專利名稱：一種預摩擦輔助裝置及利用該裝置實現擴散連接的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于擴散連接的裝置和方法。
背景技術：
擴散連接是在一定的溫度和壓力下將待連接材料貼合在一起，工件連接表面只產生微觀塑性變形，界面處的原子相互擴散形成穩(wěn)定接頭的連接方法；擴散連接方法的精度高、變形小，可以實現大面積板材及圓柱的連接，因而在工業(yè)生產中有獨特的優(yōu)勢。然而，擴散連接對待焊接表面要求嚴格，待焊接表面應達到一定的光潔度，還要克服表面鈍化膜對擴散焊接的影響。一些材料在連接前經過機械加工和腐蝕清洗，表面又會很快形成鈍化膜， 即使經過加熱使部分鈍化膜分解，在很多情況下還難以消除鈍化膜的影響。例如鎳在高溫下與氧接觸，可形成NiO，在100°C 1100°c之間的分解壓為1. 3 X IO-5Pa 1. 3X10_4Pa，一般擴散連接使用的真空度為1.3X10_3Pa，NiO不能分解，如果材料表面生成Al2O3和Cr2O3， 就更難發(fā)生分解。因此，在擴散連接中，材料表面的鈍化膜會對接頭的性能產生不利的影響。表面的鈍化膜對連接過程中原子的擴散具有消極作用，為了減弱這種影響，通常提高擴散焊接連接溫度或延長連接時間。然而，依靠提高溫度加快原子擴散速率有很大的弊端，首先溫度的提高會影響母材原有性能，如晶粒粗大，強度降低等，其次提高溫度會增加界面處金屬間化合物的產生，造成接頭脆性斷裂，最后，在當前能源和環(huán)境問題十分嚴峻的情況下，節(jié)能減排成為最重要的一個課題。因此，去除表面的鈍化膜并防止鈍化膜的二次產生對擴散連接尤為重要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為解決現有擴散連接時，材料表面的鈍化膜會對擴散連接產生不利的影響，為了減弱鈍化膜的影響，通常提高擴散焊接的溫度或延長連接時間，但提高焊接溫度會導致母材晶粒粗大、強度降低以及界面處金屬間化合物產生的問題，提供一種預摩擦輔助裝置及利用該裝置實現擴散連接的方法。本發(fā)明的裝置包括框架、上夾體、下夾體、主動傘齒輪、固定軸、齒條、夾緊環(huán)、直齒輪、單向轉動輪和彈簧，所述框架由兩個橫框和兩個豎框圍成四框體，所述上夾體安裝在上橫框內，所述下夾體通過軸承安裝在下橫框內，且上夾體的軸心線與下夾體的軸心線正對， 所述下夾體上設有被動傘齒輪，被動傘齒輪與主動傘齒輪嚙合，主動傘齒輪、單向轉動輪和直齒輪依次安裝在固定軸上，所述固定軸安裝在與其對應的豎框內，且主動傘齒輪通過軸承固裝在固定軸上，直齒輪通過軸承固裝在固定軸上，單向轉動輪由固定盤、轉動環(huán)和兩個棘輪組成，兩個棘輪分別鉸接在固定盤的邊緣處，轉動環(huán)的內圈設有螺紋齒，固定盤設置在轉動環(huán)的內孔中，且棘輪上的頭部設置在螺紋齒的齒根部，單向轉動輪上的固定盤與固定軸固定連接，單向轉動輪上的轉動環(huán)的兩側端面分別與其對應的主動傘齒輪和直齒輪固接，直齒輪與齒條嚙合，齒條的上端與夾緊環(huán)固接，所述彈簧套裝在框架內的上夾體上。
本發(fā)明的方法是通過以下步驟實現的步驟一、裝夾待焊接工件將預摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內的上下壓力柱之間，將兩待連接材料分別裝夾在上夾體和下夾體相對的端面上；步驟二、抽真空將真空焊接爐抽真空，真空度范圍為8. OX 10-3 3. OX 10_5Pa;步驟三、預摩擦過程啟動壓力機，齒條隨壓力機上的上壓力柱向下移動，由此驅動下夾體轉動，調整上壓力柱的下降速度以保證下夾體的轉速為0. lr/min 50r/ min，在預摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強由彈簧提供，其壓強為3MPa 