一种金属构筑连接装置的工作方法

1.本发明属于连接装置技术领域，具体涉及一种金属构筑连接装置的工作方法。


背景技术：

2.固态连接的优点在于连接过程中母材不发生熔化，焊缝处没有明显的热影响区，连接接头部位呈现均匀的细晶组织，具有良好的连接强度和精度，力学性能甚至超过母材。现有固态连接技术主要包括冷压焊、摩擦焊、扩散焊、爆炸焊、冷喷涂等，已广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料的连接成形。金属材料凝固过程存在尺寸效应，大铸锭凝固缺陷严重影响大锻件生产品质。长期以来，国内外行业专家提出了多种改善铸坯质量的方法，如半固态成形法、低氧纯净化熔铸法、多浇包层状浇铸法、外场辅助熔炼法以及新兴的激光增材制造法等。这些方法在减少铸锭偏析、夹杂、中心疏松等方面具有一定作用效果，但均无法满足大型高品质锻件用坯的均质化生产。为此，出现了“基元构筑，以小制大”的金属构筑成形技术。
3.如中国发明专利《用于金属构筑成形制造工艺的制造系统》，其专利号为zl201610083672.2(授权公告号为cn105537749b)公开了的制造系统包括：堆垛单元，其配置为将多个金属基元堆垛成预定形状；封装单元，其配置为将堆垛成预定形状的所述多个金属基元封装成预制坯；锻焊单元，其配置为对预制坯进行锻焊以获得零件毛坯，锻焊单元包括加热设备、锻压设备、运送设备和堆垛工作站，堆垛工作站包括定位设备。
4.上述专利所对应的制造系统中的各个设备单元分离设置，转运过程耗时耗力，降低了生产效率，且增加了能耗和制造系统的体积；另外，在堆垛的过程中，需要将各基元对齐，然后对堆垛后的样品进行真空封焊。采用该系统的制造工艺对金属构筑成形坯料进行组装，存在加工工序繁冗、连接界面处易形成焊痕热影响区、坯料转运反复加热能量耗散、坯料长时间保温氧化严重、高温作业工作强度大等问题。
5.因此，需要对现有的金属构筑装置的工作方法作进一步改进。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种设备集成为一体以提高工作效率的金属构筑连接装置的工作方法。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种金属构筑连接装置的工作方法，其特征在于，所述金属构筑连接装置包括有内部具有腔室以供构筑样品放置于其内的炉体、加压系统和设置在腔室内的加热器，所述加压系统包括均至少局部位于腔室内的上压柱和下压柱以及用来驱动上压柱相对下压柱上下运动的驱动器，所述下压柱位于上压柱之下，且该下压柱的顶端设置有被布置成能相对该下压柱上下运动的样品台；所述炉体上设置有供水通过以对腔室进行降温的水流通道；该工作方法依次包括有以下步骤：
8.1)将至少两个构筑样品放置在炉体的腔室内，并堆叠在样品台的正中央，根据实际需要，调整样品台的高度，启动加压系统，使驱动器带动上压柱向下运动，从而对样品台
上的两个构筑样品施加自上而下的应力场进行预压，此时，两个构筑样品被压合固定而完成预装配；
9.2)关闭炉体，向水流通道内通水；
10.3)启动真空系统对腔室抽真空，待达到预设真空值后启动加热器对构筑样品进行加热；
11.4)当温度场稳定后，通过驱动器带动上压柱继续向下运动，以对构筑样品进一步施加自上而下的应力场，使得构筑样品发生塑性变形或者不发生塑性变形但在等静压高温蠕变过程中能实现有效结合。
12.优选地，所述金属构筑连接装置还包括有用来向构筑样品施加电场的电场系统和用来向构筑样品施加超声场的超声波系统，根据实际需要启动电场系统和超声波系统中的至少一个。
13.当将构筑样品放置在炉体的腔室内时，可对腔室内的构筑样品施加应力场和温度场，并能施加电场和超声场的至少一个(即同时施加应力场和温度场，也可选择施加电场和超声场)，整个过程中，无需将构筑样品转运至其他设备中进行，提高了构筑样品预连接的工作效率和质量。
14.优选地，在步骤3)中，先采用真空系统中的机械泵对腔室进行预先抽真空，待真空度达到初步要求时，启动加热器工作，待达到预设温度后，启动真空系统中的分子泵对腔室进行进一步抽真空；或者，在步骤3)中，采用真空系统中的机械泵对腔室进行预先抽真空，待真空度达到初步要求时，启动真空系统的分子泵继续对腔室进行抽真空，待真空度满足要求时，启动加热器工作。
