CN103028828A - 基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，从上到下依次设有压力控制装置、压头、上绝缘垫块、上电极压杆、下电极压杆、下绝缘垫块和支撑台，所述上电极压杆和下电极压杆之间为焊接工件，所述焊接工件从上到下依次为金属工件、中间层和非金属工件或非金属工件、中间层和金属工件，还包括第一石墨发热体、金属环境温度测控装置、第一石墨发热体电源、第二石墨发热体、第二石墨发热体电源和非金属环境温度测控装置。本发明还公开了一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接方法。本发明能有效降低扩散焊温度，实现非金属工件和金属工件在扩散焊接过程中的同步伸缩。

Description

基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置和方法

技术领域

本发明涉及一种焊接装置和方法，具体涉及一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置和方法。

背景技术

扩散焊接接头高温性能优良，适合于化学性能相差较大的异种材料连接，如陶瓷和金属的连接等。尽管其焊接时间较长，对焊件表面制备和装配要求较高，但在航空航天、核工程等领域具有广泛的应用前景。

非金属和金属扩散焊接的关键是如何控制焊接残余应力。近年来，国内外学者对此进行了较为广泛的研究。为了控制焊接残余应力常在固相扩散焊接头插入中间层(冀小强，等.用Zr/Nb复合中间层连接SiC陶瓷与Ni基高温合金[J].硅酸盐学报，2002，30(3):305-310.)。但插入中间层方法无法回避一个关键问题，那就是连接材料和被连接材料都必须经历完全相同的焊接热循环，这就不可避免在焊接接头中易形成较高的残余应力场。对此，日本的Yasuhiro FUKAYA等人采用脉冲大电流对A1₂O₃陶瓷和SUS304进行了扩散焊研究。首先通过钎焊方法在A1₂O₃陶瓷、SUS304待连接面预置Ag、Cu薄膜，之后对A1₂O₃陶瓷/Ag薄膜与Ag薄膜/SUS304、A1₂O₃陶瓷/Cu薄膜与Cu薄膜/SUS304之间进行脉冲大电流加压扩散焊，结果表明A1₂O₃陶瓷侧开裂现象得到明显改善(YasuhiroFUKAYA，Yasuhisa OKUMOTO，Aki hiko IKUTA，Hidenori KUROKI，BondingA1₂O₃ to SUS304 By Pulse Current Heated Bonding atfer Brazing Ag，Cu Thin plateto A1₂O₃，SUS304，焊接学会论文集，第19卷，第二号，p.336-344(2001)。专利(申请号：201010233919.7)，提出了一种不锈钢与氧化锆陶瓷的SPS连接方法，整个焊件环境温度由单一的石墨加热体提供，且焊接参数选取较大，升温速率60~200℃/min、连接温度1000~1100℃，容易使工件内部产生很大的残余应力，降低接头力学性能。

以上研究虽然对非金属和金属扩散焊接降低接头残余应力起到了积极作用，但仍存在以下不足之处：对于常规扩散焊在非金属和金属之间插入中间层，往往需要提高连接温度和压力，同时非金属、中间层、金属都必须经历完全相同的焊接高温热循环；对于简单地将脉冲大电流产生的电阻热施加于非金属/中间层/金属扩散焊接全过程，那么势必造成焊接加热和冷却速率难以控制，由于非金属与金属之间热膨胀系数、弹性模量等热物理性能参数相差悬殊，在焊接冷却过程同样会引发较高的残余应力。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置和方法，能有效降低扩散焊温度，实现非金属工件和金属工件在扩散焊接过程中的同步伸缩。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，从上到下依次设有压力控制装置、压头、上绝缘垫块、上电极压杆、下电极压杆、下绝缘垫块和支撑台，所述上电极压杆和下电极压杆之间为焊接工件(即金属工件、中间层和非金属工件)，所述焊接工件从上到下依次为金属工件、中间层和非金属工件或非金属工件、中间层和金属工件，还包括第一石墨发热体、金属环境温度测控装置、第一石墨发热体电源、第二石墨发热体、第二石墨发热体电源和非金属环境温度测控装置，所述第一石墨发热体和第二石墨发热体分别设在金属工件和非金属工件旁，所述金属环境温度测控装置和非金属环境温度测控装置分别通过第一石墨发热体电源和第二石墨发热体电源连接第一石墨发热体和第二石墨发热体所述金属环境温度测控装置和非金属环境温度测控装置分别检测金属工件和非金属工件周边环境的温度，控制第一石墨发热体电源和第二石墨发热体电源的电流。

