Устройство для диффузионной сварки

Полезная модель относится к оборудованию для сварки давлением, а именно к установкам для диффузионной сварки и может быть использовано, например, в электронной и авиационной промышленности.
Известно устройство для диффузионной сварки, содержащее вакуумную камеру, пуансон и рабочий стол с шаровой опорой, причем между контактными поверхностями шаровой опоры и прижимной пятой расположена прокладка из индия [Патент РФ №1700869 МКИ В23К 20/26, 1995 г. Устройство для диффузионной сварки].
Недостатком известного устройства являются трудности передачи равномерного давления на свариваемые детали большой площади, а также трудности создания серии электрических взрывов через определенные промежутки времени для обеспечения большей прочности сварного соединения.
Известно устройство для диффузионной сварки материалов в твердом состоянии в вакууме через электрически взрывающийся прослой, содержащее вакуумную камеру, стол и механизм приложения давления со штоком, включающее в себя батарею конденсаторов с электродами и системой концентрических металлических колец с электромагнитом для их удержания, при этом электроды для замыкания расположены в вакуумной камере попарно на различной высоте от стола, а металлические кольца вставлены торцами одно в другое и выполнены различного диаметра с возможностью свободного падения и электрического замыкания с соответствующими электродами, при этом на наибольшей высоте от стола электроды расположены на наибольшем расстоянии друг от друга и с возможностью замыкания с падающим металлическим кольцом, наибольшем по диаметру [Патент РФ №2525963 МКИ В23К 20/26, 2012 г. Устройство для диффузионной сварки].
Недостатком известного устройства являются трудности длительного использования устройства, связанные с необходимостью последующей остановки устройства для повторной установки системы концентрических металлических колец для замыкания контактов при его работе.
Известны различные промышленные и бытовые приборы с термовыключателями моментного срабатывания, где основными элементами являются подвижный пружинный контакт и биметалл, воздействующий на среднюю часть пружинного контакта. В качестве примера одним из известных является биметаллический термовыключатель [Авторское свидетельство СССР №1501186, 1987 г.], содержащий корпус из изоляционного материала, к которому прикреплены одним концом неподвижный контакт, основная биметаллическая пластина и дополнительная биметаллическая пластина. К другому свободному концу основной биметаллической пластины жестко присоединена пружинная "прыгающая" пластина с подвижным контактом на другом своем конце, а на свободном конце дополнительной биметаллической пластины расположен регулировочный упор в виде винта.
Общими недостатками указанной конструкции и ей подобных является излишняя сложность и удорожание, а также невозможность использования ее в устройствах для диффузионной сварки в вакуумной камере, в том числе из-за неопределенного и значительного временного промежутка, связанного с охлаждением биметаллической пластины в вакууме и размыканием подвижных контактов.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для диффузионной сварки материалов в твердом состоянии, в частности металлов или металлов с неметаллами или неметаллов с неметаллами, в вакууме через электрически взрывающийся прослой, содержащее вакуумную камеру, стол и механизм приложения давления со штоком, включающее в себя батарею конденсаторов с контактами, привод вращения штока и электродвигатель с валом, при этом головная часть штока выполнена в виде эксцентрично и наклонно установленного сферического сегмента, наружная поверхность которого выполнена в виде чередующихся металлических и неметаллических пластинчатых полос, периодически замыкающих контакты батареи конденсаторов при вращении штока, при этом шток выполнен с возможностью разъединения с валом электродвигателя привода его вращения в момент электрического взрыва [Патент РФ №2525968 МКИ В23К 20/26, 2012 г. Устройство для диффузионной сварки].
Технической проблемой известного устройства являются трудности создания серии электрических взрывов через определенные различные промежутки времени для обеспечения большей прочности сварного соединения, однозначно зависящие от угловой скорости вращения штока.
Технический результат заключается в возможности создания серии электрических взрывов через определенные различные промежутки времени для обеспечения большей прочности сварного соединения.
Техническая проблема решается тем, что в устройство, содержащее электроды, вакуумную камеру, стол с механизмом приложения давления, введены соединенные вместе боковыми сторонами первая и вторая части биметаллической пластины и соединенные торцевыми сторонами с переходной втулкой, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно на устройстве управления, причем коэффициент линейного температурного расширения первой части биметаллической пластины больше коэффициента линейного температурного расширения второй части биметаллической пластины, на наружной стороне первой части биметаллической пластины размещен первый нагревательный элемент, а на внутренней стороне второй части биметаллической пластины размещен второй электрокалорический полимер, на наружной стороне переходной втулки, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно, размещен первый электрокалорический полимер, а на внутренней стороне переходной втулки, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно, размещен второй нагревательный элемент.
На фигуре схематично в разрезе изображено предложенное устройство.
Устройство содержит основание 1 и кожух 2 вакуумной камеры, расположенные в ней рабочий стол с механизмом приложения давления, 3, электроды 7, присоединенные к второй части биметаллической пластине 6, соединенные вместе боковыми сторонами первая часть 5 и вторая часть 6 биметаллической пластины и соединенные торцевыми сторонами с переходной втулкой 10, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно 13 на устройстве управления 4, причем коэффициент линейного температурного расширения первой части биметаллической пластины 5 больше коэффициента линейного температурного расширения второй части биметаллической пластины 6, на наружной стороне первой части биметаллической пластины 5 размещен первый нагревательный элемент 8, а на внутренней стороне второй части 6 биметаллической пластины размещен второй электрокалорический полимер 12, на наружной стороне переходной втулки 10, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно 13, размещен первый электрокалорический полимер 9, а на внутренней стороне переходной втулки 10, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно 13, размещен второй нагревательный элемент 11. Пунктиром показано замкнутое положение электрода 7.
