CN115635216A - 陶瓷连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷连接装置，包括工作炉、夹持机构、真空接口和加热器。工作炉内部构造有炉腔，用于容置靶材和夹持机构，夹持机构用于固定待连接样品。真空接口用于与真空发生器连接，使得炉腔内处于真空环境。加热器用于对炉腔内的靶材加热。当炉腔内的真空度低于靶材的饱和蒸气压时，使得处于预设温度的靶材能够以蒸汽形态向待连接样品汇聚，从而在陶瓷的间隙发生气态渗透反应，以形成连接层，从而实现待连接样品之间的连接，无需预先在连接位置处填充连接材料，因此简化了陶瓷例如碳化硅连接的加工步骤，降低了加工难度。形成的连接层能够便于核用碳化硅包壳和端塞的连接，也就无需对包壳和端塞进行精密加工，从而提高了装配效率。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷焊接技术领域，特别是涉及一种陶瓷连接装置。
背景技术
碳化硅(SiC)陶瓷具有高熔点、优异的力学、热学和抗腐蚀性能，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，尤其在核用包壳具有非常独特的优势。
然而，因为碳化硅的高熔点以及低扩散系数等性能，金属的熔焊技术无法直接应用于碳化硅的焊接，对于碳化硅焊接，通常需要在碳化硅之间引入中间连接材料。由于碳化硅的高硬和易脆特性，连接材料填充工艺给碳化硅焊接带来了极大困难，从而存在加工不便的问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的碳化硅焊接存在加工不便的问题，提供一种解决上述问题的陶瓷连接装置。
一种陶瓷连接装置，包括：
工作炉，内部构造有炉腔，所述炉腔用于容置靶材；
夹持机构，位于所述炉腔内，用于固定待连接样品；
真空接口，与所述炉腔连通，用于连接真空发生器；
加热器，连接于所述工作炉，用于将所述炉腔内的靶材加热至预设温度；
其中，所述炉腔内的真空度低于所述靶材的饱和蒸气压时，处于所述预设温度的所述靶材以蒸汽形态向所述待连接样品汇聚，以在所述待连接样品的间隙发生气态渗透反应并形成连接层。
在其中一个实施例中，所述夹持机构包括沿第一方向间隔设置的固定夹持部和活动夹持部，所述活动夹持部被配置为可操作地相对所述固定夹持部做直线运动，以使所述固定夹持部和所述活动夹持部分别抵持于所述待连接样品的相对的两端。
通过活动夹持部相对固定夹持部移动，从而改变二者之间形成的夹持空间的大小，适应不同尺寸的待连接样品。使得活动夹持部和固定夹持部配合对待连接样品的相对两端进行抵持固定，降低待连接样品在反应过程中产生晃动或移动的可能，进而保证靶材能够以蒸汽形态准确的汇聚至待连接样品的间隙处，并在间隙处发生气态渗透反应以形成连接层，从而实现待连接样品之间的连接。
在其中一个实施例中，所述陶瓷连接装置还包括操作部以及弹性件，所述弹性件连接于所述操作部和所述活动夹持部之间；所述操作部的至少部分位于所述炉腔外；通过按压所述操作部，带动所述活动夹持部相对所述待连接样品靠近，并使所述活动夹持部弹性抵接于所述待连接样品。
通过按压操作部，带动活动夹持部相对待连接样品靠近，从而调节活动夹持部和待连接样品之间的间隙，进而调节活动夹持部作用于待连接样品的压紧力。
在其中一个实施例中，所述固定夹持部和所述活动夹持部均包括推杆和抵接块，所述推杆沿第一方向延伸，所述抵接块相对所述推杆沿第二方向伸出；所述推杆用于支撑所述待连接样品，所述抵接块用于抵接所述待连接样品。
通过设置推杆，从而对待连接样品起到支撑作用。通过设置抵接块，从而对位于推杆上的待连接样品进行抵接限位，保证活动夹持部和固定夹持部对待连接样品的固定效果。
在其中一个实施例中，所述抵接块朝向所述待连接样品的一端构造有限位槽，所述待连接样品能够抵接于所述限位槽的槽壁。通过设置限位槽，进一步对位于推杆上的样品进行抵接限位，保证其固定效果，降低待连接样品在反应过程中出现位置的偏移，进而使得靶材能够更好的渗透进待连接样品的间隙内。
在其中一个实施例中，所述炉腔内设置有支撑体，所述支撑体用于安装靶材；所述夹持机构连接于所述支撑体。