15.驱动器的结构形式有多种，可采用液压缸的形式，也可采用电机和螺杆相配合的形式，但是优选地，在步骤1)中，驱动器为液压缸，液压缸最大输出压力为50t。
16.优选地，所述腔室内设置有热电偶，在步骤1)中，待构筑样品完成预装配后，将设置在腔室内的热电偶调整至构筑样品的连接界面处，测量连接部位的温度，完成构筑样品的装配。
17.其中，热电偶的伸入长度和角度是通过密封垫圈人为调整的，目的是使得涂有绝缘层的热电偶尖端紧贴在构筑样品界面处，实现对构筑样品温度的实时精准测量，提高构筑实验的控温精度，防止样品过热过烧或构筑温度偏低。热电偶调整到位后将密封垫圈锁紧，即完成了对构筑样品的装配。
18.在步骤4)中，待温度t＝(0.6-0.85)tm，tm为构筑样品材料的熔点，且所述炉体之腔室内的温度波动小于1℃后，可认为温度场到稳定状态。
19.超声波系统中的超声探头的设置位置有多种，但是优选地，所述超声波系统包括有用来向构筑样品发射超声波的超声探头，所述超声探头位于所述下压柱内，调整样品台高度，以调整两个构筑样品待连接表面与超声探头之间的间距l，其中，l为超声波波长的整数倍。间距l的限定，使两个构筑样品待连接表面处于超声波波峰叠加处。
20.另外，设置在下压柱内部的超声探头与下压柱之间设有绝缘陶瓷，防止电场工作时发生短路。样品台高度调整完成后，在对构筑样品施加应力场的过程中，可同时施加超声场和电场，无需另外调整构筑样品的位置来匹配超声场或电场，提高了多物理场耦合作用的工作效率。
21.超声波系统的结构形式有多种，但是优选地，所述超声波系统包括有超声波发生器、变幅杆和与所述超声波发生器电连接的超声换能器，所述超声波发生器和超声换能器均位于所述炉体之外，所述变幅杆的一端能与所述超声探头电连接，所述变幅杆的另一端与所述超声波换能器电连接。
22.电场系统的结构形式有多种，但是优选地，所述电场系统包括有电场变压器、正极、负极以及与电场变压器电连接的控制器，所述电场变压器分别与所述正极和负极电连接，所述正极和负极分别设于所述上压柱和下压柱，所述上压柱、下压柱及样品台均为导电件，当需要施加电场时，380v高压电通过电场变压器整流后导入至电场电极，电场电极包括上述的正极和负极，正极随上压柱向下移动与构筑样品上表面相接触，而负极通过样品台与构筑样品的下表面相接触，调节电流/电压的控制器可输出不同参数的电场。
23.正极和负极分别设于上压柱和下压柱，如此，在对构筑样品施加应力场的同时，可通过上压柱和下压柱对构筑样品施加电场，无需另外调整构筑样品的位置来匹配超声场和电场，从而提高了多物理场耦合作用的工作效率。
24.优选地，所述间距l为12cm，所述电场变压器的额定功率为20kw，电场最大工作电压为10v，最大工作电流为2000a；超声发生器的额定功率为3kw，额定频率为20khz，超声探头的最大振幅为20μm，超声探头传递至构筑样品连接处的振幅基本为1μm；在步骤1)中，预压的压力为5mpa；在步骤3)中，预先抽真空的真空度的初步要求为小于10pa，分子泵抽真空后，真空度最终小于1.0
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pa以满足要求。
25.进一步优选地，在步骤4)中，在施加应力场的同时启动电场系统，对构筑样品同时施加应力场和电场；或者，在施加应力场的同时启动超声波系统，对构筑样品同时施加应力场和超声场；或者，在施加应力场的同时启动超声波系统和电场系统，对构筑样品同时施加应力场、电场和超声场。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：当将构筑样品放置在炉体的腔室内时，可对腔室内的构筑样品施加应力场和温度场，整个工作过程中，无需将构筑样品转运至其他设备中进行加工，提高了构筑样品预连接的工作效率，降低了金属构筑预连接工作的总能耗。该工作方法向构筑样品施加应力场和温度场的同时，可以选择调用电场或超声场。构筑样品界面区在电场热效应作用下，能够使界面难熔性氧化物产生局部微区高温分解，并在电场力作用下快速向基体扩散。这种不通过构筑样品整体温度提高，而是以相对较低温度场配合电场达到界面难熔物质分解扩散的方法，有效防止了构筑温度过高引起的样品过烧报废，且整个过程集成度高易于操作。若再根据实验需求，选择调用超声场将变形破解的界面氧化物碎片进一步超声波振动分解。通过多场物理厂耦合作用，该工作方法可促进样品构筑界面的快速无痕连接。
