CN113698224B - 电阻焊连接装置及碳化硅连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻焊连接装置及碳化硅连接方法，电阻焊连接装置包括加热腔室、设置在所述加热腔室内的发热组件和两个电阻焊接电极、用于外接电源的电源连接单元、导电连接在所述电阻焊接电极和电源连接单元之间的变压器；两个所述电阻焊接电极相对设置，两者之间形成有定位空间，所述定位空间用于容置相对配合的两个陶瓷连接件，两个所述陶瓷连接件的对接面设有用于与所述电阻焊接电极导电的电阻焊接材料。本发明的电阻焊连接装置，通过在加热腔室内设置发热组件，用于在电阻焊接前对陶瓷连接件进行预热，调控陶瓷连接件的电阻率，从而实现电阻焊接电极所在的电阻焊接路线的导通，进而实现陶瓷连接件(如碳化硅连接件)之间的快速连接。

Description

电阻焊连接装置及碳化硅连接方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料连接技术领域，尤其涉及一种电阻焊连接装置及碳化硅连接方法。
背景技术
对于核用包壳材料，目前商用的是锆合金，但是锆合金的高温氧化性能差、高温强度低，在失水条件下容易造成核燃料的泄漏。并且，锆合金在高温水蒸气条件下的产氢量较大，易造成氢爆，如2011年的福岛核事故。碳化硅(SiC)陶瓷具有高熔点、高强度和抗腐蚀性能，使其在车辆、海洋工程、核能、航空航天等领域具有非常广泛的应用。不仅如此，SiC还具有良好的抗中子辐照性能以及低中子吸收截面，因此，非常有潜力应用于核能领域反应堆的包壳材料。
SiC因为具备以上优异的性能，因此，可解决锆合金服役过程中可能出现的以上问题。然而，对于SiC包壳的应用，因为其高熔点、低自扩散系数，SiC包壳的应用急需解决两端连接的问题。现有的连接技术主要采用烧结炉进行连接，比如无压烧结炉、热压烧结炉、放电等离子烧结炉、马弗炉等，以上的烧结设备虽然可以实现SiC连接，但是连接效率非常低，并且产生的热影响区较大，不利于SiC包壳装载核燃料条件下的密封，因此急需开发一种用于碳化硅材料快速焊接的装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现陶瓷连接件之间的快速连接的电阻焊连接装置以及应用该电阻焊连接装置的碳化硅连接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电阻焊连接装置，包括加热腔室、设置在所述加热腔室内的发热组件和两个电阻焊接电极、用于外接电源的电源连接单元、导电连接在所述电阻焊接电极和电源连接单元之间的变压器；
两个所述电阻焊接电极相对设置，两者之间形成有定位空间，所述定位空间用于容置相对配合的两个陶瓷连接件，两个所述陶瓷连接件的对接面设有用于与所述电阻焊接电极导电的电阻焊接材料。
优选地，所述发热组件设置在所述加热腔室的内壁面上。
优选地，所述加热腔室的外壁面设有保温层。
优选地，所述保温层为石墨碳毡；所述发热组件包括若干个石墨发热体。
优选地，所述保温层为莫来石保温棉；所述发热组件包括若干个发热体，所述发热体为硅钼棒、ZrB2-SiC中至少一种。
优选地，所述保温层由高熔点金属制成；所述高熔点金属包括钼、钨中至少一种；
所述发热组件包括若干个发热体，所述发热体采用钼、钨中至少一种制成。
优选地，所述电阻焊接电极采用难熔金属制成；所述难熔金属包括钨、铜和钼中至少一种。
优选地，所述电阻焊连接装置还包括与所述发热组件导电连接的电池。
优选地，所述电阻焊连接装置还包括用于检测所述加热腔室内温度或陶瓷连接件的温度的温度检测单元。
本发明还提供一种碳化硅连接方法，采用以上任一项所述的电阻焊连接装置，所述碳化硅连接方法包括以下步骤：
S1、将电阻焊接材料设置在待连接的两个碳化硅连接件之间，与两个碳化硅连接件形成连接结构；
S2、将所述连接结构放入加热腔室并置于两个电阻焊接电极之间的定位空间中；
S3、所述加热腔室内的发热组件通电发热，使所述加热腔室内的碳化硅连接件的温度升至500℃-1200℃，降低所述碳化硅连接件的电阻率；
