同異材質(zhì)擴(kuò)散焊接加壓裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種針對塑性差或熔點(diǎn)及耐熱材料的同種和異種材料、多層材料間連接的擴(kuò)散焊裝置，具體涉及一種帶載荷轉(zhuǎn)向夾具的同異材質(zhì)擴(kuò)散焊接加壓裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)。在生產(chǎn)應(yīng)用中，經(jīng)常遇到異種金屬的連接問題。焊接異種金屬的方法較多，主要有超聲波焊接、熔焊、固相壓力焊、熔焊-釬焊及液相過渡焊等。一些型面復(fù)雜薄壁工件的焊接工藝，因焊接面積大、焊縫強(qiáng)度要求高，實現(xiàn)這樣的焊接工藝通常采用擴(kuò)散焊接。擴(kuò)散焊接不僅能完成同種材料的焊接，而且可完成異種材料之間的焊接，是一種獲得整體接頭的固相連接方法。它的焊接強(qiáng)度是一般釬焊焊接強(qiáng)度的幾倍。擴(kuò)散焊具有:(I)擴(kuò)散焊接頭的顯微組織和性能與母材接近或相同，不存在熔化缺陷；(2)焊接溫度低，母材損傷小；(3)可進(jìn)行內(nèi)部及多點(diǎn)、大面積焊接；(4)微變形、小應(yīng)力、高精密；(5)適合于塑性差或熔點(diǎn)及耐熱材料的同種和異種、多層材料間連接；(6)表面制備要求高；(7)焊接和輔助時間長；(8)設(shè)備一次性投資大，工件尺寸受到設(shè)備限制的焊接特性。擴(kuò)散焊工藝通常復(fù)雜，設(shè)備體積大。薄壁件要完成內(nèi)外層之間的焊接，在高溫條件下自然會產(chǎn)生較大的變形，若水平放置，在重力作用下，就會產(chǎn)生橢圓變形；若垂直放置，就會產(chǎn)生下部堆壓變形。為提高焊縫強(qiáng)度，防止焊接面的氧化，內(nèi)外壁之間的夾層必須抽真空或通入惰性氣體進(jìn)行氣氛保護(hù)。因此在焊接中，通常是將工件安裝在專用的裝置上使其懸空，并慢速均勻旋轉(zhuǎn)來控制焊接過程中工件變形。再次，根據(jù)材料在不同溫度下的性能確定升溫速率和保溫時間。擴(kuò)散焊是在真空或惰性氣氛環(huán)境下，將兩個待焊試件緊密接觸，加熱至低于固相線溫度(T=0.5-0.8TJ。被焊材料在高溫和壓力作用下產(chǎn)生微觀塑性流變而達(dá)到緊密接觸，使界面處原子相互擴(kuò)散或固相反應(yīng)，產(chǎn)生原子結(jié)合從而形成牢固的整體接頭。同時，升溫過程中工件“心表”溫差不能太大，并且爐內(nèi)氣氛不能被污染，以減少氧化和殘余應(yīng)力。上述復(fù)雜的工藝過程使得加熱設(shè)備也變得復(fù)雜。
[0003]擴(kuò)散焊接必須在擴(kuò)散焊溫度條件下在同種或異種材料焊接面上施加一定的擠壓力，擠壓力的大小因焊接材料的不同而不同。接頭界面組織結(jié)構(gòu)界面局部接觸塑性變形，促使氧化膜破碎分解。當(dāng)達(dá)到凈面接觸時，發(fā)生焊接材料原子間擴(kuò)散，同時界面上的氧化物被溶解吸收，繼而再結(jié)晶組織生長，晶界移動，有時出現(xiàn)聯(lián)生晶及金屬間化合物，經(jīng)過一段時間后構(gòu)成牢固一體的焊接接頭。擴(kuò)散連接接頭的形成大致可以分為三個階段，第一階段是材料表面的物理接觸，為了兩個待焊試件獲得理想的連接，必須使它們盡量接近到足以建立金屬鍵的距離之內(nèi)?；ハ嘟佑|的微觀不平的表面在高溫及壓力的作用下，微觀凸起部位會發(fā)生塑性變形，不均勻的接觸面會被碾平，實際的接觸面積不斷增大。第二階段是接觸界面原子間的相互擴(kuò)散，實際的接觸面形成后繼續(xù)加熱和塑性變形會使晶格中原子的能量和迀移率增加，接頭區(qū)的原子會被激活而發(fā)生迀移，由原來的平衡位置進(jìn)入新的平衡位置，進(jìn)行互相擴(kuò)散，連接的深度逐漸擴(kuò)大，牢固的結(jié)合層不斷形成，部分小空隙仍殘留在晶粒內(nèi)。第三階段是可靠接頭的形成。由于材料在高溫下會發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，此階段將消除殘余的微觀不連續(xù)性和缺陷，接觸階段形成的結(jié)合層逐漸向體積方向發(fā)展，最終形成可靠的連接接頭。其中焊接頭因未焊合而形成的孔洞是接頭的初始缺陷，孔微孔洞隨循環(huán)次數(shù)的增多沿加載軸向變寬；洞擴(kuò)展并導(dǎo)致承載面積減小是接頭疲勞失效的主要原因。
[0004]傳統(tǒng)的真空擴(kuò)散焊爐設(shè)計采用電液伺服系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)相對成熟，但仍然存在一些固有的缺點(diǎn)，如:真空加熱系統(tǒng)壓力裝置調(diào)閥值高、低壓力值控制精度差、電液裝置中的液壓油對環(huán)境存在一定的污染等，因此，電液伺服系統(tǒng)不能滿足新型擴(kuò)散焊接的技術(shù)要求。擴(kuò)散焊接裝置對被焊接表面要求提供穩(wěn)定而適中的壓力，接合面間的壓力是消除或減少表面微觀凹凸不平、增加材料直接接觸表面積，以至于達(dá)到原子間距的重要條件，主要影響第一階段。施加的壓力存在需要一個適當(dāng)?shù)姆秶?，過大和過小都不利于接頭強(qiáng)度的提高。