一种扩散焊用夹具及涡轮分子泵转子的扩散焊接方法与流程

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种扩散焊用夹具及涡轮分子泵转子的扩散焊接方法。

背景技术：

随着超高真空涡轮分子泵在高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等工业领域的工业化需求愈加迫切，急需开发一种新的力学性能可靠、经济性好的涡轮分子泵制造方法。真空扩散焊是一种特别适合于加工涡轮分子泵的制造方法，能够可靠地保证涡轮分子泵的抽气性能、运行效率和耐腐蚀性。

传统涡轮分子泵转子由大量预先分开加工的钛或钛合金叶片、钛或钛合金转子环交替、堆叠后，将其扩散焊为整体结构。但是，由于扩散焊接头的形成依赖于接合界面紧密贴合后原子的高温扩散过程，因此为了保证良好的焊接质量，需要增加焊接压力使得连接界面紧密贴合、需要提高焊接温度以激活原子扩散、需要延长焊接时间以保证原子扩散过程充分进行，因此这也带来了钛或钛合金叶片在长时间高温下晶粒长大、材料软化、焊接变形大和尺寸精度难以保证等技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种扩散焊用夹具，该扩散焊用夹具可限制转子焊接过程中的高温蠕变变形，从而保证焊后转子的焊接强度和尺寸精度，进而使得涡轮分子泵转子具有高性能、耐腐蚀性的特性。本发明的另一目的在于提供一种涡轮分子泵转子的扩散焊接方法，该方法在上述的扩散焊接用夹具的辅助下进行。因此，该方法可限制转子焊接过程中的高温蠕变变形，从而保证焊后转子的焊接强度和尺寸精度，进而使得涡轮分子泵转子具有高性能、耐腐蚀性的特性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种扩散焊用夹具，用于在扩散焊接作业时夹持涡轮分子泵转子，涡轮分子泵转子包括多组交替堆叠的转子环和叶片，扩散焊用夹具包括：

防变形夹具，防变形夹具包括用于与多个叶片一一对应设置的多个周向限位凹槽，周向限位凹槽用于夹持涡轮分子泵转子的叶片，以以限制叶片周向和高度方向变形。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，防变形夹具包括多个堆叠设置的夹体，任意相邻两个夹体之间形成一个周向限位凹槽。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，每个夹体均设有至少一个定位孔，防变形夹具还包括定位销，定位销与定位孔插接配合以进行定位。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，防变形夹具的材质为高强钢材质，涡轮分子泵转子的材质为超细晶钛或钛合金材质。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，涡轮分子泵转子的总高度为大于防变形夹具的总高度。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，扩散焊用夹具还包括对准夹具，当涡轮分子泵转子套设于对准夹具的外侧时，对准夹具与涡轮分子泵转子同轴线设置，对准夹具用于在焊接作业前为转子环和叶片的安装基准。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，对准夹具为筒状结构，用于与涡轮分子泵转子的内侧壁抵持。

一种涡轮分子泵转子的扩散焊接方法，包括：

采用上述的扩散焊用夹具夹持涡轮分子泵转子后进行扩散焊接。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，采用扩散焊用夹具夹持涡轮分子泵转子后进行扩散焊接具体包括：

基于对准夹具，依次交替堆叠装配转子环、叶片和防变形夹具；并采用防变形夹具的周向限位凹槽一一对应地夹持叶片，同时将防变形夹具的端部间隔转子环预设距离，最终形成待焊整体装配体；

将装配体进行真空扩散焊接作业。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，真空扩散焊接作业具体包括：

将装配体放置于真空扩散焊设备中，在1e^-3～1e^-4pa的真空度下，对其进行加热、加压，焊接温度为950±10℃，焊接压力为3～5mpa，保温时间为0.5～1h。

本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：

本发明的实施例提供了一种扩散焊用夹具，其用于在扩散焊接作业时夹持涡轮分子泵转子，涡轮分子泵转子包括多组交替堆叠的转子环和叶片，扩散焊用夹具包括防变形夹具，其设置于涡轮分子泵转子的外侧，且防变形夹具包括与多个叶片一一对应设置的多个周向限位凹槽，周向限位凹槽用于夹持涡轮分子泵转子的叶片。通过防变形夹具的设置，使得在焊接加压时，当装配体高度由于焊接变形由h1减少至h2时，装配体所承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的防变形夹具上，从而保证了焊接装配体不会发生进一步的变形，同时由于周向限位凹槽在叶片周向和高度方向的限位作用，也避免了叶片由于自重在后续长时间焊接保温过程中产生重力方向的蠕变变形，最终，有效地保证了涡轮分子泵转子的焊接强度和尺寸精度，进而使得焊后转子具有高性能、耐腐蚀性的特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的扩散焊用夹具与涡轮分子泵转子连接的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的扩散焊用夹具的局部结构示意图；

