专利名称：一种预摩擦辅助装置及利用该装置实现扩散连接的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于扩散连接的装置和方法。
背景技术：
扩散连接是在一定的温度和压力下将待连接材料贴合在一起，工件连接表面只产生微观塑性变形，界面处的原子相互扩散形成稳定接头的连接方法；扩散连接方法的精度高、变形小，可以实现大面积板材及圆柱的连接，因而在工业生产中有独特的优势。然而，扩散连接对待焊接表面要求严格，待焊接表面应达到一定的光洁度，还要克服表面钝化膜对扩散焊接的影响。一些材料在连接前经过机械加工和腐蚀清洗，表面又会很快形成钝化膜， 即使经过加热使部分钝化膜分解，在很多情况下还难以消除钝化膜的影响。例如镍在高温下与氧接触，可形成NiO，在100°C 1100°c之间的分解压为1. 3 X IO-5Pa 1. 3X10_4Pa，一般扩散连接使用的真空度为1.3X10_3Pa，NiO不能分解，如果材料表面生成Al2O3和Cr2O3， 就更难发生分解。因此，在扩散连接中，材料表面的钝化膜会对接头的性能产生不利的影响。表面的钝化膜对连接过程中原子的扩散具有消极作用，为了减弱这种影响，通常提高扩散焊接连接温度或延长连接时间。然而，依靠提高温度加快原子扩散速率有很大的弊端，首先温度的提高会影响母材原有性能，如晶粒粗大，强度降低等，其次提高温度会增加界面处金属间化合物的产生，造成接头脆性断裂，最后，在当前能源和环境问题十分严峻的情况下，节能减排成为最重要的一个课题。因此，去除表面的钝化膜并防止钝化膜的二次产生对扩散连接尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为解决现有扩散连接时，材料表面的钝化膜会对扩散连接产生不利的影响，为了减弱钝化膜的影响，通常提高扩散焊接的温度或延长连接时间，但提高焊接温度会导致母材晶粒粗大、强度降低以及界面处金属间化合物产生的问题，提供一种预摩擦辅助装置及利用该装置实现扩散连接的方法。本发明的装置包括框架、上夹体、下夹体、主动伞齿轮、固定轴、齿条、夹紧环、直齿轮、单向转动轮和弹簧，所述框架由两个横框和两个竖框围成四框体，所述上夹体安装在上横框内，所述下夹体通过轴承安装在下横框内，且上夹体的轴心线与下夹体的轴心线正对， 所述下夹体上设有被动伞齿轮，被动伞齿轮与主动伞齿轮啮合，主动伞齿轮、单向转动轮和直齿轮依次安装在固定轴上，所述固定轴安装在与其对应的竖框内，且主动伞齿轮通过轴承固装在固定轴上，直齿轮通过轴承固装在固定轴上，单向转动轮由固定盘、转动环和两个棘轮组成，两个棘轮分别铰接在固定盘的边缘处，转动环的内圈设有螺纹齿，固定盘设置在转动环的内孔中，且棘轮上的头部设置在螺纹齿的齿根部，单向转动轮上的固定盘与固定轴固定连接，单向转动轮上的转动环的两侧端面分别与其对应的主动伞齿轮和直齿轮固接，直齿轮与齿条啮合，齿条的上端与夹紧环固接，所述弹簧套装在框架内的上夹体上。
本发明的方法是通过以下步骤实现的步骤一、装夹待焊接工件将预摩擦辅助装置安装于真空焊接炉内的上下压力柱之间，将两待连接材料分别装夹在上夹体和下夹体相对的端面上；步骤二、抽真空将真空焊接炉抽真空，真空度范围为8. OX 10-3 3. OX 10_5Pa;步骤三、预摩擦过程启动压力机，齿条随压力机上的上压力柱向下移动，由此驱动下夹体转动，调整上压力柱的下降速度以保证下夹体的转速为0. lr/min 50r/ min，在预摩擦过程中，两待连接材料表面的接触压强由弹簧提供，其压强为3MPa 80MPa， 当两待连接材料的表面接触后，使下夹体3旋转5圈 200圈即可将焊接面钝化膜去除；步骤四、扩散连接上压力柱11继续下降并直接给上夹体施加轴向顶锻力，上压力柱的施压压力为3MPa !350MPa，真空焊接炉内的温度为300°C 1200°C，经过^iiin 10h，两待连接材料的连接界面原子间相互扩散，实现扩散连接。本发明的优点是一、本发明装置是将压力机的轴向往复运动转化为旋转运动，使得两待连接材料的表面接触后产生摩擦，并将材料的表面的钝化膜去除，材料以裸露的新鲜原子面相接触，从而促进原子扩散和连接；本发明方法是实现材料表面去膜及扩散连接， 材料表面去膜及扩散连接过程均持续维持在真空或保护性气氛中，不涉及到连接面的二次氧化问题，本发明方法降低了对连接面的要求，并明显降低扩散连接所需要的温度，缩短连接时间，提高扩散连接效率。本发明方法会降低焊接过程中对母材的影响，有效提高焊缝强度。二、采用本发明的装置对普通扩散焊接炉不做任何改动，且结构合理，容易实施。本发明方法对于具有表面钝化膜的材料的扩散连接效果明显，且工艺简单，可操作性强，可有效提高扩散连接质量及效率。
