钎焊方法有间接钎焊法和直接钎焊法。间接钎焊法就 是在陶瓷表面预金属化，解决金属陶瓷物性不匹配的问题，实现连接。但是陶瓷表面金属化工序较多，工艺也较为复杂。在高温金属化得到的金属层，容易剥落、氧化、起泡、产生裂纹，陶瓷基体产生花斑、发灰、变形、开裂等缺陷，常温下的电镀、化学镀、冷喷涂、表面刷镀等方法虽然避免了上述问题，但是由于陶瓷本身导电性能差，因此增加了金属化工艺。
直接钎焊法是利用活性元素与陶瓷表面反应形成新相，产生化学吸附，进而形成强的界面结合的方法。目前应用于研究的活性元素主要包括Ti、Zr、Hf、Nb、Ta等活性元素，由于活性元素比较活泼，因此需要真空或者气氛保护进行加热，而真空钎焊对设备要求比较高，而且耗时长，不利于大空间及工艺连接。
发明内容
本实用新型的目的正是对于上述现有技术中存在的不足之处而提供的一种适用于陶瓷氩气保护的高频感应润湿及钎焊的装置。
本实用新型的目的可通过下述技术措施来实现：
一种适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置，其特征在于：它包括由底座(8)固定的不锈钢炉腔(14)，不锈钢炉腔(14)的通过法兰(4)连接与氩气储气瓶相连的氩气进气管(7)，氩气进气管(7)上连接有进气阀(5)与流量计(6)，不锈钢炉腔(14)正上方通过法兰连接摄影观察窗(1)，不锈钢炉腔连接有氩气出气管(11)，氩气出气管(11)上设有氩气出气阀(12)与压力表(13)，不锈钢炉腔(14)舱门通过手动螺栓(2)进行密封，舱门上设有肉眼观察窗(3)；不锈钢炉腔(14)设有用于钎焊加热的下感应线圈内接入口(9)，以及用于润湿加热的上感应线圈内接入口(10)；
不锈钢炉腔(14)内部设有用于进行感应加热钎焊的下感应线圈(24)，用于润湿加热的上感应线圈(28)；不锈钢炉腔内设有一个水平工作台(21)，水平工作台(21)一侧安装一个滑道(30)，滑道(30)内安装一个垂直滑 道(18)，垂直滑道上安装一个通过螺栓固定的滑块(20)，热电偶(19)通过滑块(20)固定，热电偶(19)通过陶瓷电极(15)连接温控表，水平工作台(21)上放置一个固定有下微型卡盘(23)的微型升降台(22)，不锈钢炉腔(14)内部上方，通过螺栓固定一个装有上微型卡盘(26)的三维移动平台(17)，用于润湿的工作平台(27)置于用于润湿的线圈(28)中间，用于润湿的工作平台(27)固定于下微型卡盘(23)上，用于在线实时拍摄观测的摄影装置(29)的光源(25)固定在腔体内部的后侧的中央。
进一步，其特征在于：所述的三维移动平台(17)的悬臂端以螺栓固定于腔体内部。上微型卡盘和下微型卡盘的位置可以任意调节，热电偶可以测量任意位置。
金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置的腔体内的氩气压力可通过调节气体进气流量阀(5)，气体出气阀(12)观察气体流量计(6)和压力表(13)进行控制，可以微量的调节降温速率。
金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置在顶端垂直安装了摄影(29)装置，可以进行实时观测拍摄润湿行为，便于润湿研究。
本实用新型利用所述装置进行陶瓷与金属氩气保护高频感应钎焊或者在陶瓷表面润湿时，具体步骤如下所述：
a、将待钎焊的陶瓷与金属表面及钎料表面清洗干净；
b、将待钎焊的金属与陶瓷分别夹持在上下微型卡盘上，移动试样与高频感应线圈中轴线处，将干净的箔状或者粉状活性钎料一起放置于待对接的部位，上下调节夹持平台，将焊缝调至高频感应线圈的中间平面上；
c、将热电偶的温度探头固定安装在待钎焊陶瓷与金属的准焊缝处，以利于更加准确的控制钎焊温度；
d、关闭腔体的腔体门，并检测密封性；
