CN103111784B - 斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺；所述钎焊定位装置包括：定位底板、分别设置在定位底板两端的回热腔定位组件和活塞腔定位组件、位于回热腔定位组件和活塞腔定位组件之间的支撑板、分别设置在活塞腔定位组件两端的固定柱Ⅰ和固定柱Ⅱ、两端分别连接固定柱Ⅰ和固定柱Ⅱ的由夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ构成的定位夹板；本发明结构针对性强、定位准确，能够避免现有斯特林机加热头部件在钎焊过程中易发生定位失效，导致钎焊件偏置以及钎料分布不均匀，从而直接影响钎焊工艺的效果、降低钎焊强度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺。
背景技术
1816年英国的Robert Striling首先发明了外部燃烧闭式循环发动机，并制造了世界上第一台斯特林发动机，其后因燃气轮机和内燃机的相应出现，斯特林发动机并未得到广泛应用，随着近年可持续能源的快速发展，自1990年，以美国SES公司为代表的新能源公司将研发重点放在了碟式斯特林太阳能发电机组方向上，而加热头作为斯特林发动机的关键部件，材质采用高温合金，其可靠性直接影响着斯特林机的使用状态和性能，参考图1所示，斯特林机加热头部件一般包括回热腔1、活塞腔2以及连接回热腔1和活塞腔2之间的多个加热管3，回热腔1和活塞腔2顶端分别具有由位于上部的沉孔22和下部的通孔23构成的多个用于连接加热管3的焊接孔21；由于加热头部件内部充满高压、高温的工作气体，为满足热稳定性和热强度要求需保证加热头焊接后在高温高压环境下工作时不发生泄漏，斯特林发动机加热头部件通常采用钎焊工艺进行加工，目前使用的钎焊工艺主要为真空钎焊，现有技术中斯特林机加热头部件的真空钎焊工艺存在如下问题：采用的钎焊定位装置没有针对和结合斯特林机加热头部件的结构特点，定位不准，且在钎焊过程中易发生定位失效，从而导致钎焊件偏置以及钎料分布不均匀，出现钎焊件一侧钎料堆积，另一侧没有钎料或钎料极少的情况，直接影响钎焊工艺的效果；设置的钎焊接头间隙过小，影响了钎料的渗入与湿润，达不到全部焊合；设置的钎焊接头间隙太大，浪费钎料且降低了钎焊接头强度；另外，钎焊温度的控制以及钎焊后对钎焊件所进行的热处理也不合理规范，均影响了钎焊件的质量。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种定位准确、钎焊强度高、钎焊效果好的斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺。
本发明的技术手段如下：
一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，包括：定位底板、分别设置在定位底板两端的回热腔定位组件和活塞腔定位组件、位于回热腔定位组件和活塞腔定位组件之间的支撑板、分别设置在活塞腔定位组件两端的固定柱Ⅰ和固定柱Ⅱ、两端分别连接固定柱Ⅰ和固定柱Ⅱ的由夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ构成的定位夹板；
所述回热腔定位组件包括定位座Ⅰ和定位柱Ⅰ；所述定位座Ⅰ具有内径与回热腔下部外径相配合的环状凸台Ⅰ和顶端连接环状凸台Ⅰ，底端连接定位底板的圆筒Ⅰ；所述定位柱Ⅰ下部置于定位座Ⅰ内，该定位柱Ⅰ下部外径与回热腔下部内径相配合；所述定位柱Ⅰ顶端设有多个与回热腔顶端具有的多个用于连接加热管的焊接孔位置一一对应的定位销；
所述支撑板上设有多条与加热管外径相配合的横向凹槽；
所述活塞腔定位组件包括定位座Ⅱ和定位柱Ⅱ；所述定位座Ⅱ具有内径与活塞腔下部外径相配合的环状凸台Ⅱ和顶端连接环状凸台Ⅱ，底端连接定位底板的圆筒Ⅱ；所述定位柱Ⅱ下部置于定位座Ⅱ内，该定位柱Ⅱ下部外径与活塞腔下部内径相配合；
