CN101745735B - 发动机用电热塞焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机用电热塞焊接工艺，它是这样实现的：a.对待焊接电热塞部件进行表面处理，除去其表面油渍和杂质；b.按照电热塞装配技术要求对待焊接电热塞进行装配、固定；c.采用工件旋转法进行加热；d.将装配固定好的电热塞移至电子束真空室进行隔离抽真空，真空度约1×10^-2Pa；e.利用真空电子束焊机对电热塞进行电子束钎焊，其中加速电压U1＝20～150kV、电子束流I_b＝15～30mA、聚焦电流I_F＝400～480mA、工件旋转速度为8～12r/min，焊接时在1050～1100℃温度停留40～70s；该工艺具有焊接可靠性高、寿命长、生产效率高、成本低的优点。

Description

发动机用电热塞焊接工艺

技术领域

本发明属于电子束焊接领域，尤其涉及一种发动机用电热塞电子束焊接工艺。 

背景技术

电热塞一般由壳体、电热丝、内部填充物等组成，电热丝周围填充三氧化二铝等氧化物，壳体为很薄的高温合金，壁厚约0.3mm～0.8mm，点火时，电热丝与外接电源导通，迅速发热，对可燃气体点火。电热塞广泛应用于内燃机、锅炉、热气机等领域，特别是在发动机领域，电热塞是发动机的核心元件，它直接关系到发动机的工作可靠性和效率、油耗等参数，而电热塞与点火器其他零件的连接工艺一直是电热塞制造的难点，重点要对高温燃气形成密封，防止高温燃气进入电热塞内部，影响其工作寿命。传统的内燃机用电热塞与点火器其他部件的连接工艺常采用紧配合压制锥面机械密封方式，特点是工艺简单，生产效率高，成本低。 

热气机用电热塞的工作应力远高于内燃机，其电热塞接头需要可靠的气密性防止燃气泄漏，保证使用安全。传统的机械密封连接方式密封效果不理想，使用过程中存在漏气现象。最可靠的密封连接形式是采用焊接连接。而热气机用电热塞工作温度在850℃以上，甚至高达1000℃以上，曾经对以下几种焊接方法进行了试验：焊管机氩弧焊、手工氩弧焊、真空电子束焊、真空钎焊。由于电热塞外壳是一种耐热高温合金材料，为异种金属焊接接头，三种焊接方法都属于熔化焊接，焊缝中都存在裂纹，都难以保证焊接接头的气密性和强度。 

采用钎焊连接工艺，能够避免焊缝产生裂纹问题，由于热气机用电热塞工作温度高，钎焊时必须采用镍基高温钎料，但镍基钎料需要较高的加热温度，为了防止工件氧化，一般需要采用真空钎焊工艺。真空钎焊试验结果表明，钎缝形成圆滑接缝，连接接头气密性达到设计要求。目前大多数厂家使用的也都是真空钎焊工艺，优点是能保证很好的密封要求，强度也较好，但存在如下不足之处： 

1、可靠性差，内部电热丝容易出现断路现象，原因是真空钎焊时，由于工件只能放在真空炉内整体加热，电热塞不可避免地受到长时间高温加热影响，导致电热塞内部电阻丝老化所致。 

2、电热塞使用寿命缩短，短则数十小时就损坏。 

3、真空炉内整体钎焊焊接时间长，生产效率低。 

发明内容

本发明提供了一种发动机用电热塞焊接工艺，解决传统的焊接工艺存在的可靠性差、使用寿命短、生产效率低的问题，其具有可靠性好、生产效率高、成本低的优点。 

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的： 

一种发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：a、对待焊接电热塞部件，包括外壳、接管，进行表面处理，除去其表面油渍和杂质；b.按照电热塞装配技术要求在专用工装上对待焊接电热塞进行装配、固定；c、采用工件旋转法进行加热；d、将装配固定好的电热塞移至电子束真空室进行隔离抽 真空，真空度约1×10^-2Pa；e、当真空度达到焊接要求时，利用真空电子束焊机对电热塞进行电子束钎焊，其中加速电压U1=20～150kV、电子束流I_b=15～30mA、聚焦电流I_F=400～480mA、工件旋转速度为8～12r/min，焊接时在1050～1100℃温度停留40～70s。 