附图说明
27.图1为本发明实施例的部分结构示意图；
28.图2为图1的工作状态的示意图；
29.图3中(a)为实施例2中两个构筑样品连接处的界面组织的金相图；
30.图3中(b)为实施例2中两个构筑样品连接处的界面组织的扫描电镜图。
具体实施方式
31.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
32.实施例1：
33.如图1和图2所示，本实施例的金属构筑连接装置包括有炉体1、加压系统、加热器2、上支撑梁3、下支撑梁4、水箱(未示出)、真空系统，电场系统和超声波系统。
34.如图1和图2所示，上支撑梁3和下支撑梁4均横向布置，且下支撑梁4位于上支撑梁3之下，而上支撑梁3和下支撑梁4之间通过立柱5进行支撑。具体地，立柱5竖向布置，且至少有两根，本实施例中有四根。每根立柱5的结构相同，以下以其中一个立柱5为例进行说明。上述立柱5的上端与上支撑梁3相连接，立柱5的下端与下支撑梁4相连接。炉体1位于上支撑梁3、下支撑梁4及四根立柱所围合的空间内，且为不锈钢材质的炉体。上支撑梁3安装有能带动上压柱10上下运动的驱动器，驱动器为液压缸6，液压缸6最大输出压力为50t，且该液压缸6与液压泵站7通过电控液压阀和高压油管连接。
35.上述的炉体1的内部中空形成有腔室1a，炉体1具有对腔室1a进行冷却的水流通道(未示出)，水流通道位于腔室1a的外围，且该水流通道形成在炉体1的壁板内。水箱用来向水流通道内通入液体，水箱具有与水流通道的进口相连通的第一通孔及与水流通道之出口相连通的第二通孔。如此，当需要对腔室进行冷却时，将水箱内的水泵入至水流通道内，并且水箱与水流通道可实现循环，上述水流通道内，循环水流量为15l/min，泵入水流通道内的压强为0.02～0.03mpa。另外，腔室1a内还设置有热电偶。热电偶有两种：当实验温度≤600℃时，使用k型热电偶；当实验温度≥1000℃时，使用s型热电偶；当实验温度600℃～1000℃时，两种测温热电偶均可使用。
36.本实施例的加压系统包括有上压柱10和供构筑样品放于其上的下压柱11，上压柱10和下压柱11均竖向布置且均局部位于腔室1a内，上压柱10位于下压柱11之上，并被布置成能朝靠近下压柱11方向运动以向下压柱11上的构筑样品施压。具体地，上压柱10的上端与液压缸6相连接，上压柱10外套设有与炉体1密封连接的伸缩管8，本实施例的伸缩管8为波纹管。上压柱10局部位于腔室1a内。本实施例中上压柱和下压柱的横截面均呈圆形，且两者的直径均为120mm。
37.电场系统用来向构筑样品施加电场，且局部位于腔室1a内。前述的电场系统包括有电场电极、电场变压器15和与电场变压器15电连接的控制器，控制器为调节电流/电压的控制器。电场变压器15分别与正极和负极电连接，电场变压器15位于炉体1之外。电场电极包括有正极和负极，正极设于上压柱10，且与上压柱10为一体件。而负极设于下压柱11，且与下压柱11为一体件。另外，构筑样品可直接放置在下压柱之上，也可间接设置在下压柱11上，具体地，下压柱11的顶端设置有供构筑样品放于其上的样品台(未示出)，样品台能上下移动地设置在下压柱11上。可采用人工调节样品台上下运动，也可通过设置驱动机构主动驱动样品台上下升降。另外，样品台与下压柱可通过插柱和插槽的方式实现连接，本实施例中均不再详细赘述。
38.上述的样品台、下压柱11和上压柱10均为等静压石墨制成的导电件，且样品台和下压柱11导电，但是两者局部设计有绝缘体确保在工作时不短路，可将电场电流顺利传递至样品。电场变压器15输出电流经导电片(如铜板)导入至电场电极，其中，正极随上压柱向下移动与构筑样品的上表面接触，而负极通过样品台与构筑样品的下表面接触。上述电场
电极采用石墨电极，电场变压器额定功率20kw，电场最大工作电压10v，最大工作电流2000a。当需要施加电场时，380v高压电通过电场变压器15整流后由导电片导入至电场电极，正极随上压柱向下移动与构筑样品的上表面接触，而负极通过样品台与构筑样品的下表面接触，调节电流/电压的控制器可输出不同工作参数的电场。电场产生的工作原理与现有技术相同，本实施例中将不再详细赘述。
