地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置及基于该装置实现微重力下材料熔炼方法和焊接方法

摘要

地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置及基于该装置实现微重力下材料熔炼方法和焊接方法，涉及一种微重力地面实验装置；为了解决现有微重力装置，因存在空气阻力和存在外力介入，产生了并非真正意义的微重力环境的问题，本发明包括它包括真空系统、热源、夹持抛射装置和缓冲装置，所述的真空系统包括真空室和抽真空装置，所述的真空室的抽气孔与抽真空系统的抽真空孔连通，所述的热源固定在真空室内部顶端的中心位置，所述的夹持抛射装置固定在真空室内部的侧壁上，所述的缓冲装置置于真空室内部底面，且缓冲装置位于热源的正下方；本发明主要适用于微重力科学领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微重力地面实验装置。 

背景技术

微重力科学就是研究微小重力环境中物质运动规律的科学。空间材料科学是微重力科学中投资最多和规模最大的领域。微重力环境具有不同于重力环境的一些特点，为材料加工提供了极优越的条件，为生产高性能材料、晶体生长等材料制备提供了优越的环境，同时还可以改进地面现有生产方法和工艺，当前已经在泡沫材料制备、新材料开发、无容器冶炼和制造理想的球状产品等材料熔炼领域开展了研究。微重力焊接作为一种微重力材料加工方法，是未来大型空间飞行器在轨装配、空间飞行器长期服役过程中的维修和维护不可缺少的一种技术。 

当前微重力环境的获得分为空间实验和地面模拟两种方式，前者包括航天飞机、空间站、返回式卫星、探空火箭等实验平台，后者包括俯冲飞机法、落塔法、落井法、落管法、高空热气球等实验方法。然而这些实验平台开展微重力实验耗资巨大、结构复杂且实验资源非常有限。由此微重力模拟成为空间技术的一个新领域，在保证低的微重力水平的同时延长微重力实验时间并降低实验成本是该领域研究的重点。 

专利CN202795838U公开了一种采用竖直导轨的微重力装置，虽然导轨与起落台通过滚动装置连接，但仍不可避免产生摩擦，同时该方法在大气中下落，会产生空气阻力，增大重力水平，降低微重力效果； 

专利CN201364672Y和专利CN102564905A均公开了产生微重力环境的装置，但这两种装置的实质在于利用外力与重力平衡，使得物体悬浮，并非真正意义上的微重力，即惯性加速度与引力加速度之差无法达到远小于地面处重力加速度。 

发明内容

本发明是为了解决现有微重力装置，因存在空气阻力和存在外力介入，产生了并非真正意义的微重力环境的问题，本发明提供了一种地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置及基于该装置实现微重力下材料熔炼和焊接方法。 

地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置，它包括真空系统、热源、夹持抛射装置和缓冲装置， 

所述的真空系统包括真空室和抽真空装置，所述的真空室的抽气孔与抽真空系统的抽真空孔连通， 

所述的热源固定在真空室内部顶端的中心位置，所述的夹持抛射装置固定在真空室内部的侧壁上，所述的缓冲装置置于真空室内部底面，且缓冲装置位于热源的正下方。 

采用地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料熔炼方法，它的具体步骤为，首先，采用夹持抛射装置将试件固定，并将试件置于热源的加热区域内，采用抽真空装置对真空室抽真空，使得真空室的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置将试件以速度V₃垂直向上抛出，且同时热源对试件进行加热，使试件熔化，且保证试件在下落至缓冲装置之前凝固，试件经缓冲装置缓冲，静止在缓冲装置的上表面，完成微重力下材料的熔炼，所述的速度V₃的范围为从0.5m/s到3m/s。 

采用地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料焊接方法，它的具体步骤为， 

首先，将装配体放置在夹持抛射装置上，且保证装配体处于热源的加热区域内，采用抽真空装置对真空室抽真空，使得真空室的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置将装配体抛出，即：使装配体以水平初速度V₁和垂直向上初速度V₂运动，且同时热源对装配体进行加热，使装配体熔化，且保证装配体在下落的过程中凝固，装配体在真空室内下落N秒后，经缓冲装置缓冲，静止在缓冲装置的上表面，完成微重力下材料的焊接，所述的V₁的范围为从0.008m/s到0.015m/s，所述的V₂的范围为从0.5m/s到3m/s，所述的N的范围为从0.8到1。 

采用上述微重力下材料焊接方法，可实现微重力材料的对焊。 

采用地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料焊接方法，它的具体步骤为， 

首先，将装配体放置在夹持抛射装置上，且保证试件处于热源的加热区域内，采用抽真空装置对真空室抽真空，使得真空室的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置将装配体释放，即：使装配体做自由落体运动，且同时热源对装配体进行加热，使装配体熔化，且保证装配体在下落的过程中凝固，装配体在真空室内下落N秒后，经缓冲装置缓冲，静止在缓冲装置的上表面，完成微重力下材料的焊接，所述的N的范围为从0.8到1。 

采用上述微重力下材料焊接方法，可实现微重力材料的点焊和钎焊。 

在地面环境中，物体自由下落时的惯性加速度与引力加速度均接近于该处的重力加速 度，二者只差远小于该处地面的重力加速度，因此可以实现微重力过程。 

本发明带来的有益效果是，在真空室内进行微重力实验，可以消除试件下落过程中与空气摩擦产生的阻力，微重力是在自由落体过程中实现的，试件不与其它物体接触，实现了真正意义上的微重力；利用夹持抛射装置将试件向上抛出，有效延长了微重力实验的时间；本发明装置可以通过对现有的真空材料加工设备改造实现，结构简单，成本低廉；该装置还可以对多种微重力材料进行熔炼、点焊、钎焊和对焊。 

