专利名称：柔性气囊式可控气氛装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控气氛装置，更特别地说，是指一种能够在非常压下(如真空 环境、氮气保护气氛环境或氩气保护气氛环境等)进行金属零部件加工的柔性气囊式 可控气氛装置。
背景技术：
金属的加工、熔炼、热处理、焊接以及热喷涂、等离子喷涂或者激光加工等，都 需要在非常压下(如真空环境、氮气保护气氛环境或氩气保护气氛环境等)的可控气 氛环境中进行。传统方法需要一真空腔，以及对真空腔中氧气排出的真空泵组。在金 属的加工过程中，需要先对真空腔进行抽真空，然后充入规定的气体形成需要的可控 气氛环境。
真空腔、以及大型真空室一般使用不锈钢板焊接而成。对不锈钢板的焊接工艺要 求较高。另外真空腔和大型真空室需要大功率的真空泵组进行抽气，抽气时间长，抽 真空的成本高。 发明 内容
本发明的目的是提供一种柔性气囊式可控气氛装置，该装置由柔性气囊和腔体构 成，柔性气囊与腔体采用密封方式连接。金属加工设备的操作台置于本发明设计的装 置中。该装置不需要抽真空所需的真空泵组，以及一个刚性的真空箱就能实现一个可 控气氛的操作环境。本发明设计的装置改变了现有抽真空的方式，从传统的被动抽成 真空状态转换成柔性气囊主动吸贴达到真空状态。
本发明的柔性气囊式可控气氛装置，在抽气过程中，柔性气囊向腔体内壁、操作 台的逼近称为主动吸贴。该主动吸贴方式排出原腔环境中的气体，提高了向外排气的 速度，节约了抽真空的时间。在充入可控气体过程中，柔性气囊被舒张开，从而形成 金属加工的操作环境。本发明的一种柔性气囊式可控气氛装置，该装置由柔性气囊(1)和腔体(2) 组成，柔性气囊(1)的开口端(11)密封连接在腔体(2)的开口端(23)上，柔 性气囊(1)与腔体(2)的连接形成的内部空间称为原腔环境(3A);腔体(2)包 括有A板面(201)、 B板面(202)、 C板面(203)、 D板面(204)和底板面(205)， 带有底板面(205)的腔体称为有底腔体；B板面(202)上设有A接口 (21)， D 板面(204)上设有B接口 (22)。
本发明的另一种柔性气囊式可控气氛装置，该装置由柔性气囊(1)和腔体(2) 组成，柔性气囊(1)的开口端(11)密封连接在腔体(2)的开口端(23)上，柔 性气囊(1)与腔体(2)的连接形成的内部空间称为原腔环境(3A);腔体(2)包 括有A板面(201)、 B板面(202)、 C板面(203)和D板面(204); B板面(202) 上设有A接口 (21)， D板面(204)上设有B接口 (22)。
柔性气囊(1)上设有接口，且该接口上连接有阀门。
A接口 (21)上设有A阀门(21a); B接口 (22)上设有B阀门(22a)。 腔体(2)上设有防护手套。 腔体(2)上设有隔离舱。
柔性气囊(1)的厚度为0.01附附 300m附；腔体(2)的厚度为0.5wm 2w 。 本发明气囊式可控气氛装置的优点在于
(1) 结构简单轻巧，采用柔性气囊的开口端密封连接在腔体的开口端上，改变了传 统真空箱的结构以及提供真空、可控气氛保护的方式。
(2) 腔体和柔性气囊的尺寸一方面不受金属加工设备的限制，另一方面也不受加工 场地的限制，第三方面可以根据实际加工需要进行制造。
(3) 柔性气囊在抽气过程中逐渐与腔体内壁逼近紧贴，使得所使用的抽气设备简 单，如吸尘器、抽风机、排风机或小型真空泵等低成本辅助设备即可实现对原 腔环境进行抽气。
(4) 向柔性气囊紧贴腔体内壁形成的负压中间体中充入可控气体时，柔性气囊在充 入气体的压力下自然舒张开，无需施加外力。
(5) 腔体和柔性气囊的制造成本低廉,腔体具有一定强度，而柔性气囊具有柔韧性， 柔性气囊满足在抽气过程中能够吸贴于腔体内壁。