上述的发动机用电热塞焊接工艺，加热方式采用散焦加热、加工件快速旋转的方式，电子束斑直径为6～10mm。 

上述的发动机用电热塞焊接工艺，焊接时采用非接触式的红外测温系统，严格控制加热温度。 

上述的发动机用电热塞焊接工艺，焊接钎料是牌号为BNi-2的镍基三号钎料。 

采用本发明的焊接工艺，可以显著提高电热塞的可靠性和工作寿命，用该工艺方法制造的电热塞，钎焊接头做气密性试验，在压力2.5MPa下稳压15min无泄漏，在发动机上累计点火4000次以上，仍工作正常，满足可靠性要求。此外，采用该工艺方法，还可大幅度提高电热塞的生产效率，提高产品质量，缩短生产周期，如与真空炉整体钎焊相比，焊接时间可大大缩短，电子束钎焊加热时间从室温到钎焊结束冷却至400℃以下，只有7min，而真空炉钎焊仅在900℃以上停留时间就达67min以上，整个钎焊周期更需8h以上。 

附图说明

图1是电热塞的结构示意图。 

具体实施方式

 如图1所示，电热塞是发动机点火器的核心部件，由接管1、外壳2、电热丝4和内部填充物3等组成，电热塞外壳2将电热丝4罩在内部，电热丝4周围填充三氧化二铝等氧化物，电热塞外壳2由高温合金做成，壁厚很薄，通常为0.3～0.8mm。接管1材料一般为奥氏体不锈钢。接管1和外壳2连接在一起，形成密封，要防止燃气通过电热塞接缝泄漏到外部。接管1和外壳2连接的一般采用冷压制或焊接方式连接，图1中A即为接管1和外壳2的连接部位。 

发动机运行时，电热塞处于高温火焰或燃气中，特别是热气机等应用场合，燃烧时压力较高，有的高达2.0～3.6MPa，因此电热塞接管和外壳的密封十分重要，传统的电热塞一般采用锥面冷压制的方法进行外壳和接管的连接和密封，但密封效果较差；也有采用其他焊接方法的，包括整体式真空钎焊，但由于钎焊时温度过高，最高超过1100℃，容易导致电阻丝4老化，采用整体式真空钎焊方法，密封性较好，但难以满足电热塞的可靠性。 

真空电子束钎焊工艺既具有真空炉钎焊焊接接头密封性好的优点，又具有焊接时加热集中的特点，它只在钎缝处局部加热，可以保证电热塞头部即电热丝与外包覆壳连接部位温度较低，可以避免电热塞内部电热丝在高温下老化的问题。 

下面是本发明的第一个实施例： 

电子束焊接设备采用EBW2100/15-150CNC型真空电子束焊机，配备德国PTR公司产高电压计算机数字控制设备，电子束流、聚焦电流、电子束振动频率和振幅以及图形均可通过计算机控制调节。真空室真空度约为1×10^-2Pa。电子束焊机主要技术参数见表1。 

表1 EBW2100/15-150CNC电子束焊机技术参数 

  

参数名称	性能	参数名称	性能
				加速电压	0kV～150kV	电子束流	0mA～100mA
电子束功率	0kw～15kw	电子束振动频率	3Hz～9999Hz
				聚焦电流	0mA～999mA	旋转装置转速	0.17r/min～15r/min

钎焊过程必须有严格的温度控制，保证加热温度保持在钎料熔化温度 范围内。焊件温度测量采用美国Raytek公司的MRIS红外测温仪，该仪器是双色红外非接触温度测量系统。该测温仪可以透过电子束焊机真空室的铅玻璃观察窗口进行检测，即使电热塞接头目标不够大，该测温仪也能够准确地测量温度，其温度测量范围700℃～1800℃，响应时间10ms，温度分辨率1℃。测温监控软件系统采用高速数字信号处理器，测试现场与微机之间双向RS485通讯，使用

