CN101200013A - 铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法，包括：加工水接头各零部件，控制加工精度及部件装配间隙；对水接头零部件清洗；水接头组装及放入专用工装中；将工装放入真空钎焊炉中按下述钎焊工艺曲线进行钎焊：1)用35分钟使炉温从室温匀速升到650℃；2)接着保温20分钟；3)然后在20分钟内将炉温匀速升到890℃；4)再保温20分钟；5)然后在15分钟内将炉温匀速升到970℃±10℃；6)再保温5分钟；7)然后停止加热自然冷却；8)次日从工装中取出水接头；9)用超声波自动检测装置进行验收检测。解决了水接头环缝未填满，溶蚀等技术难题，具有方法可靠、生产效率高、有效提高产品合格率等突出优点。

Description

铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法

技术领域

本发明涉及异种金属焊接技术，具体涉及铜与不锈钢异种金属水接头的焊接工艺方法。

背景技术

铜与不锈钢异种金属水接头，是超大型水轮发电机定子线圈的重要组成部件，其制造质量对电机的安全运行有着重要影响。

铜与不锈钢异种金属水接头主要由紫铜L支撑、紫铜内衬管、不锈钢水盒以及焊接钎料构成。由于该水接头结构特殊、不锈钢水盒需要分别与紫铜内衬管、紫铜L支撑进行异种金属焊接，这两种金属材料在物理性能、化学成分方面明显不同，两种金属的熔点、导热系数及线膨胀系数差异较大，都为这种水接头的制造带来很大的工艺难度。

发明内容

本发明目的在于：针对制造超大型水轮发电机定子线圈的铜与不锈钢水接头存在的焊接工艺困难，提供一种符合ASME SecIX焊接标准、满足超大型水轮发电机定子线圈水接头质量设计制造要求、具有方法可靠、焊接成品率高的铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺。

超大型水轮发电机定子线圈的金属水接头，主要由不锈钢水盒、钎焊在不锈钢水盒内壁上的紫铜内衬管、钎焊于不锈钢水盒顶部端面上的紫铜L支撑组件构成。该水接头的钎焊包括：不锈钢水盒与紫铜内衬的焊接、不锈钢水盒与紫铜L支撑的焊接。两处钎缝焊前分别预置环状丝和箔片状银铜钯钎料。

铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺，包括以下步骤：

第一步，加工水接头各零部件，包括紫铜L支撑、紫铜内衬管、不锈钢水盒，控制加工精度及相关部件的装配间隙。考虑到铜和不锈钢真空钎焊时熔点、导热系数及线膨胀系数的差异，在配做不锈钢水盒与紫铜内衬管时，保证其组装间隙(直径差)为0.04mm～0.14mm；加工铜L支撑与不锈钢水盒时，需保证L支撑的内孔直径与水盒顶部外径适配，并保证水平配合面的平面度，使其与箔片状钎料组装时接触部分紧密，无缝隙。

第二步，水接头零部件的清洗。为确保水接头钎焊质量，焊前必须经化学清洗。先将水接头零部件放入加有除油剂的清洗液中，加热进行超声清洗1-2小时；然后在配置好的铬酐和硫酸溶液中出光；最后用冷水冲洗，丙酮浸泡，取出烘干待用。

第三步，水接头的组装。不锈钢水盒与紫铜内衬组装间隙(直径差)为0.04mm～0.14mm，把符合间隙要求的紫铜内衬管垂直放入不锈钢水盒中，在不锈钢水盒顶部端面依次垂直套入箔片状银铜钯钎料、水接头L支撑，保证接触面贴合紧密，无缝隙。最后在不锈钢水盒内表面与紫铜内衬管之间放置环状丝银铜钯钎料。

第四步，将组装好的水接头放入专用水接头钎焊工装(见图5)中。为保证紫铜L支撑与不锈钢水盒的钎缝焊接质量，在每个待焊水接头上表面(见图4)放置合适大小的石英玻璃片及重物；

第五步，将水接头随工装一起放入真空钎焊炉进行钎焊。将装有水接头的工装吊置于真空钎焊炉内的均温区，关上真空钎焊炉抽真空，至真空度优于1×10^-2Pa时方可加热。按照设定的水接头钎焊过程温度曲线对水接头进行钎焊，其过程如下：