5(6) 为了解决高于iocrc的高温下进行金属加工，可以在柔性气囊内壁和腔体内壁 上制作保温层，从而形成多层复合结构的气囊式可控气氛装置。
(7) 为了解决辐射等恶劣的工作条件可以在柔性气囊内壁和腔体内壁上制作防护材料。
(8) 通过在本发明装置的腔体上连接如手套的辅助设备，可以实现在不破坏操作环
境内气氛的情况下，进行工件、加工物料等的调整。
(9) 通过在本发明装置的腔体上连接如过渡舱的辅助设备，可以实现在不破坏操作 环境内气氛的情况下，进行人员进出，以及工件、加工物料的进出。
附图瓶明
图1是本发明柔性气囊式可控气氛装置的分解结构图。
图1A是本发明柔性气囊式可控气氛装置的剖面简示图。
图1B是本发明柔性气囊式可控气氛装置中的无底腔体的结构图。
图1C是本发明柔性，式可控气^S中的柔性气囊的展开平面为四边形示意图。
图1D絲发明柔性，式可控气^S中的柔性^的展开平面为圆形示意图。
图1E是本发明柔性气囊式可控气氛装置的第二种结构图。
图1F是本发明柔性气囊式可控气氛装置的第三种结构图。
图2是本发明气囊式可控气氛装置在常压态—抽气态—充可控气氛态的三种状 态的流程变化图。
图3是在本发明柔性气囊式可控气氛装置的腔体上添加手套的结构示意图。 图4是在本发明柔性气囊式可控气氛装置的腔体上添加隔离舱的结构示意图。 图5是在本发明柔性，式可控气^S的腔体上设有透明窗和进出门结构示意图。
图中l.柔性气囊ll.A开口端12.气囊边13浙皱
2A,操作台2.腔体21.A接口21aA阀门22.B接口
22a.B阀门23.B开口端24.透明窗门25.进出门201.A板面
202.B板面203.C板面204.D板面205.底板面3九原腔环境
3B.负压中间体3C.操作环境4A.空气4B.可控气体
5.手套6.隔离舱
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明采用柔性材料特点，制作出具有柔韧性的柔性气囊。然后设计出一个刚性的、能够起支撑的、具有一定强度的腔体，将柔性气囊与腔体密封连接在一起后，利 用负压原理，对柔性气囊与腔体密封连接形成的空间进行抽气/充气，从而提供一种 简单的非常压下进行金属零部件加工的柔性气囊式可控气氛装置。对于柔性气囊选取 的材料低成本的要属于塑料了。
参见图1、图1A 图1F所示，本发明的一种柔性气囊式可控气氛装置，由柔 性气囊1和腔体2组成，柔性气囊1的A开口端11与腔体2的B开口端23密封 连接在一起，柔性气囊1与腔体2的连接形成的内部空间称为原腔环境3A。
为了适应不同的加工工艺，可以在柔性气囊1上设有多个通孔、腔体2上设有 多个通孔，利用通孔使加工能源的执行端伸入操作环境3C中进行工作。加工能源可
以是激光束、离子束、电子束等，以及焊接设备。
腔体2包括有A板面201、 B板面202、 C板面203、 D板面204和底板面 205，带有底板面205的腔体称为有底腔体(如图1所示)。
腔体2包括有A板面201、 B板面202、 C板面203和D板面204，不带有 底板面205的腔体称为无底腔体(如图1B所示)。
有底腔体和无底腔体的板面上设有A接口21和B接口22,A接口21与B接 口 22可以设置在同一面板上，也可以设置在相对板面上，或者相邻板面上。如图1、 图1B所示，B板面202上设有A接口 21， D板面204上设有B接口 22。所述的 A接口 21用于与外部的抽气设备连接，实现排出原腔环境3A内存在的气体。
所述的B接口 22用于与外部的可控气体充入设备连接，实现向负压中间体3B 充入可控气体从而形成操作环境3C (如图2所示)。
在本发明中，对于A接口 21和B接口 22与外部设备的连接是可以相互调换， 当B接口 22与抽气设备连接时，则A接口 21应与可控气体充入设备连接。
柔性气囊1的A开口端11与腔体2的B开口端23可以采用螺钉与螺母的配 合实现连接，也可以胶粘连接，只要A开口端11与B开口端23的接合处满足不透 气、漏气、泄气就行。
