CN114769829A

CN114769829A - 一种电场激活的材料闪连装置

Info

Publication number: CN114769829A
Application number: CN202210510644.XA
Authority: CN
Inventors: 李华鑫; 杨富荃; 杨建国; 贺艳明; 郑文健; 闾川阳; 马英鹤; 任森栋; 郑勇; 魏连峰
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2042-05-11
Also published as: CN114769829B

Abstract

本发明公开了一种电场激活的材料闪连装置，包括主连接系统、动力系统、控制系统及红外测温系统，所述红外测温系统、主连接系统及动力系统分别设置在控制系统上，并通过控制系统实现对红外测温系统、主连接系统及动力系统的电信号控制；所述动力系统与主连接系统之间机械连接，以便主连接系统适应各种尺寸的样品，同时为主连接系统提供轴向压力；所述红外测温系统用于监测主连接系统内温度变化；本装置不采用导电模具包围样品，消除模具对电流的分流作用，使得电流产生的电场热直接作用在待连接样品上，较之于传统的SPS扩散焊方法，大幅缩短了样品的连接时间，有助于获得性能更加优良的焊接接头，提升焊接件的整体性能。

Description

一种电场激活的材料闪连装置

技术领域

本发明属于连接技术领域，具体涉及一种电场激活的材料闪连装置。

背景技术

放电等离子烧结技术(SPS) 是一种低电压(1-10 V)、高脉冲直流电激活(1-10KA)、压力辅助的烧结方法，具有升温速率快，加热均匀等优点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料等，后经发展逐渐用于材料连接（比如：金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等），该连接方法也称SPS扩散焊或电场辅助连接。该连接方法可以有效地降低连接温度和时间，在实现材料快速连接方面具有突出优势。SPS扩散焊的突出优势本质归咎于电场在材料内部产生的焦耳热与电场效应。通常，SPS扩散焊需要把样品安装在石墨模具里面，这种情况下有一部分电流会分流到样品以外的石墨模具，导致样品内部电场效应较弱，所需的扩散连接时间通常为10 min。为了扩大电流在样品内部的电场效应与焦耳热，对于导电材料可不装配进石墨模具里面开展连接，也称闪连技术。这种情况下，整个连接过程的升温速率可达1000℃/min，保温时间可降低到1s，这极大地提高了连接效率。但是，该方法并不适用于室温电阻率较大的陶瓷材料，比如碳化硅陶瓷等。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于克服室温电阻率较高的陶瓷材料不能进行闪连的技术障碍和SPS扩散焊设备价格昂贵的劣势，提出了一种适用于金属、陶瓷等材料的闪连装置。

本发明提供如下技术方案：

一种电场激活的材料闪连装置，包括主连接系统、动力系统、控制系统及红外测温系统，所述红外测温系统、主连接系统及动力系统分别设置在控制系统上，并通过控制系统实现对红外测温系统、主连接系统及动力系统的电信号控制；所述动力系统与主连接系统之间机械连接，以便主连接系统适应各种尺寸的样品，同时为主连接系统提供轴向压力；所述红外测温系统用于监测主连接系统内温度变化。

进一步的，所述主连接系统包括炉壳、上导电内芯、上导电顶针、上绝缘套、下导电内芯、下导电顶针、下绝缘套、热电偶、加热元件、置样室、真空孔、气管及真空泵；所述上导电内芯一端设置在炉壳内部上端位置，上导电内芯另一端与上导电顶针连接，所述上绝缘套套在上导电内芯外部，所述下导电内芯一端设置在炉壳内部下端位置，下导电内芯另一端与下导电顶针连接，所述下绝缘套套在下导电内芯外部，所述上导电内芯及下导电内芯在位于炉壳的一端分别设置置样室，所述炉壳内壁设有加热元件及热电偶，所述真空泵通过气管与炉壳上的真空孔相连通。

