CN108381017A - 一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，属于金属材料焊接技术领域，利用耐高温且高导电率的防变形垫块、低损耗垫块和所述柔性导电纸在焊接件的周围形成防变形保护层，并在铜阳极和铜阴极上下端施加预制压力夹紧焊接组件，通过在石墨阳极和石墨阴极施加电流脉冲，热量均匀扩散至焊接界面，并升至峰值，焊接界面及高温焊料发生溶解，形成的液相通过毛细管力和外加的挤压力作用，实现填缝和铺展，形成界面液相，使厚焊接件和薄焊接件之间达到原子间接触。总之，本发明能有效的解决焊接材料变形大、焊接质量低的技术问题。

Description

一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法。
背景技术
随着大功率风力水力发电机组的发展，结构紧凑，稳固，发电机发电量载荷不断的刷新世界纪录(国内目前是5MW，国外正在研制6MW)，俨然成为后续清洁再生电力能源的发展趋势，然而其超大功率发电机绕组导电铜排由于其体型庞大，且更多处于实验研发阶段，与其相配套加工成型设备较少，且为保证焊接质量稳定性，目前主流方式多为石墨电极电阻扩散焊。
石墨电极中频电阻扩散焊，为两金属在一定压力下从电极端发热通过热传导至铜材再传导至焊料最终熔焊完成焊接的，无论是焊接点的形成过程或结合面的形成过程，其冶金问题都很简单，焊接时无需气体保护，原则上也不需使用焊丝、焊条等填充金属，便可获得质量较好的焊接接面，其焊接成本低。
但如果使用的焊料为高熔点(即设计焊料熔点为母材熔点接近约为80-85％左右)在焊接薄厚比＞3(假设厚度为H即：H1：H2＞3时)的搭接时，由于其热量从石墨端逐步传递到铜母材，再从铜母材传递到焊料，这样就有一个严重性的问题便是，当芯部高熔点焊料达到熔点开始熔化时，其和石墨电极接触的铜母材温度已经接近到铜熔点，在由于此焊接为压力试焊接，材料塌边变形严重一般大于等于薄焊接母材45％-50％左右，对于一些高精密运用领域这是一个严重问题，但如果为保证不变形，不施加压力那么会导致焊接面由于热导速率不同导致焊接局部空洞虚焊等致命质量缺陷现象。此缺陷更为严重，它不但影响了焊翅部位的机械力学承载能力，而且它会在内部空洞区域发生放电电弧，造成局部高温烧熔。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法。
本发明的技术方案为：一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，包括以下步骤：
S1：将厚焊接件、薄焊接件和高温焊料的待焊表面进行打磨处理，并清洗干燥；
S2：将铜阳极和铜阴极呈上下相对安装，再将石墨阳极和石墨阴极分别上下相对地安装在所述铜阳极和铜阴极的内侧，调试所述石墨阳极和石墨阴极的位置，使上下对正，之后将石墨阳极和石墨阴极分别与加热脉冲电源的正负极相连，通电查看热辐射是否正常；
S3：检测热辐射正常后断电，将经S1处理后的所述厚焊接件放置到石墨阴极上，待焊表面朝上，并在厚焊接件待焊表面的中心位置放置经S1处理后的高温焊料；
S4：在所述高温焊料的左右两侧分别放置柔性导电纸；
S5：在高温焊料的上方放置经S1处理后的所述薄焊接件，待焊表面朝下，并将薄焊接件与高温焊料微调对正；
S6：在薄焊接件的上表面放置长度大于薄焊接件的防变形垫块；
S7：向铜阳极施加预制压力，从上至下压紧防变形垫块、薄焊接件、高温焊料与厚焊接件；
S8：在从薄焊接件左右两侧方向分别插入低损耗垫块，至柔性导电纸与防变形垫块之间的缝隙内；
S9：再次通电，利用加热脉冲电源对石墨阳极和石墨阴极施加电流，在电阻热和放电热的扩散下高温焊料发生溶解，直至形成界面液相后，焊接断电，泄压，利用水冷却至室温，最后进行探伤检测。