优选的，还包括大电流脉冲电源，所述大电流脉冲电源连接上电极压杆和下电极压杆。更优选的，所述大电流脉冲电源为数控单脉冲电源。

优选的，所述压头、上绝缘垫块、上电极压杆、焊接工件、下电极压杆、下绝缘垫块、支撑台、第一石墨发热体和第二石墨发热体置于真空扩散炉中。

优选的，所述第一石墨发热体和第二石墨发热体的形状为空心圆腔，且所述第一石墨发热体和第二石墨发热体分别环绕金属工件和非金属工件。

优选的，所述压力控制装置采用液压控制。

本发明采用的第二种技术方案为一种利用如上所述扩散焊接装置进行扩散焊接的方法，包括如下步骤：

步骤1：将焊接工件放入真空扩散炉内，金属工件和非金属工件分别置于第一石墨发热体和第二石墨发热体内，中间层位于所述金属工件和非金属工件之间；

步骤2：使用上电极压杆和下电极压杆压紧焊接工件，抽取真空扩散炉内的空气，至真空扩散炉内达到1~5×10^-2Pa的真空状态，之后分别接通第一石墨发热体电源和第二石墨发热体电源；

步骤3：接通大电流脉冲电源，通过上电极压杆和下电极压杆对焊接工件施加大电流脉冲，使得中间层与金属工件和非金属工件之间的界面微区形成瞬时液相薄膜层；

步骤4：卸载大电流脉冲，按照步骤2所述的条件继续扩散焊；

步骤5：切断第一石墨发热体电源和第二石墨发热体电源，工件随真空扩散炉冷却至室温；撤除上电极压杆和下电极压杆对工件施加的压力，完成扩散焊接。

优选的，所述步骤2和步骤4中，上电极压杆对焊接工件的压力为1-3MPa；所述步骤3中，上电极压杆对焊接工件的压力为5-10MPa。

有益效果：本发明使非金属与金属所处环境温度独立可调，以实现非金属和金属在扩散焊加热和冷却过程中的同步伸缩；通过控制大电流脉冲群的脉冲个数和脉冲群频率，实现界面微区温度迅速升高并形成瞬时液相薄膜层，以有效降低后续扩散焊的温度和压力载荷；本发明控制手段灵活、使用方便，可广泛应用于物理和力学性能相差悬殊的异种材料扩散焊接，如各种非金属与金属材料焊接等。

附图说明

图1为基于焊件局部环境温度独立控制的扩散焊接装置结构示意图；

图2为基于焊件局部环境温度独立控制的扩散焊接流程图；

图3为压力控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明基于非金属和金属的热膨胀系数、弹性模量等存在显著差异的特点，使用两个独立的石墨发热体为非金属件和金属件提供环境温度，以实现非金属和金属在扩散焊加热和冷却过程中的同步伸缩；扩散焊初期在待连接界面施加低电压大电流脉冲群，通过控制大电流脉冲群的脉冲个数和脉冲群频率，实现界面微区温度迅速升高并形成瞬时液相薄膜层，以有效降低后续扩散焊的温度和压力载荷；扩散焊结束之后的冷却阶段，在确保非金属和金属同步伸缩的基础上，根据工件实时温度，通过压力控制装置，调节焊接过程施加的压力，使之按照规定的数值变化，进一步实现焊接接头残余应力和变形最小化。