S4、两个所述电阻焊接电极通电并对两个所述碳化硅连接件施加载荷，使所述电阻焊接材料熔融将两个所述碳化硅连接件连接为一体。
优选地，所述碳化硅连接件采用液相烧结碳化硅、固相烧结碳化硅、化学气相沉积碳化硅、反应烧结碳化硅或碳化硅复合材料制成。
优选地，所述电阻焊接材料包括玻璃、金属、陶瓷、前驱体、MAX相中至少一种。
优选地，所述玻璃包括SiO2-Y2O3-Al2O3、Y2O3-Al2O3、SiO2-MgO-Y2O3、CaO-Al2O3中至少一种；
所述金属包括Ti、Mo、Cr、Zr、Ta、Nb和W中至少一种；
所述陶瓷包括碳化硅、碳化锆、氧化锆、碳氮化钛和氧化铝中至少一种；
所述前驱体为聚硅碳烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷中的至少一种；
所述MAX相包括Ti3SiC2、Mo5SiC3、TaAlC中至少一种。
优选地，所述加热腔室内的气氛为真空气氛、空气气氛、氮气气氛或氩气气氛。
本发明的有益效果：本发明的电阻焊连接装置，通过在加热腔室内设置发热组件，用于在电阻焊接前对陶瓷连接件进行预热，调控陶瓷连接件的电阻率，从而实现电阻焊接电极所在的电阻焊接路线的导通，进而实现陶瓷连接件(如碳化硅连接件)之间的快速连接。
本发明的电阻焊连接装置对陶瓷连接件室温下导电性无要求，可实现导电和不导电材料的电阻焊连接。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的电阻焊连接装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的电阻焊连接装置，用于以电阻焊方式将两个陶瓷连接件快速连接为一体。
如图1所示，本发明一实施例的电阻焊连接装置，包括加热腔室10、设置在加热腔室10内的发热组件20和两个电阻焊接电极30、用于外接电源的电源连接单元40、导电连接在电阻焊接电极30和电源连接单元40之间的变压器50。
加热腔室10作为电阻焊的工作腔室，其可形成在一加热外壳内，该加热外壳由耐高温材料制成。发热组件20在通电后发热，使加热腔室10内的温度升高，也对置于加热腔室10内的陶瓷连接件100进行加热，使陶瓷连接件100的电阻率降低至电阻焊所需的工作温度。发热组件20可包括若干个发热体，若干个发热体设置在加热腔室10的至少一个内壁面上(即加热外壳的内壁面)，加热腔室10的外壁面(即加热外壳的外壁面)设有保温层(未图示)，对加热腔室10内的工作温度进行保温。
保温层可以是石墨碳毡或莫来石保温棉，或者由高熔点金属制成。保温层的具体选择与发热体相互关联；发热体可以是发热棒或发热丝等形式。例如，对于保温层为石墨碳毡时，发热组件20的发热体优选为石墨发热体；对于保温层为莫来石保温棉时，发热体为硅钼棒、ZrB2-SiC(ZrB2和SiC的混合材料)中至少一种；对于保温层由高熔点金属制成且高熔点金属包括钼、钨中至少一种时，发热体采用钼、钨中至少一种制成。
在加热腔室10内，两个电阻焊接电极30相对设置，两者之间形成有定位空间。定位空间用于容置相对配合的两个陶瓷连接件100，两个陶瓷连接件100的对接面设有用于与电阻焊接电极30导电的电阻焊接材料200。
当陶瓷连接件100的电阻率随温度变化降低至最低或导通点时，电阻焊接电极30通过陶瓷连接件100与电阻焊接材料200导电连接，从而两个电阻焊接电极30导通。
两个电阻焊接电极30相对的一端分别可设有定位平台等结构以与陶瓷连接件100贴合，且便于均匀对陶瓷连接件100施加载荷。
电阻焊接电极30采用难熔金属制成。难熔金属包括钨、铜和钼中至少一种。
电源连接单元40可以是用于外接电源的电源接口或电源接头等，外接的电源通过变压器50进行电流、电压的调控后再供给电阻焊接电极30。
进一步地，本发明的电阻焊连接装置还可包括电池60和温度检测单元(未图示)。电池60与发热组件20导电连接，为发热组件20供电，使其发热。当然，发热组件20也可以外接电源。温度检测单元用于检测加热腔室10内的温度，结合发热组件20可以对加热腔室10内的温度进行监控，将加热腔室10内的温度控制在所需温度范围内。