进一步地，所述防变形垫块、低损耗垫块、柔性导电纸的电导率均大于或等于厚焊接件与薄焊接件的电导率，保证放电热扩散。
进一步地，所述高温焊料、薄焊接件、防变形垫块的厚度加起来等于所述厚焊接件的厚度，保证放电热扩散的到达待焊界面的距离相等，从而保证焊接时界面受热均匀。
进一步地，所述防变形垫块的厚度需满足如下计算公式：h-h1-h2＝θ，其中h为薄焊接件厚度，单位mm；h1为低损耗垫块厚度，单位mm；h2为柔性导电纸的厚度，单位mm；θ为防变形垫块的厚度，即可控变形量，单位mm；利用等式换算，将变形量控制在直观的可控范围内。
进一步地，所述加热脉冲电源的工作参数为：脉冲频率为60-70HZ，脉冲电流峰值为600A。
进一步地，S4中所述柔性导电纸距离所述高温焊料25-35mm，距离太近影响高温焊料熔化时的扩散，距离太远则会同时影响防变形垫块距离薄焊接件过远，则垫块的效力减小，进而防变形作用大大折扣。
进一步地，所述防变形垫块和低损耗垫块的材质为钨合金，例如银钨合金、钨铜合金、钨钼合金，钨合金熔点高，且耐高温、抗蠕、导热、导电性能优良；所述柔性导电纸的材质为碳纤维，碳纤维具有良好的柔性和优异的导电性能。
进一步地，S7中所述预制压力为2.3-5.9Kgf/cm2，过小的压力压制不紧，会导致焊接面由于热导速率不同导致焊接局部空洞虚焊等致命质量缺陷，过大的压力会增大变形。
本发明的工作原理为：利用耐高温且高导电率的防变形垫块、低损耗垫块和所述柔性导电纸在焊接件的周围形成防变形保护层，并在铜阳极和铜阴极上下端施加预制压力夹紧焊接组件，通过在石墨阳极和石墨阴极施加电流脉冲，热量均匀扩散至焊接界面，并升至峰值，焊接界面及高温焊料发生溶解，形成的液相通过毛细管力和外加的挤压力作用，实现填缝和铺展，形成界面液相，使厚焊接件和薄焊接件之间达到原子间接触。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明在传统的扩散焊接工艺方案上增加了防变形垫块、低损耗垫块和柔性导电纸三种辅助材料，其中，防变形垫块、低损耗垫块选用钨合金，钨合金熔点高，且耐高温、抗蠕、导热、导电性能优良，低损耗垫块用于保护焊接件不受磨损，而防变形垫块则防止焊接件在压力作用下发生大的形变；而柔性导电纸选用具有良好的柔性和优异的导电性能的碳纤维，柔性导电纸铺垫在防变形垫块下方能够对焊接件的微变形起到一定的校正作用；
(2)本发明还提供了整个焊接组件的装夹方式，通过合理的装夹方法能够减小实际形变量和理论形变量之间误差；
(3)本发明还公布了焊接组件中防变形焊接辅材辅助材料尺寸的计算方式，利用等式换算，将变形量控制在1-2％之间。
总之，本发明装夹方式简单、简单易操作，并且能有效的解决焊接材料变形大、焊接质量低的技术问题。
附图说明
图1是本发明焊接组件的主视结构示意图；
图2是本发明焊接组件的右视结构示意图。
其中，1-铜阳极、2-石墨阳极、3-薄焊接件、4-高温焊料、5-厚焊接件、6-石墨阴极、7-铜阴极、8-防变形垫块、9-低损耗垫块、10-柔性导电纸。
具体实施方式
实施例1
一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法按照图1-2安装结果所示，包括以下步骤：
S1：将厚焊接件5、薄焊接件3和高温焊料4的待焊表面进行打磨处理，并清洗干燥；
S2：将铜阳极1和铜阴极7呈上下相对安装，再将石墨阳极2和石墨阴极6分别上下相对地安装在铜阳极1和铜阴极7的内侧，调试石墨阳极2和石墨阴极6的位置，使上下对正，之后将石墨阳极2和石墨阴极6分别与加热脉冲电源的正负极相连，通电查看热辐射是否正常；
S3：检测热辐射正常后断电，将经S1处理后的厚焊接件5放置到石墨阴极6上，待焊表面朝上，并在厚焊接件5待焊表面的中心位置放置经S1处理后的高温焊料4；
