CN107225318A

CN107225318A - 金属套接部件的扩散焊接方法

Info

Publication number: CN107225318A
Application number: CN201710429862.XA
Authority: CN
Inventors: 孙宇辉; 王刚; 王庆祥
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2017-10-03

Abstract

本公开提供了金属套接部件的扩散焊接方法，包括：获得待焊接的金属外套和金属内套、胀芯，其中：金属内套的外侧面与金属外套的内侧面为相匹配的圆柱面，金属内套的内侧面呈第一锥形面；胀芯可放入金属内套内，其外侧面与金属内套的内侧面相匹配；进行金属外套、金属内套和胀芯的装配；在高温和真空条件下，向胀芯施加轴向的位移载荷，在第一锥形面和第二锥形面共同形成的接触面的作用下，胀芯将所受到的轴向位移转变为径向位移，将金属内套的外侧面与金属外套的内侧面压紧并将两者结合在一起，实现金属内套和金属外套的扩散焊接。本公开相较于钎焊方法，尺寸精度高，焊接质量与结合强度大大提高。

Description

金属套接部件的扩散焊接方法

技术领域

本公开涉及金属焊接领域，尤其涉及一种金属套接部件的扩散焊接方法。

背景技术

微波真空电子器件是指在真空或气体介质中，由于电子或离子在电极间的传输而产生信号的放大与转换效应的有源器件。微波真空电子器件经过多年的发展，已经成为了当代国防装备和国民经济各部门都在使用的一类最重要的电子学器件。在信息系统、通信系统和人民的日常生活中，真空电子器件也发挥着重要的作用。作为雷达、通信、电子对抗、电子干扰等领域的重要部分，实际的服役条件对真空电子器件的质量提出了极高的要求。

对于通常的电子器件的外壳体结构，传统上通常采用钎焊的方式进行不锈钢与无氧铜的焊接。但是由于电子器件中的外壳体结构通常处在高压电场、磁场中，可能会受到电子的轰击，工作温度高达数百摄氏度。此时，如果钎焊焊接质量差，将直接导致不锈钢与无氧铜在服役条件下变形、开裂，最终不能保证电子器件中的真空环境，对整体设备造成巨大的损伤。针对真空电子器件越来越小型化的发展趋势，钎焊的焊接方法焊缝宽度大，越来越难以满足整体器件的尺寸要求。同时，真空电子器件的精密结构要求不锈钢与无氧铜薄壁件之间的焊接成型方法具有相当高的尺寸精度。因此，改进不锈钢与无氧铜之间的焊接方法，对于满足真空电子器件的性能要求与使用要求有着重要的影响。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种金属套接部件的扩散焊接方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开金属套接部件的扩散焊接方法包括：

获得待焊接的金属外套和金属内套、胀芯，其中：

金属内套的材料不同于金属外套的材料，金属内套的外侧面与金属外套的内侧面为相匹配的圆柱面，金属内套的内侧面呈第一锥形面；

胀芯可放入金属内套内，其外侧面与金属内套的内侧面相匹配，呈与第一锥形面互补的第二锥形面；

进行金属外套、金属内套和胀芯的装配：将金属内套放入金属外套中，使金属外套与金属内套之间为滑动间隙配合；将胀芯放入金属内套中，使胀芯与金属内套压紧，两者配合无间隙；

将装配好的金属外套、金属内套和胀芯装入扩散焊炉；

在高温和真空条件下，向胀芯施加轴向的位移载荷，在第一锥形面和第二锥形面共同形成的接触面的作用下，胀芯将所受到的轴向位移转变为径向位移，将金属内套的外侧面与金属外套的内侧面压紧并将两者结合在一起，实现金属内套和金属外套的扩散焊接。