图1是本发明装置的整体结构主剖视图，图2是单向转动轮9结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括框架1、上夹体2、下夹体3、主动伞齿轮4、固定轴5、齿条6、夹紧环7、直齿轮8、单向转动轮9和弹簧10， 所述框架1由两个横框1-1和两个竖框1-2围成四框体，所述上夹体2安装在上横框内，所述下夹体3通过轴承安装在下横框内，且上夹体2的轴心线与下夹体3的轴心线正对，所述下夹体3上设有被动伞齿轮3-1，被动伞齿轮3-1与主动伞齿轮4啮合，主动伞齿轮4、单向转动轮9和直齿轮8依次安装在固定轴5上，所述固定轴5安装在与其对应的竖框1-2内， 且主动伞齿轮4通过轴承固装在固定轴5上，直齿轮8通过轴承固装在固定轴5上，单向转动轮9由固定盘9-1、转动环9-2和两个棘轮9-3组成，两个棘轮9-3分别铰接在固定盘9_1 的边缘处，转动环9-2的内圈设有螺纹齿9-2-1，固定盘9-1设置在转动环9-2的内孔中，且棘轮9-3上的头部设置在螺纹齿9-2-1的齿根部，单向转动轮9上的固定盘9-1与固定轴 5固定连接，单向转动轮9上的转动环9-2的两侧端面分别与其对应的主动伞齿轮4和直齿轮8固接，直齿轮8与齿条6啮合，齿条6的上端与夹紧环7固接，夹紧环7与压力机上的上压力柱11连接，所述弹簧10套装在框架1内的上夹体2上，弹簧10给上夹体2压力， 促使上夹体2与下夹体3紧密结合。单向转动轮9保证了主动伞齿轮4和被动伞齿轮3-1 单向旋转。弹簧10为耐高温弹簧。框架1、上夹体2、下夹体3、主动伞齿轮4、固定轴5、齿条6、夹紧环7、直齿轮8和单向转动轮9均为耐高温合金制造，在高温区依然保持一定的刚度。预摩擦装置的工作原理启动压力机，其上的上压力柱11向下移动，通过夹紧环7 带动齿条6向下移动，直齿轮8随之转动，带动转动环9-2转动，主动伞齿轮4随之转动，带动被动伞齿轮3-1转动，从而实现下夹体3的旋转。预摩擦装置是将上压力柱11的轴向往复运动转化为旋转运动的装置，且该装置能实现持续单一方向旋转。
具体实施方式
二结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的步骤一、装夹待焊接工件将预摩擦辅助装置安装于真空焊接炉内的上下压力柱之间，将两待连接材料分别装夹在上夹体2和下夹体3相对的端面上；步骤二、抽真空将真空焊接炉抽真空，真空度范围为8. OX 3. OX 10_5Pa，此步骤防止待焊接工件在真空焊接炉内被氧化；步骤三、预摩擦过程启动压力机，齿条6随压力机上的上压力柱11向下移动，由此驱动下夹体3转动，调整上压力柱11的下降速度以保证下夹体3的转速为0. Ir/ min 50r/min，在预摩擦过程中，两待连接材料表面的接触压强由弹簧10提供，其压强为 3MPa 80MPa，不同强度的弹簧可提供不同的压力，当两待连接材料的表面接触后，使下夹体3旋转5圈 200圈即可将焊接面钝化膜去除；步骤四、扩散连接上压力柱11继续下降并直接给上夹体2施加轴向顶锻力，上压力柱11的施压压力为3MPa 350MPa，真空焊接炉内的温度为300°C 1200°C，经过aiiin 10h，两待连接材料的连接界面原子间相互扩散， 实现扩散连接。若该预摩擦过程发生在常温，主要效果为去膜；若预摩擦过程发生在高于常温的某个温度，去膜及界面介质的流动对扩散连接均有促进作用。步骤二中若不抽真空的话，可向焊接炉内充保护性气体，如氮气、氩气等，其目的是防止待焊接工件在真空焊接炉内被氧化。
具体实施方式
三结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是步骤三中的预摩擦过程可以在常温下进行，也可将真空焊接炉加热到100°c 200°C后进行，其目的在于提高待焊接材料的温度，有利于促进去膜过程中界面孔洞的缩小，使得焊接面钝化膜的去除效果更好。其它步骤与实施方式二相同。本发明的应用实例1、纯铝与纯铝的预摩擦扩散连接将纯铝加工成为6mmX6mmX5mm小块，扩散焊接面大小为6mmX6mm。一组样品通过普通扩散连接方式进行连接，扩散连接温度为300°C，连接压力lOMPa，保温时长30min， 样品没有连接成功。