e、确定腔体密闭性后，打开氩气流量阀，以2.5L/min的流量从氩气进气管导入腔体，同时调节出气阀，使此过程维持15min，使腔体内压力维持在0.02～0.05MPa，此时腔体内全部充满氩气。
f、待氩气保护钎焊腔室内充满氩气后，将氩气流量阀调至500ml/min，压力稳定在0.02MPa～0.05MPa下，然后将工艺参数输入到控制柜中；
g、通水通电使得高频感应钎焊的加热装置进行工作并加热陶瓷与金属工件，加热功率保持在25kW；
h、将高频感应钎焊装置中的待钎焊陶瓷与金属工件加热2-10分钟，然后进行保温，温度控制在钎料液相线以上30-50℃，通过钎料的润湿与铺展完成钎焊，实现可靠的连接；
i、在降温阶段可通过改变气体流量改变降温速度，通过气体的流速将陶瓷与金属工件的热量带走，而加快降温速率，陶瓷与金属工件温度降至室温后，升降试样台，将钎焊结构件从钎焊夹具中卸下即可完成钎焊过程。
本实用新型的有益效果如下：
1、本实用新型利用小型的圆柱型不锈钢作为钎焊室，通过氩气保护感应钎焊，相比于传统的真空钎焊，加热快、效率高、易操作、成本低及对母材影响小，加热区域仅限于感应加热部分，对陶瓷母材的影响小。
2、采用此氩气保护焊，解决了焊接陶瓷与金属时，活性钎料容易氧化，出现氧化物残渣、氧化物夹渣、裂纹、未钎透以及虚焊等钎焊问题。
3、本装置结合了摄影装置，便于对润湿工艺进行实时观测。极大的方便了对润湿铺展行为及其动力学的研究。
附图说明
图1是实用新型装置结构示意图法前视图。
图2是实用新型装置结构示意图的后视图。
图3是实用新型装置结构示意图的内部视图之一。
图4是实用新型装置结构示意图的内部视图之二。
具体实施方式
本实用新型将结合以下实施案例作进一步描述：
如图所示本实用新型适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加 热装置包括由底座(8)固定的不锈钢炉腔(14)，不锈钢炉腔(14)的左下方通过法兰(4)连接与氩气储气瓶相连的氩气进气管(7)，进气管(7)上连接有进气阀(5)与流量计(6)，不锈钢炉腔(14)正上方通过法兰连接摄影观察窗(1)，上方连接有氩气出气管(11)，出气管(11)上设有氩气出气阀(12)与压力表(13)，不锈钢炉腔(14)舱门通过四个手动螺栓(2)进行密封，舱门上设有肉眼观察窗(3)不锈钢炉腔(14)设有用于钎焊加热的下感应线圈内接入口(9)，用于润湿加热的上感应线圈内接入口(10)，不锈钢炉腔(14)内部设有用于进行感应加热钎焊的下感应线圈(24)，用于润湿加热的上感应线圈(28)。不锈钢炉腔内设有一个水平工作台(21)，水平工作台(21)左侧安装一个滑道(30)，滑道(30)内安装一个垂直滑道(18)，垂直滑道上安装一个通过螺栓固定的滑块(20)，热电偶(19)通过滑块(20)固定，热电偶(19)通过陶瓷电极(15)连接温控表，水平工作台(21)上放置一个固定有下微型卡盘(23)的微型升降台(22)，不锈钢炉腔(14)内部上方，通过螺栓固定一个装有上微型卡盘(26)的三维移动平台(17)，用于润湿的工作平台(27)置于用于润湿的线圈(28)中间，固定于下微型卡盘(23)上，用于在线实时拍摄观测的摄影装置(29)的光源(25)固定在腔体内部的后侧的中央。
实验一：
本实用新型以钎焊ZrO2陶瓷和钛合金TC4为例来详细说明使用本实用新型的氩气保护高频感应加热装置钎焊陶瓷与金属工件的方法如下：
a、将待钎焊的ZrO2陶瓷利用金刚石磨盘打磨，去除表面杂质，后用丙酮清洗，去除有机杂质，钛合金TC4先用砂纸打磨，去除表面氧化膜，若有油污，用丙酮清洗，然后置于酒精中待用，活性钎料Ag-Cu-Ti用1000#砂纸打磨，去除表层氧化膜，后用丙酮清洗，去掉油污；