S4：在高温焊料4的左右两侧分别放置柔性导电纸10，柔性导电纸10距离高温焊料425mm，距离太近影响高温焊料4熔化时的扩散，距离太远则会同时影响防变形垫块8距离薄焊接件3过远，则垫块的效力减小，进而防变形作用大大折扣。；
S5：在高温焊料4的上方放置经S1处理后的薄焊接件3，待焊表面朝下，并将薄焊接件3与高温焊料4微调对正；
S6：在薄焊接件3的上表面放置长度大于薄焊接件3的防变形垫块8；
S7：向铜阳极1施加预制压力，预制压力为2.3Kgf/cm2，过小的压力压制不紧，会导致焊接面由于热导速率不同导致焊接局部空洞虚焊等致命质量缺陷，过大的压力会增大变形，从上至下压紧防变形垫块8、薄焊接件3、高温焊料4与厚焊接件5；
S8：在从薄焊接件3左右两侧方向分别插入低损耗垫块9，至柔性导电纸10与防变形垫块8之间的缝隙内；其中，防变形垫块8的厚度需满足如下计算公式：h-h1-h2＝θ，其中h为薄焊接件3厚度，单位mm；h1为低损耗垫块9厚度，单位mm；h2为柔性导电纸10的厚度，单位mm；θ为防变形垫块8的厚度，即可控变形量，单位mm；利用等式换算，将变形量控制在直观的可控范围内。
S9：再次通电，利用加热脉冲电源对石墨阳极2和石墨阴极6施加电流，其中，加热脉冲电源的工作参数为：脉冲频率为60HZ，脉冲电流峰值为600A。在电阻热和放电热的扩散下高温焊料4发生溶解，直至形成界面液相后，焊接断电，泄压，利用水冷却至室温，最后进行探伤检测。
其中，防变形垫块8、低损耗垫块9、柔性导电纸10的电导率均大于厚焊接件5与薄焊接件3的电导率，保证放电热扩散。防变形垫块8和低损耗垫块9的材质为银钨合金，钨合金熔点高，且耐高温、抗蠕、导热、导电性能优良；柔性导电纸10的材质为碳纤维，碳纤维具有良好的柔性和优异的导电性能。
其中，高温焊料4、薄焊接件3、防变形垫块8的厚度加起来等于厚焊接件5的厚度，保证放电热扩散的到达待焊界面的距离相等，从而保证焊接时界面受热均匀。
检测结果显示，薄焊接件的变形量为自身厚度的1.2％，内部无空洞等质量缺陷。
实施例2
一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法按照图1-2安装结果所示，包括以下步骤：
S1：将厚焊接件5、薄焊接件3和高温焊料4的待焊表面进行打磨处理，并清洗干燥；
S2：将铜阳极1和铜阴极7呈上下相对安装，再将石墨阳极2和石墨阴极6分别上下相对地安装在铜阳极1和铜阴极7的内侧，调试石墨阳极2和石墨阴极6的位置，使上下对正，之后将石墨阳极2和石墨阴极6分别与加热脉冲电源的正负极相连，通电查看热辐射是否正常；
S3：检测热辐射正常后断电，将经S1处理后的厚焊接件5放置到石墨阴极6上，待焊表面朝上，并在厚焊接件5待焊表面的中心位置放置经S1处理后的高温焊料4；
S4：在高温焊料4的左右两侧分别放置柔性导电纸10，柔性导电纸10距离高温焊料430mm，距离太近影响高温焊料4熔化时的扩散，距离太远则会同时影响防变形垫块8距离薄焊接件3过远，则垫块的效力减小，进而防变形作用大大折扣。；
S5：在高温焊料4的上方放置经S1处理后的薄焊接件3，待焊表面朝下，并将薄焊接件3与高温焊料4微调对正；
S6：在薄焊接件3的上表面放置长度大于薄焊接件3的防变形垫块8；
S7：向铜阳极1施加预制压力，预制压力为4.3Kgf/cm2，过小的压力压制不紧，会导致焊接面由于热导速率不同导致焊接局部空洞虚焊等致命质量缺陷，过大的压力会增大变形，从上至下压紧防变形垫块8、薄焊接件3、高温焊料4与厚焊接件5；