80MPa， 當兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體3旋轉5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除；步驟四、擴散連接上壓力柱11繼續(xù)下降并直接給上夾體施加軸向頂鍛力，上壓力柱的施壓壓力為3MPa !350MPa，真空焊接爐內的溫度為300°C 1200°C，經過^iiin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴散，實現擴散連接。本發(fā)明的優(yōu)點是一、本發(fā)明裝置是將壓力機的軸向往復運動轉化為旋轉運動，使得兩待連接材料的表面接觸后產生摩擦，并將材料的表面的鈍化膜去除，材料以裸露的新鮮原子面相接觸，從而促進原子擴散和連接；本發(fā)明方法是實現材料表面去膜及擴散連接， 材料表面去膜及擴散連接過程均持續(xù)維持在真空或保護性氣氛中，不涉及到連接面的二次氧化問題，本發(fā)明方法降低了對連接面的要求，并明顯降低擴散連接所需要的溫度，縮短連接時間，提高擴散連接效率。本發(fā)明方法會降低焊接過程中對母材的影響，有效提高焊縫強度。二、采用本發(fā)明的裝置對普通擴散焊接爐不做任何改動，且結構合理，容易實施。本發(fā)明方法對于具有表面鈍化膜的材料的擴散連接效果明顯，且工藝簡單，可操作性強，可有效提高擴散連接質量及效率。


圖1是本發(fā)明裝置的整體結構主剖視圖，圖2是單向轉動輪9結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式包括框架1、上夾體2、下夾體3、主動傘齒輪4、固定軸5、齒條6、夾緊環(huán)7、直齒輪8、單向轉動輪9和彈簧10， 所述框架1由兩個橫框1-1和兩個豎框1-2圍成四框體，所述上夾體2安裝在上橫框內，所述下夾體3通過軸承安裝在下橫框內，且上夾體2的軸心線與下夾體3的軸心線正對，所述下夾體3上設有被動傘齒輪3-1，被動傘齒輪3-1與主動傘齒輪4嚙合，主動傘齒輪4、單向轉動輪9和直齒輪8依次安裝在固定軸5上，所述固定軸5安裝在與其對應的豎框1-2內， 且主動傘齒輪4通過軸承固裝在固定軸5上，直齒輪8通過軸承固裝在固定軸5上，單向轉動輪9由固定盤9-1、轉動環(huán)9-2和兩個棘輪9-3組成，兩個棘輪9-3分別鉸接在固定盤9_1 的邊緣處，轉動環(huán)9-2的內圈設有螺紋齒9-2-1，固定盤9-1設置在轉動環(huán)9-2的內孔中，且棘輪9-3上的頭部設置在螺紋齒9-2-1的齒根部，單向轉動輪9上的固定盤9-1與固定軸 5固定連接，單向轉動輪9上的轉動環(huán)9-2的兩側端面分別與其對應的主動傘齒輪4和直齒輪8固接，直齒輪8與齒條6嚙合，齒條6的上端與夾緊環(huán)7固接，夾緊環(huán)7與壓力機上的上壓力柱11連接，所述彈簧10套裝在框架1內的上夾體2上，彈簧10給上夾體2壓力， 促使上夾體2與下夾體3緊密結合。單向轉動輪9保證了主動傘齒輪4和被動傘齒輪3-1 單向旋轉。彈簧10為耐高溫彈簧。框架1、上夾體2、下夾體3、主動傘齒輪4、固定軸5、齒條6、夾緊環(huán)7、直齒輪8和單向轉動輪9均為耐高溫合金制造，在高溫區(qū)依然保持一定的剛度。預摩擦裝置的工作原理啟動壓力機，其上的上壓力柱11向下移動，通過夾緊環(huán)7 帶動齒條6向下移動，直齒輪8隨之轉動，帶動轉動環(huán)9-2轉動，主動傘齒輪4隨之轉動，帶動被動傘齒輪3-1轉動，從而實現下夾體3的旋轉。預摩擦裝置是將上壓力柱11的軸向往復運動轉化為旋轉運動的裝置，且該裝置能實現持續(xù)單一方向旋轉。
具體實施方式
