專利名稱：一種預(yù)摩擦輔助裝置及利用該裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于擴(kuò)散連接的裝置和方法。
背景技術(shù)：
擴(kuò)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(chǎn)生微觀塑性變形，界面處的原子相互擴(kuò)散形成穩(wěn)定接頭的連接方法；擴(kuò)散連接方法的精度高、變形小，可以實(shí)現(xiàn)大面積板材及圓柱的連接，因而在工業(yè)生產(chǎn)中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，擴(kuò)散連接對(duì)待焊接表面要求嚴(yán)格，待焊接表面應(yīng)達(dá)到一定的光潔度，還要克服表面鈍化膜對(duì)擴(kuò)散焊接的影響。一些材料在連接前經(jīng)過機(jī)械加工和腐蝕清洗，表面又會(huì)很快形成鈍化膜， 即使經(jīng)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(kuò)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(kuò)散連接中，材料表面的鈍化膜會(huì)對(duì)接頭的性能產(chǎn)生不利的影響。表面的鈍化膜對(duì)連接過程中原子的擴(kuò)散具有消極作用，為了減弱這種影響，通常提高擴(kuò)散焊接連接溫度或延長連接時(shí)間。然而，依靠提高溫度加快原子擴(kuò)散速率有很大的弊端，首先溫度的提高會(huì)影響母材原有性能，如晶粒粗大，強(qiáng)度降低等，其次提高溫度會(huì)增加界面處金屬間化合物的產(chǎn)生，造成接頭脆性斷裂，最后，在當(dāng)前能源和環(huán)境問題十分嚴(yán)峻的情況下，節(jié)能減排成為最重要的一個(gè)課題。因此，去除表面的鈍化膜并防止鈍化膜的二次產(chǎn)生對(duì)擴(kuò)散連接尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有擴(kuò)散連接時(shí)，材料表面的鈍化膜會(huì)對(duì)擴(kuò)散連接產(chǎn)生不利的影響，為了減弱鈍化膜的影響，通常提高擴(kuò)散焊接的溫度或延長連接時(shí)間，但提高焊接溫度會(huì)導(dǎo)致母材晶粒粗大、強(qiáng)度降低以及界面處金屬間化合物產(chǎn)生的問題，提供一種預(yù)摩擦輔助裝置及利用該裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(dòng)傘齒輪、固定軸、齒條、夾緊環(huán)、直齒輪、單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪和彈簧，所述框架由兩個(gè)橫框和兩個(gè)豎框圍成四框體，所述上夾體安裝在上橫框內(nèi)，所述下夾體通過軸承安裝在下橫框內(nèi)，且上夾體的軸心線與下夾體的軸心線正對(duì)， 所述下夾體上設(shè)有被動(dòng)傘齒輪，被動(dòng)傘齒輪與主動(dòng)傘齒輪嚙合，主動(dòng)傘齒輪、單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的豎框內(nèi)，且主動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)輪由固定盤、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和兩個(gè)棘輪組成，兩個(gè)棘輪分別鉸接在固定盤的邊緣處，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的內(nèi)圈設(shè)有螺紋齒，固定盤設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的內(nèi)孔中，且棘輪上的頭部設(shè)置在螺紋齒的齒根部，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪上的固定盤與固定軸固定連接，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的兩側(cè)端面分別與其對(duì)應(yīng)的主動(dòng)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(nèi)的上夾體上。
本發(fā)明的方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、裝夾待焊接工件將預(yù)摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內(nèi)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(duì)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(yù)摩擦過程啟動(dòng)壓力機(jī)，齒條隨壓力機(jī)上的上壓力柱向下移動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)下夾體轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整上壓力柱的下降速度以保證下夾體的轉(zhuǎn)速為0. lr/min 50r/ min，在預(yù)摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強(qiáng)由彈簧提供，其壓強(qiáng)為3MPa 80MPa， 當(dāng)兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體3旋轉(zhuǎn)5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除；步驟四、擴(kuò)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(nèi)的溫度為300°C 1200°C，經(jīng)過^iiin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一、本發(fā)明裝置是將壓力機(jī)的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得兩待連接材料的表面接觸后產(chǎn)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(jìn)原子擴(kuò)散和連接；本發(fā)明方法是實(shí)現(xiàn)材料表面去膜及擴(kuò)散連接， 材料表面去膜及擴(kuò)散連接過程均持續(xù)維持在真空或保護(hù)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(duì)連接面的要求，并明顯降低擴(kuò)散連接所需要的溫度，縮短連接時(shí)間，提高擴(kuò)散連接效率。本發(fā)明方法會(huì)降低焊接過程中對(duì)母材的影響，有效提高焊縫強(qiáng)度。二、采用本發(fā)明的裝置對(duì)普通擴(kuò)散焊接爐不做任何改動(dòng)，且結(jié)構(gòu)合理，容易實(shí)施。本發(fā)明方法對(duì)于具有表面鈍化膜的材料的擴(kuò)散連接效果明顯，且工藝簡單，可操作性強(qiáng)，可有效提高擴(kuò)散連接質(zhì)量及效率。