39.加热器2用来对腔室1a内的构筑样品进行加热，且为设置在炉体1之腔室内的环状加热器，环形加热器采用现有技术中环形加热钼片的结构，还可以采用其他结构形式，本实施例中将不再详细赘述。真空系统与腔室1a相连通，且位于炉体1的后方，用来对腔室1a抽真空。真空系统采用现有技术中的真空系统，如包括机械泵和分子泵等，机械泵和分子泵通过真空管道组合在一起，再经密封接口安装于炉体的正后方。本实施例中将不再进行详细赘述。
40.超声波系统用来向构筑样品施加超声场，且局部位于腔室1a内。前述的超声波系统包括有超声探头、超声波发生器17、变幅杆13和与超声波发生器17电连接的超声换能器，超声波发生器17和超声换能器均位于炉体1之外，且位于炉体1的下方。超声探头内置于下压柱11内，且与构筑样品间接接触。变幅杆13的一端能与超声探头电连接，变幅杆13的另一端与超声波换能器电连接。具体地，下压柱的下端与变幅杆13相连接，且该下压柱的下端为不锈钢材质。上述超声发生器的额定功率为3kw，额定频率为20khz，超声探头最大振幅为20μm，超声探头传递至堆叠在样品台上的两个构筑样品连接处的振幅基本为1μm。通过超声发生器、超声换能器、变幅杆以及超声探头产生超声场的工作原理与现有技术相同，本实施例将不再详细赘述。
41.总控制站14位于炉体的右侧，其上集成有控制器、数字显示屏、电场变压器15和空气开关等等。总控制站14的设置目的和作用与现有技术的总控相同，本实施例中将不再详细赘述。通过总控制站14控制液压泵站驱动液压缸6的活塞和上压柱移动，上、下压柱将堆叠在样品台上的两个构筑样品压合固定完成装配；通过总控制站14控制真空系统工作，对炉体的腔室进行抽真空；并通过总控制站14启动加热器对构筑样品进行加热，并控制电场系统和超声波系统对构筑样品施加电场和超声场。
42.上述金属构筑连接装置的工作方法依次包括有以下步骤：
43.1)将两个构筑样品放置在炉体1的腔室1a内，并将构筑样品放置在位于样品台正中央的定位孔处，而使构筑样品堆叠在样品台的正中央，可根据需求调整样品台的高度；启动加压系统，使液压缸6带动上压柱10向下运动，从而对样品台上的两个构筑样品施加自上而下的应力场进行预压，本实施例中预压的压力为5mpa，此时，两个构筑样品被压合固定而完成预装配；随后，通过密封垫圈人为调整设置在腔室1a内的热电偶伸入长度和角度，涂有绝缘层的热电偶尖端紧贴在构筑样品界面处，实现对构筑样品温度的实时精准测量；最后，锁紧热电偶调控用密封垫圈，完成构筑样品的装配；
44.2)关闭炉体1，启动冷却系统，将水箱内的水泵入至水流通道内；本实施例的冷却系统采用现有技术中的结构形式，本实施例中将不再详细赘述；
45.3)启动真空系统对腔室1a抽真空并启动加热器2对构筑样品进行加热，加热工艺(温度场的设定工艺)根据实际需要进行选择；具体地，先采用真空系统中的机械泵对腔室1a进行预先抽真空，待真空度抽至小于10pa时，此时达到初步要求，同时启动加热器2和真
空系统中的分子泵工作，温度场控制根据实际样品材质设定加热温升工艺参数，工作真空度在分子泵对腔室1a进一步抽真空过程中逐渐达到1.0
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pa以下，随后的构筑连接实验过程中维持该工作真空度；
46.4)当温度场达到设定温度值，并且炉温波动小于1℃后，温度场稳定，通过驱动器带动上压柱10继续向下运动，以对构筑样品进一步施加自上而下的应力场，使得构筑样品发生塑性变形或者不发生塑性变形但在等静压高温蠕变过程中能实现有效结合；同时启动电场系统，此时，380v高压电通过电场变压器15整流后导入至电场电极，正极随上压柱向下移动至与构筑样品上表面相接触，而负极通过样品台与构筑样品的下表面相接触，调节电流/电压的控制器输出电场。
47.上述电场参数可调范围：电流密度0～400a/cm2，作用时间0～60min。
48.温度场从加热器启动开始一直持续到实验结束。另外，还可以对至少两个构筑样品进行预连接。