S8：在从薄焊接件3左右两侧方向分别插入低损耗垫块9，至柔性导电纸10与防变形垫块8之间的缝隙内；其中，防变形垫块8的厚度需满足如下计算公式：h-h1-h2＝θ，其中h为薄焊接件3厚度，单位mm；h1为低损耗垫块9厚度，单位mm；h2为柔性导电纸10的厚度，单位mm；θ为防变形垫块8的厚度，即可控变形量，单位mm；利用等式换算，将变形量控制在直观的可控范围内。
S9：再次通电，利用加热脉冲电源对石墨阳极2和石墨阴极6施加电流，其中，加热脉冲电源的工作参数为：脉冲频率为65HZ，脉冲电流峰值为600A。在电阻热和放电热的扩散下高温焊料4发生溶解，直至形成界面液相后，焊接断电，泄压，利用水冷却至室温，最后进行探伤检测。
其中，防变形垫块8、低损耗垫块9、柔性导电纸10的电导率均大于厚焊接件5与薄焊接件3的电导率，保证放电热扩散。防变形垫块8和低损耗垫块9的材质为钨铜合金，钨合金熔点高，且耐高温、抗蠕、导热、导电性能优良；柔性导电纸10的材质为碳纤维，碳纤维具有良好的柔性和优异的导电性能。
其中，高温焊料4、薄焊接件3、防变形垫块8的厚度加起来等于厚焊接件5的厚度，保证放电热扩散的到达待焊界面的距离相等，从而保证焊接时界面受热均匀。
检测结果显示，薄焊接件的变形量为自身厚度的1.0％，内部无空洞等质量缺陷。
实施例3
一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法按照图1-2安装结果所示，包括以下步骤：
S1：将厚焊接件5、薄焊接件3和高温焊料4的待焊表面进行打磨处理，并清洗干燥；
S2：将铜阳极1和铜阴极7呈上下相对安装，再将石墨阳极2和石墨阴极6分别上下相对地安装在铜阳极1和铜阴极7的内侧，调试石墨阳极2和石墨阴极6的位置，使上下对正，之后将石墨阳极2和石墨阴极6分别与加热脉冲电源的正负极相连，通电查看热辐射是否正常；
S3：检测热辐射正常后断电，将经S1处理后的厚焊接件5放置到石墨阴极6上，待焊表面朝上，并在厚焊接件5待焊表面的中心位置放置经S1处理后的高温焊料4；
S4：在高温焊料4的左右两侧分别放置柔性导电纸10，柔性导电纸10距离高温焊料435mm，距离太近影响高温焊料4熔化时的扩散，距离太远则会同时影响防变形垫块8距离薄焊接件3过远，则垫块的效力减小，进而防变形作用大大折扣；
S5：在高温焊料4的上方放置经S1处理后的薄焊接件3，待焊表面朝下，并将薄焊接件3与高温焊料4微调对正；
S6：在薄焊接件3的上表面放置长度大于薄焊接件3的防变形垫块8；
S7：向铜阳极1施加预制压力，预制压力为5.9Kgf/cm2，过小的压力压制不紧，会导致焊接面由于热导速率不同导致焊接局部空洞虚焊等致命质量缺陷，过大的压力会增大变形，从上至下压紧防变形垫块8、薄焊接件3、高温焊料4与厚焊接件5；
S8：在从薄焊接件3左右两侧方向分别插入低损耗垫块9，至柔性导电纸10与防变形垫块8之间的缝隙内；其中，防变形垫块8的厚度需满足如下计算公式：h-h1-h2＝θ，其中h为薄焊接件3厚度，单位mm；h1为低损耗垫块9厚度，单位mm；h2为柔性导电纸10的厚度，单位mm；θ为防变形垫块8的厚度，即可控变形量，单位mm；利用等式换算，将变形量控制在直观的可控范围内。
S9：再次通电，利用加热脉冲电源对石墨阳极2和石墨阴极6施加电流，其中，加热脉冲电源的工作参数为：脉冲频率为70HZ，脉冲电流峰值为600A。在电阻热和放电热的扩散下高温焊料4发生溶解，直至形成界面液相后，焊接断电，泄压，利用水冷却至室温，最后进行探伤检测。
其中，防变形垫块8、低损耗垫块9、柔性导电纸10的电导率均大于厚焊接件5与薄焊接件3的电导率，保证放电热扩散。防变形垫块8和低损耗垫块9的材质为钨钼合金，钨合金熔点高，且耐高温、抗蠕、导热、导电性能优良；柔性导电纸10的材质为碳纤维，碳纤维具有良好的柔性和优异的导电性能。
其中，高温焊料4、薄焊接件3、防变形垫块8的厚度加起来等于厚焊接件5的厚度，保证放电热扩散的到达待焊界面的距离相等，从而保证焊接时界面受热均匀。