圖1是本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖2是單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪9結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括框架1、上夾體2、下夾體3、主動(dòng)傘齒輪4、固定軸5、齒條6、夾緊環(huán)7、直齒輪8、單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪9和彈簧10， 所述框架1由兩個(gè)橫框1-1和兩個(gè)豎框1-2圍成四框體，所述上夾體2安裝在上橫框內(nèi)，所述下夾體3通過軸承安裝在下橫框內(nèi)，且上夾體2的軸心線與下夾體3的軸心線正對(duì)，所述下夾體3上設(shè)有被動(dòng)傘齒輪3-1，被動(dòng)傘齒輪3-1與主動(dòng)傘齒輪4嚙合，主動(dòng)傘齒輪4、單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的豎框1-2內(nèi)， 且主動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)輪9由固定盤9-1、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)9-2和兩個(gè)棘輪9-3組成，兩個(gè)棘輪9-3分別鉸接在固定盤9_1 的邊緣處，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)9-2的內(nèi)圈設(shè)有螺紋齒9-2-1，固定盤9-1設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)9-2的內(nèi)孔中，且棘輪9-3上的頭部設(shè)置在螺紋齒9-2-1的齒根部，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪9上的固定盤9-1與固定軸 5固定連接，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪9上的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)9-2的兩側(cè)端面分別與其對(duì)應(yīng)的主動(dòng)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(jī)上的上壓力柱11連接，所述彈簧10套裝在框架1內(nèi)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(jié)合。單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪9保證了主動(dòng)傘齒輪4和被動(dòng)傘齒輪3-1 單向旋轉(zhuǎn)。彈簧10為耐高溫彈簧?？蚣?、上夾體2、下夾體3、主動(dòng)傘齒輪4、固定軸5、齒條6、夾緊環(huán)7、直齒輪8和單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(yù)摩擦裝置的工作原理啟動(dòng)壓力機(jī)，其上的上壓力柱11向下移動(dòng)，通過夾緊環(huán)7 帶動(dòng)齒條6向下移動(dòng)，直齒輪8隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)9-2轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)傘齒輪4隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)被動(dòng)傘齒輪3-1轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)下夾體3的旋轉(zhuǎn)。預(yù)摩擦裝置是將上壓力柱11的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，且該裝置能實(shí)現(xiàn)持續(xù)單一方向旋轉(zhuǎn)。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、裝夾待焊接工件將預(yù)摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內(nèi)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(duì)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(nèi)被氧化；步驟三、預(yù)摩擦過程啟動(dòng)壓力機(jī)，齒條6隨壓力機(jī)上的上壓力柱11向下移動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)下夾體3轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整上壓力柱11的下降速度以保證下夾體3的轉(zhuǎn)速為0. Ir/ min 50r/min，在預(yù)摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強(qiáng)由彈簧10提供，其壓強(qiáng)為 3MPa 80MPa，不同強(qiáng)度的彈簧可提供不同的壓力，當(dāng)兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體3旋轉(zhuǎn)5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除；步驟四、擴(kuò)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(nèi)的溫度為300°C 1200°C，經(jīng)過aiiin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴(kuò)散， 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。若該預(yù)摩擦過程發(fā)生在常溫，主要效果為去膜；若預(yù)摩擦過程發(fā)生在高于常溫的某個(gè)溫度，去膜及界面介質(zhì)的流動(dòng)對(duì)擴(kuò)散連接均有促進(jìn)作用。步驟二中若不抽真空的話，可向焊接爐內(nèi)充保護(hù)性氣體，如氮?dú)?、氬氣等，其目的是防止待焊接工件在真空焊接爐內(nèi)被氧化。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是步驟三中的預(yù)摩擦過程可以在常溫下進(jìn)行，也可將真空焊接爐加熱到100°c 200°C后進(jìn)行，其目的在于提高待焊接材料的溫度，有利于促進(jìn)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(shí)施方式二相同。