优选地，在本公开的一些实施例中，第一锥形面和第二锥形面的锥角 α介于1°～30°之间。

优选地，在本公开的一些实施例中，锥角α介于1°～5°之间。

优选地，在本公开的一些实施例中，进行金属外套、金属内套和胀芯的装配的步骤之前还包括：在金属外套和金属内套的待焊接面上形成中间过渡层。

优选地，在本公开的一些实施例中，中间过渡层的成分为镍或银，其厚度介于0.003-0.008mm之间。

优选地，在本公开的一些实施例中，形成中间过渡层的工艺为电镀或者化学镀。

优选地，在本公开的一些实施例中，进行金属外套、金属内套和胀芯的装配的步骤之前还包括：对金属外套和金属内套的待焊接面进行表面处理，使待焊接面无毛刺和划痕，表面光洁度Ra≤1.6μm；对胀芯的外侧面进行表面处理，表面处理使胀芯的外侧面无毛刺和划痕，表面光洁度 Ra≤1.6μm。

优选地，在本公开的一些实施例中，金属外套的材料为不锈钢；金属内套的材料为无氧铜。

优选地，在本公开的一些实施例中，胀芯的材料为不锈钢或耐热高强钢。

优选地，在本公开的一些实施例中，将装配好的金属外套、金属内套和胀芯装入扩散焊炉的步骤之后，对扩散焊炉进行抽真空操作，在达到预设真空度后，采用阶梯升温的方式对扩散焊炉进行升温；在高温和真空条件下，向胀芯施加轴向的位移载荷的步骤中：高温≥1000℃，真空度优于 10^-3Pa，分阶段向胀芯施加轴向的位移载荷。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开金属套接部件的扩散焊接方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用真空扩散焊接的方法进行金属内套与金属外套之间的焊接，相较于钎焊方法，尺寸精度高，两种金属材料之间结合更加紧密，焊接质量与结合强度大大提高；

(2)利用胀芯，采用锥形面将轴向的位移转化为金属内套的径向位移，完成金属内套与金属外套的扩散焊接，形成了可靠的结合强度高的焊缝；

(3)不使用钎料，利用两种不同材料间原子在高温和压力下的扩散作用完成薄壁件的圆周方向焊接，获得符合要求的焊缝。

附图说明

图1为本公开实施例不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法的流程图。

图2为图1所示不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法在放入扩散焊炉前，装配好的金属外套、金属内套和胀芯的示意图。

图3为图1所示不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法中扩散焊炉阶梯升温的示意图。

【本公开实施例附图主要元件符号说明】

1-不锈钢外套；2-不锈钢胀芯；3-无氧铜内套。

具体实施方式

本公开提供一种金属套接部件的扩散焊接方法，该方法能有效的实现两种不同材料的金属内套和金属外套之间的扩散焊接过程，获得具有良好焊接结合强度的薄壁壳体组件。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法。图1为本公开实施例不锈钢与无氧铜真空扩散焊接的方法的结构示意图。如图1所示，本实施例不锈钢与无氧铜真空扩散焊接的方法包括：

步骤A：获得金属外套，其内侧面呈圆柱面；

本实施例中，金属外套的材料为不锈钢，其材料牌号为：1Cr18Ni9Ti。本领域技术人员应当知晓，除了不锈钢材料之外，还可以采用其他材料制备外套，同样可以应用本发明。

步骤B：获得金属内套，金属内套的材料不同于金属外套的材料，金属内套的外侧面与金属外套的内侧面为相匹配的圆柱面，金属内套的内侧面呈第一锥形面；

本实施例中，金属内套的材料为无氧铜，其材料牌号为：TU1。无氧铜内套可以自行加工而成，也可以通过采购获得。

步骤C：获得可放入金属内套内，外侧面呈第二锥形面的胀芯，该第二锥形面与第一锥形面互补；

在本实施例中，胀芯的材料为耐热不锈钢，材料牌号为Cr25Ni18。本领域技术人员应当知晓，除了耐热不锈钢之外，还可以采用耐热高强钢或其他满足强度要求的金属或非金属材料制备。

请参照图2，本实施例中，第一锥形面和第二锥形面互补，两者的锥角α可以根据需要进行选择，介于1°～30°之间，优选地介于1°～10°之间，更优选地介于1°～5°之间。

在这种情况下，胀芯可以插入内套中，两者之间锥形面可以良好匹配，装配后两者之间无间隙。

步骤D：对金属外套和金属内套的待焊接面进行表面处理，去除表面毛刺和划痕，令待焊接面的表面光洁度Ra≤1.6μm；

需要说明的是，此处的待焊接面的表面处理，以及后续的形成中间过渡层、胀芯的表面处理和去油处理，可以自行进行，也可以购买已经经过相应处理的成品，只要在焊接之前，相应的零件符合要求即可。