通过设置支撑体对靶材进行固定，使得靶材能够与待连接样品的间隙对准，从而便于靶材更好的汇聚于待连接样品的间隙处。
在其中一个实施例中，所述工作炉包括炉体和可拆卸连接于所述炉体的炉盖，二者配合形成所述炉腔；所述支撑体可拆卸连接于所述炉体。
采用可拆卸连接的方式，能够方便的打开炉盖。当炉腔内部的部件故障时，通过打开炉盖，便于将内部的部件取出，便于后续的拆卸维护和更换。
在其中一个实施例中，所述炉体和炉盖之间连接有密封件。
通过设置密封件，以保证炉腔内的密封效果，进而保证炉腔内部的真空度
在其中一个实施例中，所述加热器包括加热线圈，所述加热线圈环绕所述靶材设置。
由于加热线圈换热靶材设置，使得靶材的加热效果较为均匀，便于靶材的均匀受热和快速升温。
在其中一个实施例中，所述炉腔内还设置有温度检测仪；和/或所述炉腔内还设置有真空计。
通过设置温度检测仪和真空计，方便地监控炉腔内的温度和真空度。
本技术方案具有以下有益效果：上述陶瓷连接装置，包括工作炉、夹持机构、真空接口和加热器。工作炉内部构造有炉腔，用于容置靶材和夹持机构，夹持机构用于固定待连接样品。真空接口用于与真空发生器连接，使得炉腔内处于真空环境。加热器用于对炉腔内的靶材加热。当炉腔内的真空度低于靶材的饱和蒸气压时，使得处于预设温度的靶材能够以蒸汽形态向待连接样品汇聚，从而在陶瓷的间隙发生气态渗透反应，以形成连接层，从而实现两个待连接样品之间的连接，无需预先在连接位置处填充连接材料，因此简化了待连接样品例如碳化硅陶瓷焊接的加工步骤，降低了加工难度。形成的连接层能够便于核用碳化硅包壳和端塞的连接，也就无需对包壳和端塞进行精密加工，从而提高了装配效率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的陶瓷连接装置的结构示意图；
图2为图1所示的陶瓷连接装置中的A处的局部放大图。
附图标记：10-陶瓷连接装置；100-工作炉；110-炉体；111-炉腔；120-炉盖；130-夹持机构；131-固定夹持部；132-活动夹持部；1321-推杆；1322-抵接块；140-真空接口；150-加热器；151-加热线圈；160-弹性件；170-操作部；180-支撑体；181-底座；182-连接座；190-温度检测仪；210-真空计；220-紧固件；300-靶材；400-待连接样品；410-间隙；500-连接层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
正如背景技术中所述，在焊接碳化硅陶瓷时，通常需要在碳化硅陶瓷之间引入中间连接材料。由于碳化硅的高硬和易脆特性，连接材料的填充工艺给碳化硅焊接带来了极大困难，从而存在加工不便的问题。基于此，本发明提供了一种解决上述问题的陶瓷连接装置。下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。
图1为本发明一实施例提供的陶瓷连接装置10的结构示意图；图2为图1所示的陶瓷连接装置10中的A处的局部放大图。如图1和图2所示，本发明一实施例提供的一种陶瓷连接装置10，包括工作炉100、夹持机构130、真空接口140和加热器150。工作炉100的内部构造有炉腔111，炉腔111用于容置靶材300；夹持机构130位于炉腔111内，夹持机构130用于固定待连接样品400。真空接口140与炉腔111连通，真空接口140用于连接真空发生器，使得炉腔111处于真空环境。加热器150连接于工作炉100，加热器150用于将炉腔111内的靶材300加热至预设温度。
其中，炉腔111内的真空度低于靶材300的饱和蒸气压时，处于预设温度的靶材300以蒸汽形态向待连接样品400汇聚，以在待连接样品400的间隙410发生气态渗透反应并形成连接层500，从而实现待连接样品400之间的连接。无需预先在待连接样品400的连接位置处填充连接材料，因此简化了待连接样品400例如碳化硅陶瓷焊接的加工步骤，降低了加工难度。间隙410处形成的连接层500能够实现核用碳化硅包壳和端塞的连接，也就无需对包壳和端塞进行精密加工，从而提高了装配效率。