利用本发明装置另一组样品分别装卡在上夹体2和下夹体3相对的端面上，真空焊接炉的真空度为3X10_3Pa，下夹体3的转速为5r/min，预摩擦时样品间压强为4MPa ；扩散连接温度为300°C，连接压力lOMPa，保温时长30min，样品实现成功的连接。2、纯铝与非晶合金(Zr5Q. 7Cu28Ni9Al12.3)的预摩擦扩散连接将纯铝和非晶合金材料分别切成6mmX 6mmX 5mm小块，扩散焊接面大小为 6mmX6mm。利用本发明装置将纯铝装卡在上夹体2的下端面上，将非晶合金材料装卡在下夹体3的上端面上，真空焊接炉的真空度为3X10_3Pa，在非晶合金的过冷液相区) 实施预摩擦，下夹体3以5r/min的转速转动10圈，预摩擦时样品间压强4MPa，随后保温 15min降温，实现了纯铝和非晶合金良好连接，且非晶合金依然保持非晶态。
权利要求
1.一种预摩擦辅助装置，所述装置包括框架(1)、上夹体O)、下夹体(3)、主动伞齿轮 (4)、固定轴(5)、齿条(6)、夹紧环(7)、直齿轮(8)、单向转动轮(9)和弹簧(10)，所述框架(I)由两个横框(1-1)和两个竖框(1-2)围成四框体，其特征在于所述上夹体(2)安装在上横框内，所述下夹体C3)通过轴承安装在下横框内，且上夹体O)的轴心线与下夹体 (3)的轴心线正对，所述下夹体(3)上设有被动伞齿轮(3-1)，被动伞齿轮(3-1)与主动伞齿轮(4)啮合，主动伞齿轮G)、单向转动轮(9)和直齿轮(8)依次安装在固定轴( 上， 所述固定轴( 安装在与其对应的竖框(1- 内，且主动伞齿轮(4)通过轴承固装在固定轴( 上，直齿轮(8)通过轴承固装在固定轴( 上，单向转动轮(9)由固定盘(9-1)、转动环(9- 和两个棘轮(9- 组成，两个棘轮(9- 分别铰接在固定盘(9-1)的边缘处，转动环(9-2)的内圈设有螺纹齿(9-2-1)，固定盘(9-1)设置在转动环(9-2)的内孔中，且棘轮(9-3)上的头部设置在螺纹齿(9-2-1)的齿根部，单向转动轮(9)上的固定盘(9-1)与固定轴(5)固定连接，单向转动轮(9)上的转动环(9-2)的两侧端面分别与其对应的主动伞齿轮(4)和直齿轮(8)固接，直齿轮(8)与齿条(6)啮合，齿条(6)的上端与夹紧环(7) 固接，所述弹簧(10)套装在框架(1)内的上夹体( 上。
2.一种利用权利要求1所述装置实现扩散连接的方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的步骤一、装夹待焊接工件将预摩擦辅助装置安装于真空焊接炉内的上下压力柱之间，将两待连接材料分别装夹在上夹体( 和下夹体C3)相对的端面上；步骤二、抽真空将真空焊接炉抽真空，真空度范围为8. OX 10’a 3. OX KT5Pa ；步骤三、预摩擦过程启动压力机，齿条(6)随压力机上的上压力柱(11)向下移动，由此驱动下夹体(3) 转动，调整上压力柱(11)的下降速度以保证下夹体(3)的转速为0. lr/min 50r/min，在预摩擦过程中，两待连接材料表面的接触压强由弹簧(10)提供，其压强为 80MPa， 当两待连接材料的表面接触后，使下夹体C3)旋转5圈 200圈即可将焊接面钝化膜去除； 步骤四、扩散连接上压力柱(11)继续下降并直接给上夹体( 施加轴向顶锻力，上压力柱(II)的施压压力为3MPa 350MPa，真空焊接炉内的温度为300°C 1200°C，经过^iin 10h，两待连接材料的连接界面原子间相互扩散，实现扩散连接。
3.根据权利要求2所述扩散连接的方法，其特征在于步骤三中的预摩擦过程可以在常温下进行，也可将真空焊接炉加热到100°C 200°C后进行。
全文摘要
一种预摩擦辅助装置及利用该装置实现扩散连接的方法，它涉及一种用于扩散连接的装置和方法，以解决现有扩散连接通常采用提高扩散焊接温度或延长连接时间来减弱钝化膜的问题。装置上夹体安装在上横框内，下夹体安装在下横框内，且上夹体的轴心线与下夹体的轴心线正对，下夹体上的被动伞齿轮与主动伞齿轮啮合，固定轴安装在竖框内，主动伞齿轮、单向转动轮和直齿轮依次安装在固定轴上，单向转动轮上的转动环的两侧端面分别与其对应的主动伞齿轮和直齿轮固接，直齿轮与齿条啮合，齿条的上端与夹紧环固接，弹簧套装在框架内的上夹体上。方法一、装夹待焊接工件；二、抽真空；三、预摩擦过程；步骤四、扩散连接。本发明用于扩散连接。
文档编号B23K20/02GK102500911SQ20111037156
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者冯吉才, 史延利, 宋晓国, 曹健, 王义峰, 陈海燕 申请人:哈尔滨工业大学