进一步的，所述动力系统包括伺服电机A、联轴器、丝杠A、丝杠B、滚珠轴承、伺服电机B、夹持圈及压盖；所述伺服电机A上连接设置丝杠A，所述丝杠A上设置夹持圈，且所述夹持圈与上绝缘套相连；所述伺服电机B上连接设置丝杠B，所述丝杠B上设置压盖，且所述压盖与上导电顶针相连。

进一步的，所述红外发射系统包括红外线发射器及红外孔，所述红外孔设置在炉壳上。

进一步的，所述控制系统包括控制按钮、LED显示屏、控制台、主控电脑及支撑台；所述控制按钮及LED显示屏设置在控制台侧壁上，所述支撑台设置在控制台内部，且支撑台与下导电顶针连接。

进一步的，所述炉壳采用两瓣式结构，且通过合页活动连接，所述炉壳上设有门扣及把手。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本装置不采用导电模具包围样品，消除模具对电流的分流作用，使得电流产生的电场热直接作用在待连接样品上，较之于传统的SPS扩散焊方法，大幅缩短了样品的连接时间，有助于获得性能更加优良的焊接接头，提升焊接件的整体性能。

2）本发明在传统闪烧基础上，加入伺服电机作为动力源，通过丝杠与轴承的配合传动，带动压盖的升降，提供连接时的轴向压力。

3）本发明中的添加的辅助加热元件可以通过升高温度来降低陶瓷材料的电阻率，然后在高温下施加电场以触发陶瓷材料的闪连;而对于导电的金属材料，可以不需要开启辅助加热装置，直接通电触发金属材料的闪连，在热场辅助作用下，通过电-热转换效应将所有的热量几乎全部用于连接样品，故消耗的能量远低于传统热辐射烧结方法。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明剖视图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明斜二测视图；

图中：11、控制按钮；12、LED显示屏；13、控制台；14、主控电脑；15、支撑台；21、伺服电机A；23、联轴器；24、丝杠A；240、丝杠B；25、滚珠轴承；26、夹持圈；27、压盖；31、上导电顶针；310、下导电顶针；32、上导电内芯；320、下导电内芯；33、上绝缘套；330、下绝缘套；34、置样室；35、热电偶；36、加热元件；37、真空孔；38、气管；39、真空泵；40、炉壳；41、把手；42、门扣；43、合页；51、红外线发射器；52、红外孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-4，一种电场激活的材料闪连装置，包括控制按钮11、LED显示屏12、控制台13、主控电脑14、支撑台15、伺服电机A21、联轴器23、丝杠A24、丝杠B240、滚珠轴承25、伺服电机B、夹持圈26、压盖27、上绝缘套33、下绝缘套330、上导电内芯32、下导电内芯320、上导电顶针31、下导电顶针310、炉壳40、门扣42、把手41、合页43、热电偶35、加热元件36、置样室34、真空孔37、气管38、真空泵39、红外线发射器51、红外孔52。

本发明的闪连装置主要包括主连接系统、动力系统、控制系统及红外测温系统四部分组成。

主连接系统包括炉壳40、上导电内芯32、上导电顶针31、上绝缘套33、下导电内芯320、下导电顶针310、下绝缘套330、热电偶35、加热元件36、置样室34、真空孔37、气管38及真空泵39；炉壳40采用两瓣式结构，且通过合页43活动连接，炉壳40上设有门扣42及把手41。炉壳40经合页43的连接组成炉腔，提供连接行为的发生场地，保证连接温度；把手41用于打开炉腔便于放置、观察、取出样品；炉扣42在放好样品后，便于锁紧两侧炉壳，保证炉腔内的温度恒定，提供恒温环境。

上导电内芯32一端设置在炉壳40内部上端位置，上导电内芯32另一端与上导电顶针31连接，上绝缘套33套在上导电内芯32外部，下导电内芯320一端设置在炉壳40内部下端位置，下导电内芯320另一端与下导电顶针310连接，下绝缘套330套在下导电内芯320外部，上导电内芯32及下导电内芯320在位于炉壳40的一端分别设置置样室34，炉壳40内壁设有加热元件36及热电偶35，真空泵39通过气管38与炉壳40上的真空孔37相连通。