b、将待钎焊的ZrO2陶瓷夹持在下微型卡盘(23)上并固定牢固，待钎焊的钛合金TC4从酒精中取出夹持在上微型卡盘(26)上并固定牢固，将活性钎料置于ZrO2陶瓷上，调节升降台(20)的高度，移动三维行走机构(17)， 最后使ZrO2陶瓷和钛合金TC4位于高频感应线圈中轴线处，最终使接头对接于线圈水平中心处；
c、调节热电偶的温度探头夹具(20)将热电偶的温度探头(19)固定安装在待钎焊陶瓷与金属的准焊缝处，以利于更加准确的控制钎焊温度；
d、关闭腔体的腔体门，旋紧密封螺栓(2)并检测其密封性；
e、确定腔体(14)密闭性后，确定腔体密闭性后，打开氩气流量阀，以2.5L/min的流量从氩气进气管导入腔体，同时调节出气阀，使此过程维持15min，使腔体内压力维持在0.02～0.05MPa，此时腔体内全部充满氩气。
f、待氩气保护钎焊腔室(14)内充满氩气后，将调节氩气流量计(6)使其流量维持在500ml/min，压力表(13)压力稳定在0.02～0.05MPa下，然后输入工艺参数；
g、通水通电使得高频感应钎焊的加热线圈(24)进行工作并加热钛合金TC4和钎料，加热功率保持在25kW；
h、将高频感应钎焊装置中的待钎焊陶瓷与金属工件加热2-10分钟，进行保温，保温温度控制在850℃-900℃，通过钎料的润湿与铺展以及合金化完成钎焊，实现可靠的连接；
i、钎焊作业完成后，关闭加热电源，氩气保护加热室(2)中持续通入氩气，在降温阶段可通过改变气体出气流量(12)改变降温速度，通过气体的流速将ZrO2陶瓷和钛合金TC4工件的热量带走，而改变降温速率，陶瓷与金属工件温度降至室温后，升降试样台，将钎焊结构件从钎焊夹具中卸下即可完成钎焊过程。
实验二：
本实用新型以Ag-Cu-Ti钎料在ZrO2陶瓷上的润湿性为例来详细说明使用本实用新型的氩气保护高频感应加热装置在金属/陶瓷润湿中的方法如下：
a、润湿前拆除悬臂式行走机构(17)；
b、将待润湿的ZrO2陶瓷利用金刚石磨盘打磨，去除表面杂质，后用丙 酮清洗，去除有机杂质，将用于润湿的活性钎料Ag-Cu-Ti用砂纸打磨，去除表层氧化膜，后用丙酮清洗，去掉油污；
c、将待润湿的ZrO2陶瓷水平放置在夹持于下微型卡盘(23)上的试样台(27)上，将活性钎料置于ZrO2陶瓷中央；
d、调节热电偶的温度探头夹具(20)将热电偶的温度探头(19)固定于陶瓷基体上表面上，以利于更加准确的控制润湿温度；
e、调节摄影光源卤素灯(25)的位置，便于摄影的观察，将摄影装置(29)垂直固定于(1)观察窗上，打开摄影软件；
f、关闭腔体的腔体门，旋紧密封螺栓(2)并检测其密封性；
g、确定腔体(13)密闭性后，确定腔体密闭性后，打开氩气流量阀(5)，调节流量计(6)以2.5L/min的流量从氩气进气管导入腔体，同时调节出气阀，使此过程维持15min，使腔体内压力维持在0.02～0.05MPa，此时腔体内全部充满氩气。
h、待氩气保护钎焊腔室(14)内充满氩气后，将氩气流量计(6)调至500ml/min，压力表(13)压力稳定在0.02～0.05MPa下，然后将工艺参数输入到控制柜中；
i、通水通电使得高频感应润湿的加热线圈(28)进行工作并加热置于下微型卡盘(23)中的试样台(27)，加热功率保持在25kW；
j、将高频感应加热装置中的待润湿陶瓷加热2-10分钟，进行保温，保温温度控制在850℃-900℃，并利用摄影进行拍照记录；
k、润湿完成后，关闭加热电源，关闭摄影光源，拆除摄影，氩气保护加热室(2)中持续通入氩气，待降到室温后，关闭进气阀(5)，将出气阀(12)调至最大，使压力表(13)降至大气压，打开腔门，后取出试样，完成润湿过程。
Claims (2)