Устройство работает следующим образом.
Свариваемые детали устанавливают через металлический прослой на рабочий стол с механизмом приложения давления 3, устройство устанавливают на основание 1, закрывают кожухом 2 и вакуумируют. Включают рабочий цикл, в течение которого детали зажимают на рабочем столе с механизмом приложения давления (условно не показано) 3 и запускают устройство.
В устройстве управления 4 для осуществления серии электрических взрывов используется батарея конденсаторов и блок переключения (условно не показано). При запуске устройства через устройство управления 4 первоначально подается напряжение на первый нагревательный элемент 8, размещенный на наружной стороне первой части биметаллической пластины 5 и на второй нагревательный элемент 11, размещенный на внутренней стороне переходной втулки 10, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно 13.
Поскольку конструктивно выполнено, что коэффициент линейного температурного расширения металла первой части биметаллической пластины 5 больше коэффициента линейного температурного расширения металла второй части биметаллической пластины 6, то при нагревании соединенные вместе части 5 и 6 биметаллической пластины с закрепленными электродами 7 выгибаются в направлении свариваемых деталей на рабочем столе 3. Переходная втулка 10, к торцу которой закреплены торцевыми сторонами части 5 и 6 биметаллической пластины, выполнена из металлического сплава с памятью, который, при подаче напряжения на второй нагревательный элемент 11, размещенный на внутренней стороне переходной втулки 10, при нагреве быстро восстанавливает свою первоначальную форму, например, значительно искривленную в сторону рабочего стола 3. Этому также способствует консольное закрепление 13 переходной втулки 10 на устройстве управления 4, благодаря чему электроды 7 замыкают контакты на рабочем столе 3, а затем с помощью устройства управления 4 осуществляется серия электрических взрывов от используемой батарея конденсаторов. После осуществления серии электрических взрывов устройство управления 4 посредством блока переключения переключает подаваемое напряжение с первого 8 и второго 12 нагревательных элементов на первый электрокалорический полимер 9, размещенный на наружной стороне переходной втулки 10, выполненной из сплава с памятью и закрепленной консольно 13 и на второй электрокалорический полимер 12, размещенный на внутренней стороне второй части биметаллической пластины 6.
Электрокалорические полимеры [см. Охлаждающий полимер. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/pechat/16820/; 11.08. 2008 г.] представляют собой тонкие пленки и благодаря указанному размещению позволяют за счет электрокалорического эффекта - изменения температуры диэлектрика под действием электрического поля - дополнительно понизить температуру детали, на которой они установлены. В частности, на сегодняшний день получена тонкая пленка из электрокалорического полимера толщиной от 4 мкм до 2 мкм, температура которой понижается на 12°С под действием электрического поля. Применение электрокалорических полимеров позволяет быстро и эффективно в течение заранее определенного интервала времени охладить первую 5 и вторую 6 части биметаллической пластины и переходную втулку 10, выполненную из металлического сплава с памятью. Также благодаря консольному закреплению 13 переходной втулки 10 на устройстве управления 4, электроды 7 размыкают контакты на рабочем столе 3 и возвращаются в исходное положение; после чего через определенный промежуток времени блоком переключения вновь подается с помощью устройства управления 4 напряжение на первый 8 и второй 11 нагревательные элементы; далее рабочий цикл повторяется, осуществляется следующая серия электрических взрывов от используемой батареи конденсаторов.
Первая 5 и вторая 6 части биметалической пластины могут быть изготовлены из металлических пластин с разными коэффициентами линейного температурного расширения, например, из алюминия и стали; для переходной втулки 10 в качестве металлического сплава с памятью, восстанавливающего свою первоначальную форму при нагреве и возвращающегося при охлаждении в исходное положение, может быть использован, например, сплав на основе никеля и титана - нитинол; первый 8 и второй 10 нагревательные элементы устройства могут быть изготовлены из пластин аморфного металла, обеспечивающего быстрый разогрев за счет высокого омического сопротивления; блок переключения в устройстве управления 4 для осуществления серии электрических взрывов изготовлен на стандартных элементах вычислительной техники.
Выбирая материал и рассчитывая на этапе проектирования устройства диффузионной сварки геометрические размеры первой и второй частей биметаллических пластин, геометрические размеры переходной втулки из металлического сплава с памятью, консольного соединения, параметры нагревательных элементов и подбирая технические характеристики тонких пленок из электрокалорического полимера, а также геометрические размеры рабочего стола с механизмом приложения давления, величину прогиба, количество и форму электродов, емкость батареи конденсаторов, интервалы времени для серии электрических взрывов и т.д. можно впоследствии осуществлять эффективную диффузионную сварку материалов.
Пример практической реализации
Все это позволяет расширить технологические возможности устройства и обеспечить получение большей прочности сварного соединения при создании серии электрических взрывов через определенные промежутки.