CN109202202A - 一种用于毛细管钎焊的钎焊炉及其钎焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种毛细管钎焊工艺，包括以下步骤：(1)对集管和毛细管焊接处接头部位进行超声波清洗，酸洗活化；(2)将镍基钎料通过化学镀镍的方式均匀镀于集管开孔的壁面和集管外表面开孔的周围，水洗后烘干；(3)以镀层沉积的合金为钎料，将毛细管与集管装配固定后放置于毛细管钎焊炉中；(4)将钎焊炉抽真空，充入氢气；(5)通电加热线圈，通过热电偶连续测温，对炉膛缓慢加热升温至750℃，持续保温30min；随后再缓慢加热至钎焊温度910℃，并保温25min；(6)加热完成后，关闭氢气进出，抽真空后真空冷却，钎焊完成。该钎焊工艺可使钎料均匀镀于焊件连接处，解决了毛细管焊接时钎料难以放置和均匀涂覆的问题，提高毛细管钎焊的质量。

Description

一种用于毛细管钎焊的钎焊炉及其钎焊工艺
技术领域
本发明涉及钎焊领域，具体地说是涉及一种适用于直径较小的毛细管钎焊的毛细管钎焊炉及其钎焊工艺。
背景技术
不锈钢毛细管越来越多地运用于航空航天、精密仪器仪表、换热设备中时，需要将其与集管、平板或管板进行连接。由于毛细管的直径小于2mm，厚度小于0.5mm，传统的强度胀加强度焊无法应用于毛细管的连接，因此主要通过钎焊的方式连接毛细管与其他部件。然而毛细管与其他管件的不同在于尺寸太小，钎料的放置存在困难。特别是当连接集管时，通过钎焊进行连接，钎料的选择和使用对集管与毛细管钎焊质量产生很大的影响，从而影响了毛细管设备的使用寿命和安全性。针对毛细管的钎焊，手工焊接时势必会对相邻的焊点造成影响，导致焊接缺陷。采用传统手工火焰钎焊技术焊接此类工件时，对焊接人员的技能要求很高，因此目前多采用真空钎焊工艺，但真空炉中加热会产生加热不均匀的问题。
总结来说，毛细管直径和厚度都非常小，同时与集管或管板的连接孔非常小，排管时的管间距往往小于3mm，因此采用传统的钎焊工艺进行钎焊时，存在以下几个缺点：1.焊接钎料包括粉状固体或膏状钎料等无法在狭小的空间准确均匀放置堆积在孔的表面，放置钎料十分困难。当钎料放置不均匀则会引起多种问题，如钎料放置太少容易引起钎焊未填满；钎料放置过量则会引起毛细管壁被侵蚀穿透或焊堵现象。2.管接头需要良好的强度和耐腐蚀性，而毛细管壁厚非常薄，使用普通的钎料易侵蚀管壁造成管壁减薄，严重影响其寿命。3.由于毛细管极细管束的特性，当使用传统真空炉或保护气氛炉进行钎焊时，容易加热不均匀，同时极少量的氧气仍然会影响钎焊质量。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种用于毛细管钎焊的钎焊炉及其钎焊工艺。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种用于毛细管钎焊的钎焊炉，包括炉体，在炉体的内部设置有焊接平台；炉体的侧壁包括外层保温筒、内层陶瓷筒和感应线圈支撑筒，感应线圈支撑筒设置在外层保温筒和内层陶瓷筒之间，在感应线圈支撑筒的周圈设置有加热感应线圈；在焊接平台上设置有热电偶。
优选的，所述外层保温筒是由熔融氧化铝材料加工制成的；所述内层陶瓷筒和感应线圈支撑筒均是由陶瓷复合材料加工制成的。
