新型精密扩散焊机的研制

新型精密扩散焊机的研制

西北工业大学 张赋升 熊江涛 杨宁宁 李京龙


摘要： 针对分层实体制造技术要求的高焊合率及微变形量严格要求，设计制造了一台精密扩散焊机。实验结果表明：利用该扩散焊机可以实现多种新的扩散焊工艺，并对多层异种钛合金薄片进行微变形精密扩散焊试验，焊合率和变形量均达到了产品的设计要求。
关键词：扩散焊机；分层实体；焊合；变形率

0 前言

随着快速凝固、化学气相沉积以及单晶生长等新型材料加工技术的日渐成熟，各种新材料的不断出现。陶瓷（金属）基复合材料、梯度复合材料、异种金属及多层金属薄片的连接技术亟待解决，特别是近年来发展起来的分层实体制造技术要求实现多层金属薄片的精密连接。与他焊接方法相比，扩散焊是解决上述连接问题比较理想的方法。但是扩散焊设备高昂的价格，限制了这种具有高品质性能焊接方法的推广应用，同时传统的恒温、恒压扩散焊时，单一接头的变形量一般为5%左右[1]，实现多层接头的连接时，其变形量就会更大。因此开发和研制微变形、精密扩散焊设备及工艺就成为高技术领域的重要课题。由西北工业大学研制的VacBond精密扩散焊机较好的解决了上述要求。

1 VacBond精密扩散焊机技术指标

针对新材料连接及分层制造技术的工艺参数带需求，该焊机的技术指标下：

(1) 极限真空度： 2×10-4Pa（冷态）2×10-3Pa（热态）
(2) 压升率 ≤0.5Pa/h
(3) 高频加热功率 25KW
(4) 加压范围 300N~40000N
控制精度 ±3%
(5) 最高加热温度 1300℃
控制精度 ±1℃
(6) 位移测量范围 -2~+3mm
测量精度 1‰
(7) 真空室尺寸 φ350×350mm

2 VacBond精密扩散机系统构成

图1 精密扩散焊机外观图

根据以上技术指标，设计研制的精密扩散焊机如图1所示。设备主体由真空系统（真空室、机械泵、扩散泵、真空阀等）、加压系统（串联双气缸、电磁阀、三联件、储气包等）、加热系统（高频电源、高频变压器、感应圈等）、控制系统（PLC主控单元、PID温控仪、无纸记录仪、压力传感、位移传感、真空测量仪等）组成。设备系统原理如图2所示。

图2 设备系统原理

设备手动工作过程如下：

按“机械泵”按钮，机械泵工作，延时5秒，按“粗抽阀”按钮，按“真空阀1”按钮，对扩散泵抽低真空。延时5分钟按“扩散泵”按钮，扩散泵开始预热，按“冷阱压缩机”按钮，压缩机工作；按“充气阀” 按钮，对真空室充气，延时关断充气阀。打开真空室门，装配零件，按“气阀1”对零件预压。关上真空室门。待扩散泵最短预热时间40分钟（否则高真空抽不上去）时，关“真空阀1”，延时数秒，开“真空阀2”对真空室抽低真空。2分钟后打开真空计，当低真空度达5Pa以下时，关“真空阀2”，延时数秒，开“真空阀1”、“真空阀3”，对真空室抽高真空。当真空度达4×10-3Pa时，按“气阀2”对零件进行焊前瞬时加压。按“高频加热”按钮，对零件进行加热，进入焊接状态。当设定的焊接时间到时，按“高频加热”按钮，停止加热。当工件冷却至150℃以下时，关真空计、“真空阀3”，开“充气阀”，对真空室进行充气。打开真空室门，取出工件。此过程也可用自动程序实现自动控制。

3 VacBond精密焊机的主要特点

(1) 采用串联双气缸加压，满足各种精密零件的焊接压力。低气缸为预压，第二气缸可随时作为锻压力或恒压，实现分段加压和分段无压扩散焊及超塑性扩散焊；
(2) 采用PLC为主控单元，实现焊接过程的手动和自动控制；
(3) 采用PID调节，实现加热过程的闭环控制，同时可设定多种温度平台，升温速度可控可调；
(4) 采用高频感应加热，加热速度快，节约能源；
(5) 实时记录和显示压力、温度、位移、时间和真空度曲线。

4 设备实验验证

精密扩散焊机的研制成功，可以实现多种扩散焊工艺，即

(1) 恒温、恒压扩散焊。
(2) 分阶段扩散焊。
(3) 分段、无压扩散焊。
(4) 超塑性扩散焊。

下面以异钟钛合金分层实体制造技术中的扩散焊为例，介绍设备实验情况。针对分层实体制造技术，对20层直径φ25mm、厚度0.1～0.2mm的TA3薄片和φ25mm×12的TC4基座进行了扩散焊接试验，试件变形量要求为：轴向小于2%，焊合率达88%以上。试件对焊接变形有严格要求，但试件的被焊接头数多达20层，同时TA3—TC4接头的扩散焊温度与TC4的超塑性温度重合。所以该试件的精密扩散焊难度很大。

在保证钛合金高焊合率的同时减小焊接变形方面，国内外的研究人员进行了一系列工作，但结果均不是很理想[2～5]。利用VacBond精密扩散机的双气缸加压系统和分阶段的温度控制程序，采用了在升温过程中的一定温度下施加瞬时大压力，同时在保温阶段进行分段、无压扩散焊的新工艺，使焊合率由恒温、恒压扩散焊时的78%提高到92%，轴向变形率由恒温、恒压扩散焊时的16.75%减低到1.93%。两种不同扩散焊工艺实现的接头，其金相照片如图3所示（箭头所指位置为接头界面）。

a恒温、恒压扩散焊 b分段无压扩散焊
图3 不同扩散焊工艺的接头形貌

5 结论

(1) VacBond精密扩散焊机的设计、研制是成功的实现了扩散焊的手动、自动控制。
(2) VacBond精密扩散焊机可以实现多种新的扩散焊工艺。
(3) VacBond精密扩散焊机满足了异钟钛合金分层实体制造技术中的精密扩散焊技术要求。

参考文献：
[1] 李志远, 钱乙余, 张九海. 先进连接方法, 机械工业出版社. 2000.6
[2] Nikgolov, M B ; Karakozov, E S. Diffusion Welding of Various Titanium Alloys. Influence of Variations in the Degree of Alloying on the Quality of the Welded Joint. MA Journal Announcement: 9002
[3] Nikgolov, M B ; Karakozov, E S ; Markova, N V ; Korohchenko, V A. Characteristics of Joint Formation During the Diffusion Welding of Titanium Alloys With a Coarse-Grained Plate-Like Structure. MA Journal Announcement: 9208
[4] Puchkova, L M ; Gelman, A A ; Pavlov, V M. Investigation of Strain of Typical Elements of Ribbed Constructions Made of Titanium Alloys in Diffusion Welding. MA Journal Announcement: 9210
[5] Devers, T ; Hourcade, M. 30 Seconds Solid State Bonding of Metals. MA Journal Announcement: 9212