[发明专利]一种超声振动辅助钎焊多种超硬磨料砂轮的装置和方法

说明书

本发明涉及一种超声振动辅助钎焊多种超硬磨料砂轮的装置和方法，该装置主要包含：动力传输系统、无线传输系统、超声振动系统、冷却环、保护罩和圆盘，其中，圆盘固定在超声振动系统的一端，可连接12个小磨头，也可连接一个大尺寸砂轮，并被冷却环和保护罩包裹；动力传输系统提供超声振动系统和砂轮旋转的动力；无线传输系统可以在超声振动系统旋转时，为其提供电信号。通过该装置可以使砂轮一边转动，一边沿着砂轮轴向方向进行超声振动，同时在高频感应热源的作用下实现多个小磨头或大砂轮的钎焊。本发明通过在砂轮钎焊过程中对砂轮施加超声振动，利用圆盘实现多种砂轮的超声振动辅助钎焊。

技术领域

本发明属于超声技术应用和超声焊接领域，尤其涉及一种超声振动辅助钎焊多种超硬磨料砂轮的方法和装置。

技术背景

普通高频感应钎焊在焊接时因金属熔化区域小、冷却快，容易造成焊缝金属化学成分分布不均匀，从而形成偏析缺陷，有时在焊接过程中发生过烧现象，会导致焊缝出现深坑和针孔，此外，高频感应焊接热影响区太宽，焊缝毛刺太高，有夹渣，母材以及钎料表面的氧化膜也会阻碍液态钎料在母材表面的润湿铺展。

超声波技术由于其独特的优势在材料连接中的应用越来越广泛。超声空化作用产生的高温高压使得融化的钎料内部形成许多微小的局部反应，使得钎料层组织更加均匀细密。超声振动条件下一方面能加快融化钎料的热量传递，使温度场分布更均匀，起到减小残余应力的作用，另一方面能够加速融化钎料的运动，有利于向固态颗粒的铺展，使钎料层更加平整。

张茗瑄等在“液态钎料薄层中超声空化泡的成长与破裂”一文中，通过进行液态钎料Sn-9Zn的铺展试验,观察超声作用下钎料空化泡的成长破裂情况,得出液态钎料在超声作用下发生填缝行为并且形态以扇形进行扩散。通过Matlab语言,在超声空化理论的基础上,从温度、超声频率、空化泡初始半径以及空化泡崩溃时的最大温度和最大压力四个方面,对Sn-9Zn,Sn-0. 7Cu和Zn-5Al三种液态钎料空化泡的成长和破裂进行模拟,得到了空化泡的运动情况。结果表明,温度越高,空化效应越弱;超声频率增大,空化效应减小;空化泡初始半径越小,空化泡的空化效应越明显;空化泡崩溃的最大温度同绝热指数成正比,而崩溃时的最大压力同绝热指数和反应体系的温度成反比。“超声波钎焊的研究的现状”一文中，对超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材料前后两种形式的研究进展进行了概述。也指出了目前超声波钎焊的研究主要集中在对各种材料的焊接接头力学性能和微观组织的研究、氧化膜的破碎机理的研究，在超声波对于钎料润湿影响、超声波钎焊机理的研究还不多，建议今后的研究方向是在：继续新材料以及新型连接材料的超声波钎焊焊接工艺研究以及超声波钎焊机理，钎料的润湿及铺展动力学、超声波在焊件以及钎料中的传播机制，但是对于超声波钎焊装置的改进没有提出更好的建议。唐浩洋的硕士论文《超声辅助钎焊声场与空化效应模拟研究》指出“在焊接过程中，超声的引入可以在液态钎料中引起声空化效应，空化泡破灭后会形成局部的高温高压及微射流，可以破坏母材以及钎料表面的氧化膜以促进液态钎料在母材表面的润湿铺展”。

北京理工大学申请的公开号为CN113000967A的发明专利申请公开了一种微小型超硬刀具超声辅助钎焊方法及装置，焊接方法是首先对刀头和刀柄精准装夹，然后打开测量装置，接着启动超声振动子，并在超声辅助作用下进行高频钎焊，最后关闭整个装置并取下焊接完成的超硬刀具。微小型超硬刀具超声辅助钎焊装置由装夹装置、测量装置、超声辅助装置和高频钎焊装置四部分组成，通过装夹装置对刀柄和刀头进行精准装夹，测量装置进行温度和压力实时测量，并利用超声辅助下高频钎焊技术来改善微小型超硬刀具钎焊质量，其结构简单、操作方便，大大提高了微小型超硬刀具的焊接性能。