CN108145267A - 用于高空飞行器自动灭火装置保护阀高频感应钎焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料焊接领域，涉及一种用于高空飞行器自动灭火装置保护阀结构的高频感应加热钎焊方法，尤其涉及一种紫铜环和不锈钢环中间夹厚度0.5mm不锈钢箔层的高频感应钎焊方法。选用BAg56CuNi和BNi‑7两种钎料，焊前将被连接面进行清理，将两种钎料箔片分别置于紫铜环/不锈钢箔层和不锈钢箔层/不锈钢环中间，装配并确保环形结构同心度，然后放入高频感应加热线圈中。焊接工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为40～65％，加热通电时间5～20s，感应加热最高温度控制在930℃。该发明具有工艺简单、成本较低、便于推广等优点，可以实现高空飞行器自动灭火装置的保护阀结构的有效连接，获得无裂纹、钎料铺展均匀、外形美观及符合使用强度要求的焊接结构。

Description

用于高空飞行器自动灭火装置保护阀高频感应钎焊方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，涉及一种用于高空飞行器自动灭火装置保护阀结构的高频感应钎焊方法，尤其涉及一种紫铜环和不锈钢环中间夹厚度0.5mm不锈钢箔层的高频感应加热钎焊方法。
背景技术
由同尺寸的紫铜环和不锈钢环结构中间夹0.5mm厚不锈钢箔层结构，被用于高空飞行器自动灭火装置的端部保护阀，其作用是在飞行器出现故障进而引起火灾的情况下，当机舱压力达到自动灭火装置保护阀设定极限压力情况下(20MPa±3MPa)，使0.5mm不锈钢箔层失效破裂，进而实现自动灭火过程。该保护阀结构主要由厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的紫铜和1Cr18Ni9Ti不锈钢环形结构，通过中间夹直径15.5mm、厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层组成。要达到上述结构的有效连接，首先需要解决以下几个方面问题：适用于铜/钢/钢多层异种和同种材料的一次焊接成形技术、避免箔层金属在熔焊过程中被烧穿以及获得自动灭火装置设定极限压力等。目前可实现上述结构的有效连接方法包括钎焊、激光焊、扩散焊及高频和中频感应钎焊等，其中钎焊及扩散焊由于焊接时间长且无法保证所添加钎料均匀铺展或压力加载的均匀性问题限制了其使用；而激光焊接具有快速、能量集中等特点，但由于中间箔层结构太薄，极易在焊接过程中被烧穿，也不适合该结构的焊接。
高频感应加热钎焊方法是一种快速、能量集中的高效连接方法，焊接时依据高频电流的流向制成环形状的感应线圈，在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将被加热金属工件放置在线圈内，磁束贯通被加热金属工件，在内部与加热电流相反方向产生涡流电流，在“集肤效应”作用下使工件表面温度迅速上升，热量被局限在感应线圈较窄区域内，实现钎料熔化并获得有效连接接头。当停止加热时，由于金属导热速度快，钎缝金属温度迅速降低，周围空气对焊缝处熔化钎料表面的氧化作用有限，因此可获得强度性能较高的多层钎焊结构。此外，紫铜熔点约为1083℃，不锈钢熔点约为1500℃。因此选择恰当的钎焊材料对于获得高质量的钎焊接头也十分重要，同时鉴于高频感应钎焊过程快速、导热速度快等特点，可以选用钎焊温度较高的钎焊材料。
发明内容
本发明是为了解决现有技术在高空飞行器的自动灭火装置的保护阀结构的焊接过程中易出现箔层烧穿、钎料铺展不均匀及耐压性能差等问题，通过采用高频感应加热技术，添加不同功能的钎料，提供了一种能量集中、快速、高效及较低成本的焊接工艺方法，实现高空飞行器用灭火器装置保护阀紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环的有效连接，获得优良的焊接结构。
本发明提出一种用于高空飞行器自动灭火装置保护阀的高频感应钎焊方法方法，包括以下步骤来实现：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)焊前将被连接紫铜环、不锈钢环及不锈钢箔层直接连接面进行清理；
(3)将制备的两种钎料箔片分别置于紫铜环/不锈钢箔层和不锈钢箔层/不锈钢环中间，然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置的感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为40～65％，加热通电时间5～20s，感应加热最高温度控制在930℃。
步骤(1)中，BAg56CuNi钎料厚度为0.15mm，化学成分为Ag 55.0～57.0％，Cu 41.0～43.0％，Cd 0.01％，Si 0.05％，Ni 1.5～2.5％；BNi-7钎料厚度为0.18mm，化学成分为Cr13.0～15.0％，B 0.01％，Si 0.10％，Fe 0.2％，C0.06％，P 9.7～10.5％，Ni余量。BAg56CuNi钎料的钎焊温度为930～1095℃，BNi-7钎料的钎焊温度为927～1093℃；且该工艺中不需要采用钎剂。
步骤(2)中，焊前清理指清除紫铜、1Cr18Ni9Ti不锈钢环形结构及1Cr18Ni9Ti箔层被连接表面的油污和氧化膜，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域，即环形钎焊区(见图1)。紫铜环、不锈钢环及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
步骤(3)中，两种制备好的钎料箔片装配要求如下：将BAg56CuNi钎料置于紫铜环与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层与1Cr18Ni9Ti不锈钢环之间；且必需保证两钎料环与紫铜环和1Cr18Ni9Ti不锈钢环精确贴合，不出现错位现象；多层结构固定及装配均采用现有技术，但需要保证确保紫铜和不锈钢环形结构同心度，不产生偏心现象；高频感应加热装置中感应线圈结构外径为18～20mm，以确保加热过程有效热量能集中作用于被连接区域。
所述步骤(4)，高频感应功率比是通过控制系统调节设备实际输出功率，达到有效控制被连接金属表面的感应加热深度，进而控制其连接强度；加热通电时间是指感应发生器稳定输出功率开始后的时间，也是被连接结构有效连接时间。
采用本发明提出的用于高空飞行器自动灭火装置保护阀的高频感应加热钎焊方法，可以实现该结构的有效连接，获得无裂纹、钎料铺展均均匀、外形美观及符合实际使用强度要求的焊接结构。本发明提出的采用不同钎料的高频感应加热钎焊连接方法具有工艺简单、成本较低、便于推广等优点，能够满足高空飞行器自动灭火装置保护阀的连接接头质量及使用强度的要求。
附图说明
图1为本发明多个实施例示意图之一；
图2为本发明多个实施例示意图之二；
