CN109396725A - 一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装。包括底板、顶板一对短侧板和一对长侧板；底板和顶板结构相同，且内侧相对应；底板的内侧面均为平板，外侧面上设有网格状加强筋，每个网格的中部设有螺纹连接件；一对长侧板和一对短侧板围成的空间为放置被焊接件的工件空间。用于焊接时，被焊接件位于工件空间内的垫板上，被焊接件的顶面放置压板；通过螺纹连接件使顶板、压板、被焊接件、垫板和底板形成一个固定的整体。该扩散焊接工装能够利用热胀冷缩效应实现了对产品的温度和力的控制，进而利用常规的大型真空设备实现大型机载液冷骨架的扩散焊。
Description
技术领域
本发明属于材料焊接技术领域，具体涉及大型机载液冷骨架焊接技术，具体涉及铝合金液冷骨架的扩散焊接。
背景技术
大型机载液冷骨架是机载雷达的核心结构之一，要求能在极端战斗过程中快速为雷达电子器件散热，确保雷达系统可靠运行。因此液冷骨架除了要具备高的散热性能外，对其内部流道的密封可靠性要求极高。目前大型机载液冷骨架主要采用钎焊或者电子束焊接，前者焊缝可靠性较差，后者结构焊接变形大，内部液冷结构精度难以保证，此外两者的成本均较高。
液冷骨架结构件的一种良好焊接方法为扩散焊接。扩散焊是通过两个零件接触面上的原子相互扩散使接触面消失进而形成一个整体，最终实现两个零件焊接的方法，其焊缝强度能达到与母材相当，焊接可靠性高。为了实现接触面原子相互扩散，需要对零件加压保证界面微观接触，同时对零件加热，提高原子扩散能，同时，焊接过程需要在真空室中完成。因此，扩散焊设备核心为具有加热冷却控制功能和在高温下压力加载装置的真空室。由于技术和需求限制，目前国内外扩散焊设备尺寸均较小，大型液冷骨架结构件无法采用该方法进行焊接。
发明内容
为了实现大型液冷骨架结构件的扩散焊接，本发明提供一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装。
一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装包括底板1、顶板4、一对短侧板5和一对长侧板6；
所述底板1和顶板4结构相同；底板1的内侧面均为平板，外侧面上设有网格状加强筋41，每个网格的中部开设有通孔42；底板1的内侧面和顶板4的内侧面相对应，每个通孔42内设有螺纹连接件；底板1的内侧和顶板4的内侧相对应；
所述底板1上固定设有一对长侧板6和一对短侧板5，一对长侧板6和一对短侧板5围成的空间为放置被焊接件的工件空间；工件空间内的底板1上设有垫板2和压板3；
用于焊接时，被焊接工件位于垫板2上，压板3位于被焊接工件的顶面，再盖上顶板4；通过顶板4上的螺纹连接件、底板1上的螺纹连接件将顶板4、一对短侧板5、一对长侧板6和底板1固定连接，通过顶板4上的加载螺纹连接件将压板3、被焊接工件和垫板2压紧，使顶板4、压板3、被焊接工件、垫板2和底板1形成一个固定的整体。
进一步限定的技术方案如下：
所述一对长侧板6为一对平行板，一对短侧板5为一对平行板，一对短侧板5位于一对长侧板6之间；通过调节一对短侧板5之间的间距，实现调节工件空间的大小。
所述一对长侧板6的顶部和底部、一对短侧板5的顶部和底部均分别开设有螺纹孔，通过螺纹孔和紧固螺钉8配合使一对长侧板6、一对短侧板5分别固定连接底板1和顶板4。
所述顶板4内侧面中部的通孔孔口均为六边形孔口，所述并紧螺母10固定设于所述六边形孔口内。
每个网格为正方形，边长为150mm-250mm。
所述扩散焊接工装的零件材料均为耐热钢。
基于所述大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装的焊接方法，操作步骤如下：
（1）被焊接工件为板状，将被焊接工件放置于垫板2上，在被焊接工件的顶部加上压板3，再盖上顶板4；通过顶板4上的紧固螺钉、底板1上的紧固螺钉将顶板4、一对短侧板5、一对长侧板6和底板1固定连接，通过加载螺栓11和并紧螺母10的作用将压板3、被焊接的工件和垫板2压紧；使顶板4、压板3、被焊接件、垫板2和底板1形成一个固定的整体；并放置在真空炉内的焊接工作平台上；