参见图1，本发明相关装置包括如下部分：金属环境温度测控装置1、第一石墨发热体2、上电极压杆3、上绝缘垫块4、压力控制装置5、压头6、金属工件7、大电流脉冲电源8、中间层9、非金属工件10、下电极压杆11、支撑台12、下绝缘垫块13、非金属环境温度测控装置14、第二石墨发热体电源15、第二石墨发热体16、第一石墨发热体电源17。所述的上电极压杆3、下电极压杆11具有导电功能，上电极压杆3连接金属工件7和大电流脉冲电源8的正极，下电极压杆11连接非金属工件12和大电流脉冲电源8的负极，所述的非金属工件10、中间层11、金属工件7、第二石墨发热体16、第一石墨发热体2、上电极压杆3、上绝缘垫块4、压头6、下电极压杆11、支撑台12和下绝缘垫块13位于真空扩散炉(未图示)中(即图中的虚线框所示部件位于真空扩散炉中)，第一石墨发热体电源17和第二石墨发热体电源15分别为第一石墨发热体2和第二石墨发热体16供电。

基于焊件局部环境温度独立控制的扩散焊接原理如下：

首先第一石墨发热体电源17、第二石墨发热体电源15分别为第一石墨发热体2、第二石墨发热体16供电，使之产生辐射热，分别为金属工件和非金属工件提供合适的焊接环境温度；然后大电流脉冲电源8对非金属工件10、中间层9、金属工件7施加可控的大电流脉冲；在压力控制装置5和压头6的作用下，上电极压杆3对金属工件7、中间层9、非金属工件10施加压力，需要加压时，压力控制装置5根据压力实时反馈值和给定值，计算压力偏差，输出控制电磁阀的开度指令，实现压力的自动调节；在电阻热、放电热、辐射热的共同作用下，中间层与金属工件和非金属工件的界面微区局部熔化并形成瞬时液相薄膜层，此时可以停止大电流脉冲的输出；然后第一石墨发热体电源17、第二石墨发热体电源15继续分别为第一石墨发热体2、第二石墨发热体16供电，从而持续提供辐射热以维持扩散焊的环境温度。由于接触面上晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆积，界面区能量显著增加，原子处于高度激活状态，因此只需进行较短时间保温，通过原子的短程扩散即可完成焊接过程；由于扩散焊接过程中非金属和金属实现了同步伸缩，同时大电流脉冲在界面微区形成的瞬时液相薄膜层有效降低了后续扩散焊的温度和压力载荷，因此可以实现非金属和金属的低应力小变形焊接。

下面以金属工件材料40Cr钢、非金属工件材料Ti(C、N)金属陶瓷、中间层材料Cu粉+5%Ti粉(厚度20~30μm)为例，结合附图对本发明作更进一步说明。

本发明选用石墨体作为环境辐射热源，石墨体材料为公开技术；大电流脉冲电源8可选用数控单脉冲电源，脉冲频率为1~50Hz，脉冲电流峰值为500~800A，基值电流45~55%；焊接环境温度600~900℃可控，非金属工件材料Ti(C，N)金属陶瓷的环境温度高于金属工件材料40Cr钢的环境温度，外加压力1~10MPa。

参照图1，上电极压杆3、上绝缘垫块4、压力控制装置5、压头6相连；金属环境温度测控装置1和非金属环境温度测控装置14通过热电偶分别检测金属工件和非金属工件的局部环境温度，并通过第一石墨发热体电源17、第二石墨发热体电源15分别为第一石墨发热体2、第二石墨发热体16供电，使之产生辐射热，为金属工件材料40Cr钢和非金属工件材料Ti(C、N)金属陶瓷提供合适的焊接环境温度，本实施例中，金属工件材料40Cr钢和非金属工件材料Ti(C、N)金属陶瓷的焊接环境温度分别为700℃和800℃。

参照图1、图3，压力控制装置5中的滑块512与压头6，为上电极压杆3提供压力来源，为了使焊接工件(即金属工件、中间层和非金属工件)所承受压力可控，采用液压控制方式。

参照图2，基于焊件局部环境温度独立控制的扩散焊接过程如下：

(1)将打磨并用丙酮清洗的Ti(C,N)金属陶瓷/Cu粉+5%Ti粉/40Cr钢工件放入真空炉中，Ti(C,N)金属陶瓷和40Cr钢分别置于两个石墨发热体内，Cu粉+5%Ti粉中间层位于Ti(C,N)金属陶瓷与40Cr钢之间。

(2)抽取扩散炉内空气至1~5×10^-2Pa真空状态，通过上电极压杆对焊接工件施加预制压力1-3MPa，之后分别接通两个石墨体加热电源，为焊接工件提供合适的环境温度。