一种用于毛细管钎焊的钎焊工艺，采用上述的钎焊炉，包括以下步骤：
步骤一：对集管和毛细管焊接处接头部位进行超声波清洗，去除毛细管与集管加工时残留的油污；
步骤二：将集管通过酸洗活化，去除表面氧化膜；
步骤三：将镍基钎料通过化学镀镍的方式均匀镀于集管开孔的壁面和集管外表面开孔的周围，通过调整化学镀镍试剂的浓度，产生沉积在集管表面的Ni-P共晶合金，镍含量90％，磷含量10％；
步骤四：将镀有镍基钎料的集管水洗后烘干，加热至200℃并保温1h；
步骤五：以镀层沉积的合金为钎料，将毛细管与集管装配固定后放置于毛细管钎焊炉中；
步骤六：将钎焊炉抽真空，充入氢气；重复抽真空并通气，直至空气全部排出后，保持氢气全程流通；
步骤七：通电加热线圈，通过热电偶连续测温，对炉膛缓慢加热升温至750℃，持续保温30min；随后再缓慢加热至钎焊温度910℃，并保温25min；
步骤八:加热完成后，关闭氢气进出，抽真空后真空冷却，钎焊完成。
步骤三中：通过控制施镀时间，可将镀层厚度控制在24-36μm。
采用该钎焊工艺对外径1mm，厚度为0.04mm的不锈钢毛细管进行钎焊时，对管壁的侵蚀<5μm。
本发明的有益技术效果是：
本发明所述钎焊工艺可以完成对毛细管和集管之间的焊接，可使钎料均匀镀于焊件连接处，解决了毛细管焊接时钎料难以放置和均匀涂覆的问题，提高毛细管钎焊的质量。本发明可以有效防止钎料对极薄的不锈钢毛细管管壁的侵蚀，对外径1mm，壁厚0.04mm的毛细管进行钎焊时，对毛细管壁的侵蚀<5μm。
本发明通过所述钎焊炉可使钎焊过程热量分布均匀，有效避免了金属表面氧化现象，在气氛保护钎焊过程的同时有效地提高毛细管钎焊的质量。采用分步加热的钎焊流程有效地消除了钎焊工艺中产生的热应力。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明中化学镀层钎料的结构原理示意图；
图2为本发明中集管管束开孔结构图；
图3为本发明用于毛细管钎焊的钎焊炉的结构原理示意图。
具体实施方式
本发明提供一种适用于毛细管钎焊的钎焊炉及钎焊工艺，该新的钎焊工艺在完成焊接的同时能够保证钎焊接头的强度和密封性，同时匹配钎焊炉进行钎焊，减小焊料对薄不锈钢壁的侵蚀。
本发明提出的一种适用于毛细管材料的钎焊工艺可以有效地对毛细管进行钎焊连接，可将钎料均匀地沉积在孔壁和集管钎焊接头表面，同时通过精密化学镀的方式选择和调整适合薄壁毛细管的镀层钎料沉积物，在所述钎焊工艺下可有效减少钎料对管壁的侵蚀，解决传统钎焊工艺用于毛细管钎焊时的问题，有效提高钎焊质量。设计毛细管钎焊炉在有效地保护钎焊过程同时可以均匀加热，更适用于毛细管与集管的钎焊。
本发明毛细管钎焊工艺包括对集管和毛细管焊接处接头部位进行清洗、酸洗活化和干燥等一系列操作，其中进行清洗时使用超声波清洗，针对集管开孔等部位重点清洗干净。之后对集管焊接接头表面进行化学镀镍，即将镍基钎料通过化学镀镍的方式均匀镀于集管开孔的孔壁和集管外表面开孔的表面，通过调整试剂的相对浓度，产生需要的沉积在集管表面的镍磷共晶合金，即镍含量89％，磷含量11％，此时钎料熔点为875℃，施镀完成后进行后处理。
以镀层沉积物为钎料，将毛细管与集管装配固定后在图3所示的毛细管钎焊炉中进行钎焊。传统的不锈钢钎焊温度为980-1000℃，在这个温度下钎焊对不锈钢毛细管壁腐蚀较严重，因此调整钎焊温度为910℃，采用分步加热的方式完成钎焊，整个钎焊过程采用氢气作为保护气氛。