所述定位夹板两端分别设有与固定柱Ⅰ和固定柱Ⅱ上部外径相配合的夹紧孔；所述定位夹板中心设有多个与活塞腔顶端具有的多个用于连接加热管的焊接孔位置一一对应、大小相同的定位孔；
进一步地，所述环状凸台Ⅰ上设有与回热腔下部具有的安装孔位置对应的固定孔；
进一步地，所述环状凸台Ⅱ上设有与活塞腔下部具有的安装孔位置对应的固定孔；
进一步地，所述夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ上设有通过螺栓把合的横向的连接孔；
进一步地，所述定位孔由夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ上分别设有的位置对应的半圆形定位槽构成；
进一步地，所述夹紧孔由夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ上分别设有的位置对应的半圆形夹紧槽构成；
进一步地，所述定位销的销柱直径与加热管外径相同，销头直径与加热管内径相同；
一种斯特林机加热头部件的真空钎焊工艺，包括如下步骤：
步骤一：将斯特林机加热头部件的回热腔、活塞腔分别安装到钎焊定位装置的回热腔定位组件和活塞腔定位组件上并通过螺栓固定；
步骤二：将多个加热管一端依次分别插入到回热腔顶端具有的多个焊接孔中同时将定位销的销头分别插入到每个加热管中，并保持加热管底端与焊接孔底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤三：松开定位夹板两端的螺栓，将多个加热管另一端依次分别通过钎焊定位装置的定位夹板上具有的多个定位孔后插入到活塞腔顶端具有的多个焊接孔中，然后拧紧定位夹板两端的螺栓将加热管定位并保持加热管底端与焊接孔底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤四：将多个加热管依次放置到钎焊定位装置的支撑板上设有的多条横向凹槽中，采用氩弧焊对回热腔顶端具有的多个焊接孔中插入的多个加热管进行点焊定位；
步骤五：将斯特林机加热头部件的回热腔和活塞腔顶端分别具有的多个焊接孔的沉孔处装入焊料；
步骤六：将经过如上步骤处理的装有斯特林机加热头组件的钎焊定位装置进行抽真空，当真空度达到4*10-2Pa后进行升温；
步骤七：当温度升至500～550℃时，保温15分钟，同时保持真空度维持在4*10-2Pa；
步骤八：继续升温，当温度升至钎焊温度980℃时，保温80分钟；
步骤九：在20分钟内将温度升至1120℃，再在20分钟内将温度降至扩散温度1020℃，保温60分钟；
步骤十：将温度降至945～965℃，对斯特林机加热头部件进行固溶处理后，保温1～1.25小时，之后按照50℃/h的冷却速度进行随炉冷却；
步骤十一：当温度降至710～730℃，对斯特林机加热头部件进行时效处理后，保温8～8.25小时；
步骤十二：按照50～60℃/h的冷却速度随炉冷却至610～630℃，保温8～8.25小时后，进行空气冷却至常温。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺，其中钎焊定位装置结合斯特林机加热头部件的结构特点设置了回热腔定位组件、活塞腔定位组件、支撑板和定位夹板，结构针对性强、定位准确，能够避免现有斯特林机加热头部件在钎焊过程中易发生定位失效，导致钎焊件偏置以及钎料分布不均匀，从而直接影响钎焊工艺的效果、降低钎焊强度的问题；所述真空钎焊工艺设置钎焊温度在980℃，并且合理控制扩散处理、固溶处理和时效处理温度，克服了现有真空钎焊工艺易出现焊缝断续、虚焊、溶蚀、泄漏的焊接缺点，同时避免了现有真空钎焊工艺后处理过程中的二次处理对焊缝的影响，保证了钎焊质量；同时控制加热管底端与焊接孔底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙，避免了由于设置的钎焊接头间隙过小，影响了钎料的渗入与湿润，达不到全部焊合；设置的钎焊接头间隙太大，浪费钎料且降低了钎焊接头强度的问题，本发明定位准确、钎焊强度高、钎焊效果好、钎焊质量高、从而保证了斯特林机加热头部件的热稳定性和热强度，有效避免了加热头焊接后在高温高压环境下工作时发生泄漏的问题。