可以理解地，夹持机构固定的待连接样品为两份需连接在一起的样品，可以是异种材料之间的连接，也可以是同种材料之间的连接。其中，待连接样品400具体可以为碳化硅陶瓷、碳化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷中的至少一种。待连接样品的形状可以为板状、圆柱状或空心结构。靶材300可以为铁、钴、镍、铬、锰、钨、钛、锆、铪、钒、钽、钼、铌和钇中的至少一种材料。靶材300的形状可以为圆形、正方形或六边形等。
真空发生器可以为真空泵，真空接口140和真空泵之间通过连接管例如波纹管等连接，通过对炉腔111内抽真空，或者是充入氮气等，使得炉腔111内处于真空状态，炉腔111的真空度为10-1-10-6Pa。真空接口140处配置有角阀，在真空状态下关闭角阀时同样可以维持一定的真空度。
在一实际的应用场景中，该陶瓷连接装置10的布置方位如图1所示，其中，第一方向为图示中的X方向，第二方向为图示中的Y方向。在图1的视图中，第一方向为平行于水平面的水平方向，第二方向为垂直于水平面的重力方向。在其他实施方式中，第一方向和第二方向的布置方位可以互换，即第一方向为垂直于水平面的重力方向，第二方向为平行于水平面的水平方向。为便于图文对照和描述的统一，下文均以X方向指代第一方向，以Y方向指代第二方向。
如图1和图2所示，在其中一个实施例中，夹持机构130包括沿X方向间隔设置的固定夹持部131和活动夹持部132，活动夹持部132被配置为可操作地相对固定夹持部131做直线运动，以使固定夹持部131和活动夹持部132分别抵持于待连接样品400的相对的两端。
具体地，通过外力作用于活动夹持部132，使得活动夹持部132相对固定夹持部131移动，从而改变二者之间形成的夹持空间的大小，适应不同尺寸的待连接样品400。使得活动夹持部132和固定夹持部131配合对待连接样品400的相对两端进行抵持固定，降低待连接样品400在反应过程中产生晃动或移动的可能，进而保证靶材300能够以蒸汽形态准确的汇聚至待连接样品400的间隙410处，并在间隙410处发生气态渗透反应以形成连接层500，从而实现待连接样品400之间的连接。
如图1和图2所示，在其中一个实施例中，陶瓷连接装置10还包括操作部170以及弹性件160，弹性件160连接于操作部170和活动夹持部132之间；操作部170的至少部分位于炉腔111外。通过按压操作部170，带动活动夹持部132相对待连接样品400靠近，并使活动夹持部132弹性抵接于待连接样品400。
当弹性件160的压缩量到达一定程度后，继续按压操作部170，可带动活动夹持部132相对待连接样品400靠近，从而调节活动夹持部132和待连接样品400之间的间隙410，进而调节活动夹持部132作用于待连接样品400的压紧力。操作部170具体为压力调节器，压力调节器配备有数显屏，通过按压压力调节器，能够实时显示施加的压力大小，施力操作更为便捷。
进一步地，活动夹持部132和操作部170朝向弹性件160的一端均设置有卡槽，用于供弹性件160伸入，提高弹性件160和活动夹持部132或操作部170的连接效果。
请继续参阅图1和图2，在其中一个实施例中，固定夹持部131和活动夹持部132均包括推杆1321和抵接块1322，推杆1321沿X方向延伸，抵接块1322相对推杆1321沿Y方向伸出。推杆1321用于支撑待连接样品400，抵接块1322用于抵接待连接样品400。
通过设置推杆1321，从而对待连接样品400起到支撑作用。通过设置抵接块1322，从而对位于推杆1321上的待连接样品400进行抵接限位，保证活动夹持部132和固定夹持部131对待连接样品400的固定效果。
在又一实施例中，抵接块1322朝向待连接样品400的一端设置有限位槽，待连接样品400能够抵接于限位槽的槽壁。通过设置限位槽，进一步对位于推杆1321上的样品进行抵接限位，保证其固定效果，降低待连接样品400在反应过程中出现位置的偏移，进而使得靶材300能够更好的渗透进待连接样品400的间隙410内。
如图1所示，在其中一个实施例中，炉腔111内设置有支撑体180，支撑体180用于安装靶材300；夹持机构130连接于支撑体180。通过设置支撑体180对靶材300进行固定，使得靶材300能够与待连接样品400的间隙410对准，从而便于靶材300更好的汇聚于待连接样品400的间隙410处。