本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例1、純鋁與純鋁的預(yù)摩擦擴(kuò)散連接將純鋁加工成為6mmX6mmX5mm小塊，擴(kuò)散焊接面大小為6mmX6mm。一組樣品通過普通擴(kuò)散連接方式進(jìn)行連接，擴(kuò)散連接溫度為300°C，連接壓力lOMPa，保溫時(shí)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(duì)的端面上，真空焊接爐的真空度為3X10_3Pa，下夾體3的轉(zhuǎn)速為5r/min，預(yù)摩擦?xí)r樣品間壓強(qiáng)為4MPa ；擴(kuò)散連接溫度為300°C，連接壓力lOMPa，保溫時(shí)長30min，樣品實(shí)現(xiàn)成功的連接。2、純鋁與非晶合金(Zr5Q. 7Cu28Ni9Al12.3)的預(yù)摩擦擴(kuò)散連接將純鋁和非晶合金材料分別切成6mmX 6mmX 5mm小塊，擴(kuò)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(shí)施預(yù)摩擦，下夾體3以5r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)10圈，預(yù)摩擦?xí)r樣品間壓強(qiáng)4MPa，隨后保溫 15min降溫，實(shí)現(xiàn)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(quán)利要求
1.一種預(yù)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(dòng)傘齒輪 (4)、固定軸(5)、齒條(6)、夾緊環(huán)(7)、直齒輪(8)、單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪(9)和彈簧(10)，所述框架(I)由兩個(gè)橫框(1-1)和兩個(gè)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(nèi)，所述下夾體C3)通過軸承安裝在下橫框內(nèi)，且上夾體O)的軸心線與下夾體 (3)的軸心線正對(duì)，所述下夾體(3)上設(shè)有被動(dòng)傘齒輪(3-1)，被動(dòng)傘齒輪(3-1)與主動(dòng)傘齒輪(4)嚙合，主動(dòng)傘齒輪G)、單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的豎框(1- 內(nèi)，且主動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)輪(9)由固定盤(9-1)、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)(9- 和兩個(gè)棘輪(9- 組成，兩個(gè)棘輪(9- 分別鉸接在固定盤(9-1)的邊緣處，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)(9-2)的內(nèi)圈設(shè)有螺紋齒(9-2-1)，固定盤(9-1)設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)(9-2)的內(nèi)孔中，且棘輪(9-3)上的頭部設(shè)置在螺紋齒(9-2-1)的齒根部，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪(9)上的固定盤(9-1)與固定軸(5)固定連接，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪(9)上的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)(9-2)的兩側(cè)端面分別與其對(duì)應(yīng)的主動(dòng)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(nèi)的上夾體( 上。
2.一種利用權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接的方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、裝夾待焊接工件將預(yù)摩擦輔助裝置安裝于真空焊接爐內(nèi)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(duì)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(yù)摩擦過程啟動(dòng)壓力機(jī)，齒條(6)隨壓力機(jī)上的上壓力柱(11)向下移動(dòng)，由此驅(qū)動(dòng)下夾體(3) 轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整上壓力柱(11)的下降速度以保證下夾體(3)的轉(zhuǎn)速為0. lr/min 50r/min，在預(yù)摩擦過程中，兩待連接材料表面的接觸壓強(qiáng)由彈簧(10)提供，其壓強(qiáng)為 80MPa， 當(dāng)兩待連接材料的表面接觸后，使下夾體C3)旋轉(zhuǎn)5圈 200圈即可將焊接面鈍化膜去除； 步驟四、擴(kuò)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(nèi)的溫度為300°C 1200°C，經(jīng)過^iin 10h，兩待連接材料的連接界面原子間相互擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述擴(kuò)散連接的方法，其特征在于步驟三中的預(yù)摩擦過程可以在常溫下進(jìn)行，也可將真空焊接爐加熱到100°C 200°C后進(jìn)行。
全文摘要
一種預(yù)摩擦輔助裝置及利用該裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散連接的方法，它涉及一種用于擴(kuò)散連接的裝置和方法，以解決現(xiàn)有擴(kuò)散連接通常采用提高擴(kuò)散焊接溫度或延長連接時(shí)間來減弱鈍化膜的問題。裝置上夾體安裝在上橫框內(nèi)，下夾體安裝在下橫框內(nèi)，且上夾體的軸心線與下夾體的軸心線正對(duì)，下夾體上的被動(dòng)傘齒輪與主動(dòng)傘齒輪嚙合，固定軸安裝在豎框內(nèi)，主動(dòng)傘齒輪、單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪和直齒輪依次安裝在固定軸上，單向轉(zhuǎn)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的兩側(cè)端面分別與其對(duì)應(yīng)的主動(dòng)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(nèi)的上夾體上。方法一、裝夾待焊接工件；二、抽真空；三、預(yù)摩擦過程；步驟四、擴(kuò)散連接。本發(fā)明用于擴(kuò)散連接。
文檔編號(hào)B23K20/02GK102500911SQ20111037156
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)