1.一种适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置，其特征在于：它包括由底座(8)固定的不锈钢炉腔(14)，不锈钢炉腔(14)的通过法兰(4)连接与氩气储气瓶相连的氩气进气管(7)，氩气进气管(7)上连接有进气阀(5)与流量计(6)，不锈钢炉腔(14)正上方通过法兰连接摄影观察窗(1)，不锈钢炉腔连接有氩气出气管(11)，氩气出气管(11)上设有氩气出气阀(12)与压力表(13)，不锈钢炉腔(14)舱门通过手动螺栓(2)进行密封，舱门上设有肉眼观察窗(3)；不锈钢炉腔(14)设有用于钎焊加热的下感应线圈内接入口(9)，以及用于润湿加热的上感应线圈内接入口(10)；
不锈钢炉腔(14)内部设有用于进行感应加热钎焊的下感应线圈(24)，用于润湿加热的上感应线圈(28)；不锈钢炉腔内设有一个水平工作台(21)，水平工作台(21)一侧安装一个滑道(30)，滑道(30)内安装一个垂直滑道(18)，垂直滑道上安装一个通过螺栓固定的滑块(20)，热电偶(19)通过滑块(20)固定，热电偶(19)通过陶瓷电极(15)连接温控表，水平工作台(21)上放置一个固定有下微型卡盘(23)的微型升降台(22)，不锈钢炉腔(14)内部上方，通过螺栓固定一个装有上微型卡盘(26)的三维移动平台(17)，用于润湿的工作平台(27)置于用于润湿的线圈(28)中间，用于润湿的工作平台(27)固定于下微型卡盘(23)上，用于在线实时拍摄观测的摄影装置(29)的光源(25)固定在腔体内部的后侧的中央。
2.根据权利要求1所述的适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的氩气保护高频感应加热装置，其特征在于：所述的三维移动平台(17)的悬臂端以螺栓固定于腔体内部。
Priority Applications (1)
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| CN201521107289.3U CN205600087U (zh) | 2015-12-27 | 2015-12-27 | 一种适用于金属/陶瓷润湿及钎焊的高频感应加热装置 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111922474A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-11-13 | 安徽工程大学 | 一种金属与陶瓷焊接装置 |
| CN112935509A (zh) * | 2021-01-31 | 2021-06-11 | 王书杰 | 大尺寸钛合金棒加工装置 |
| CN113740210A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-12-03 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法 |
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| CN113740210A (zh) * | 2021-09-16 | 2021-12-03 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法 |
| CN113740210B (zh) * | 2021-09-16 | 2024-04-09 | 哈尔滨工业大学（威海） | 一种测定不同热源下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法 |
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