二結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的步驟一、裝夾待焊接工件將預摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內的上下壓力柱之間，將兩待連接材料分別裝夾在上夾體2和下夾體3相對的端面上；步驟二、抽真空將真空焊接爐抽真空，真空度范圍為8. OX 3. OX 10_5Pa，此步驟防止待焊接工件在真空焊接爐內被氧化；步驟三、預摩擦過程啟動壓力機，齒條6隨壓力機上的上壓力柱11向下移動，由此驅動下夾體3轉動，調整上壓力柱11的下降速度以保證下夾體3的轉速為0. Ir/ min 50r/min，在預摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強由彈簧10提供，其壓強為 3MPa 80MPa，不同強度的彈簧可提供不同的壓力，當兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體3旋轉5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除；步驟四、擴散連接上壓力柱11繼續(xù)下降并直接給上夾體2施加軸向頂鍛力，上壓力柱11的施壓壓力為3MPa 350MPa，真空焊接爐內的溫度為300°C 1200°C，經過aiiin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴散， 實現擴散連接。若該預摩擦過程發(fā)生在常溫，主要效果為去膜；若預摩擦過程發(fā)生在高于常溫的某個溫度，去膜及界面介質的流動對擴散連接均有促進作用。步驟二中若不抽真空的話，可向焊接爐內充保護性氣體，如氮氣、氬氣等，其目的是防止待焊接工件在真空焊接爐內被氧化。
具體實施方式
三結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟三中的預摩擦過程可以在常溫下進行，也可將真空焊接爐加熱到100°c 200°C后進行，其目的在于提高待焊接材料的溫度，有利于促進去膜過程中界面孔洞的縮小，使得焊接面鈍化膜的去除效果更好。其它步驟與實施方式二相同。本發(fā)明的應用實例1、純鋁與純鋁的預摩擦擴散連接將純鋁加工成為6mmX6mmX5mm小塊，擴散焊接面大小為6mmX6mm。一組樣品通過普通擴散連接方式進行連接，擴散連接溫度為300°C，連接壓力lOMPa，保溫時長30min， 樣品沒有連接成功。利用本發(fā)明裝置另一組樣品分別裝卡在上夾體2和下夾體3相對的端面上，真空焊接爐的真空度為3X10_3Pa，下夾體3的轉速為5r/min，預摩擦時樣品間壓強為4MPa ；擴散連接溫度為300°C，連接壓力lOMPa，保溫時長30min，樣品實現成功的連接。2、純鋁與非晶合金(Zr5Q. 7Cu28Ni9Al12.3)的預摩擦擴散連接將純鋁和非晶合金材料分別切成6mmX 6mmX 5mm小塊，擴散焊接面大小為 6mmX6mm。利用本發(fā)明裝置將純鋁裝卡在上夾體2的下端面上，將非晶合金材料裝卡在下夾體3的上端面上，真空焊接爐的真空度為3X10_3Pa，在非晶合金的過冷液相區(qū)) 實施預摩擦，下夾體3以5r/min的轉速轉動10圈，預摩擦時樣品間壓強4MPa，隨后保溫 15min降溫，實現了純鋁和非晶合金良好連接，且非晶合金依然保持非晶態(tài)。
權利要求