(3)调整上电极压杆对焊接工件的压力为5-10MPa，通过上电极压杆和下电极压杆对焊接工件施加大电流脉冲，在大电流脉冲的作用下，Cu粉+5%Ti粉颗粒之间，以及Ti(C,N)金属陶瓷与Cu粉+5%Ti粉、40Cr钢/Cu粉+5%Ti粉之间，由于接触电阻热和放电热效应，温度迅速升高直至形成液相，在毛细管力和外加挤压力作用下，连接界面微区形成瞬时液相薄膜层；为了确保施加大电流脉冲阶段界面能够产生瞬时液相薄膜层，以及常规扩散焊的需要，采用两种施加压力。即在只使用两个石墨体加热电源进行焊接时压力较大，而在施加大电流脉冲阶段压力较小，以确保产生足够的电阻热和放电热，直至Cu粉+5%Ti粉全部熔化。

(4)施加大电流脉冲后，一旦连接界面微区形成液相薄膜层，即可卸载大电流脉冲群，进入恒温恒压的常规扩散焊阶段，上电极压杆对焊接工件的压力恢复为1-3MPa，该阶段时间根据工件大小而定，其取值范围为15~60min。

(5)常规扩散焊阶段结束，切断两个石墨体加热电源，工件随炉冷却至室温；撤除预制压力，完成整个扩散焊接过程。

在对界面温度进行控制时，大电流脉冲群的控制参数为：群内脉冲个数n、脉冲群频率f，n、f的作用及调节方法如下：

(1)n的作用

在焊接初始阶段，由于界面局部为点接触，电流密度较大，为了减少焊接应力，需要控制界面升温速率，所需要的n值较小；当局部界面液相层形成后，点接触减少，电流密度下降，界面电阻热和放电热逐渐减小，为了使界面继续熔化，n值逐渐增大；在点接触消失、界面液相薄膜层形成后，电流密度迅速下降，界面电阻热和放电热显著减小，为了加快焊接进程，仍然需要施加n较小的大电流脉冲群，峰值温度维持一段时间后，关闭大电流脉冲群。

(2)f的作用

当n一定、f较大时，单位时间内的脉冲群个数增多，加热速度较大；当n一定、f较小时，单位时间内的脉冲群个数较小，加热速度降低。

参照图3，压力控制装置5主要组成部分如下：油箱501、过滤器502、变量泵503、溢流阀504、单向阀505、三位四通电磁换向阀506、调速阀507、单向顺序阀508、单向阀509、二位二通电磁换向阀510、液压缸511、滑块512、电磁继电器513、行程开关xk1、行程开关xk2、行程开关xk3。

滑块512工作循环为：快速下行→慢速加压→保压延时→慢速减压→原位停止，具体实施方式如下：

(1)快速下行

电磁铁1YA和3YA通电，电磁换向阀506和电磁换向阀510均换至右位。

进油路：变量泵503→单向阀505→电磁换向阀506→调速阀507→液压缸511上腔(无杆腔)；

回油路：液压缸511下腔有杆腔→电磁换向阀510→液压缸上腔(无杆腔)。

此时液压缸滑块512受自重影响会快速下降，采用差动连接也保证了液压缸511上腔供油，以及滑块512的快速下行。

(2)慢速接近工件和逐步加压

滑块上安置的挡铁压下行程开关XK2时，电磁铁3YA断电，电磁换向阀510处于左位，单向阀509关闭。

进油路：变量泵503→单向阀505→电磁换向阀506→调速阀507→液压缸511上腔(无杆腔)。

回油路：液压缸511下腔(有杆腔)→电磁换向阀510→单向顺序阀508→油箱501。

单向顺序阀508使下腔建立起背压，滑块靠自重不能下降，变量泵503供给的压力油使之下行。因为回油路已改变，上腔供油速率降低，压力升高减慢，活塞速度降低。当滑块511慢速接触工件时，阻力(负载)急剧增加，调速阀流量减小，液压缸活塞速度进一步降低，以极慢的速度对工件加压。

(3)保压延时

当液压缸511工作压力达到预定值时，压力继电器513发出电气控制信号，电磁铁1YA断电，电磁换向阀506复中位，液压缸进回液腔封闭，变量泵503经电磁换向阀506中位卸荷。保压时间可由压力继电器513控制的时间继电器调节。

