一种用于氧化锆功能陶瓷与金属真空高温钎焊的工装的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种用于氧化锆功能陶瓷与金属真空高温钎焊的工装。


背景技术：

2.氧化锆功能陶瓷器件广泛应用于清洁新能源、电力、生物质能、核工业、钢铁冶金等领域。掺杂5mol％或8mol％氧化钇的氧化锆(5ysz或8ysz)粉料，氧化钙稳定氧化锆陶瓷(csz)粉料，氧化铈稳定氧化锆陶瓷(ce-zro2)粉料等，经成型、烧结获得的全稳定氧化锆陶瓷，具有高温热离子导电特性的功能陶瓷，是制备氢燃料电池堆的核心固态电解质材料，是制备测氧量探测器、氧传感器、氧泵的核心敏感元件等。
3.氧化锆功能陶瓷器件的研制过程中，需要将氧化锆陶瓷元件组件制备成复杂形状的器件，这些器件带有法兰、需要一定的长度，需要与金属法兰件承压连接等。为解决此问题，通常是将氧化锆功能陶瓷制备成结构相对简单的圆管状、圆锥状等陶瓷件，再将其与塑性良好金属进行粘接或者普通焊接等实现整体制备，而采用钎焊连接技术是获得性能稳定、寿命长、测量信号稳定的氧化锆功能陶瓷元件的先进技术之一。
4.在实际钎焊工艺研制时，由于需要在真空钎焊设备内进行真空高温钎焊，简单的摆放并不能实现良好的焊接效果，氧化锆陶瓷元件与金属法兰件之间相对连接位置无法得到有效定位，连接强度不佳，无法焊接出满足各项技术指标的元器件。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决上述技术问题并提供一种用于氧化锆功能陶瓷与金属真空高温钎焊的工装，结构简单，操作便捷，能够辅助焊接制备高品质器件。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于氧化锆功能陶瓷与金属真空高温钎焊的工装，包括支撑托、下绝缘环、上绝缘环、上压板和至少两个固定柱，支撑托上设置有台阶孔，台阶孔的大端朝上设置，所述下绝缘环设置在台阶孔的大端内，下绝缘环用于支撑金属法兰件，至少两个固定柱设置在台阶孔周边的支撑托上，固定柱对应的上压板表面设置有导向孔，所述上压板通过导向孔套设在固定柱上并能够沿固定柱轴向移动，上压板上设置有避让陶瓷件的避让孔，所述上绝缘环设置在避让孔下方的上压板表面并套设在陶瓷件上；
7.所述固定柱表面以及支撑托底面上均设置有绝缘层。
8.进一步的，所述下绝缘环的环形外周与台阶孔的内壁之间通过螺纹连接。
9.进一步的，至少两个固定柱的设置位置与金属法兰件的法兰孔位置匹配，金属法兰件的法兰孔套设在固定柱上安装。
10.进一步的，所述上压板表面设置有配重块，所述配重块套设在固定柱上并与上压板抵接。
11.进一步的，所述固定柱的顶部设置有紧固螺母，所述紧固螺母与上压板之间设置
有抵接套管，所述紧固螺母通过抵接套管对上压板施加压力，所述紧固螺母通过扭力扳手锁固。
12.进一步的，还包括装配支架，所述装配支架包括底盘，所述底盘中部设置有定位凸台，所述定位凸台中部设置有中心定位杆，所述台阶孔的小端套设在定位凸台上并配合限制支撑托的位置，所述中心定位杆一端伸入陶瓷件内部对陶瓷件定位。
13.进一步的，所述中心定位杆一端与定位凸台螺纹连接，另一端上设置有橡胶块。
14.进一步的，所述绝缘层为陶瓷涂层，且材质为氧化铝陶瓷，厚度为10-200 μm。
15.进一步的，所述下绝缘环和上绝缘环的材质为氧化铝刚玉、氧化锆陶瓷或氧化镁陶瓷。
16.本实用新型的有益效果：
17.1、工装结构简单，通过支撑托和上压板的配合，能够将锥状氧化锆陶瓷元件与圆形金属法兰件贴合在一起，上压板还能够通过自重对两者施加压力，提高焊接效果，下绝缘环和上绝缘环能够将锥状氧化锆陶瓷元件与圆形金属法兰件绝缘隔离在支撑托和上压板之间，提高焊接质量。
18.2、采用此工装进行高温真空钎焊，能够满足锥状氧化锆陶瓷元件与圆形金属法兰件的高品质焊接要求，钎焊后的钎缝气密性、热冲击性能、钎缝组织形貌等满足使用要求，制备得到的元件应用于钎焊型工业高温烟气测氧探测器中，满足长时间稳定、可靠的在线连续运行，具有重要的实际应用价值。
附图说明
19.图1是本实用新型的整体结构示意图；
20.图2是本实用新型图1中的工装在使用时的截面结构示意图；
21.图3是本实用新型具有锁固功能的结构示意图；
22.图4是本实用新型的装配支架结构示意图；
23.图5是本实用新型具有锁固功能前提下配合装配支架使用时的截面结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