在本发明中，当选取的腔体是有底腔体时，操作台2A安装在底板面205上。 有底腔体的外部构形可以是长方体、正方体、圆柱体、輝形、多边体及不规则形状的 三维结构等。在本发明中，当选取的腔体是无底腔体时，操作台2A安装在地面上(因无底腔 体安装在地面上)。无底腔体的外部构形可以是长方体框架、正方体框架、圆柱体框 架、球形框架、多边体框架及不规则形状的三维结构框架等。无底腔体是罩在操作台 四周的，并利用操作台的安装地面作为无底腔体的底板面的。选用无底腔体能够适用 于大型设备的操作台的不可移动性设计的，将多块板面相互首尾连接构成无底腔体， 使得无底腔体的形成不受尺寸的限制。
制造有底腔体和无底腔体的材料可以为具有一定强度、不透气、不放出操作环境 3C内气体的固态物质；所述具有一定强度、不透气、不放出气体的固态物质为水泥、 金属、木材、陶瓷、玻璃、橡胶、塑料、聚合物或者树脂等。腔体采用砖石、混凝土 制造成不可移动的腔体(简称为不动腔体)，并在不动腔体的内壁贴上不透气材料加 工成的保护层。
制造柔性气囊1的材料为具有柔韧性的固态物质；所述具有柔韧性的固态物质 为金属、橡胶、油布、塑料、纺织布、帆布或无纺布；或者纤维织物上附着有金属薄 膜、橡胶、树脂或者塑料中的一种，或者，所属柔性气囊使用多种材料复合多层结构， 并且对于无法实现密封或自身会放出气体的材料，柔性气囊1内壁安装一层密封内 衬，该内衬由不漏气、不放出气体的材料制成，所述材料可以根据使用条件采用金属、 陶瓷、玻璃、橡胶、塑料、聚合物或树脂等，对于高温、辐射等相对恶劣的使用条件 可以在柔性气囊1内壁加装防护层；也可以将柔性气囊1内壁加工成双层结构，内 层与外层之间的夹层可以通入冷却介质以适用于高温环境的降温。 、
柔性气囊1可以是一口袋、或者展开为一圆形、方形、以及不规则形状的较薄 的片材。
腔体2与柔性气囊1的相对尺寸
柔性气囊l的厚度"为0.01附附 300/wM;腔体2的厚度e为0.5mw 2m。 腔体2的长记为a、宽记为6、高记为"腔体2的内腔面积记为52。则腔体的 底板面205的面积为S錄面=a*6 , A板面201的面积为S場面=, C板面203的 面积为^板面="^, B板面202的面积为S蹄面4A, D板面2(M的面积为 S滩面=。腔体2的内腔面积& = S底板面+ S碌面+ S顿面+ Sc板面+ S滩面。
8柔性气囊1的展开平面面积(如图1C、图1D所示)记为^ ，若柔性气囊1的 展开平面为四边形，则S-pw。若柔性气囊l的展开平面为圆形，则&=;^2。
为了保证柔性气囊1在抽气过程中紧贴在腔体2的内壁，故柔性气囊1所需的 展开平面面积^要大于腔体2的内腔面积& , 一般设为S = 1.5 S2 ~ 4 & 。
参见图1E所示，为了改变腔体2上不易设置接口，故A接口21和B接口22 也可以设置在柔性气囊1上。
为了方便本发明柔性气囊式可控气氛装置的存放，可以在A接口 21和B接口 22上各设置一个阀门来保留原腔环境3A内的适量空气。不会因原腔环境3A内的空 气过多，出现柔性气囊被充大造成存放空间小的问题。如图1F所示，A接口 21上 设有A阀门21a, B接口 22上设有B阀门22a。
在如图1F所示的装置上，A接口 21上设有A阀门21a， A接口 21的端香，与 外部的抽气设备连接。B接口 22上设有B阀门22a, B接口 22的端部与外部的可 控气体充入设备连接。检测A阀门2la和B阀门22a是否关闭，在抽气过程中，打 开A阀门21a,随着原腔环境3A内的空气4A从A接口21被排出，柔性气囊1在 大气压作用下将逐渐与腔体2的内壁及腔底靠近并最终紧密贴合于腔体2的内壁、 腔底，实现排出原腔环境3A内的全部气体，形成负压中间体3B;随后顺次关闭A 阀门21a、抽气设备开关；打开B阔门22a，向负压中间体3B中充入所需可控气 体，在充入所需气体过程中，柔性气囊1随之充涨形成操作环境3C，达到所需可控 气氛后顺次关闭B阀门22a、可控气体4B充入设备开关。充入的可控气体4B直至 操作环境3C形成所需的气氛状态。对于充入操作环境3C中的气氛压力、用量等参