软件测量温度可监控，数据存储。 

工艺方法如下： 

a)焊接前对待焊接件如外壳2、接管1等进行表面处理，除去其表面油渍和杂质； 

b)按照电热塞装配技术要求在专用工装上对电热塞进行装配、固定； 

c)采用工件旋转法进行加热； 

d)将装配固定好的电热塞移至电子束真空室进行隔离抽真空，真空度约1×10^-2Pa； 

e)当真空度达到焊接要求时，利用真空电子束焊机对电热塞进行电子束焊接，其中加速电压U1＝20～150kV、电子束流I_b＝15～30mA、聚焦电流I_F＝400～480mA、工件旋转速度为8～12r/min，焊接时在1050～1100℃温度停留40～70s； 

f)加热方式采用散焦加热、加工件快速旋转的方式，电子束斑直径为6～10mm。 

g)焊接钎料选用镍基三号(BNi-2)。 

下面是本发明的第二个实施例： 

聚焦电流I_F分别为400mA、450mA、480mA，其他条件同实施例一。 

下面是本发明的第三个实施例： 

工件旋转速度分别取8r/min、10r/min、12r/min，其他条件同实施例一。

下面是本发明的第四个实施例： 

电子束斑点直径分别取φ6mm、φ8mm、φ10mm，其他条件同实施例一。 

下面是本发明的第五个实施例： 

焊接时加热时间，即在1050℃以上温度停留时间分别取40s、42s、50s、70s，其他条件同实施例一。 

上述的电热塞焊接件经气密性试验，在压力2.5MPa、3.6MPa下稳压15min无泄漏。焊缝经金相分析，焊缝焊角饱满、组织致密，焊缝与基体焊合良好未见明显焊接缺陷。抽取多个焊接件在热气机上进行了可靠性试验，在点火器试验台上进行点火试验，点火次数超过4000次无故障。采用本方法制造的点火器在热气机上累计进行试验时间超过2000h，电热塞无故障。 

此外，采用上述工艺在进行电热塞焊接时，对电热塞端部的温度进行了测量，经测量电热塞端部的温度不超过700℃，这样对电热塞内部电阻丝与包覆外壳的接头影响很小，因此可以改善真空炉整体钎焊时温度过高，影响电热丝的寿命问题。 

采用上述工艺，还可以显著提高生产效率，真空电子束钎焊时间比真空炉整体钎焊时间大大缩短，电子束钎焊加热时间从室温到钎焊结束冷却至400℃以下，只有7分钟，而真空炉钎焊仅在900℃以上停留时间就达67分钟以上，整个钎焊周期更需8h以上。 

上述的工艺不仅仅适用于发动机用电热塞的焊接领域，还可以应用到其他焊接时需要控制部件远端温度的等精密焊接的场合。

Claims (5)

1.发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：

a、对待焊接电热塞部件，包括外壳（2）和接管（1），进行表面处理，除去其表面油渍和杂质；

b.按照电热塞装配技术要求在专用工装上对待焊接电热塞进行装配、固定；

c、采用工件旋转法进行加热；

d、将装配固定好的电热塞移至电子束真空室进行隔离抽真空，真空度约1×10^-2Pa；

e、当真空度达到焊接要求时，利用真空电子束焊机对电热塞进行电子束钎焊，其中加速电压U1=20～150kV、电子束流I_b=15～30mA、聚焦电流I_F=400～480mA、工件旋转速度为8～12r/min，焊接时在1050～1100℃温度停留40～70s。

2.根据权利要求1所述的发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：加热方式采用散焦加热、加工件快速旋转的方式，电子束斑直径为6～10mm。

3.根据权利要求1或2所述的发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：焊接时采用非接触式的红外测温系统，严格控制加热温度。

4.根据权利要求1或2所述的发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：焊接钎料是牌号为BNi-2的镍基三号钎料。

5.根据权利要求3所述的发动机用电热塞焊接工艺，其特征在于：焊接钎料是牌号为BNi-2的镍基三号钎料。