專利名稱：真空擴散焊機加壓裝置及加壓方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空擴散焊機加壓裝置，還涉及這種真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法。
背景技術(shù)：
真空擴散焊機加壓裝置的執(zhí)行體主要為單氣壓缸或單液壓缸，例如，張賦升等人在其研制的擴散焊機中采用的是單液壓缸執(zhí)行體[張賦升，熊江濤等。新型輻射加熱真空焊機研制。蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2004，30243～245]。以此類執(zhí)行體為核心構(gòu)成的加壓系統(tǒng)的公知形式如附圖1-a所示。單缸執(zhí)行體使加壓只能在恒壓、緩升以及緩降三種方式中選擇、組合。個別設(shè)備為增加壓力，使用串聯(lián)雙氣壓缸執(zhí)行體。但加壓仍只限于上述三種方式。更重要的這三種加壓方式使被焊件接頭的接觸界面始終處于靜載或準靜載狀態(tài)下，無法提供交變沖擊載荷，因此無法利用接頭接觸界面原子的快速動態(tài)擴散，也無法破碎接觸界面氧化膜。由于在使用此類加壓系統(tǒng)擴散焊過程中，下加壓軸9、上壓頭10、被焊零件上部11、被焊零件下部12、下壓頭13、真空室底板14之間不用在加壓之前剛性連接，當(dāng)施加壓力后，上述各部件所在的加壓軸線，便自然處于力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，不會產(chǎn)生被焊接頭錯位、偏斜等現(xiàn)象?；谏鲜鲈颍婵諗U散焊機表現(xiàn)出以下不足第一，焊接時間長，整個焊接過程為5～10小時；焊接溫度高，一般為0.6～0.85Tm，其中Tm為被焊材料熔點溫度。所以焊接效率較低；第二，由于焊接溫度較高，所以不適于焊接線膨脹系數(shù)相差1.5～2倍以上的異種材料。第三，不適于焊接鋁合金、鋁基復(fù)合材料等具有穩(wěn)定、致密氧化膜的材料；發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的下列不足第一，焊接時間長；第二，不適于焊接線膨脹系數(shù)相差1.5～2倍以上的異種材料；第三，不適于焊接鋁合金、鋁基復(fù)合材料等具有穩(wěn)定、致密氧化膜的材料。本發(fā)明提供一種真空擴散焊機加壓裝置，其在保留了現(xiàn)有真空擴散焊機恒壓、緩升以及緩降三種方式的基礎(chǔ)上，還可提供頻率、幅值能夠分別調(diào)節(jié)的振動沖擊載荷壓力。振動沖擊載荷壓力不僅可以單獨使用，而且還可以與原有的靜載或準靜載加壓方式偶合在一起使用。
本發(fā)明還提供這種真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種真空擴散焊機加壓裝置，包括加壓氣缸2、上加壓軸3、壓力傳感器4、上法蘭頂部凸臺5、上法蘭6、下法蘭7、波紋管8、下加壓軸9、上壓頭10、下壓頭13、底板14和真空室15，其特征在于還包括振動氣缸1、精密調(diào)壓閥、振動控制閥和可編程控制器PLC，振動氣缸1與加壓氣缸2共用一根上加壓軸3，上加壓軸3通過螺紋與壓力傳感器4上端剛性連接，壓力傳感器4下端通過螺紋與上法蘭頂部凸臺5連接，下法蘭7與波紋管8連成一體，下加壓軸9穿過波紋管8與上法蘭6固連，下加壓軸9下端伸入真空室15內(nèi)；振動氣缸1通過精密調(diào)壓閥、振動控制閥與氣源氣路連接，并與加壓氣路并聯(lián)；振動控制閥由可編程控制器PLC控制。
所述的下加壓軸9下端與上壓頭10剛性連接，上壓頭10與被焊零件上部11上端剛性連接；下壓頭13下端固定在底板14上，下壓頭13上端與被焊零件下部12下端剛性連接。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是一種上述真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法，其特征在于下述步驟1)將被焊零件上部11與被焊零件下部12裝入真空室，將被焊零件上部11上端與上壓頭10剛性連接，上壓頭10與下加壓軸9剛性連接；被焊零件下部(12)下端與下壓頭(13)上端剛性連接。