步骤E：在金属外套和金属内套的待焊接面形成中间过渡层；

本实施例中，在不锈钢外套和无氧铜内套上的中间过渡层为镍层，其厚度介于0.003-0.008mm之间。

本领域技术人员应当清楚，中间过渡层中的活化元素有利于不锈钢外套和无氧铜内套的紧密结合。除了镍之外，还可以采用银等成分来制备中间过渡层来辅助焊接，制备方式可以是电镀或者化学镀。

步骤F：对胀芯的外侧面(与金属内套相接触的面)进行表面处理；

在表面处理中，需要去除表面毛刺和划痕，令其与内侧金属内套接触的外侧面的表面光洁度Ra≤1.6μm。在表面处理中还可以包括除油处理。

步骤G：进行金属外套、金属内套和胀芯的装配；

图2为图1所示不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法在放入扩散焊炉前，装配好的金属外套、金属内套和胀芯的示意图。如图2所示，将无氧铜内套3放入不锈钢外套1中，使不锈钢外套1与无氧铜内套3之间为滑动间隙配合；将不锈钢胀芯2放入无氧铜内套3中，不锈钢胀芯2与无氧铜内套3之间的接触面滑动配合无间隙。

步骤H：将装配好的金属外套、金属内套和胀芯装入扩散焊炉，对扩散焊炉抽真空并升高温度；

对扩散焊炉进行抽真空操作，预设的真空度要求为≤10^-3Pa。在真空度达到≤10^-3Pa后，真空状态一直保持到保温阶段结束。扩散焊接阶段所需的温度为≥800℃。并且，在升温阶段，优选采用阶梯升温的方法。

图3为图1所示不锈钢与无氧铜的真空扩散焊接方法中扩散焊炉阶梯升温的示意图。如图3所示，本实施例中，在抽真空阶段完成后，首先通过20分钟的加热过程，将组件加热至350℃，保温60分钟；然后通过60 分钟的加热，将组件加热至800℃，保温60分钟；最后通过90分钟的加热，将组件加热至1000℃，保温140分钟，然后进入冷却过程。在保温 1000℃下，执行步骤I，完成扩散焊。

步骤I：向胀芯施加轴向的位移载荷，在第一锥形面和第二锥形面共同形成的接触面的作用下，胀芯将所受到的轴向位移转变为径向位移，将金属内套的外侧面与金属外套的内侧面压紧并将两者结合在一起，实现金属内套和金属外套的扩散焊接；

本步骤中，在下压的过程中，当位移量达到要求时，停止加压，并降温到室温，扩散焊接完成；

需要特别说明的是，在不锈钢胀芯下压过程中，温度是保持在1000℃，真空度是为≤10^-3Pa。并且，在降温至室温的过程中，真空度始终是满足 ≤10^-3Pa。

本步骤中，将不锈钢胀芯的轴向位移变为无氧铜内套与不锈钢外套的径向位移，完成无氧铜内套与不锈钢外套焊接，通过对轴向位移的精确控制，完成对径向扩散焊位移的精确控制，完成径向的扩散焊。

对于真空电子器件而言，本实施例真空扩散焊接的优点在于：(1)相比于钎焊方法通过钎料将焊件连接起来，扩散焊接形成了互相扩散的原子层，属于原子级别的紧密结合，结合强度更高，结合效果更好；(2)扩散焊接的焊接接头质量比钎焊更好，在应对强磁场，高温度，对抗电子轰击的服役条件时能保持更长时间的寿命，失效时间大大延后；(3)扩散焊接的焊缝宽度小，对于整体器件的尺寸精度控制带来了极大的便利；(4)在真空压力扩散焊接的过程中，采用轴向的位移载荷加载，将两薄壁件通过扩散焊接在一起。