附图说明
图1是斯特林机加热头部件的结构示意图；
图2是本发明所述钎焊定位装置的结构示意图；
图3是本发明装有斯特林机加热头部件的钎焊定位装置的结构示意图；
图4是本发明所述真空钎焊工艺后加热管与回热腔以及活塞腔的焊接接头结构示意图。
图中：1、回热腔，2、活塞腔，3、加热管，4、定位销，5、横向凹槽，6、夹紧孔，7、定位孔，8、夹板体Ⅰ，9、夹板体Ⅱ，10、连接孔，11、固定柱Ⅱ，12、定位柱Ⅱ，13、环状凸台Ⅱ，14、圆筒Ⅱ，15、固定柱Ⅰ，16、支撑板，17、定位柱Ⅰ，18、环状凸台Ⅰ，19、圆筒Ⅰ，20、定位底板，21、焊接孔，22、沉孔，23、通孔。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，包括：定位底板20、分别设置在定位底板20两端的回热腔定位组件和活塞腔定位组件、位于回热腔定位组件和活塞腔定位组件之间的支撑板16、分别设置在活塞腔定位组件两端的固定柱Ⅰ15和固定柱Ⅱ11、两端分别连接固定柱Ⅰ15和固定柱Ⅱ11的由夹板体Ⅰ8和夹板体Ⅱ9构成的定位夹板；所述回热腔定位组件包括定位座Ⅰ和定位柱Ⅰ17；所述定位座Ⅰ具有内径与回热腔1下部外径相配合的环状凸台Ⅰ18和顶端连接环状凸台Ⅰ18，底端连接定位底板20的圆筒Ⅰ19；所述定位柱Ⅰ17下部置于定位座Ⅰ内，该定位柱Ⅰ17下部外径与回热腔1下部内径相配合；所述定位柱Ⅰ17顶端设有多个与回热腔1顶端具有的多个用于连接加热管3的焊接孔21位置一一对应的定位销4；所述支撑板16上设有多条与加热管3外径相配合的横向凹槽5；所述活塞腔定位组件包括定位座Ⅱ和定位柱Ⅱ12；所述定位座Ⅱ具有内径与活塞腔2下部外径相配合的环状凸台Ⅱ13和顶端连接环状凸台Ⅱ13，底端连接定位底板20的圆筒Ⅱ14；所述定位柱Ⅱ12下部置于定位座Ⅱ内，该定位柱Ⅱ12下部外径与活塞腔2下部内径相配合；所述定位夹板两端分别设有与固定柱Ⅰ15和固定柱Ⅱ11上部外径相配合的夹紧孔6；所述定位夹板中心设有多个与活塞腔2顶端具有的多个用于连接加热管3的焊接孔21位置一一对应、大小相同的定位孔7；进一步地，所述环状凸台Ⅰ18上设有与回热腔1下部具有的安装孔位置对应的固定孔；所述环状凸台Ⅱ13上设有与活塞腔2下部具有的安装孔位置对应的固定孔；所述夹板体Ⅰ8和夹板体Ⅱ9上设有通过螺栓把合的横向的连接孔10；所述定位孔7由夹板体Ⅰ8和夹板体Ⅱ9上分别设有的位置对应的半圆形定位槽构成；所述夹紧孔6由夹板体Ⅰ8和夹板体Ⅱ9上分别设有的位置对应的半圆形夹紧槽构成；所述定位销4的销柱直径与加热管3外径相同，销头直径与加热管3内径相同。
一种斯特林机加热头部件的真空钎焊工艺，包括如下步骤：
步骤一：将斯特林机加热头部件的回热腔1、活塞腔2分别安装到钎焊定位装置的回热腔定位组件和活塞腔定位组件上并通过螺栓固定；
步骤二：将多个加热管3一端依次分别插入到回热腔1顶端具有的多个焊接孔21中同时将定位销4的销头分别插入到每个加热管3中，并保持加热管3底端与焊接孔21底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤三：松开定位夹板两端的螺栓，将多个加热管3另一端依次分别通过钎焊定位装置的定位夹板上具有的多个定位孔7后插入到活塞腔2顶端具有的多个焊接孔21中，然后拧紧定位夹板两端的螺栓将加热管3定位并保持加热管3底端与焊接孔21底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤四：将多个加热管3依次放置到钎焊定位装置的支撑板16上设有的多条横向凹槽5中，采用氩弧焊对回热腔1顶端具有的多个焊接孔21中插入的多个加热管3进行点焊定位；