49.在本发明的说明书及权利要求书中使用了表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“侧”、“顶”、“底”等，用来描述本发明的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，是基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本发明所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制，比如“上”、“下”并不一定被限定为与重力方向相反或一致的方向。
50.实施例2：
51.本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤3)不同，具体地，采用真空系统中的机械泵对腔室1a进行预先抽真空，待真空度小于10pa时，达到初步要求时，先启动真空系统的分子泵继续对腔室1a进行抽真空，待真空度小于1.0
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pa时，维持该工作真空度，并启动加热器2工作。
52.本实施例中以样316h不锈钢为例进行说明。
53.步骤1)选取两个构筑样品，将两个构筑样品堆叠放置于样品台正中央；
54.步骤2)启动加压系统，完成构筑样品的装配；
55.步骤3)关闭炉体，启动真空系统和冷却循环系统，将水箱内的水泵至水流通道内；当炉体腔室内的真空度达到1.0
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pa时，通过加热器对构筑样品进行辐射加热。其中，温度场设定工艺为：将316h构筑样品以v1＝10℃/min升温速率快速加热至t1＝1000℃，然后以v2＝5℃/min升温速率缓慢加热至t2＝1200℃，达到t2后保温t0＝120min；
56.步骤4)构筑样品温度达到t2＝1200℃时，通过液压泵带动上压柱继续向下运动，对构筑样品施加p3＝30mpa应力场，保压时间t2＝5min后应力场降为p2＝15mpa，然后保温保压至实验结束，构筑样品应变量控制在5％。
57.本实施例中的316h构筑样品在温度场和应力场的共同作用下实现了有效地冶金结合，即构筑样品界面愈合效果良好，其连接后的界面组织如图3所示。
58.上述应力场在步骤2)～步骤4)内工作。
59.实施例3：
60.本实施例与上述实施例2的区别仅在于：步骤1)不同，具体地，调整样品台高度，以调整两个构筑样品待连接表面与超声探头之间的间距l，间距l为12cm；
61.步骤4)不同，具体地，构筑样品完成变形后立即打开超声波系统的电源，待超声波发生器启动后进行搜频测试，确保超声波系统运行正常；然后，调节超声场系统的控制面板上的功率p和频率f参数控制旋钮，使得超声场按照额定功率为3kw和额定频率为20khz输出，构筑样品界面区的氧化物在超声波振动下发生破碎分解的同时，使得界面区原子获得了能量输入而处于高能激发态，更有利于界面愈合。在此过程中，超声波通过下压柱传导至构筑样品界面区，超声波的功率和频率保持不变，超声场的作用时间为5min；应力场和温度场按上述实例2方法执行即可。
62.实施例4：
63.本实施例与上述实施例3的区别仅在于：
64.步骤4)不同，具体地，在施加应力场的同时可启动电场系统和超声波系统，施加电场时，380v高压电通过电场变压器15整流后导入至电场电极，正极随上压柱向下移动至与构筑样品上表面相接触，而负极通过样品台与构筑样品的下表面相接触，调节电流/电压的控制器输出电场；施加超声场时，具体方法与实施例3相同。
65.实施例5：
66.本实施例与上述实施例3相比，其区别仅在于：
67.步骤4)不同，具体地，当样品温度达到预设温度(可使构筑样品热透)后，先保温一段时间使样品热透；然后，同时调用应力场、电场和超声场。应力场的调用方法与上述实施例2一致；电场调用时，380v高压电通过电场变压器15整流后导入至电场电极，正极在构筑样品变形过程中随上压柱向下移动，始终与构筑样品上表面相接触，而负极通过样品台始终与构筑样品的下表面相接触，同样调节电流/电压的控制旋钮(控制器)可输出不同参数的电场；施加超声场时，采用与实施例3相同的方法，超声探头产生的超声波通过下压柱和样品台传导至构筑样品待连接区域，不因构筑样品变形而中断。不同物理场独立运行，工作时间根据需要设定。
68.本实施例中，超声场和电场与温度场和应力场是独立运行的，各个场的调用与停止调用是互不干涉的。