图3为图2的剖面a-a结构示意图。

图标：100-扩散焊用夹具；101-转子环；103-叶片；105-防变形夹具；107-周向限位凹槽；109-夹体；110-涡轮分子泵转子；111-定位孔；113-对准夹具。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

图1为本实施例提供的扩散焊用夹具100与涡轮分子泵连接的结构示意图；图2为本实施例提供的扩散焊用夹具100的局部结构示意图；图3为图2的剖面a-a结构示意图。请参阅图1至图3，本实施例提供了一种扩散焊用夹具100，其用于在扩散焊接作业时夹持涡轮分子泵转子110，涡轮分子泵转子110包括多组交替堆叠的转子环101和叶片103。

详细地，扩散焊用夹具100包括防变形夹具105，防变形夹具105设置于涡轮分子泵转子110的外侧，且防变形夹具105包括与多个叶片103一一对应设置的多个周向限位凹槽107，周向限位凹槽107用于夹持涡轮分子泵转子110的叶片103，以分担焊接作业时叶片103受到的焊接压力。通过防变形夹具105的设置，使得在焊接加压时，当涡轮分子泵转子110高度由于焊接变形由h1减少至h2时，涡轮分子泵转子110承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的防变形夹具105上，从而保证了焊接装配体不会发生进一步的变形，同时由于周向限位凹槽107在叶片103周向和高度方向的限位作用，也避免了叶片103由于自重在后续长时间焊接保温过程中产生重力方向的蠕变变形，最终，有效地保证了涡轮分子泵转子110的焊接强度和尺寸精度，进而使得焊后转子具有高性能、耐腐蚀性的特性。

详细地，防变形夹具105包括多个堆叠设置的夹体109，相邻两个夹体109之间形成一个周向限位凹槽107。周向限位凹槽107可用于限制在焊接高温保温、保压过程中叶片103由于自重而产生周向和高度方向的蠕变变形。

作为优选的方案，为了提高多个夹体109之间的定位精度，保证整体结构的中心精度，还可以在每个夹体109均设有至少一个定位孔111，防变形夹具105还包括定位销，定位销与定位孔111插接配合以进行定位。通过定位孔111与定位销的插接配合，使得多个夹体109的定位精度得到保证，进而保证了整个焊接体系的精度，保证转子焊接后的性能。

可选地，每个夹体109均设有四个定位孔111，当然，在本发明的其他实施例中，定位孔111的数量还可以根据需求进行选择，并不仅限于四个，本发明的实施例不做限定。

需要说明的是，在本实施例中，防变形夹具105的材质为高强钢材质，涡轮分子泵转子110的材质为超细晶钛或钛合金材质。通过采用超细晶钛或钛合金叶片103材料(约1至5μm)，使得可以在尽量小的焊接压力和短的保温时间内获得原子充分扩散、连接强度高和尺寸精度高的扩散焊接头。同时，由于钛或钛合金在700℃或更高的温度下存在高温蠕变变形现象，特别地，在结构为薄板的情况下会更加显著，即当支撑结构面积较小时，叶片103将因为自身重力而产生蠕变变形，并且沿重力方向弯曲。因此，通过防变形夹具105的设置，可以有效地保证涡轮分子泵转子110的焊接强度和尺寸精度，最终获得高性能、高效率和可靠耐腐蚀性的涡轮分子泵转子110。

还需要说明的是，在本实施例中，根据涡轮分子泵的具体结构特点，对其进行扩散焊的焊前分层，钛或钛合金转子环101单层厚度为1～100mm，钛或钛合金叶片103单层厚度为1～50mm，高强钢变形防止夹具单层厚度为1～100mm。由于扩散焊接头的形成原理为原子扩散，同时原子扩散速率在晶界处比在晶粒中快几倍，如果钛或钛合金的晶粒越细，则原子扩散过程将更加充分地进行，进而，可以在特定焊接温度下，在尽可能小的焊接压力和尽可能短的保温时间内实现焊接界面的高强连接。因此在本发明中，优先考虑叶片103材料选取超细晶钛或钛合金，晶粒尺寸约为1～5μm，如果转子环101材料也采用超细晶钛或钛合金，则上述有益效果将会更加明显。因此，在本发明的其他实施例中，叶片103和转子环101的材料也可以根据需求进行选择为不同材质的铝或铝合金材料，本发明的实施例不做限定。