其中，固定夹持部131包括底座181和连接座182，底座181连接于炉体110的内壁，连接座182相对底座181沿X方向伸出，靶材300设置于支撑体180的外壁，例如靶材300为圆柱形，其内部中空，从而能够套接于连接座182上，固定夹持部131连接于支撑体180上。进一步地，连接座182设置有卡槽，用于供固定夹持部131的推杆1321伸入。
请继续参阅图1，在其中一个实施例中，工作炉100包括炉体110和可拆卸连接于炉体110的炉盖120，二者配合形成炉腔111。
采用可拆卸连接的方式，能够方便的打开炉盖120。当炉腔111内部的部件故障时，通过打开炉盖120，便于将内部的部件取出，便于后续的拆卸维护和更换。更为具体地，炉体110和炉盖120通过紧固件220例如螺栓紧固密封。炉体110和炉盖120可以由不锈钢制成，具有良好的耐高温性能。进一步地，支撑体180与炉体110可拆卸连接，例如二者为螺栓连接或者是卡扣连接。
在其中一个实施例中，炉体110和炉盖120之间连接有密封件。通过设置密封件，以保证炉腔111内的密封效果，进而保证炉腔111内部的真空度。密封件具体可以为铜垫圈。
在一实施例中，炉体110上设置有炉门。打开炉门即可将待连接样品400放入炉腔111内部的夹持机构130上。放入完毕后，关闭炉门即可。进一步地，炉门和炉腔111的腔壁之间设置有密封件，保证炉腔111内的密封效果。炉门(图中未示出)可设计在炉体110的上部、底部或侧部等。
如图1所示，在一实施例中，靶材300为中空结构，从而能够将待连接样品400放入靶材300内部的腔体，便于靶材300向待连接样品400更好的扩散，提高连接层500的形成效果。
如图1所示，在其中一个实施例中，加热器150包括加热线圈151，加热线圈151环绕靶材300设置。具体地，加热线圈151置于炉腔111内部，由于加热线圈151换热靶材300设置，使得靶材300的加热效果较为均匀，便于靶材300的均匀受热和快速升温。加热线圈151具体为感应加热线圈151。加热线圈151的加热温度为1000℃-2000℃。
可以理解地，陶瓷连接装置10还包括外接电源，通过电源对加热器150供电，从而对炉腔111内的靶材300加热。
如图1所示，在其中一个实施例中，炉腔111内还设置有温度检测仪190。通过设置温度检测仪190，方便监控炉腔111内的温度。温度检测仪190具体为测温计，更为具体地，测温计为红外测温计。
如图1所示，在其中一个实施例中，炉腔111内还设置有真空计210。通过设置真空计210，能够监测炉腔111内部的真空度。其中，真空计210可以为电阻硅管真空计210或电离硅管真空计210，电阻硅管真空计210和电离硅管真空计210均为电子真空复合计，配备有数显屏，能够实时显示炉腔111内的真空测量结果，监控操作更为便捷。
在又一实施例中，陶瓷连接装置10还包括连接于工作炉100的冷却***，通过冷却***可以对工作炉100的外壁进行降温，防止工作炉100温度过高时对工作炉100外部的线缆造成损坏，或者是意外烫伤工作人员等，提升线缆的使用寿命，并提升工作人员的安全系数。
具体地，冷却***为多个冷却流道，多个冷却流道间隔设置于工作炉100的外壁，冷却流道用于供温度较低的冷媒通过，从而对工作炉100的外壁进行降温。进一步地，多个冷却流道整体为蛇形形状。
以连接样品为碳化硅陶瓷为例进行说明，靶材为铁、钴和镍混合而成。在使用该陶瓷连接装置10之前，先将碳化硅陶瓷通过炉门放入工作炉100内部的固定夹持部131和活动夹持部132之间，并调节活动夹持部132的位置，使得固定夹持部131和活动夹持部132弹性抵接于碳化硅陶瓷的相对两端，从而对碳化硅陶瓷进行固定。
关上炉门后启动真空发生器，通过真空接口140对工作炉100进行抽真空操作，使得工作炉100内的真空度到达10-1Pa。并通过真空计210监测炉腔111内的真空度。
通过压力调节器对碳化硅陶瓷进行加载，从而控制活动夹持部132作用于碳化硅陶瓷上的压力。
电源通电，启动加热器150对靶材300进行加热，使其加热至1500℃，并通过测温计监测靶材300的温度。