2)關(guān)閉真空室門，在真空條件下通過可編程控制器PLC輸入和控制所需要的振動壓力頻率，精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)所需要的振動壓力幅值，加載振動壓力，完成焊接過程。
完成步驟1)后，通過加壓氣路、加壓氣缸施加靜載或準靜載壓力，同時，可編程控制器PLC輸入和控制所需要的振動壓力頻率，精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)所需要的振動壓力幅值，加載振動壓力，完成焊接過程。
振動壓力的加載、振動壓力與靜載或準靜載加壓方式的偶合既可在擴散焊加熱之前的真空、室溫條件下進行，也可在擴散焊加熱、保溫過程的任意區(qū)間段進行，具體選擇根據(jù)被焊材料的性質(zhì)而定。
本發(fā)明的有益效果是由于采用振動氣缸與加壓氣缸的串聯(lián)機械結(jié)構(gòu)以及振動氣路與加壓氣路的并聯(lián)氣路結(jié)構(gòu)，使恒壓、緩升以及緩降的靜載或準靜載加壓方式與振動的交變沖擊加壓方式，不僅可以互無干擾的單獨使用，而且可以耦合在一起使用。因此為擴散焊加壓方式提供了多種全新的選擇方案。
在擴散焊過程中施加振動壓力，使熱能與振動面能量在接頭界面處耦合，而耦合的效果大于上述兩能量的累加效應(yīng)。首先，在保證高強度焊接的基礎(chǔ)上，可降低焊接溫度30～300℃、減少焊接保溫時間20％～50％，提高設(shè)備效率1～3倍；其次，振動為待焊表面提供了集中的面能量，降低了焊接溫度，所以可以明顯緩解因線膨脹系數(shù)差異而在熱過程中引入的熱應(yīng)力。適合陶瓷與金屬等線膨脹系數(shù)差異較大的異種材料焊接；最后，由于振動破碎了待焊表面穩(wěn)定、致密的氧化膜，所以適合鋁合金、鋁基復(fù)合材料的焊接。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2是現(xiàn)有技術(shù)示意中，1-振動氣缸，2-加壓氣缸，3-上加壓軸，4-壓力傳感器，5-上法蘭頂部凸臺，6-上法蘭，7-下法蘭，8-波紋管，9-下加壓軸，10-上壓頭，11-被焊零件上部，12-被焊零件下部，13-下壓頭，14-真空室底板，15-真空室。
具體實施例方式
參照圖1。加壓執(zhí)行體由一個可施加靜載或準靜載壓力的加壓氣缸2與一個可施加沖擊壓力的振動氣缸1串聯(lián)組成。即振動氣缸1在加壓氣缸2上方，兩者共用一根上加壓軸3。
振動氣缸1與加壓氣缸2共用的上加壓軸3通過螺紋與壓力傳感器4上端剛性連接，壓力傳感器4下端通過螺紋與上法蘭頂部凸臺5連接，下法蘭7與波紋管8一體，同時上法蘭6內(nèi)部固定著下加壓軸9，下加壓軸9穿過波紋管8伸入真空室15內(nèi)部。
為使被焊接頭不會在振動壓力加載過程中產(chǎn)生錯位、偏斜等現(xiàn)象，同時振動壓力有效的加載到接頭接觸界面上，真空室內(nèi)部加壓軸線上各個部件之間，除被焊零件上部11與被焊零件下部12接頭接觸界面外，均要在加壓之前進行剛性連接。即，在真空室15內(nèi)部的下加壓軸9下端連接有上壓頭10，同時上壓頭10與被焊零件上部11連接，兩連接均為剛性。下壓頭13下端固定在真空室底板14上，同時下壓頭13上端夾持著被焊零件下部12。
振動氣缸工作時便可將交變沖擊載荷，即振動壓力完全傳遞到被焊零件上部11與被焊零件下部12接觸的接頭界面上。
振動氣缸的工作是通過振動氣路控制的。氣路上，振動氣缸依次與精密調(diào)壓閥、振動控制閥、氣源串聯(lián)構(gòu)成振動氣路，其中振動控制閥由可編程控制器PLC控制。在這一串聯(lián)氣路上，精密調(diào)壓閥控制振動壓力幅值、振動控制閥通過接受可編程控制器給出的頻率信號控制振動壓力的頻率。