1)使真空钎焊炉线性升温，用35分钟使炉温从室温匀速升到650℃；

2)当炉温达到650℃后进行第一阶段保温20分钟，使工件母材及钎料的放气过程能够充分进行，便于以后高温段钎焊炉可维持较高的真空度；

3)当第一阶段保温结束后进行快速升温，在20分钟内将炉温从650℃匀速升到890℃；

4)当炉温达到890℃后进行第二阶段保温20分钟，以便避免过大的热惯性，保证控温精度；

5)当第二阶段保温结束后，在15分钟内将炉温从890℃匀速升到970℃±10℃；

6)当炉温达到970℃±10℃后进行第三阶段保温5分钟，以便保证钎料扩散充分，并兼顾发热体均温区的差别；

7)在第三阶段保温结束后，真空钎焊炉停止加热，随炉自然冷却；

8)次日从真空钎焊炉中吊出工装，取出水接头；

9)用超声波自动检测装置，对铜与不锈钢异种金属水接头钎焊质量进行验收检测。

为保证环状丝银铜钯钎料安置牢靠，不致在钎焊过程中因意外干扰而错动位置，对不锈钢水盒结构进行改进：水盒顶部结构由内倒角改成直段加内倒角(见图2)。

为避免紫铜L支撑与不锈钢水盒焊后出现溶蚀，将紫铜L支撑底部距离a由46mm增加1mm，使该支撑底部距离b为47mm(见图1)；箔片状银铜钯钎料由两片分体式结构改为整体式(见图3)。

本发明采用的专用工装具有如下结构及优点：

根据钎焊炉均温区的尺寸，设计加工了专用工装(见图5)用以摆放水接头。工装分三个摆放层，由周向均布的三根支撑杆隔离并起支撑作用，层间高度由均温区长度设定。每层(见图6)均按水盒的直径由内而外呈放射状开孔，12个大孔用于放置水接头，小孔保证抽真空时气流的畅通。三根吊装杆与支撑杆焊为一体，顶部呈伞状连接便于吊装。为了避免钎焊时的反复加热变形，摆放层选用了足够厚度的4Cr25Ni20不锈钢，以保证足够的高温强度。该工装具有便于安置和吊装、高温强度好、不易变形、可反复使用等优点。

本发明提供的水接头真空钎焊工艺方法具有如下突出优点：

在整个钎焊工艺过程采用了强规范(即升温速度快，钎焊温度高，保温时间短)，因为温度高有利于不锈钢接头表面铬氧化物的分解；升温速度快和保温时间短，可防止钎料沿铜母材侧流失，并能减小铜晶粒长大的倾向；钎焊后随炉冷却，冷速较慢，以免产生裂纹等缺陷。

本发明提供的水接头真空钎焊工艺方法，解决了水接头环缝未填满，溶蚀等技术难题，满足了设计要求，具有方法可靠，生产效率高、有效提高了产品合格率等突出优点。

附图说明

图1为水接头部件紫铜L支撑结构改进示意图，左图为改进前结构图，右图为改进后结构图。

图2为不锈钢水盒结构改进示意图，左图为改进前结构图，右图为改进后结构图。

图3为箔片状银铜钯钎料结构改进示意图，左图为改进前结构图，右图为改进后结构图。

图4为装配好的水接头结构示意图。

图5为水接头钎焊工装结构示意图。

图6为水接头工装摆放层结构示意图。

图7为水接头钎焊过程的工艺温度曲线图。

图中标记：1-水接头L支撑；2-石英玻璃片；3-重物；4-环状丝银铜钯钎料；5-箔片状银铜钯钎料；6-不锈钢水盒；7-衬管；8-水接头工装吊装杆；9-水接头摆放层；10-水接头工装支杆；11-水接头摆放位，a，b分别为改进前、后紫铜L支撑底部的距离。