若壓力過低，被焊表面的塑性變形不足，物理接觸表面原子間距大于建立金屬鍵的距離，原子間排斥力起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致原子擴(kuò)散不足，界面上殘留的孔洞過大且過多；過高的擴(kuò)散壓力可產(chǎn)生較大的表面塑性變形，會使被焊表面再結(jié)晶溫度減低，加速晶界迀移，也將使液態(tài)金屬擠出過多，接頭中剩余的液態(tài)中間層過少，不能與母材產(chǎn)生一定程度的相互作用(潤濕、填充、溶解、擴(kuò)散)，同樣降低擴(kuò)散效果，導(dǎo)致接頭性能變差。因此，擴(kuò)散焊接裝置提供的壓力將直接影響擴(kuò)散焊結(jié)果。如用氣囊充氣加壓或加墊板加壓，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擴(kuò)散連接面若保護(hù)不好會導(dǎo)致氧化，影響連接強(qiáng)度。
[0005]擴(kuò)散焊的加壓機(jī)構(gòu)一般有機(jī)械(液壓)式占65%、熱膨脹式占11%、HIP (HotIsostatic Pressing)式占24%。傳統(tǒng)機(jī)械式擴(kuò)散焊的壓力夾具一般由上夾板，下夾板，型腔體，導(dǎo)柱和螺帽組成。壓力通過旋緊螺帽以拉緊導(dǎo)柱，從而帶動上、下夾板將拉緊力施加到被焊接表面。其不足之處在于，預(yù)加載時施加的壓力在壓力裝置連同焊接零件受熱后，發(fā)生熱膨脹，作用在被焊接表面的壓力將下降，導(dǎo)致被焊表面原子擴(kuò)散不足，焊接后強(qiáng)度降低，甚至結(jié)合不上；若在加熱前提供過大預(yù)壓力，加熱膨脹后壓力不僅無法測量，還會造成被焊接零件表面產(chǎn)生大的塑性變形，不僅影響零件尺寸還可能降低焊接強(qiáng)度。理化性能相差較大的鈦合金與銅合金擴(kuò)散連接研宄上也遇到很大困難，尤其是多元精密摩擦付類套筒結(jié)構(gòu)件(先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)恒速裝置)至今尚未獲得成功。此外，傳統(tǒng)擴(kuò)散焊接設(shè)備通用性較差，成本較高。尤其是真空擴(kuò)散焊爐存在體積龐大、壓力起調(diào)閥值高、加熱到金屬熔化溫?zé)崃W(xué)溫工作周期長、生產(chǎn)效率低、油污染等問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決傳統(tǒng)擴(kuò)散焊裝置因加熱導(dǎo)致的壓力不足和無法精確控制的缺點(diǎn)，本實用新型目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，通用性強(qiáng)，壓力恒定，不需要大型的升控溫裝置和復(fù)雜的零件夾持裝置的機(jī)械加載擴(kuò)散焊裝置。
[0007]本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種同異材質(zhì)擴(kuò)散焊接加壓裝置，包括加載系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)和提供焊接壓力的載荷轉(zhuǎn)換夾具，加載系統(tǒng)主要包括固聯(lián)在放大杠桿2與基座5之間的前立柱18、后立柱3和通過齒輪傳動副10轉(zhuǎn)動的升降絲桿9，控溫系統(tǒng)主要包括控溫系統(tǒng)主要包括垂直于基座5上方，通過固定軸15固聯(lián)的加熱爐16，其特征在于:加熱爐16通過內(nèi)置高頻感應(yīng)加熱電源加熱裝置組成加熱系統(tǒng)，為被焊零件表面原子擴(kuò)散提供能量，設(shè)置在加熱爐16內(nèi)的載荷轉(zhuǎn)換夾具17通過傳力桿14，連接在上球形連接座19與下球形連接座13之間，齒輪傳動副10通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪12或微調(diào)手輪11，帶動升降絲桿9，通過載荷轉(zhuǎn)換夾具17將加載系統(tǒng)提供的拉力轉(zhuǎn)換成待焊零件的壓力；加載系統(tǒng)通過載荷轉(zhuǎn)換夾具將加載系統(tǒng)的拉力轉(zhuǎn)換為對焊接表面的壓力進(jìn)行焊接。
[0008]與現(xiàn)有的擴(kuò)散焊裝置相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0009]本實用新型利用一種將拉力轉(zhuǎn)換成壓力的載荷轉(zhuǎn)換夾具使得擴(kuò)散焊裝置結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，制造成本低，通用性強(qiáng)，不需要大型的升控溫裝置和復(fù)雜的零件夾持裝置，操作簡便。
[0010]本實用新型采用齒輪傳動副10通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪12或微調(diào)手輪11，帶動升降絲桿9，通過載荷轉(zhuǎn)換夾具17將加載系統(tǒng)提供的拉力轉(zhuǎn)換成待焊零件的壓力，對待焊零件之間施加一定的壓力，使得待焊零件表面之間實現(xiàn)擴(kuò)散連接，此連接過程材料接觸面積大，保壓時間長，保持連接工件的均勻接觸。本實用新型在升溫階段加壓可使局部表面凸起部位被壓平，等效于改善了表面粗糙度；同時發(fā)生塑性流動的部位氧化膜得以機(jī)械破碎。在加入中間層的量一定的情況下，加壓還可以消除等溫