25.参照图1和图2所示，本实用新型的用于氧化锆功能陶瓷与金属真空高温钎焊的工装的一实施例，包括支撑托1、下绝缘环2、上绝缘环3、上压板4和至少两个固定柱5，支撑托上设置有台阶孔6，台阶孔的大端朝上设置，下绝缘环设置在台阶孔的大端内，下绝缘环用于支撑金属法兰件111，两个固定柱设置在台阶孔周边的支撑托上，固定柱对应的支撑托上设置有螺纹孔，通过螺纹连接安装，固定柱对应的上压板表面设置有导向孔，上压板通过导向孔套设在固定柱上并能够沿固定柱轴向移动，上压板上设置有避让陶瓷件的避让孔7，上绝缘环设置在避让孔下方的上压板表面并套设在陶瓷件112上；固定柱表面以及支撑托底面上均设置有绝缘层，支撑托在摆放至真空钎焊设备内并进行高温钎焊过程中，支撑托不会与设备内金属平台发生黏连，便于取出，而固定柱则避免与产品中的金属法兰件导电接触，提高焊接品质，方便后续工装与成品之间的分离。
26.其中，支撑托、配重件、固定柱等材质主要为316、316l、310、310s、可伐合金等耐高温合金或不锈钢，其中以316l、310s为最佳；下绝缘环、上绝缘环材质为氧化铝刚玉、氧化锆陶瓷或氧化镁陶瓷，耐高温，能够重复使用。
27.支撑托主要起到支撑金属法兰件、钎料、陶瓷件等焊接件的作用。支撑托的尺寸规格可以与金属法兰件外径尺寸相同，支撑托表面用于安装固定柱的地方设置有螺纹孔，且为通孔，支撑托底面等离子喷涂陶瓷处理，喷涂材质为氧化铝陶瓷，厚度为15-25μm。上绝缘环和下绝缘环为陶瓷材质。配重件上开设的导向孔徐亚偶遇固定柱安装位置匹配。固定柱外表面需要等离子喷涂陶瓷处理，喷涂材质为氧化铝陶瓷，厚度控制为15-25μm。
28.在焊接前，将陶瓷件与金属法兰件安装至工装内，首先将下绝缘环放置在台阶孔内，然后将金属法兰件摆放在下绝缘环表面，随后将陶瓷件摆放在金属法兰件顶部，两者之间还需要设置有助焊钎料，随后将上绝缘环套设在陶瓷件上，最后将上压板从固定柱上套入，通过避让孔对陶瓷件进行避让，直至上压板压在上绝缘环表面，即完成组装，上压板还能够依托自身重力给陶瓷件和金属法兰件施加一定压力，促使钎焊顺利进行，提高焊接质量。
29.具体的，两个固定柱的设置位置与金属法兰件的法兰孔位置匹配，金属法兰件的法兰孔套设在固定柱上安装，起到置中定位的效果，当金属法兰件被定位后，便于中部陶瓷件的定位，从而避让孔设置位置也能够很好的匹配陶瓷件。下绝缘环的环形外周与台阶孔的内壁之间通过螺纹连接，在安装后不会掉落，下绝缘环不会因掉落意外损坏。当上压板重量不能满足焊接时的压力时，还可以在上压板表面设置有配重块，配重块套设在固定柱上并与上压板抵接，提高使用时对压力调节的控制自由度。
30.基于上述方案钎焊后的钎缝未见裂纹，间隙连接致密，采用sem分析微观形貌，未见明显气孔缺陷，整体钎焊组件采用氦质谱检漏仪检测漏率优于3.0
ꢀ×
10-10
pa﹒m3/s，气密性良好。氧化锆功能陶瓷与金属钎焊元件放置在恒温 500℃硅碳炉中，5min后，取出空冷，循环5次，未见断裂现象。采用此工装制备的氧化锆功能陶瓷与金属钎焊元件制备的工业高温烟气测氧探测器，在工业锅炉烟道上连续运行24个月后，仍旧能够稳定、可靠的在线连续测氧运行。
31.参照图3至图5所示，为了保证在组装完毕后，整体结构的稳定性，在固定柱的顶部设置有紧固螺母8，紧固螺母与上压板之间设置有抵接套管9，紧固螺母通过抵接套管对上压板施加压力，紧固螺母通过扭力扳手锁固，通过扭力扳手控制整体下压力，紧固螺母能够通过抵接套管将上压板固定位置，从而上压板无法移动，即将陶瓷件牢牢的压设在金属法兰件上，在搬运等过程中，均不会发生移动问题，降低操作难度。
32.并且在装配过程中，为了进一步降低操作难度，还设置了装配支架，装配支架包括底盘10，底盘中部设置有定位凸台11，定位凸台中部设置有中心定位杆12，台阶孔的小端套设在定位凸台上并配合限制支撑托的位置，中心定位杆一端伸入陶瓷件内部对陶瓷件定位。在装配时，将支撑托摆放在底盘上，支撑托上的台阶孔与定位凸台匹配，支撑托被定位置中，随后摆放金属法兰件，金属法兰件通过支撑托上的固定柱定位置中，接着摆放陶瓷件，由于中心定位杆的设置，陶瓷件也被定位置中，从而保证了陶瓷件与金属法兰件之间的相对位置关系，最后将剩余的组件装配即可。装配完成后，装配支架不与固定陶瓷件和金属法兰件的工装结构一并周转，装配支架不参与焊接。
33.上述的中心定位杆一端与定位凸台螺纹连接，方便组装，成本低，另一端上设置有橡胶块13，在定中过程中，通过橡胶块自适应轴向上的位移，避免发生干涉时，对陶瓷件造成伤害。
34.以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施方式技术方案的精神和范围。