步骤五：将斯特林机加热头部件的回热腔1和活塞腔2顶端分别具有的多个焊接孔21的沉孔22处装入焊料；
步骤六：将经过如上步骤处理的装有斯特林机加热头组件的钎焊定位装置进行抽真空，当真空度达到4*10-2Pa后进行升温；
步骤七：当温度升至500～550℃时，保温15分钟，同时保持真空度维持在4*10-2Pa；
步骤八：继续升温，当温度升至钎焊温度980℃时，保温80分钟；
步骤九：在20分钟内将温度升至1120℃，再在20分钟内将温度降至扩散温度1020℃，保温60分钟；
步骤十：将温度降至945～965℃，对斯特林机加热头部件进行固溶处理后，保温1～1.25小时，之后按照50℃/h的冷却速度进行随炉冷却；
步骤十一：当温度降至710～730℃，对斯特林机加热头部件进行时效处理后，保温8～8.25小时；
步骤十二：按照50～60℃/h的冷却速度随炉冷却至610～630℃，保温8～8.25小时后，进行空气冷却至常温。
如图2和如图3所示，其中回热腔定位组件的定位柱Ⅰ顶端设有的定位销用于确定加热管的高度和位置；定位座Ⅰ用于固定回热腔；由夹板体Ⅰ和夹板体Ⅱ构成的定位夹板用于确定加热管位置；定位柱Ⅱ用于确定活塞腔径向位置；支撑板用于对加热管起支撑作用；经过本发明所述真空钎焊工艺后加热管与回热腔以及活塞腔的焊接接头如图4所示，该接头在上部沉孔处形成用于盛装焊料的焊料室；下部通孔底端与加热管底端设置有均匀间隙0.03～0.05mm；同时上部沉孔的高度约占下部通孔高度的1/4；本发明所使用的钎料为BNi-2，钎焊温度为980℃。
本发明提供的斯特林机加热头部件的钎焊定位装置及真空钎焊工艺，其中钎焊定位装置结合斯特林机加热头部件的结构特点设置了回热腔定位组件、活塞腔定位组件、支撑板和定位夹板，结构针对性强、定位准确，能够避免现有斯特林机加热头部件在钎焊过程中易发生定位失效，导致钎焊件偏置以及钎料分布不均匀，从而直接影响钎焊工艺的效果、降低钎焊强度的问题；所述真空钎焊工艺设置钎焊温度在980℃，并且合理控制扩散处理、固溶处理和时效处理温度，克服了现有真空钎焊工艺易出现焊缝断续、虚焊、溶蚀、泄漏的焊接缺点，同时避免了现有真空钎焊工艺后处理过程中的二次处理对焊缝的影响，保证了钎焊质量；同时控制加热管底端与焊接孔底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙，避免了由于设置的钎焊接头间隙过小，影响了钎料的渗入与湿润，达不到全部焊合；设置的钎焊接头间隙太大，浪费钎料且降低了钎焊接头强度的问题，本发明定位准确、钎焊强度高、钎焊效果好、钎焊质量高、从而保证了斯特林机加热头部件的热稳定性和热强度，有效避免了加热头焊接后在高温高压环境下工作时发生泄漏的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于包括：定位底板(20)、分别设置在定位底板(20)两端的回热腔定位组件和活塞腔定位组件、位于回热腔定位组件和活塞腔定位组件之间的支撑板(16)、分别设置在活塞腔定位组件两端的固定柱Ⅰ(15)和固定柱Ⅱ(11)、两端分别连接固定柱Ⅰ(15)和固定柱Ⅱ(11)的由夹板体Ⅰ(8)和夹板体Ⅱ(9)构成的定位夹板；
所述回热腔定位组件包括定位座Ⅰ和定位柱Ⅰ(17)；所述定位座Ⅰ具有内径与回热腔(1)下部外径相配合的环状凸台Ⅰ(18)和顶端连接环状凸台Ⅰ(18)，底端连接定位底板(20)的圆筒Ⅰ(19)；所述定位柱Ⅰ(17)下部置于定位座Ⅰ内，该定位柱Ⅰ(17)下部外径与回热腔(1)下部内径相配合；所述定位柱Ⅰ(17)顶端设有多个与回热腔(1)顶端具有的多个用于连接加热管(3)的焊接孔(21)位置一一对应的定位销(4)；
所述支撑板(16)上设有多条与加热管(3)外径相配合的横向凹槽(5)；
所述活塞腔定位组件包括定位座Ⅱ和定位柱Ⅱ(12)；所述定位座Ⅱ具有内径与活塞腔(2)下部外径相配合的环状凸台Ⅱ(13)和顶端连接环状凸台Ⅱ(13)，底端连接定位底板(20)的圆筒Ⅱ(14)；所述定位柱Ⅱ(12)下部置于定位座Ⅱ内，该定位柱Ⅱ(12)下部外径与活塞腔(2)下部内径相配合；
