[发明专利]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

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。