动力系统包括伺服电机A21、联轴器23、丝杠A24、丝杠B240、滚珠轴承25、伺服电机B、夹持圈26及压盖27；

伺服电机A21上连接设置丝杠A24，丝杠A24上设置夹持圈26，且夹持圈26与上绝缘套33相连，伺服电机A21置于控制台13内部，作为动力源，带动夹持圈26的运动，夹持圈26与绝缘套33连接，经丝杠A24传动，完成绝缘套33的升降运动，从而实现焊接之前的对中行为。

伺服电机B上连接设置丝杠B240，丝杠B240上设置压盖27，且压盖27与上导电顶针31相连。伺服电机B22置于控制台13内部，作为动力源，带动丝杠B240的旋转，并带动压盖27完成升降运动，为焊接过程提供轴向压力；此外压盖与导电顶针31固定连接，从而完成焊接过程中的通断电行为。

联轴器23作为中继运动原件，承接伺服电机A21、伺服电机B22的旋转运动，并转换成丝杠A24、丝杠B240的旋转运动。

滚珠轴承25用于承接来自丝杠的旋转运动，并转化为夹持圈26、压盖27的升降运动。

上、下绝缘套包围在上、下导电内芯的外围，用于保护操作者的安全。

上、下导电内芯，用于传导来自上、下导电顶针的电流，使电流通过样品，形成稳定电场。

上导电顶针31与压盖27固定连接，与外部电源连接，为装置提供电流。

置样室34，用于放置待连接样品，上端连接导电内芯，保证电流的供给。

热电偶35置于由炉壳41组成的炉腔内部，用于测温反映给主控电脑14，感温灵敏，实时监测炉腔内温度。

加热元件36置于由炉壳41组成的炉腔内部，用于提供一个稳定的热场，给待连接的样品加热，为连接行为做前期准备。

真空孔37设于炉壳41上为通孔，气管38一端连接真空孔37一端连接真空泵39，通过气管38来抽出炉腔内空气，提供真空环境。

红外发射系统包括红外线发射器51及红外孔52，红外孔52设置在炉壳40上。红外线发射器51，可以发射红外线，用于测量超出热电偶测温范围的温度，便于随时监测炉腔内温度变化；红外孔52，作为红外线进入炉内的通道。

控制系统包括控制按钮11、LED显示屏12、控制台13、主控电脑14及支撑台15；控制按钮11及LED显示屏12设置在控制台13侧壁上，支撑台15设置在控制台13内部，且支撑台15与下导电顶针310连接。

其中控制按钮11是控制系统的开关，用于设定程序，启停装置；LED显示屏12，用于显示连接过程进度与连接状态，方便随时操控连接过程；控制台13用于保护主动力系统的安全运行，提供连接平台；主控电脑14用于设定程序，控制连接行为的进程；支撑台15用于承载来自压盖37带动导电顶针带来的轴向压力，同时提供连接平台。

装置组装过程：

将支撑台15置入控制台13内部，并固定连接下导电顶针310，将下导电内芯320与下导电顶针310连接，再将下绝缘套330套在下导电内芯320外部，下端与控制台13固定连接，将置样室34套在下导电内芯320的露出部分，同样的，组装上部对称的导电部分；再用合页43将炉壳40组装成炉腔包围在外部，组成连接室，至此，主要连接部分组装完成。将伺服电机A21通过联轴器23与丝杠A24连接，置入控制台13内部，同样的，将伺服电机B通过联轴器23与丝杠B240连接，置入控制台13内部，再将滚珠轴承25放入夹持圈26内部，然后套入丝杠A24，再将上绝缘套33与夹持圈26固定连接，以便于适应各种尺寸的样品，至此主要连接机构组装完成。接下来组装加压结构部分，将滚珠轴承25放入压盖27内部，然后套入丝杠B240，压盖27下部固定连接上导电顶针31，至此，加压结构部分组装完成。将气管38一端与真空孔37连接，另一端与真空泵39连接，以便实现真空环境。最后将红外线发射器51对准红外孔52放置，红外测温系统组装完成。