(4)慢速减压

保压结束后，时间继电器发出信号使电磁铁2YA通电，电液换向阀506切至左位。

进油路：变量泵503→电磁换向阀506→单向阀509→电磁换向阀510→液压缸511下腔(有杆腔)。

回油路：液压缸511上腔(无杆腔)→调速阀507→电磁换向阀506→油箱。

说明：通过控制调速阀的流速控制液压缸活塞回程速率，从而控制工件减压速率。

(5)停止

液压缸位于其反向行程末端时，挡铁下压行程开关XK1，电磁铁2YA断电，电液换向阀506处于中位，液压缸被锁而停止。变量泵503此时处于卸荷状态。在使用中，可随时手动控制2YA断电，使液压缸随时处于停止状态。

Claims (7)

1.一种基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，从上到下依次设有压力控制装置(5)、压头(6)、上绝缘垫块(4)、上电极压杆(3)、下电极压杆(11)、下绝缘垫块(13)和支撑台(12)，所述上电极压杆(3)和下电极压杆(11)之间为焊接工件，所述焊接工件从上到下依次为金属工件(7)、中间层(9)和非金属工件(10)或非金属工件(10)、中间层(9)和金属工件(7)，其特征在于：还包括第一石墨发热体(2)、金属环境温度测控装置(1)、第一石墨发热体电源(17)、第二石墨发热体(16)、第二石墨发热体电源(15)和非金属环境温度测控装置(14)，所述第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)分别设在金属工件(7)和非金属工件(10)旁，所述金属环境温度测控装置(1)和非金属环境温度测控装置(14)分别检测金属工件(7)和非金属工件(10)周边环境的温度，所述金属环境温度测控装置(1)和非金属环境温度测控装置(14)分别通过第一石墨发热体电源(17)和第二石墨发热体电源(15)连接第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)。

2.根据权利要求1所述基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，其特征在于：还包括大电流脉冲电源(8)，所述大电流脉冲电源(8)连接上电极压杆(3)和下电极压杆(11)。

3.根据权利要求1所述基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，其特征在于：所述压头(6)、上绝缘垫块(4)、上电极压杆(3)、焊接工件、下电极压杆(11)、下绝缘垫块(13)、支撑台(12)、第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)置于真空扩散炉中。

4.根据权利要求1所述基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，其特征在于：所述第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)的形状为空心圆腔，且所述第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)分别环绕金属工件(7)和非金属工件(10)。

5.根据权利要求1所述基于局部焊件环境温度独立控制的扩散焊接装置，其特征在于：所述压力控制装置(5)采用液压控制。

6.一种利用如权利要求2所述扩散焊接装置进行扩散焊接的方法，包括如下步骤：

步骤1：将焊接工件放入真空扩散炉内，金属工件(7)和非金属工件(10)分别置于第一石墨发热体(2)和第二石墨发热体(16)内，中间层(9)位于所述金属工件(7)和非金属工件(10)之间；

步骤2：使用上电极压杆(3)和下电极压杆(11)压紧焊接工件，抽取真空扩散炉内的空气至真空状态，之后分别接通第一石墨发热体电源(17)和第二石墨发热体电源(15)；

步骤3：接通大电流脉冲电源(8)，通过上电极压杆(3)和下电极压杆(11)对焊接工件施加大电流脉冲，使得中间层(9)与金属工件(7)和非金属工件(10)之间的界面微区形成瞬时液相薄膜层；

步骤4：卸载大电流脉冲，按照步骤2所述的条件继续扩散焊；

步骤5：切断第一石墨发热体电源(17)和第二石墨发热体电源(15)，工件随真空扩散炉冷却至室温；撤除上电极压杆(3)和下电极压杆(11)对工件施加的压力，完成扩散焊接。

7.根据权利要求6所述一种利用如权利要求2所述扩散焊接装置进行扩散焊接的方法，其特征在于：所述步骤2和步骤4中，上电极压杆(3)对焊接工件的压力为1-3MPa；所述步骤3中，上电极压杆(3)对焊接工件的压力为5-10MPa。

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