图1为精密化学镀钎料工艺操作后的集管及开孔示意图，图中1为集管管壁，2为与毛细管钎焊的开孔，3为均匀镀于连接处的钎料。通过精密化学镀镍的操作可使钎料均匀涂覆在孔壁上，同时在二级集管开孔周围镀一层镍磷共晶合金钎料。这种化学镀层比电镀的钎料层更加均匀，经过化学镀镍后涂覆的钎料更加耐腐蚀且具有很高的硬度，且化学镀层的镍磷共晶合金与毛细管焊件的结合度更好。
图2为集管管束开孔结构图，钎料通过精密化学镀镀于孔壁上，一小部分镀于集管表面开孔周围。
图3为毛细管钎焊炉的结构原理图。如图所示，一种毛细管钎焊炉，包括炉体，在炉体的内部设置有焊接平台7。炉体的侧壁包括外层保温筒4、内层陶瓷筒5和感应线圈支撑筒6，感应线圈支撑筒6设置在外层保温筒4和内层陶瓷筒5之间，在感应线圈支撑筒6的周圈设置有加热感应线圈8。在焊接平台7上设置有热电偶9。
所述外层保温筒4是由熔融氧化铝材料加工制成的；所述内层陶瓷筒5和感应线圈支撑筒6均是由陶瓷复合材料加工制成的。
在毛细管焊接炉上也配备有进气阀和排气阀。
所述焊接炉有小型精炼的特点，主要通过在中间层加热的电感线圈(加热感应线圈8)通过热辐射传递热量，当穿过最内层陶瓷筒壁时，辐射的热量更加均匀。外部保温筒体在保护热量的同时，熔融氧化铝材料可以反射热量。内层和中层筒体为复合陶瓷材料，其具有很高的熔点，可以承受2000℃以上的高温，其化学稳定性非常好，同时相比SiC材料陶瓷的传热系数更高。
炉内使用氢气作为保护气氛，其具有以下几点优点：1.导热系数高出其他气体几倍；2.密度最小；3.抗氧化性能最强，对于尺寸微小的毛细管，表面一点氧化现象发生就会很大影响其钎焊质量；4.可实现钎焊连续工作。
下面对本发明的毛细管钎焊工艺进行详细说明：
一种毛细管钎焊工艺，采用上述的毛细管钎焊炉，具体按以下步骤进行：
步骤一：对集管和毛细管焊接处接头部位进行超声波清洗，主要作用是除尽毛细管与集管加工时残留的油污，以免影响后续工艺，使用超声波清洗可以将集管开孔位置清洗干净，防止因焊件清洁不净引起的钎缝成形不良和气孔等缺陷。
步骤二：将需要化学镀钎料的集管通过酸洗活化，目的除尽表面氧化膜。
步骤三：对焊件表面进行精密化学镀镍，即将镍基钎料通过化学镀镍的方式均匀镀于集管开孔的壁面和集管外表面开孔的周围，通过调整化学镀镍试剂的浓度，产生沉积在集管表面的Ni-P共晶合金，即镍含量90％，磷含量10％。此时钎料熔点875℃，钎料对不锈钢溶蚀最小，适用于薄壁管件的钎焊。同时控制施镀时间为3h左右，此时镀层厚度为24-36μm。
步骤四：将镀有镍基钎料的集管水洗后烘干，加热至200℃并保温1h，目的清除应力和氢脆。
步骤五：以镀层沉积的合金为钎料，将毛细管与集管装配固定后放置于图3所示的毛细管钎焊炉中。
步骤六：将钎焊炉抽真空，打开进气阀充入氢气。重复抽真空并通气，直至空气全部排出后，打开排气阀，保持氢气全程流通。
步骤七：采用两步加热法，通电加热线圈，通过热电偶连续测温，对炉膛缓慢加热升温至750℃，时间为40min，持续保温30min，目的减小热应力。