检测结果显示，薄焊接件的变形量为自身厚度的1.4％，内部无空洞等质量缺陷。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将厚焊接件(5)、薄焊接件(3)和高温焊料(4)的待焊表面进行打磨处理，并清洗干燥；
S2：将铜阳极(1)和铜阴极(7)呈上下相对安装，再将石墨阳极(2)和石墨阴极(6)分别上下相对地安装在所述铜阳极(1)和铜阴极(7)的内侧，调试所述石墨阳极(2)和石墨阴极(6)的位置，使上下对正，之后将石墨阳极(2)和石墨阴极(6)分别与加热脉冲电源的正负极相连，通电查看热辐射是否正常；
S3：检测热辐射正常后断电，将经S1处理后的所述厚焊接件(5)放置到石墨阴极(6)上，待焊表面朝上，并在厚焊接件(5)待焊表面的中心位置放置经S1处理后的高温焊料(4)；
S4：在所述高温焊料(4)的左右两侧分别放置柔性导电纸(10)；
S5：在高温焊料(4)的上方放置经S1处理后的所述薄焊接件(3)，待焊表面朝下，并将薄焊接件(3)与高温焊料(4)微调对正；
S6：在薄焊接件(3)的上表面放置长度大于薄焊接件(3)的防变形垫块(8)；
S7：向铜阳极(1)施加预制压力，从上至下压紧防变形垫块(8)、薄焊接件(3)、高温焊料(4)与厚焊接件(5)；
S8：在从薄焊接件(3)左右两侧方向分别插入低损耗垫块(9)，至柔性导电纸(10)与防变形垫块(8)之间的缝隙内；
S9：再次通电，利用加热脉冲电源对石墨阳极(2)和石墨阴极(6)施加电流，在电阻热和放电热的扩散下高温焊料(4)发生溶解，直至形成界面液相后，焊接断电，泄压，利用水冷却至室温，最后进行探伤检测。
2.如权利要求1所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述防变形垫块(8)、低损耗垫块(9)、柔性导电纸(10)的电导率均大于或等于厚焊接件(5)与薄焊接件(3)的电导率。
3.如权利要求1所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述高温焊料(4)、薄焊接件(3)、防变形垫块(8)的厚度加起来等于所述厚焊接件(5)的厚度。
4.如权利要求1或2或3所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述防变形垫块(8)的厚度需满足如下计算公式：h-h1-h2＝θ，其中h为薄焊接件(3)厚度，单位mm；h1为低损耗垫块(9)厚度，单位mm；h2为柔性导电纸(10)的厚度，单位mm；θ为防变形垫块(8)的厚度，即可控变形量，单位mm。
5.如权利要求1所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述防变形垫块(8)、低损耗垫块(9)、柔性导电纸(10)的电导率均大于厚焊接件(5)与薄焊接件(3)的电导率。
6.如权利要求1所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述加热脉冲电源的工作参数为：脉冲频率为60-70HZ，脉冲电流峰值为600A。
7.如权利要求1或2所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，S4中所述柔性导电纸(10)距离所述高温焊料(4)25-35mm。
8.如权利要求1所述的一种形变量可控的石墨电极中频电阻扩散焊方法，其特征在于，所述防变形垫块(8)和低损耗垫块(9)的材质为钨合金，所述柔性导电纸(10)的材质为碳纤维。
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