1.一種預摩擦輔助裝置，所述裝置包括框架(1)、上夾體O)、下夾體(3)、主動傘齒輪 (4)、固定軸(5)、齒條(6)、夾緊環(huán)(7)、直齒輪(8)、單向轉動輪(9)和彈簧(10)，所述框架(I)由兩個橫框(1-1)和兩個豎框(1-2)圍成四框體，其特征在于所述上夾體(2)安裝在上橫框內，所述下夾體C3)通過軸承安裝在下橫框內，且上夾體O)的軸心線與下夾體 (3)的軸心線正對，所述下夾體(3)上設有被動傘齒輪(3-1)，被動傘齒輪(3-1)與主動傘齒輪(4)嚙合，主動傘齒輪G)、單向轉動輪(9)和直齒輪(8)依次安裝在固定軸( 上， 所述固定軸( 安裝在與其對應的豎框(1- 內，且主動傘齒輪(4)通過軸承固裝在固定軸( 上，直齒輪(8)通過軸承固裝在固定軸( 上，單向轉動輪(9)由固定盤(9-1)、轉動環(huán)(9- 和兩個棘輪(9- 組成，兩個棘輪(9- 分別鉸接在固定盤(9-1)的邊緣處，轉動環(huán)(9-2)的內圈設有螺紋齒(9-2-1)，固定盤(9-1)設置在轉動環(huán)(9-2)的內孔中，且棘輪(9-3)上的頭部設置在螺紋齒(9-2-1)的齒根部，單向轉動輪(9)上的固定盤(9-1)與固定軸(5)固定連接，單向轉動輪(9)上的轉動環(huán)(9-2)的兩側端面分別與其對應的主動傘齒輪(4)和直齒輪(8)固接，直齒輪(8)與齒條(6)嚙合，齒條(6)的上端與夾緊環(huán)(7) 固接，所述彈簧(10)套裝在框架(1)內的上夾體( 上。
2.一種利用權利要求1所述裝置實現擴散連接的方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實現的步驟一、裝夾待焊接工件將預摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內的上下壓力柱之間，將兩待連接材料分別裝夾在上夾體( 和下夾體C3)相對的端面上；步驟二、抽真空將真空焊接爐抽真空，真空度范圍為8. OX 10’a 3. OX KT5Pa ；步驟三、預摩擦過程啟動壓力機，齒條(6)隨壓力機上的上壓力柱(11)向下移動，由此驅動下夾體(3) 轉動，調整上壓力柱(11)的下降速度以保證下夾體(3)的轉速為0. lr/min 50r/min，在預摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強由彈簧(10)提供，其壓強為 80MPa， 當兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體C3)旋轉5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除； 步驟四、擴散連接上壓力柱(11)繼續(xù)下降并直接給上夾體( 施加軸向頂鍛力，上壓力柱(II)的施壓壓力為3MPa 350MPa，真空焊接爐內的溫度為300°C 1200°C，經過^iin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴散，實現擴散連接。
3.根據權利要求2所述擴散連接的方法，其特征在于步驟三中的預摩擦過程可以在常溫下進行，也可將真空焊接爐加熱到100°C 200°C后進行。
全文摘要
一種預摩擦輔助裝置及利用該裝置實現擴散連接的方法，它涉及一種用于擴散連接的裝置和方法，以解決現有擴散連接通常采用提高擴散焊接溫度或延長連接時間來減弱鈍化膜的問題。裝置上夾體安裝在上橫框內，下夾體安裝在下橫框內，且上夾體的軸心線與下夾體的軸心線正對，下夾體上的被動傘齒輪與主動傘齒輪嚙合，固定軸安裝在豎框內，主動傘齒輪、單向轉動輪和直齒輪依次安裝在固定軸上，單向轉動輪上的轉動環(huán)的兩側端面分別與其對應的主動傘齒輪和直齒輪固接，直齒輪與齒條嚙合，齒條的上端與夾緊環(huán)固接，彈簧套裝在框架內的上夾體上。方法一、裝夾待焊接工件；二、抽真空；三、預摩擦過程；步驟四、擴散連接。本發(fā)明用于擴散連接。
文檔編號B23K20/02GK102500911SQ20111037156
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權日2011年11月21日
發(fā)明者馮吉才, 史延利, 宋曉國, 曹健, 王義峰, 陳海燕 申請人:哈爾濱工業(yè)大學