步骤J：将插入无氧铜内套的不锈钢胀芯取出，将焊接后的不锈钢外套和无氧铜内套进行机械加工，最终获得符合尺寸要求的组件。

由于在扩散焊接后，不锈钢外套和无氧铜内套的尺寸留有余量，可以对其进行二次加工至所需尺寸。

本公开焊接过程中不使用钎料，利用两种不同材料间原子在高温和压力下的扩散作用完成薄壁件的圆周方向焊接，获得符合要求的焊缝。

以下介绍一应用上述实施例的具体实例；

(1)将1Cr18Ni8Ti不锈钢材料加工至具有外径、内径、高44.8mm的圆筒型的不锈钢外套，将Cr25Ni18不锈钢材料加工至一端为、锥角为3.2°、高度为54mm的圆锥形胀芯，将 TU1无氧铜加工至外径、内径与圆锥形胀芯匹配的无氧铜内套。

(2)将不锈钢外套化学镀，无氧铜内套化学镀，圆锥形胀芯除油清洗。不锈钢外套与无氧铜内套采用化学镀的方法在表面镀镍，镍层的厚度介于0.003-0.008mm之间。

(3)将装配好的组件装入扩散焊设备，对组件周围抽真空至小于 10^-3Pa，并升高温度，升温阶段采用阶梯升温的方法，圆锥形胀芯分阶段施加轴向位移载荷，将无氧铜内套与不锈钢外套压紧，下压阶段完成后，组件降温至室温，完成扩散焊过程。

(4)组件冷却取出后，将插入无氧铜内套的不锈钢胀芯取出，对焊接后的不锈钢外套和无氧铜内套进行机械加工，最终获得符合最终尺寸要求的组件。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如，除了不锈钢之外，还其他材料的金属外套；除了无氧铜之外，其他材料的金属内套，均可以应用于本公开。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开不锈钢与无氧铜真空扩散焊接的方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开采用真空扩散焊接的方式实现不锈钢与无氧铜的有效结合。扩散焊接时通过将焊件材料的表面互相接触并保持紧密贴合，对焊件施加一定的温度载荷和压力载荷，通过对材料接触表面的微塑性变形，使不同焊件之间表面的原子发生扩散，形成可靠连接，并完成整个焊接过程，具有焊接质量好的优点，在真空电子器件的焊接方面有良好的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“正”、“倒”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中 ±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个方面中的一个或多个，在上面对示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种金属套接部件的扩散焊接方法，包括：

获得待焊接的金属外套和金属内套、胀芯，其中：

胀芯可放入金属内套内，其外侧面与所述金属内套的内侧面相匹配，呈与所述第一锥形面互补的第二锥形面；

将装配好的金属外套、金属内套和胀芯装入扩散焊炉；

2.根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其中，第一锥形面和第二锥形面的锥角α介于1°～30°之间。

3.根据权利要求2所述的扩散焊接方法，其中，所述锥角α介于1°～5°之间。

4.根据权利要求1所述的扩散焊接方法，所述进行金属外套、金属内套和胀芯的装配的步骤之前还包括：

在金属外套和金属内套的待焊接面上形成中间过渡层。

5.根据权利要求4所述的扩散焊接方法，所述中间过渡层的成分为镍或银，其厚度介于0.003-0.008mm之间。

6.根据权利要求5所述的扩散焊接方法，形成中间过渡层的工艺为电镀或者化学镀。

7.根据权利要求1所述的扩散焊接方法，其中，所述进行金属外套、金属内套和胀芯的装配的步骤之前还包括：

对金属外套和金属内套的待焊接面进行表面处理，使待焊接面无毛刺和划痕，表面光洁度Ra≤1.6μm；

对胀芯的外侧面进行表面处理，所述表面处理使胀芯的外侧面无毛刺和划痕，表面光洁度Ra≤1.6μm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的扩散焊接方法，其中：所述金属外套的材料为耐热不锈钢；所述金属内套的材料为无氧铜。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的扩散焊接方法，其中，所述胀芯的材料为不锈钢或耐热高强钢。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的扩散焊接方法，其中，

所述将装配好的金属外套、金属内套和胀芯装入扩散焊炉的步骤之后，对扩散焊炉进行抽真空操作，在达到预设真空度后，采用阶梯升温的方式对扩散焊炉进行升温；

所述在高温和真空条件下，向胀芯施加轴向的位移载荷的步骤中：所述高温≥1000℃，所述真空度优于10^-3Pa，分阶段向胀芯施加轴向的位移载荷。