步骤八：缓慢加热至钎焊温度910℃，时间为35min，并保温25min。加热时外筒体为熔融氧化铝材料，加热时辐射到外筒体内壁的热量会反射回来继续进行加热，同时保护气氢气不断通过炉腔，防止钎焊过程中金属氧化现象。通过线圈感应加热使热量分布更为均匀，钎焊效果更好。
步骤九:关闭氢气进出，抽真空后缓慢真空冷却。
采用上述钎焊工艺对外径1mm，厚度为0.04mm的不锈钢毛细管进行钎焊时，对管壁的侵蚀<5μm。
本发明提出一种适用于毛细管束的新钎焊工艺，该工艺使用化学镀镍的方式将所需成分的镍基钎料精密化学镀在集管管壁和集管表面开孔周围，再进行钎焊操作。并有意改变化学镀镍时的溶剂配比，产生沉积在集管表面的Ni-P共晶合金，即镍含量90％，磷含量10％，此时钎料熔点875℃。本发明通过精密化学镀的方式施镀，调整施镀时间优选为3h，使镀层厚度在30μm左右。采用分步加热的钎焊流程，有效消除热应力。
同时，本发明还设计了一种配合使用的毛细管钎焊炉，该小型精炼的毛细管钎焊炉用于毛细管的钎焊，通过加热线圈的热辐射使加热更加均匀，使用氢气为保护气氛，提高钎焊质量。钎焊炉采用三层筒体结构，外层筒体可反射热流，中间层筒体支撑感应线圈，钎焊温度设置为910摄氏度，提高毛细管焊件质量。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于毛细管钎焊的钎焊炉，其特征在于：包括炉体，在炉体的内部设置有焊接平台；炉体的侧壁包括外层保温筒、内层陶瓷筒和感应线圈支撑筒，感应线圈支撑筒设置在外层保温筒和内层陶瓷筒之间，在感应线圈支撑筒的周圈设置有加热感应线圈；在焊接平台上设置有热电偶。
2.根据权利要求1所述的一种用于毛细管钎焊的钎焊炉，其特征在于：所述外层保温筒是由熔融氧化铝材料加工制成的；所述内层陶瓷筒和感应线圈支撑筒均是由陶瓷复合材料加工制成的。
3.一种用于毛细管钎焊的钎焊工艺，采用如权利要求1或2所述的钎焊炉，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对集管和毛细管焊接处接头部位进行超声波清洗，去除毛细管与集管加工时残留的油污；
步骤二：将集管通过酸洗活化，去除表面氧化膜；
步骤三：将镍基钎料通过化学镀镍的方式均匀镀于集管开孔的壁面和集管外表面开孔的周围，通过调整化学镀镍试剂的浓度，产生沉积在集管表面的Ni-P共晶合金，镍含量90％，磷含量10％；
步骤四：将镀有镍基钎料的集管水洗后烘干，加热至200℃并保温1h；
步骤五：以镀层沉积的合金为钎料，将毛细管与集管装配固定后放置于毛细管钎焊炉中；
步骤六：将钎焊炉抽真空，充入氢气；重复抽真空并通气，直至空气全部排出后，保持氢气全程流通；
步骤七：通电加热线圈，通过热电偶连续测温，对炉膛缓慢加热升温至750℃，持续保温30min；随后再缓慢加热至钎焊温度910℃，并保温25min；
步骤八:加热完成后，关闭氢气进出，抽真空后真空冷却，钎焊完成。
4.根据权利要求3所述的一种用于毛细管钎焊的钎焊工艺，其特征在于，步骤三中：通过控制施镀时间，将镀层厚度控制在24-36μm。
5.根据权利要求3所述的一种用于毛细管钎焊的钎焊工艺，其特征在于：采用该钎焊工艺对外径1mm，厚度为0.04mm的不锈钢毛细管进行钎焊时，对管壁的侵蚀<5μm。
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