图中符号说明
1.1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层；2.紫铜环；3.1Cr18Ni9Ti不锈钢环；4.环形钎焊区；R1＝12.3mm；R2＝15.5mm。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例对本发明作进一步的说明
实施例1
本实施例是以厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和紫铜环及厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层为被焊工件，选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片，利用高频感应加热方法实现钎焊连接。
具体的紫铜环/1Cr18Ni9Ti不锈钢/1Cr18Ni9Ti不锈钢环的高频感应加热钎焊工艺步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)将紫铜环、1Cr18Ni9Ti不锈钢环结构及1Cr18Ni9Ti箔层被连接表面的油污和氧化膜去除，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域4。紫铜、不锈钢及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
(3)将BAg56CuNi钎料置于紫铜环2与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1与1Cr18Ni9Ti不锈钢环3之间；然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环2/不锈钢箔层1/不锈钢环2多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为40％，加热通电时间5s，感应加热最高温度控制在930℃。
采用上述高频感应加热钎焊工艺获得的焊接头成形良好，经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合等缺陷，中间不锈钢箔层的耐压强度可达20.5MPa，试验结果见表1。满足被连接结构的耐压使用要求。
表1紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环高频感应钎焊接头耐压试验结果
实施例2
本实施例是以厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和紫铜环及厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层为被焊工件，选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片，利用高频感应加热方法实现钎焊连接。
具体的紫铜环/1Cr18Ni9Ti不锈钢/1Cr18Ni9Ti不锈钢环的高频感应加热钎焊工艺步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)将紫铜环、1Cr18Ni9Ti不锈钢环结构及1Cr18Ni9Ti箔层被连接表面的油污和氧化膜去除，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域4。紫铜、不锈钢及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
(3)将BAg56CuNi钎料置于紫铜环2与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1与1Cr18Ni9Ti不锈钢环3之间；然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环2/不锈钢箔层1/不锈钢环2多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为50％，加热通电时间10s，感应加热最高温度控制在930℃。
采用上述高频感应加热钎焊工艺获得的焊接头成形良好，经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合等缺陷，中间不锈钢箔层的耐压强度可达19.4MPa，试验结果见表2。满足被连接结构的耐压使用要求。
表2紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环高频感应钎焊接头耐压试验结果
实施例3
本实施例是以厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和紫铜环及厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层为被焊工件，选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片，利用高频感应加热方法实现钎焊连接。
具体的紫铜环/1Cr18Ni9Ti不锈钢/1Cr18Ni9Ti不锈钢环的高频感应加热钎焊工艺步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)将紫铜环、1Cr18Ni9Ti不锈钢环结构及1Cr18Ni9Ti箔层被连接表面的油污和氧化膜去除，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域4。紫铜、不锈钢及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
(3)将BAg56CuNi钎料置于紫铜环2与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1与1Cr18Ni9Ti不锈钢环3之间；然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈对固定装配的紫铜环2/不锈钢箔层1/不锈钢环2多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为55％，加热通电时间14s，感应加热最高温度控制在930℃。
采用上述高频感应加热钎焊工艺获得的焊接头成形良好，经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合等缺陷，中间不锈钢箔层的耐压强度可达18.6MPa，试验结果见表3。满足被连接结构的耐压使用要求。
表3紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环高频感应钎焊接头耐压试验结果
实施例4