附图说明

图1为本发明所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置的结构示意图。 

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置，它包括真空系统、热源2、夹持抛射装置3和缓冲装置4， 

所述的真空系统包括真空室1和抽真空装置5，所述的真空室的抽气孔与抽真空系统的抽真空孔连通， 

所述的热源2固定在真空室1内部顶端的中心位置，所述的夹持抛射装置3固定在真空室1内部的侧壁上，所述的缓冲装置4置于真空室1内部底面，且缓冲装置4位于热源2的正下方。 

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置的区别在于，所述的热源2为脉冲电子束热源，且脉冲电子束热源的工作电流范围为从1mA到200mA。 

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，采用具体实施方式一或二所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料熔炼方法的区别在于，它的具体步骤为， 

首先，采用夹持抛射装置3将试件固定，并将试件置于热源2的加热区域内，采用抽真空装置5对真空室1抽真空，使得真空室1的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置3将试件以速度V₃垂直向上抛出，且同时热源2对试件进行加热，使试件熔化，且保证试件在下落至缓冲装置4之前凝固，试件经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的熔炼，所述的速度V₃的范围为从0.5m/s到3m/s。 

具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的微重力下材料熔炼方法的区别在于，所述的速度V₃为2m/s。 

本实施方式中，采用夹持抛射装置3将直径20mm、高25mm的铝合金试件固定，且使铝合金试件的熔炼部位在热源2的加热区域，采用抽真空装置5对真空室1抽真空，待真空室1的真空度低于5×10^-2Pa后，夹持抛射装置3将试件以2m/s的速度垂直向上抛出，同时热源2采用25mA束流对铝合金试件的熔炼部位进行瞬时加热0.4s，铝合金试件熔化后在真空室1内继续下落0.8s后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的熔炼。 

具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，采用具体实施方式一或二所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料焊接方法，它的具体步骤为， 

首先，将装配体放置在夹持抛射装置3上，且保证装配体处于热源2的加热区域内，采用抽真空装置5对真空室1抽真空，使得真空室1的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置3将装配体抛出，即：使装配体以水平初速度V₁和垂直向上初速度V₂运动，且同时热源2对装配体进行加热，使装配体熔化，且保证装配体在下落的过程中凝固，装配体在真空室1内下落N秒后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的焊接，所述的V₁的范围为从0.008m/s到0.015m/s，所述的V₂的范围为从0.5m/s到3m/s，所述的N的范围为从0.8到1。 

本实施方式中，装配体的水平初速度V₁即为焊接速度。 

具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的微重力下材料焊接方法的区别在于，所述N的取值为0.8。 

具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的微重力下材料焊接方法的区别在于，所述的水平初速度V₁的取值为0.01m/s，垂直向上初速度V₂的取值为3m/s。 

本实施方式中，所述的水平初速度V₁即为焊接速度。 

采用夹持抛射装置3将两块长20mm、宽10mm、厚3mm的铝合金平板试件沿长度方向对接后，固定在热源2加热区域，使两块铝合金平板试件形成的焊缝位于热源2正下方； 

采用抽真空装置5对真空室1抽真空，待真空室1的真空度低于5×10^-2Pa后，夹持抛射装置3将两块试件抛出，使两块试件以0.01m/s的水平初速度和3m/s的竖直初速度运动，同时热源2以12mA束流进行加热，使两块试件对接面熔化，形成焊缝，两块试件对接面熔化后继续在真空室1内下落0.8s后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的对焊。 

具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，采用具体实施方式一或二所述的地面微重力下材料熔炼和焊接实验装置实现微重力下材料焊接方法，它的具体步骤为， 

首先，将装配体放置在夹持抛射装置3上，且保证试件处于热源2的加热区域内，采用抽真空装置5对真空室1抽真空，使得真空室1的真空度低于5×10^-2Pa； 

然后，夹持抛射装置3将装配体释放，即：使装配体做自由落体运动，且同时热源2对装配体进行加热，使装配体熔化，且保证装配体在下落的过程中凝固，装配体在真空室1内下落N秒后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的焊接，所述的N的范围为从0.8到1。 

具体实施方式九：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八所述的微重力下材料焊接方法的区别在于，所述N的取值为0.8。 

本实施方式中，所述的装配体由两个直径为20mm、厚度分别为0.8mm和5mm的不锈钢试件组成，使用夹持抛射装置3将两个直径为20mm、厚度分别为0.8mm和5mm的不锈钢试件上下相对叠加后，并固定在热源2的加热区域，采用抽真空装置5对真空室1抽真空，待真空室1的真空度低于5×10^-2Pa后，夹持抛射装置3使两个不锈钢试件做自由落体运动，同时热源2以25mA的束流对上层不锈钢试件的点焊部位进行瞬时加热0.2s，使不锈钢试件熔化与下层不锈钢试件形成点焊熔池；两个不锈钢试件在真空室1内下落0.8s后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的点焊。 

本实施方式中，将在一块长15mm、宽15mm、高3mm的TC4薄板的上表面中心加工直径为4mm的圆孔，再将另一块高3mm、直径3.95mm的TC4圆柱板外包裹一层厚度为0.05mm Ag-Cu共晶钎料箔，将包裹完成的TC4圆柱板塞入TC4薄板的圆孔内，形成装配体，使用夹持抛射装置3将装配体固定在热源2加热区域； 

采用抽真空装置5对真空室1抽真空，待真空室1的真空度低于5×10^-2Pa后，夹持抛射装置3使装配体做自由落体运动，同时热源2以散焦模式下30mA束流对装配体的钎料位置加热0.2s，使Ag-Cu共晶钎料熔化，装配体在真空室1内下落0.8s后，经缓冲装置4缓冲，静止在缓冲装置4的上表面，完成微重力下材料的钎焊。