具体实施方式

实施例：铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺，包括以下步骤：

第一步，加工水接头各零部件，包括紫铜L支撑、紫铜内衬管、不锈钢水盒，控制加工精度及相关部件的装配间隙。考虑到铜和不锈钢真空钎焊时熔点、导热系数及线膨胀系数的差异，在配做不锈钢水盒与紫铜内衬管时，保证其组装间隙(直径差)为0.04mm-0.14mm；加工铜L支撑与不锈钢水盒时，需保证L支撑的内孔直径与水盒顶部外径适配，并保证水平配合面的平面度，使其与箔片状银铜钯钎料组装时接触部分紧密，无缝隙。

第二步，水接头零部件的清洗。为确保水接头钎焊质量，焊前必须经化学清洗，将满足设计要求的水接头各部件进行清洗：

先将各部件分离放入超声清洗机中，放入除油剂，并加热进行超声清洗1-2小时；

然后将超声清洗好的各部件，放入配置好的铬酐和硫酸溶液中出光；

最后用冷水冲洗10～15min，丙酮浸泡15～30min，烘干待用。

第三步，对水接头部件进行组装：

不锈钢水盒与紫铜内衬组装间隙(直径差)为0.04mm-0.14mm，把符合间隙要求的紫铜内衬管7垂直放入不锈钢水盒6中，在水盒6顶部端面依次垂直套入箔片状银铜钯钎料5、水接头L支撑1，保证接触面贴合紧密，无缝隙。最后在不锈钢水盒6内表面与紫铜内衬管7之间放置环状丝银铜钯钎料4。

第四步，将组装好后的水接头放入专用水接头钎焊工装(见图5)中。为保证铜L支撑1与不锈钢水合6的钎缝焊接质量，在每个待焊水接头上表面(见图4)放置合适大小的石英玻璃片2及重物3。

第五步，将水接头随工装一起放入ZRML-350内热立式结构的高真空充气两用真空钎焊炉中进行钎焊，炉体采用钼片加热，工作真空度为5×10^-3Pa，均温区尺寸为Ф350×500mm，采用FP21智能温控仪控制炉内加热、保温及降温过程。

将装有水接头的工装吊置于真空钎焊炉内的均温区，关上真空钎焊炉抽真空，至真空度优于1×10^-2Pa时方可加热。当真空度优于1×10^-2Pa时方可加热。按照设定的水接头钎焊过程温度曲线对水接头进行真空钎焊，其过程如下：

1)使真空钎焊炉线性升温，用35分钟使炉温从室温匀速升到650℃；

2)当炉温达到650℃后进行第一阶段保温20分钟，使工件母材及钎料的放气过程能够充分进行，便于以后高温段钎焊炉可维持较高的真空度；

3)当第一阶段保温结束后进行快速升温，在20分钟内将炉温从650℃匀速升到890℃，；

4)当炉温达到890℃后进行第二阶段保温20分钟，以便避免过大的热惯性，保证控温精度；

5)当第二阶段保温结束后，在15分钟内将炉温从890℃匀速升到970℃±10℃；

6)当炉温达到970℃±10℃后进行第三阶段保温5分钟，以便保证钎料扩散充分，并兼顾发热体均温区的差别；

7)在第三阶段保温结束后，真空钎焊炉停止加热，随炉自然冷却；

8)次日从真空钎焊炉中吊出工装，取出水接头；

9)用超声波自动检测装置，对铜与不锈钢异种金属水接头钎焊质量进行验收检测。

还可以对不锈钢水盒结构进行改进，将水盒顶部结构由内倒角改成直段加内倒角，以便保证环状丝银铜钯钎料安置牢靠，不致在钎焊过程中因意外干扰而错动位置。

以及将紫铜L支撑底部距离a由原来的46mm增加1mm，箔片状银铜钯钎料由两片分体式结构改为整体式，以便避免紫铜L支撑与不锈钢水盒焊后出现溶蚀。

在本方法中根据钎焊炉均温区的尺寸，设计加工了专用工装(见图5)用以摆放水接头。工装分三个摆放层，由周向均布的三根支撑杆隔离并起支撑作用，层间高度由均温区长度设定。每层(见图6)均按水盒的直径由内而外呈放射状开孔，12个大孔用于放置水接头，小孔保证抽真空时气流的畅通。三根吊装杆与支撑杆焊为一体，顶部呈伞状连接便于吊装。为了避免钎焊时的反复加热变形，摆放层选用了足够厚度的4Cr25Ni20不锈钢，以保证足够的高温强度。