本实施例是以厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和紫铜环及厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层为被焊工件，选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片，利用高频感应加热方法实现钎焊连接。
具体的紫铜环/1Cr18Ni9Ti不锈钢/1Cr18Ni9Ti不锈钢环的高频感应加热钎焊工艺步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)将紫铜环、1Cr18Ni9Ti不锈钢环形结构及1Cr18Ni9Ti箔层的被连接表面的油污和氧化膜去除，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域4。紫铜、不锈钢及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
(3)将BAg56CuNi钎料置于紫铜环2与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1与1Cr18Ni9Ti不锈钢环3之间；然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环2/不锈钢箔层1/不锈钢环2多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为60％，加热通电时间17s，感应加热最高温度控制在930℃。
采用上述高频感应加热钎焊工艺获得的焊接头成形良好，经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合等缺陷，中间不锈钢箔层的耐压强度可达17.6MPa，试验结果见表4。满足被连接结构的耐压使用要求。
表4紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环高频感应钎焊接头耐压试验结果
实施例5
本实施例是以厚度3.2mm、内径12.3mm、外径15.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和紫铜环及厚度0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层为被焊工件，选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片，利用高频感应加热方法实现钎焊连接。
具体的紫铜环/1Cr18Ni9Ti不锈钢/1Cr18Ni9Ti不锈钢环的高频感应加热钎焊工艺步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)将紫铜环、1Cr18Ni9Ti不锈钢环形结构及1Cr18Ni9Ti箔层的被连接表面的油污和氧化膜去除，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥，重点清理不锈钢箔层两侧被连接区域4。紫铜、不锈钢及不锈钢箔层被连接区表面的清理方法是：用1200#砂纸将金属被连接表面区打磨干净，均使其漏出金属光泽；然后将打磨处理试样放入有丙酮的玻璃容器中，在50℃温度下进行超声波清洗30min，然后用酒精进行二次清洗并吹干备用。
(3)将BAg56CuNi钎料置于紫铜环2与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层1与1Cr18Ni9Ti不锈钢环3之间；然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环2/不锈钢箔层1/不锈钢环2多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为65％，加热通电时间19s，感应加热最高温度控制在930℃。
采用上述高频感应加热钎焊工艺获得的焊接头成形良好，经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、未熔合等缺陷，中间不锈钢箔层的耐压强度可达17.2MPa，试验结果见表5。满足被连接结构的耐压使用要求。
表5紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环高频感应钎焊接头耐压试验结果
上述实施例仅用作对本发明的说明，并非对其的限制。

Claims (3)

1.一种用于高空飞行器自动灭火装置保护阀结构的高频感应钎焊方法，其特征在于一种铜环和不锈钢环中间夹厚度0.5mm不锈钢箔层的高频感应加热钎焊方法，包括步骤如下：
(1)选用BAg56CuNi和BNi-7两种钎料箔片制备成内径12.3mm、外径15.5mm的环形结构；
(2)焊前将被连接紫铜环、不锈钢环及不锈钢箔层直接连接面进行清理；
(3)将制备的两种钎料箔片分别置于紫铜环/不锈钢箔层和不锈钢箔层/不锈钢环中间，然后装配在工装系统夹具上，确保两个环形结构同心度，然后将装配好的多层焊接结构置于高频感应加热装置的感应线圈中；
(4)焊接时，将感应加热线圈与固定装配的紫铜环/不锈钢箔层/不锈钢环多层结构对中，并将被焊接多层结构置于感应线圈中间位置，然后通电，进行焊接。高频感应加热钎焊工艺参数如下：高频发生器功率为4kW，功率比为40～65％，加热通电时间5～20s，感应加热最高温度控制在930℃。
2.根据权利要求1所述用于高空飞行器自动灭火装置的保护阀结构的高频感应钎焊方法，其特征是，所述步骤(1)中，BAg56CuNi钎料厚度为0.15mm，化学成分为Ag 55.0～57.0％，Cu 41.0～43.0％，Cd 0.01％，Si 0.05％，Ni 1.5～2.5％；BNi-7钎料厚度为0.18mm，化学成分为Cr 13.0～15.0％，B 0.01％，Si 0.10％，Fe 0.2％，C0.06％，P 9.7～10.5％，Ni余量，BAg56CuNi钎料的钎焊温度为930～1095℃，BNi-7钎料的钎焊温度为927～1093℃；且该工艺中不需要采用钎剂。
3.根据权利要求1所述用于高空飞行器自动灭火装置的保护阀结构的高频感应钎焊方法，其特征是：所述步骤(3)中，两种制备好的钎料箔片装配要求如下：将BAg56CuNi钎料置于紫铜环与1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层之间，将BNi-7钎料置于1Cr18Ni9Ti不锈钢箔层与1Cr18Ni9Ti不锈钢环之间；且必需保证两钎料环与紫铜环和1Cr18Ni9Ti不锈钢环精确贴合，不出现错位现象；多层结构固定及装配均采用现有技术，但需要保证确保紫铜和不锈钢环形结构同心度，不产生偏心现象；高频感应加热装置中感应线圈结构外径为18～20mm，以确保加热有效热量能集中作用于被连接区域。
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