CN103537789A - 拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法 - Google Patents

拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法 Download PDF

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    • F02K1/822—Heat insulating structures or liners, cooling arrangements, e.g. post combustion liners; Infra-red radiation suppressors

Abstract

本发明涉及一种拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，属于焊接领域，其括以下步骤：（1）下料；（2）机加工成型，焊接部位粗糙度≤1.6μm;（3）化学除油及表面氧化物；（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；（5）组装；（6）放电等离子扩散焊；（7）精车。优点是：解决了拉瓦尔管组件放电等离子扩散焊的工艺问题，对扩散焊拉瓦尔管组件在航天器的推广应用起了积极作用。焊合率合格，接头强度与基体材料相同；构件变形小，尺寸精度高，能够满足产品设计要求；无环境污染，易于自动化。

Description

拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法
技术领域
本发明涉及一种拉瓦尔管的制造方法，特别是一种飞行器用的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法。
背景技术
拉瓦尔管又称喷管或缩放管，具有一定形状的收缩-扩张的内腔，流经拉瓦尔管的高压气体经过收缩再扩张后将形成稳定的层流，流速可达超音速。一般小直径的拉瓦尔管可采用整体加工成型，而对于飞行器所用的大直径拉瓦尔管，由于工作温度高、直径大，需要在拉瓦尔管的内表面敷设一层具有轴向水槽4的铜质水冷套3（如图1、2所示）。
目前，上述拉瓦尔管的制造方法，主要采用三种方式：一是在具有水槽4的水冷套3的外壁上通过电铸方式生成拉瓦尔管基体，该方法生产周期长，且电铸出的外壁为铸造组织，强度、塑性和疲劳性较差。二是采用图1、2的结构，所述拉瓦尔管基体由不锈钢制造的外管1和凸型管2焊接构成，或用不锈钢整体机加工成型。通过真空钎焊、电子束焊等方法将事先加工好的外管1、凸型管2和水冷套3进行焊接，这种焊接方法制造出来的拉瓦尔管的内外壁之间的焊接强度较低，焊合率较差，钎焊方法还容易使水槽4发生堵塞。三是采用扩散焊，在真空条件下对焊接面施加扩散焊接压力和温度，从而实现接合面间的贴合焊接，此种方法对焊件待焊表面的制备要求高，为了使界面两侧焊件实行原子间的相互扩散，需要进行精细的表面加工及清理，焊接周期较长，需要长时间保温保压才能达到较高的焊合率，且变形量不易控制，容易导致拉瓦尔管直径方向变形较大。
由此可见，上述现有的飞行器用的拉瓦尔管的制造方法，显然仍存在有不足，而亟待加以进一步改进。但长久以来一直未见适用的方法被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种高效、优质的加工方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有拉瓦尔管制造方法的不足，而提供一种新的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，所要解决的技术问题是提供一种生产效率高、产品质量好，能满足使用要求的加工方法。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其中包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管的外管、凸型管及水冷套；
（2）机加工成型，外管、凸型管、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套按图3加工；外管的内径与凸型管的外径为热压过盈配合；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，
（5-1）在真空条件下加热外管至600℃，将凸型管压入外管内；
（5-2）将水冷套插入热压后的外管凸型管内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
本发明还提出另一种上述拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其中包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套按图3加工；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入外管拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
本发明还提出又一种上述拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其中包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套的外壁加工成光滑表面；拉瓦尔管的内壁加工轴向水槽；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容：
前述的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其中所述扩散焊接部位精车的加工参数为主轴转速：500-1800r/min，刀具进给量：150-200mm/min，加工裕量：0.2-0.5mm。
前述的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其中步骤（3）所述化学除油及表面氧化物包括下列分步骤：
（3-1）化学除油，Na3PO4·12H2O:45-60g/l,Na2CO3·10H2O:40-50g/l,Na2SiO3:20-35g/l,水余量，溶液温度60-90℃，除油时间15-20min;
（3-2）碱洗,NaOH:500-700g/l,NaNO2:150-250g/l，水余量，溶液温度130-145℃，碱洗时间20-120min;
（3-3）酸洗HNO3：65%-68%，HF：30%，水余量，溶液温度18-45℃，酸洗时间1-5min；
（3-4）水洗，采用去离子水清洗，温度30-60℃，保证有充分的水流入清洗槽，在最后的清洗阶段采用冲洗。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
1、解决了拉瓦尔管组件放电等离子扩散焊的工艺问题，对扩散焊拉瓦尔管组件在航天器的推广应用起了积极作用。
2、经金相试片和超声无损探伤检查，扩散焊合率合格，界面不存在铸造组织和近缝区，接头焊缝界面完全消失，接头强度与基体材料相同。
3、构件变形小，尺寸精度高，能够满足产品设计要求。
4、无环境污染，易于自动化。
综上所述，本发明的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法具有上述诸多优点及实用价值，其不论在加工方法、结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的加工方法具有增进的突出多项功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1是本发明拉瓦尔管的组合结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明拉瓦尔管中的水冷套装配前的结构剖视图。
图4是本发明拉瓦尔管组件放电等离子扩散焊的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的拉瓦尔管放电等离子扩散焊其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例一