Claims (4)

1.铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法，包括以下步骤：

第一步，加工水接头各零部件，包括紫铜L支撑、紫铜内衬管、不锈钢水盒，控制加工精度及相关部件的装配间隙；考虑到铜和不锈钢真空钎焊时熔点、导热系数及线膨胀系数的差异，在配做不锈钢水盒与紫铜内衬管时，保证其组装间隙为0.04mm～0.14mm；加工铜L支撑与不锈钢水盒时，需保证L支撑的内孔直径与水盒顶部外径适配，并保证水平配合面的平面度，使其与箔片状钎料组装时接触部分紧密，无缝隙；

第二步，对水接头零部件的清洗；为确保水接头钎焊质量，焊前必须经化学清洗，先将水接头零部件放入加有除油剂的清洗液中，加热进行超声清洗1-2小时，然后在配置好的铬酐和硫酸溶液中出光，最后用冷水冲洗，丙酮浸泡，取出烘干待用；

第三步，水接头的组装；不锈钢水盒与紫铜内衬组装间隙为0.04mm～0.14mm，把符合该间隙要求的紫铜内衬管垂直放入不锈钢水盒中，在不锈钢水盒顶部端面依次垂直套入箔片状银铜钯钎料、水接头L支撑，保证接触面贴合紧密，无缝隙，最后在不锈钢水盒内表面与紫铜内衬管之间放置环状丝银铜钯钎料；

第四步，将组装好的水接头放入专用水接头钎焊工装中，为保证紫铜L支撑与不锈钢水盒的钎缝焊接质量，在每个待焊水接头上表面放置合适大小的石英玻璃片及重物；

第五步，将水接头随工装一起放入真空钎焊炉进行钎焊；将装有水接头的工装吊置于真空钎焊炉内的均温区，关上真空钎焊炉抽真空，至真空度达到1×10^-2Pa时方可加热，并按照设定的水接头钎焊过程温度曲线对水接头进行钎焊，其过程如下：

1)使真空钎焊炉线性升温，用35分钟使炉温从室温匀速升到650℃；

2)当炉温达到650℃后进行第一阶段保温20分钟，使工件母材及钎料的放气过程能够充分进行，便于以后高温段钎焊炉可维持较高的真空度；

3)当第一阶段保温结束后进行快速升温，在20分钟内将炉温从650℃匀速升到890℃；

4)当炉温达到890℃后进行第二阶段保温20分钟，以便避免过大的热惯性，保证控温精度；

5)当第二阶段保温结束后，在15分钟内将炉温从890℃匀速升到970℃±10℃；

6)当炉温达到970℃±10℃后进行第三阶段保温5分钟，以便保证钎料扩散充分，并兼顾发热体均温区的差别；

7)在第三阶段保温结束后，真空钎焊炉停止加热，随炉自然冷却；

8)次日从真空钎焊炉中吊出工装，取出水接头；

9)用超声波自动检测装置，对铜与不锈钢异种金属水接头钎焊质量进行验收检测。

2.按照权利要求1所述的铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法，其特征在于：对不锈钢水盒结构进行改进，将水盒顶部结构由内倒角改成直段加内倒角，以便保证环状丝银铜钯钎料安置牢靠，不致在钎焊过程中因意外干扰而错动位置。

3.按照权利要求1所述的铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法，其特征在于：将紫铜L支撑底部距离a由46mm增加1mm，箔片状银铜钯钎料由两片分体式结构改为整体式，以便避免紫铜L支撑与不锈钢水盒焊后出现溶蚀。

4.按照权利要求1所述的铜与不锈钢异种金属水接头真空钎焊工艺方法，其特征在于：在真空钎焊过程中使用的专用水接头钎焊工装，设有多个摆放层，由周边均布的竖直支撑杆将各层隔离并起支撑作用，摆放层间的高度由均温区长度设定，每一摆放层均按水盒的直径由内而外呈放射状开孔，12个大孔用于放置水接头，小孔保证抽真空时气流的畅通，顶部吊装杆与支撑杆焊为一体，工装顶部呈伞状连接便于吊装。

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