该发明的工作原理如下：

在装置组装完成之后，通过把手41将炉腔打开，将待连接样品放入两置样室34中间，上导电内芯32在重力作用下自然下坠将待连接样品初步压紧，启动伺服电机A21调整上绝缘套33至合适位置。关闭炉腔，开启真空泵39，将炉腔内抽成真空，与此同时，通过主控电脑14设定连接运行程序，再启动伺服电机B带动压盖27用上导电顶针31压紧上导电内芯32，从而提供轴向压力，将样品完全压紧。通过控制按钮11启动程序，加热元件36开始工作，样品即时开始通电，在几秒内完成连接。通过LED显示屏12与主控电脑14监测连接进度。连接完成后，加热元件36停止加热，启动伺服电机B反转，将压盖27提起，等待降温完成，取出样品。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，包括主连接系统、动力系统、控制系统及红外测温系统，所述红外测温系统、主连接系统及动力系统分别设置在控制系统上，并通过控制系统实现对红外测温系统、主连接系统及动力系统的电信号控制；所述动力系统与主连接系统之间机械连接，以便主连接系统适应各种尺寸的样品，并为主连接系统提供轴向压力；所述红外测温系统用于监测主连接系统内温度变化。

2.根据权利要求1所述的一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，所述主连接系统包括炉壳（40）、上导电内芯（32）、上导电顶针（31）、上绝缘套（33）、下导电内芯（320）、下导电顶针（310）、下绝缘套（330）、热电偶（35）、加热元件（36）、置样室（34）、真空孔（37）、气管（38）及真空泵（39）；所述上导电内芯（32）一端设置在炉壳（40）内部上端位置，上导电内芯（32）另一端与上导电顶针（31）连接，所述上绝缘套（33）套在上导电内芯（32）外部，所述下导电内芯（320）一端设置在炉壳（40）内部下端位置，下导电内芯（320）另一端与下导电顶针（310）连接，所述下绝缘套（330）套在下导电内芯（320）外部，所述上导电内芯（32）及下导电内芯（320）在位于炉壳（40）的一端分别设置置样室（34），所述炉壳（40）内壁设有加热元件（36）及热电偶（35），所述真空泵（39）通过气管（38）与炉壳（40）上的真空孔（37）相连通。

3.根据权利要求2所述的一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，所述动力系统包括伺服电机A（21）、联轴器（23）、丝杠A（24）、丝杠B（240）、滚珠轴承（25）、伺服电机B、夹持圈（26）及压盖（27）；所述伺服电机A（21）上连接设置丝杠A（24），所述丝杠A（24）上设置夹持圈（26），且所述夹持圈（26）与上绝缘套（33）相连；所述伺服电机B上连接设置丝杠B（240），所述丝杠B（240）上设置压盖（27），且所述压盖（27）与上导电顶针（31）相连。

4.根据权利要求2所述的一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，所述红外发射系统包括红外线发射器（51）及红外孔（52），所述红外孔（52）设置在炉壳（40）上。

5.根据权利要求2所述的一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，所述控制系统包括控制按钮（11）、LED显示屏（12）、控制台（13）、主控电脑（14）及支撑台（15）；所述控制按钮（11）及LED显示屏（12）设置在控制台（13）侧壁上，所述支撑台（15）设置在控制台（13）内部，且支撑台（15）与下导电顶针（310）连接。

6.根据权利要求1所述的一种电场激活的材料闪连装置，其特征在于，所述炉壳（40）采用两瓣式结构，且通过合页（43）活动连接，所述炉壳（40）上设有门扣（42）及把手（41）。