请参阅图1、图2、图3、图4所示，本发明较佳实施例的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其主要包含以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管的外管1、凸型管2及水冷套3；
（2）机加工成型，外管1、凸型管2、水冷套3及水冷套外壁上的水槽4采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套3按图3加工；外管1的内径与凸型管2的外径为热压过盈配合；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，
（5-1）在真空条件下加热外管1至600℃，将凸型管2压入外管1内；
（5-2）将水冷套3插入热压后的外管与凸型管内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于所述拉瓦尔管中的外管1和凸型管2合并为一件，用机加工一体成型，省去外管1和凸型管2之间的装配及焊接。其加工包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套按图3加工；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入外管拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
实施例三
本发明还提出又一种上述拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，本实施例与实施例一或二的区别在于，将设于水冷套3外表面上的水冷槽4改为设于拉瓦尔管基体内孔壁上，优点是水冷套3在扩口时变形均匀，缺点是内孔加工水冷槽比在外表面加工难度大。本实施例包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套的外壁加工成光滑表面；拉瓦尔管的内壁加工轴向水槽；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
前述三种实施例中，所述扩散焊接部位精车的加工参数为主轴转速：500-1800r/min，刀具进给量：150-200mm/min，加工裕量：0.2-0.5mm。
步骤（3）所述化学除油及表面氧化物包括下列分步骤：
（3-1）化学除油，Na3PO4·12H2O:45-60g/l,Na2CO3·10H2O:40-50g/l,Na2SiO3:20-35g/l,水余量，溶液温度60-90℃，除油时间15-20min;
（3-2）碱洗,NaOH:500-700g/l,NaNO2:150-250g/l，水余量，溶液温度130-145℃，碱洗时间20-120min;
（3-3）酸洗HNO3：65%-68%，HF：30%，水余量，溶液温度18-45℃，酸洗时间1-5min；
（3-4）水洗，采用去离子水清洗，温度30-60℃，保证有充分的水流入清洗槽，在最后的清洗阶段采用冲洗。
如图4所示，所述胀瓣式工装包括多个沿圆周分布的胀瓣5、设于多个胀瓣5所形成的上下中心锥孔中的上锥形压头6及下锥形压头7。所述上锥形压头6及下锥形压头7连接直流脉冲电源的一极，拉瓦尔管的外管1连接电源的另一极，当真空室升温至放电等离子扩散焊温度905-925℃时，控制直流脉冲电源给电，通过界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接。由压头流出的直流脉冲电流，分成几个流向，流经被焊界面的脉冲电流，产生大量焦耳热，由于初期连接界面为局部点接触，具有较大接触电阻，产生火花放电，残留的气体分子被电离，产生的离子和电子分别向阴极和阳极运动，在界面之间形成放电等离子，随着等离子体密度不断增大，高速反向运动的粒子流对焊接界面产生较大冲击力，使其吸附的气体逸散或氧化膜破碎，从而表面得到净化和活化，有利于扩散焊接。在脉冲电场作用下，接触部位同时产生焦耳热，瞬间形成的高温场使界面发生局部熔化，在焊接压力的作用下，熔化部位相结合，局部热量的快速散失使界面部位凝固形成焊接接头，扩散焊保温时间过后撤除预压压力，降温至50℃将拉瓦尔管组件取出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管的外管、凸型管及水冷套；
（2）机加工成型，外管、凸型管、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套按图3加工；外管的内径与凸型管的外径为热压过盈配合；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，
（5-1）在真空条件下加热外管至600℃，将凸型管压入外管内；
（5-2）将水冷套插入热压后的外管凸型管内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值50-100A/mm-2,平均值15-30A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
2.根据权利要求1所述的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其特征在于步骤（2）机加工成型中，所述扩散焊接部位精车的加工参数为主轴转速：500-1800r/min，刀具进给量：150-200mm/min，加工裕量：0.2-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其特征在于步骤（3）所述化学除油及表面氧化物包括下列分步骤：
（3-1）化学除油，Na3PO4·12H2O:45-60g/l,Na2CO3·10H2O:40-50g/l,Na2SiO3:20-35g/l,水余量，溶液温度60-90℃，除油时间15-20min;
（3-2）碱洗,NaOH:500-700g/l,NaNO2:150-250g/l，水余量，溶液温度130-145℃，碱洗时间20-120min;
（3-3）酸洗HNO3：65%-68%，HF：30%，水余量，溶液温度18-45℃，酸洗时间1-5min；
（3-4）水洗，采用去离子水清洗，温度30-60℃，保证有充分的水流入清洗槽，在最后的清洗阶段采用冲洗。
4.一种拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套按图3加工；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入外管拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
5.一种拉瓦尔管放电等离子扩散焊制造方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）下料，按工艺要求的毛坯材料及尺寸，下料拉瓦尔管基体及水冷套；
（2）机加工成型，拉瓦尔管基体、水冷套采用机加成型，并精车需要扩散焊接的部位至粗糙度≤1.6μm;其中水冷套的外壁加工成光滑表面；拉瓦尔管的内壁加工轴向水槽；
（3）化学除油及表面氧化物；
（4）干燥，在有鼓风机的烘干箱内烘干；
（5）组装，将水冷套插入拉瓦尔管基体内，并扩口；
（6）放电等离子扩散焊，将装配好的拉瓦尔管组件及胀瓣式工装放置于放电等离子扩散焊炉的真空室内，工装预压压力0.5-0.8MPa，抽真空至真空度1.33×10-3Pa以上，开始升温至905-925℃，通过压头提供界面加热的直流脉冲电流，对拉瓦尔管组件进行焊接,直流脉冲电流的脉宽比12:2,总放电时间20S,峰值10-20A/mm-2,平均值1-3A/mm-2,电压10-20V,峰值保温时间1-5min；保温时间过后撤除预压压力，在速度≤50℃/h进行降温，降温过程中真空度保持在6×10-3Pa以下，至50℃将拉瓦尔管组件取出；
（7）精车，按UG编程精车整个拉瓦尔管组件的外形尺寸到产品设计要求。
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