作为优选的方案，涡轮分子泵转子110由多组交替堆叠的钛或钛合金转子环101和叶片103组成，其总高度为h1。防变形夹具105的总高度为h2。每个夹体109的高度均为h3，在本发明的较佳实施例中，涡轮分子泵转子110的总高度为大于防变形夹具105的总高度。也即h2小于h1的值。其中，变形防止夹具高度h3的设置过程为，由于涡轮分子泵转子110的转子环101、叶片103与变形防止夹具热膨胀系数不同，因此需要考虑两者在高温下的热膨胀量差异，即由于钢的热膨胀量大于钛的膨胀量，需要通过常温下的高度进行补偿，同时，还要考虑到钛或钛合金扩散焊接头的形成所对应的焊接变形量，上述因素共同决定了h2值。因此，当h2小于h1的值时，当h1高度减少至h2时，焊接压力将会分配至刚度更大的防变形夹具105上，因此，装配体将不会发生进一步的变形，同时由于周向限位凹槽107在叶片103周向和高度方向的限位作用，也避免了叶片103在后续过程中产生重力方向的蠕变变形，最终，有效地保证了涡轮分子泵转子110的焊接强度和尺寸精度。

请再次参阅图1，在本实施例中，扩散焊用夹具100还包括对准夹具113，涡轮分子泵转子110套设于对准夹具113的外侧，且对准夹具113与涡轮分子泵转子110同轴线设置，对准夹具113用于在焊接作业前为转子环101和叶片103的安装基准。优选地，对准夹具113为筒状结构，且对准夹具113与涡轮分子泵转子110的内侧壁抵持。通过对准夹具113的设置可有效地提高整个装配体的精度。

本发明的实施例还提供了一种涡轮分子泵转子110的扩散焊接方法，包括：采用上述的扩散焊用夹具100夹持涡轮分子泵转子110后进行扩散焊接。

详细地，其具体包括基于对准夹具113，依次交底堆叠安装转子环101和叶片103；安装结束后，采用防变形夹具105的周向限位凹槽107一一对应地夹持与叶片103，且将防变形夹具105的端部间隔转子环101预设距离后形成装配体；将装配体进行真空扩散焊接作业。也即，在焊前装配过程为，基于对准夹具113，顺序叠加、装配转子环101、叶片103、防变形夹具105即可。同时，将防变形夹具105的端部间隔转子环101预设距离l1后形成装配体，l1值由夹具的高温水平方向热膨胀量决定，以保证焊接作业的高效精确进行。

具体地，在本实施例中，真空扩散焊接作业具体包括：将装配体放置于真空扩散焊设备中，在1e^-3～1e^-4pa的真空度下，对其进行加热、加压，焊接温度为950±10℃，焊接压力为3～5mpa，保温时间为0.5～1h。在扩散焊过程中，焊接压力首先作用于较高高度的转子环101和叶片103上，当h1高度减少至h2时，焊接压力将会分配至面积更大的防变形夹具105上，同时由于防变形夹具105的高温刚性大，因此，装配体将不会发生进一步的变形，同时由于其在叶片103周向和高度方向的限位作用，也避免了叶片103在后续过程中产生重力方向的蠕变变形，最终，有效地保证了涡轮分子泵转子110的尺寸精度。

综上所述，本发明的实施例提供的扩散焊用夹具100，可限制转子焊接过程中的高温蠕变变形，从而可使焊接后的转子具有高性能、耐腐蚀性的特性，进而有效地保证了转子焊接后的尺寸精度。

本发明的实施例提供的涡轮分子泵转子110的扩散焊接方法，该方法在上述的扩散焊接用夹具的辅助下进行。因此，该方法可限制转子焊接过程中的高温蠕变变形，从而从而保证焊后转子的焊接强度和尺寸精度，进而使得涡轮分子泵转子110具有高性能、耐腐蚀性的特性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。