氣路上，振動氣路與加壓氣路共用一個氣源。并且在加壓氣缸2與振動氣缸1串聯(lián)構(gòu)成的加壓執(zhí)行體與氣源之間，振動氣路與加壓氣路以并聯(lián)方式存在。
擴散焊過程中，單獨使用振動壓力的加壓方法是在室溫環(huán)境下，打開真空室門；將被焊零件上部11與被焊零件下部12裝入真空室，分別使被焊零件上部11、上壓頭10、下加壓軸9之間，被焊零件下部12、下壓頭13、真空室底板14之間剛性連接(例如，螺紋連接)。同時確保連接后上述各部件同軸；關(guān)閉真空室門；抽真空，使真空室內(nèi)真空度優(yōu)于1.3×10-2Pa；通過可編程控制器PLC輸入與精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)分別調(diào)節(jié)所需要的振動壓力頻率、幅值；加載振動壓力。振動壓力的加載既可在擴散焊加熱之前的真空、室溫條件下進行，也可在擴散焊加熱、保溫過程的任意區(qū)間段進行。具體選擇根據(jù)被焊材料的性質(zhì)而定。
被焊件采用具有穩(wěn)定、致密氧化膜的鋁合金LD2試件。比較常規(guī)真空恒溫、恒壓擴散焊與真空振動復(fù)合能量擴散焊工藝參數(shù)與焊后接頭性能。
兩種焊接方法的焊前試件表面處理相同1500#金相砂紙打磨，Keller試劑(HF2ml，HCl3ml，HNO35ml，H2O190ml)化學(xué)清洗2min，酒精超聲波清洗3min。
常規(guī)真空恒溫、恒壓擴散焊工藝參數(shù)真空度3.8×10-3Pa，焊接壓力3MPa，焊接保溫溫度520℃，焊接保溫時間210min。焊后接頭抗拉強度為72MPa。
真空振動復(fù)合能量擴散焊工藝參數(shù)真空度3.8×10-3Pa，焊接壓力2.5MPa，焊接保溫溫度480℃，焊接保溫時間60min；振動力幅值600N，振動頻率167Hz，施加振動溫度480℃，振動時間20min(焊接保溫階段的前20min)；焊后接頭抗拉強度為106MPa。
擴散焊過程中，振動壓力與靜載或準靜載加壓方式偶合的加壓方法是在室溫環(huán)境下，打開真空室門；將被焊零件上部11與被焊零件下部12裝入真空室，分別使被焊零件上部11、上壓頭10、下加壓軸9之間；被焊零件下部12、下壓頭13、真空室底板14剛性連接(例如，螺紋連接)，同時確保連接后上述各部件同軸；關(guān)閉真空室門；抽真空，使真空室內(nèi)真空度優(yōu)于1.3×10-2Pa；通過加壓氣路、加壓氣缸2施加靜載或準靜載壓力；通過可編程控制器PLC輸入與精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)分別調(diào)節(jié)所需要的振動壓力頻率、幅值；加載振動壓力。振動壓力與的靜載或準靜載加壓方式偶合的偶合既可在擴散焊加熱之前的真空、室溫條件下進行，也可在擴散焊加熱、保溫過程的任意區(qū)間段進行。具體選擇根據(jù)被焊材料的性質(zhì)而定；振動氣缸可以和任意規(guī)格、型號的單氣壓缸或單液壓缸串聯(lián)。但是，若選用液壓缸，則應(yīng)配有相應(yīng)的油箱和液壓裝置。在選擇振動氣缸的振動頻率時，因避開加壓裝置的共振頻率區(qū)。
被焊件采用線膨脹系數(shù)差異較大鈦合金TC4與SiC陶瓷等。比較常規(guī)真空恒溫、恒壓擴散焊與真空振動復(fù)合能量擴散焊工藝參數(shù)與焊后接頭性能。兩種焊接方法的焊前試件表面處理相同1500#金相砂紙打磨，酒精超聲波清洗3min。
常規(guī)真空恒溫、恒壓擴散焊工藝參數(shù)真空度3.8×10-3Pa，焊接壓力2MPa，焊接保溫溫度1280℃，焊接保溫時間90min。焊后接頭抗拉強度為102MPa。
真空振動復(fù)合能量擴散焊工藝參數(shù)真空度3.8×10-3Pa，焊接壓力2.5MPa，焊接保溫溫度1000℃，焊接保溫時間45min；振動力幅值480N，振動頻率140Hz，施加振動溫度1000℃，振動時間25min(焊接保溫階段的前25min)；焊后接頭抗拉強度為144MPa。