本发明的电阻焊连接装置适用但不限于碳化硅等陶瓷材料之间的连接。
参考图1，当陶瓷连接件100为碳化硅连接件时，采用电阻焊连接装置实现碳化硅连接件的快速连接的碳化硅连接方法可包括以下步骤：
S1、将电阻焊接材料200设置在待连接的两个碳化硅连接件(参考图1中的100)之间，电阻焊接材料200与两个碳化硅连接件形成连接结构。
两个碳化硅连接件分别预先经过粗磨、抛光和清洗处理，确保对接面的配合和清洁。
电阻焊接材料200在两个碳化硅连接件之间的设置范围根据两个碳化硅连接件的对接面的面积而定，以将电阻焊接材料200覆盖整个对接面为准。电阻焊接材料200以浆料、流延片或粉体形式置于两个碳化硅连接件之间。
碳化硅连接件采用液相烧结碳化硅、固相烧结碳化硅、化学气相沉积碳化硅、反应烧结碳化硅或碳化硅复合材料制成。
电阻焊接材料200包括玻璃、金属、陶瓷、前驱体、MAX相中至少一种。
其中，玻璃包括SiO2-Y2O3-Al2O3(SiO2、Y2O3和Al2O3混合而成)、Y2O3-Al2O3(Y2O3和Al2O3混合而成)、SiO2-MgO-Y2O3(SiO2、MgO和Y2O3混合而成)、CaO-Al2O3(CaO和Al2O3混合而成)中至少一种；金属包括Ti、Mo、Cr、Zr、Ta、Nb和W中至少一种；陶瓷包括碳化硅、碳化锆、氧化锆、碳氮化钛和氧化铝中至少一种；前驱体为聚硅碳烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷中的至少一种；MAX相包括Ti3SiC2、Mo5SiC3、TaAlC中至少一种。
S2、将连接结构放入加热腔室10并置于两个电阻焊接电极30之间的定位空间中。
在定位空间中，两个碳化硅连接件分别与两个电阻焊接电极30端部上的定位平台相贴合，通过两个电阻焊接电极30相向靠近对两个碳化硅连接件施加一定的载荷，使整个连接结构被夹持在两个电阻焊接电极30之间。
加热腔室10内的气氛可为真空气氛、空气气氛、氮气气氛或氩气气氛。
当发热组件20的发热体为石墨发热体时，加热腔室10内的气氛优选为真空、氮气或氩气气氛。
当发热组件20的发热体为硅钼棒、ZrB2-SiC中至少一种时，加热腔室10内的气氛优选为真空或空气气氛。
当发热组件20的发热体采用钼、钨中至少一种制成时，加热腔室10内的气氛优选为真空、氮气或氩气气氛。
S3、加热腔室10内的发热组件20通电发热，使加热腔室10内的加热温度升至500℃-1200℃，降低碳化硅连接件的电阻率。
该步骤中，加热的目的是为了对碳化硅材料的电阻率进行调控，实现电阻焊接路线的导通。即：发热组件20通电发热后，使加热腔室10内的温度升高，也对碳化硅连接件进行加热，碳化硅连接件的电阻率随温度变化而变化；当碳化硅连接件的电阻率降至最低(或导通点时)，电阻焊接材料200与电阻焊接电极30导电连接，从而两个电阻焊接电极30通过电阻焊接材料200导通，进而导通电阻焊接路线。
对于碳化硅材料来说，当温度达到700℃-1000℃时，其电阻率达到最低。
S4、两个电阻焊接电极30通电并对两个碳化硅连接件施加载荷，使电阻焊接材料200熔融将两个碳化硅连接件连接为一体。
在通电时，外接电源通过变压器40对电流、电压的调控后供给电阻焊接电极30。同时，通过两个电阻焊接电极30对两个碳化硅连接件施加载荷，确保碳化硅连接件和电阻焊接材料200充分接触，从而在电阻快速加热条件下实现两个碳化硅连接件的快速连接。
本发明应用于核电领域时，两个碳化硅连接件可分别为碳化硅包壳管和碳化硅端塞，两者连接后形成包壳，密封性好，解决包壳内核燃料的泄漏问题。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种电阻焊连接装置，其特征在于，包括加热腔室、设置在所述加热腔室内的发热组件和两个电阻焊接电极、用于外接电源的电源连接单元、导电连接在所述电阻焊接电极和电源连接单元之间的变压器；