数可以根据加工需要通过可控气体充入设备上的仪表获得。
参见图3所示，在腔体2上设置防护手套5。在小型的非常压下的可控气氛环境 中，对工件的操作需要操作者进行人工干涉，故通过安装防护手套5能够解决这个 问题。
参见图4所示，在腔体2上设置隔离舱6。为了在大型设备的连续加工过程中， 通过设置隔离舱6能够解决操作者进入操作环境3C时，两个环境下的气氛不同造成 对加工工件的影响。
参见图5所示，在腔体2上设置透明窗门24。有利于在工件的加工过程中对操作过程进行观察。在腔体2上设置进出门25，能够方便地实现操作者以及物料、工 件等的出入。
使用本发明柔性气囊式"^控气氛装置加工零部件时的执行步骤为
(1) 根据加工所需环境的大小，选取腔体2， 一般选无底腔体；然后通过腔体上设 有的接口与外部的抽气设备和充气设备连接;选有底腔体时，适用于小型设备、 实验室进行的加工；
(2) 根据待加工物体的加工工艺选择加工能源，该加工能源可以是激光束、离子束 等。在柔性气囊1上开一个或多个通孔，使加工能源的执行端穿过这个通孔 后密封连接在柔性气囊1上；
(3) 根据加工所需环境选取柔性气囊的展开平面面积大于无底腔体的内腔面积；
(4) 将选取的柔性气囊1的气囊边12与选取的腔体2进行密封(先胶粘后螺钉与 螺母的配合固定)连接；
(5) 抽气设备对原腔环境3A进行抽气，抽至柔性气囊1紧贴在腔体2的内壁与地 面(当选取的是有底腔体时，地面称为底板面)，抽气过程中柔性气囊l会产 生折皱13 (如图2所示)，在负压的作用下，抽完空气的原腔环境3A则形成 中间负压体3B;
(6) 充气设备对负压中间体3B进行充气,待充入的可控气体4B达到所需条件时， 停止充气，此时的空腔环境成为操作环境3C;
(7) 加工完成后，打开腔体上的进出门25，或者分离开柔'性气囊1与腔体2，取 出加工完成的物体。 、
本发明设计的装置，由于在整个加工过程中操作环境处于保持密闭，因此，操作 环境内的保护气氛浓度将基本保持恒定水平，直至加工结束；
本发明的柔性气囊式可控^氛装置，可以适用于下述材料或者工件的制备与加 工如钢、铁及其合金、铝及其合金、钛及其合金、镍及其合金、铜及其合金、钴及 其合金、镁及其合金、钨及其合金、锡及其合金、钼及其合金、锌及其合金、锆及其 合金、铪及其合金、锂及其合金、铍及其合金、铅及其合金、锰及其合金、铌及其合 金、金属间化合物、金属基复合材料等金属及合金的熔炼以及硅、锗、硒等半导体材料和硒化锌(ZnSe)、砷化镓(GaAs)等陶瓷材料的熔炼制备；如金属及合金的焊 接、铸造、锻造、热处理、粉末冶金、粉末烧结、激光加工、电子束加工、等离子束 加工；如金属及合金、半导体材料、功能陶瓷材料的晶体生长和材料提纯；如化学气 相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、磁控溅射的薄膜材料制备加工；如集成电 路刻蚀等等。
1权利要求
1、一种柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于该装置由柔性气囊(1)和腔体(2)组成，柔性气囊(1)的开口端(11)密封连接在腔体(2)的开口端(23)上，柔性气囊(1)与腔体(2)的连接形成的内部空间称为原腔环境(3A)；腔体(2)包括有A板面(201)、B板面(202)、C板面(203)、D板面(204)和底板面(205)，带有底板面(205)的腔体称为有底腔体；B板面(202)上设有A接口(21)，D板面(204)上设有B接口(22)。