靶材300的温度上升到1500℃，且炉腔111内部的真空度低于靶材300的饱和蒸汽压时，靶材300以蒸汽形态向碳化硅陶瓷的间隙410处汇聚，从而在间隙410处形成中间连接层500，实现碳化硅陶瓷的连接。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种陶瓷连接装置，其特征在于，包括：
工作炉(100)，内部构造有炉腔(111)，所述炉腔(111)用于容置靶材(300)；
夹持机构(130)，位于所述炉腔(111)内，用于固定待连接样品(400)；
真空接口(140)，与所述炉腔(111)连通，用于连接真空发生器；
加热器(150)，连接于所述工作炉(100)，用于将所述炉腔(111)内的靶材(300)加热至预设温度；
其中，所述炉腔(111)内的真空度低于所述靶材(300)的饱和蒸气压时，处于所述预设温度的所述靶材(300)以蒸汽形态向所述待连接样品(400)汇聚，以在所述待连接样品(400)的间隙(410)发生气态渗透反应并形成连接层(500)。
2.根据权利要求1所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述夹持机构(130)包括沿第一方向间隔设置的固定夹持部(131)和活动夹持部(132)，所述活动夹持部(132)被配置为可操作地相对所述固定夹持部(131)做直线运动，以使所述固定夹持部(131)和所述活动夹持部(132)分别抵持于所述待连接样品(400)的相对的两端。
3.根据权利要求2所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述陶瓷连接装置还包括操作部(170)以及弹性件(160)，所述弹性件(160)连接于所述操作部(170)和所述活动夹持部(132)之间；所述操作部(170)的至少部分位于所述炉腔(111)外；
通过按压所述操作部(170)，带动所述活动夹持部(132)相对所述待连接样品(400)靠近，并使所述活动夹持部(132)弹性抵接于所述待连接样品(400)。
4.根据权利要求3所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述固定夹持部(131)和所述活动夹持部(132)均包括推杆(1321)和抵接块(1322)，所述推杆(1321)沿第一方向延伸，所述抵接块(1322)相对所述推杆(1321)沿第二方向伸出；
所述推杆(1321)用于支撑所述待连接样品(400)，所述抵接块(1322)用于抵接所述待连接样品(400)。
5.根据权利要求4所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述抵接块(1322)朝向所述待连接样品(400)的一端构造有限位槽，所述待连接样品(400)能够抵接于所述限位槽的槽壁。
6.根据权利要求1所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述炉腔(111)内设置有支撑体(180)，所述支撑体(180)用于安装靶材(300)；所述夹持机构(130)连接于所述支撑体(180)。
7.根据权利要求6所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述工作炉(100)包括炉体(110)和可拆卸连接于所述炉体(110)的炉盖(120)，二者配合形成所述炉腔(111)；
所述支撑体(180)可拆卸连接于所述炉体(110)。
8.根据权利要求7所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述炉体(110)和炉盖(120)之间连接有密封件。
9.根据权利要求1所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述加热器(150)包括加热线圈(151)，所述加热线圈(151)环绕所述靶材(300)设置。
10.根据权利要求1所述的陶瓷连接装置，其特征在于，所述炉腔(111)内还设置有温度检测仪(190)；和/或
所述炉腔(111)内还设置有真空计(210)。
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