權(quán)利要求
1.一種真空擴散焊機加壓裝置，包括加壓氣缸(2)、上加壓軸(3)、壓力傳感器(4)、上法蘭頂部凸臺(5)、上法蘭(6)、下法蘭(7)、波紋管(8)、下加壓軸(9)、上壓頭(10)、下壓頭(13)、底板(14)和真空室1(5)，其特征在于還包括振動氣缸(1)、精密調(diào)壓閥、振動控制閥和可編程控制器PLC，振動氣缸(1)與加壓氣缸(2)共用一根上加壓軸(3)，上加壓軸(3)通過螺紋與壓力傳感器(4)上端剛性連接，壓力傳感器(4)下端通過螺紋與上法蘭頂部凸臺(5)連接，下法蘭(7)與波紋管(8)連成一體，下加壓軸(9)穿過波紋管(8)與上法蘭(6)固連，下加壓軸(9)下端伸入真空室(15)內(nèi)；振動氣缸(1)通過精密調(diào)壓閥、振動控制閥與氣源氣路連接，并與加壓氣路并聯(lián)；振動控制閥由可編程控制器PLC控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空擴散焊機加壓裝置，其特征在于所述的下加壓軸(9)下端與上壓頭(10)剛性連接，上壓頭(10)與被焊零件上部(11)上端剛性連接；下壓頭(13)下端固定在底板(14)上，下壓頭(13)上端與被焊零件下部(12)下端剛性連接。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法，其特征在于下述步驟1)將被焊零件上部(11)與被焊零件下部(12)裝入真空室，將被焊零件上部(11)上端與上壓頭(10)剛性連接，上壓頭(10)與下加壓軸(9)剛性連接；被焊零件下部(12)下端與下壓頭(13)上端剛性連接。2)關(guān)閉真空室門，在真空條件下通過可編程控制器PLC輸入和控制所需要的振動壓力頻率，精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)所需要的振動壓力幅值，加載振動壓力，完成焊接過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法，其特征還在于完成步驟1)后，通過加壓氣路、加壓氣缸施加靜載或準靜載壓力，同時，通過可編程控制器PLC輸入和控制所需要的振動壓力頻率，精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)所需要的振動壓力幅值，加載振動壓力，完成焊接過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法，其特征還在于振動壓力的加載、振動壓力與靜載或準靜載加壓方式的偶合既可在擴散焊加熱之前的真空、室溫條件下進行，也可在擴散焊加熱、保溫過程的任意區(qū)間段進行，具體選擇根據(jù)被焊材料的性質(zhì)而定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真空擴散焊機加壓裝置，其目的是解決現(xiàn)有技術(shù)焊接時間長，焊接溫度高的問題，其解決技術(shù)問題的方案是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加一個振動氣缸(1)，和與振動氣缸(1)配套的精密調(diào)壓閥、振動控制閥和可編程控制器PLC，振動氣缸(1)與加壓氣缸(2)共用一根上加壓軸(3)，其余零部件均剛性連接，振動氣缸(1)通過精密調(diào)壓閥、振動控制閥與氣源氣路連接，并與加壓氣路的并聯(lián)；振動控制閥由可編程控制器PLC控制。本發(fā)明公開了這種真空擴散焊機加壓裝置的加壓方法，通過振動加載或者振動與靜壓的復(fù)合加載，可降低焊接溫度30～300℃、減少焊接保溫時間20％～50％，提高設(shè)備效率1～3倍。
文檔編號B23K20/00GK1669718SQ20051004184
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者熊江濤, 李京龍, 張賦升, 王忠平 申請人:西北工業(yè)大學(xué)