2、 一种柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于该装置由柔性气囊(1)和腔体(2) 组成，柔性气囊(1)的开口端(11)密封连接在腔体(2)的开口端(23)上， 柔性气囊(1)与腔体(2)的连接形成的内部空间称为原腔环境(3A);腔体(2) 包括有A板面(201)、 B板面(202)、 C板面(203)和D板面(204); B板 面(202)上设有A接口 (21)， D板面(204)上设有B接口 (22)。
3、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置,其特征在于:柔性气囊(l) 上设有接口，且该接口上连接有阀门。
4、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于A接口 (21) 上设有A阀门(2la); B接口 (22)上设有B阀门(22a)。
5、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于腔体(2) 上设有防护手套。
6、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于腔体(2) 上设有隔离舱。
7、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于该装置在抽 气过程中，柔性气囊(1)在大气压作用下逐渐与腔体(2)的内壁紧贴排原腔环 境(3A)内的空气。
8、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛腔，其特征在于柔性气囊(1) 的厚度为0.01mm 300mw ;腔体(2)的厚度为0.5mw 2 w 。
9、 根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于制造柔性气囊(1)的材料为具有柔韧性的固态物质；所述具有柔韧性的固态物质为金属、 橡胶、油布、塑料、纺织布、帆布或无纺布；或者纤维织物上附着有金属薄膜、 橡胶、树脂或者塑料中的一种，或者，所属柔性气囊使用多种材料复合多层结构， 并且对于无法实现密封或自身会放出气体的材料，在气囊1内侧安装一层密封 内衬，该内衬由不漏气、不放出气体的材料制成，所述材料可以根据使用条件采 用金属、陶瓷、玻璃、橡胶、塑料、聚合物或树脂，对于高温、辐射等相对恶劣 的使用条件可以在气囊内侧加装防护层以及通入冷却介质。
10、根据权利要求1或2所述的柔性气囊式可控气氛装置，其特征在于制造腔 体(2)的材料为具有一定强度、不透气、不放出气体的固态物质；所述具有一 定强度、不透气、不放出气体的固态物质为水泥、金属、木材、陶瓷、玻璃、橡 胶、塑料、聚合物或者树脂。
全文摘要
本发明公开了一种柔性气囊式可控气氛装置，由柔性气囊和腔体组成；柔性气囊与腔体密封连接在一起。柔性气囊和腔体上各自设有多个接口，利用接口与外部设备连接，从而实现对由柔性气囊与腔体的连接形成的原腔环境进行抽真空。柔性气囊的厚度为0.1mm～100mm，腔体的厚度为0.5mm～2m。本发明设计的腔体、柔性气囊尺寸不受自身材料与结构限制，只需要简单的抽气设备即可实现对原腔环境的抽真空，以及对操作环境的充入可控气氛。本发明的柔性气囊式可控气氛装置适合于各种需要可控气氛环境的加工、实验场合。
文档编号B01J19/00GK101637710SQ200910090949
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月18日 优先权日2009年8月18日
发明者张凌云, 张述泉, 方艳丽, 安 李, 鹏 李, 汤海波, 王华明, 田象军 申请人:北京航空航天大学