所述定位夹板两端分别设有与固定柱Ⅰ(15)和固定柱Ⅱ(11)上部外径相配合的夹紧孔(6)；所述定位夹板中心设有多个与活塞腔(2)顶端具有的多个用于连接加热管(3)的焊接孔(21)位置一一对应、大小相同的定位孔(7)。
2.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述环状凸台Ⅰ(18)上设有与回热腔(1)下部具有的安装孔位置对应的固定孔。
3.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述环状凸台Ⅱ(13)上设有与活塞腔(2)下部具有的安装孔位置对应的固定孔。
4.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述夹板体Ⅰ(8)和夹板体Ⅱ(9)上设有通过螺栓把合的横向的连接孔(10)。
5.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述定位孔(7)由夹板体Ⅰ(8)和夹板体Ⅱ(9)上分别设有的位置对应的半圆形定位槽构成。
6.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述夹紧孔(6)由夹板体Ⅰ(8)和夹板体Ⅱ(9)上分别设有的位置对应的半圆形夹紧槽构成。
7.根据权利要求1所述的一种斯特林机加热头部件的钎焊定位装置，其特征在于所述定位销(4)的销柱直径与加热管(3)外径相同，销头直径与加热管(3)内径相同。
8.一种斯特林机加热头部件的真空钎焊工艺，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将斯特林机加热头部件的回热腔(1)、活塞腔(2)分别安装到钎焊定位装置的回热腔定位组件和活塞腔定位组件上并通过螺栓固定；
步骤二：将多个加热管(3)一端依次分别插入到回热腔(1)顶端具有的多个焊接孔(21)中同时将定位销(4)的销头分别插入到每个加热管(3)中，并保持加热管(3)底端与焊接孔(21)底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤三：松开定位夹板两端的螺栓，将多个加热管(3)另一端依次分别通过钎焊定位装置的定位夹板上具有的多个定位孔(7)后插入到活塞腔(2)顶端具有的多个焊接孔(21)中，然后拧紧定位夹板两端的螺栓将加热管(3)定位并保持加热管(3)底端与焊接孔(21)底端之间设置有0.03～0.05mm的均匀间隙；
步骤四：将多个加热管(3)依次放置到钎焊定位装置的支撑板(16)上设有的多条横向凹槽(5)中，采用氩弧焊对回热腔(1)顶端具有的多个焊接孔(21)中插入的多个加热管(3)进行点焊定位；
步骤五：将斯特林机加热头部件的回热腔(1)和活塞腔(2)顶端分别具有的多个焊接孔(21)的沉孔(22)处装入焊料；
步骤六：将经过如上步骤处理的装有斯特林机加热头组件的钎焊定位装置进行抽真空，当真空度达到4*10-2Pa后进行升温；
步骤七：当温度升至500～550℃时，保温15分钟，同时保持真空度维持在4*10-2Pa；
步骤八：继续升温，当温度升至钎焊温度980℃时，保温80分钟；
步骤九：在20分钟内将温度升至1120℃，再在20分钟内将温度降至扩散温度1020℃，保温60分钟；
步骤十：将温度降至945～965℃，对斯特林机加热头部件进行固溶处理后，保温1～1.25小时，之后按照50℃/h的冷却速度进行随炉冷却；
步骤十一：当温度降至710～730℃，对斯特林机加热头部件进行时效处理后，保温8～8.25小时；
步骤十二：按照50～60℃/h的冷却速度随炉冷却至610～630℃，保温8～8.25小时后，进行空气冷却至常温。
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