[发明专利]一种超声振动和电场辅助的钎焊实验装置及方法

权利要求书

1.一种超声振动和电场辅助的钎焊实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A）焊前准备：

a）实验材料的制备：1）在钎焊所用的母材上加工出台阶状的搭接结构，用砂纸或磨削设备将母材的待焊表面打磨平整、光洁，并用丙酮或酒精进行清洗，晾干或吹干后备用；2）将钎料制成薄片状；3）将钎料置于两个母材的搭接结构的上、下对应的搭接面之间，将两块母材的搭接结构对扣搭接在一起；

b）焊接设备的调试：1）将静电场电源、超声波发生电源接入220V的交流电；2）调定所需的超声波振动功率后关闭超声波发生电源，待实验需要时开启；3）调定需要的静电场种类、极性、电压后关闭静电场电源，待实验需要时开启；

B）钎焊过程：将实验材料放置于静电场施加系统的上电极板和下电极板之间的绝缘钎焊工作台上，将与设定频率的超声波振动源连接的超声波传递杆伸入所述静电场中，并通过超声波传递杆上固定连接的振动压头对实验材料施加超声波载荷，对处于静电场中的实验材料加热至设定温度，使钎料熔化，将搭接设置的两个母材连接在一起。

2.根据权利要求1所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验方法，其特征在于，还包括焊后处理步骤：步骤B完成后，及时使用放电棒放掉上电极板、下电极板上及静电场电源输出端的静电；打开加热炉门，取下振动压头，取出实验材料。

3.一种专用于实施如权利要求1所述方法的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热系统、用于对实验材料施加静电场的静电场施加系统、用于对实验材料施加超声波载荷的超声波载荷施加系统；所述静电场施加系统包括静电场电源、与静电场电源电连接的上电极板和下电极板，所述下电极板的上表面上设有用于放置实验材料的绝缘钎焊工作台，绝缘钎焊工作台的台面是用于放置实验材料的平面；超声波载荷施加系统包括提供超声波振动源的超声波发生系统和将超声波振动传递给实验材料的超声波振动传递系统；所述超声波发生系统包括超声波发生电源、与超声波发生电源连接的压电陶瓷换能器，超声波振动传递系统包括支架、与支架铰接摆动连接或弹性摆动连接的用于伸入所述上电极板和下电极板之间的超声波传递杆、固设于超声波传递杆上的用于压紧实验材料的振动压头，所述压电陶瓷换能器固定于超声波传递杆上，所述超声波传递杆伸入上电极板和下电极板之间的部分和振动压头均采用可防止对静电场造成屏蔽的绝缘陶瓷制成。

4.根据权利要求3所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，加热系统包括用于为实验材料提供钎焊热源的加热炉、设于加热炉内的热电偶、设于加热炉外的与热电偶连接的用于监测和控制实验材料的周围环境温度的温度控制仪表，所述上电极板和下电极板设置于加热炉中，所述超声波传递杆一端伸出加热炉之外，所述超声波发生电源设于加热炉之外。

5.根据权利要求3所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，还包括实验平台，所述上电极板和下电极板分别通过绝缘体支撑置于实验平台上，支撑上电极板的绝缘体为绝缘柱，支撑下电极板的绝缘体为绝缘板，所述绝缘钎焊工作台、绝缘板均由具有高强度的氮化硅陶瓷制成，绝缘钎焊工作台和绝缘板均为圆片形。

6.根据权利要求3所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，上电极板与下电极板之间的间距不小于3cm，上电极板和下电极板之间的静电场强度范围为0～6.6 kV/cm。

7.根据权利要求3所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述超声波传递杆上装配加压配重。

8.根据权利要求3所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述静电场电源是可以提供0～20kV的正直流高压、负直流高压、交流高压和脉冲高压的静电场电源，静电场电源具有正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端，静电场电源的正直流高压输出端、负直流高压输出端、交流高压输出端、正直流脉冲高压输出端以及接地端中的任意两个分别与上电极板和下电极板的电极引线相连接。

9.根据权利要求3～8中任意一项所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于，所述超声波发生系统还包括用于放大振幅的聚能器，所述压电陶瓷换能器与聚能器连接组合成组合体而一同固定在超声波传递杆上，所述超声波发生电源具有0～300W的振动功率和20～40kHz的振动频率。

10.根据权利要求9所述的超声振动和电场辅助的钎焊实验装置，其特征在于：所述支架包括上下方向导向的滑动轨道和导向滑动装配于滑动轨道上的与所述超声波传递杆铰接的滑动套筒，所述超声波发生系统的聚能器通过螺丝固定于超声波传递杆的靠近支架一端的顶部，并且聚能器振动方向与超声波传递杆的长度延伸方向垂直。