两个所述电阻焊接电极相对设置，两者之间形成有定位空间，所述定位空间用于容置相对配合的两个陶瓷连接件，两个所述陶瓷连接件的对接面设有用于与所述电阻焊接电极导电的电阻焊接材料；
两个所述电阻焊接电极相对的一端分别设有定位平台用于与所述陶瓷连接件贴合，对所述陶瓷连接件施加载荷；两个所述电阻焊接电极通过所述陶瓷连接件与所述电阻焊接材料导电连接，从而两个所述电阻焊接电极导通。
2.根据权利要求1所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述发热组件设置在所述加热腔室的内壁面上。
3.根据权利要求2所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述加热腔室的外壁面设有保温层。
4.根据权利要求3所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述保温层为石墨碳毡；所述发热组件包括若干个石墨发热体。
5.根据权利要求3所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述保温层为莫来石保温棉；所述发热组件包括若干个发热体，所述发热体为硅钼棒、ZrB2-SiC中至少一种。
6.根据权利要求3所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述保温层由高熔点金属制成；所述高熔点金属包括钼、钨中至少一种；
所述发热组件包括若干个发热体，所述发热体采用钼、钨中至少一种制成。
7.根据权利要求1所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述电阻焊接电极采用难熔金属制成；所述难熔金属包括钨、铜和钼中至少一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述电阻焊连接装置还包括与所述发热组件导电连接的电池。
9.根据权利要求1-7任一项所述的电阻焊连接装置，其特征在于，所述电阻焊连接装置还包括用于检测所述加热腔室内温度或陶瓷连接件的温度的温度检测单元。
10.一种碳化硅连接方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的电阻焊连接装置，所述碳化硅连接方法包括以下步骤：
S1、将电阻焊接材料设置在待连接的两个碳化硅连接件之间，与两个碳化硅连接件形成连接结构；
S2、将所述连接结构放入加热腔室并置于两个电阻焊接电极之间的定位空间中；
其中，两个所述碳化硅连接件分别与两个所述电阻焊接电极端部上的定位平台相贴合，通过两个所述电阻焊接电极相向靠近对两个所述碳化硅连接件施加载荷，使所述连接结构被夹持在两个所述电阻焊接电极之间；
S3、所述加热腔室内的发热组件通电发热，使所述加热腔室内的碳化硅连接件的温度升至500℃-1200℃，降低所述碳化硅连接件的电阻率；
S4、两个所述电阻焊接电极通电并对两个所述碳化硅连接件施加载荷，使所述电阻焊接材料熔融将两个所述碳化硅连接件连接为一体。
11.根据权利要求10所述的碳化硅连接方法，其特征在于，所述碳化硅连接件采用液相烧结碳化硅、固相烧结碳化硅、化学气相沉积碳化硅、反应烧结碳化硅或碳化硅复合材料制成。
12.根据权利要求10所述的碳化硅连接方法，其特征在于，所述电阻焊接材料包括玻璃、金属、陶瓷、前驱体、MAX相中至少一种；
所述玻璃包括SiO2-Y2O3-Al2O3、Y2O3-Al2O3、SiO2-MgO-Y2O3、CaO-Al2O3中至少一种；
所述金属包括Ti、Mo、Cr、Zr、Ta、Nb和W中至少一种；
所述陶瓷包括碳化硅、碳化锆、氧化锆、碳氮化钛和氧化铝中至少一种；
所述前驱体为聚硅碳烷、聚氮硅烷、聚硅氧烷中的至少一种；
所述MAX相包括Ti3SiC2、Mo5SiC3、TaAlC中至少一种。
13.根据权利要求10所述的碳化硅连接方法，其特征在于，所述加热腔室内的气氛为真空气氛、空气气氛、氮气气氛或氩气气氛。
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