焊接工作平台平面度小于0.01um；
被焊接工件距离一对短侧板5或一对长侧板6的最小间距S均应大于Δα×L×ΔT，Δα为被焊接工件材料与底板1材料的热膨胀系数差，L为被焊接工件最小外接圆直径，ΔT为焊接最高温度与室温的差；
（2）通过顶板4上的加载螺栓11对被焊接工件加载，加载扭矩与加载螺栓11距离扩散焊接工装的垂直中心线的距离成正比，加载顺序为先远后近；距离扩散焊接工装的垂直中心的距离相等的加载螺栓11加载扭矩相等；
（3）关闭真空炉，真空度达到3×10-2Pa，进行先加热后降温操作：在470min内，分别四个阶段加热升温至530℃；在165min内，分别四个阶段降温至80℃；
（4）打开真空炉门，拆除加载螺钉栓11和紧固螺钉8，取出扩散焊接工装和被焊接件，冷却至室温，得到完成的焊接的工件。
进一步限定的焊接方法的操作步骤如下：
所述步骤（2）中，所述加载为加载扭矩，加载扭矩为所述加载螺钉11距离扩散焊接工装的垂直中心的距离与作用力F的乘积，作用力F为250-1000N。
所述步骤（2）中，扩散焊接工装的垂直中心线为底板1的中心点和顶板4的中心点之间的垂直连线。
所述步骤（3）中，在30min内均匀加热升温至250℃保温40min；在30min内加热升温至400℃，保温120min；在40min内加热升温至500℃，保温120min；在30min内加热升温至530℃，保温60min；在10min内降温至500℃，保温30min；在20min内降温至400℃，保温30min；在15min内降温至200℃，保温30min；在30min内降温至80℃。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 本发明利用扩散焊接工装和热胀冷缩效应实现了对大型机载液冷骨架结构件的温度和力的控制。扩散焊接工装在室温下对两个面接触的零件的厚度方向进行约束，在升温过程中，扩散焊接工装和被焊零件在厚度方向上均发生热膨胀，由于焊接工装的材料耐热钢的热膨胀系数远小于而被焊零件的材料铝合金，因此被焊铝合金零件在升温膨胀过程中受到焊接工装的压力，且随着温度的升高，被焊零件的压缩变形越大，在焊接温度下，被焊零件的压力等于其铝合金材料的屈服强度。被焊零件在该压力和温度的作用下实现了扩散焊接。
2、利用本发明的扩散焊接工装实现扩散焊，避免了常规扩散焊需要具有高温压力加载装置的专用焊接设备，进而突破了常规扩散焊接设备的真空室尺寸限制，进而利用常规的大型真空设备即可实现大型结构的扩散焊。
3、利用本发明的扩散焊接工装实现扩散焊，焊接过程中被焊零件的变形量为被焊零件与焊接工装的热膨胀量差值，该差值（即变形量）可以通过垫板和压板的厚度进行精确调控，能够提高大型机载液冷骨架结构件的焊接质量、结构精度和可靠性。
4、利用本发明的扩散焊接工装实现扩散焊，可以实现一炉多件产品同时焊接，提高了产品焊接效率，降低了产品成本。
5、本发明扩散焊接工装设计合理，在实现扩散焊接工装对被焊零件约束的基础上，通过加载螺钉的施力调控，避免了压板发生变形，保证被焊零件与压板有效贴合，进而保证被焊零件表面受力均匀。
6、本发明的操作简单，通用性好，通过调节长侧板的短侧板的位置，能够实现各种尺寸零件的焊接。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为图1中拆除顶板的局部剖视图。
图5为顶板结构仰视图。
图6为图1中拆除顶板和一侧长侧板的结构示意图。
图7为在真空炉内加热操作的时间温度图。
图1-6中的序号：底板1、垫板2、压板3、顶板4、短侧板5、长侧板6、螺纹孔7、紧固螺钉8、液冷骨架结构件9、并紧螺母10、加载螺栓11、网格状加强筋41、通孔42、六边形孔口43。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
参见图1，一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装包括底板1、顶板4、一对短侧板5和一对长侧板6。
参见图2、图3和图5，底板1和顶板4结构相同；底板1的内侧面均为平板，外侧面上设有网格状加强筋41，每个网格为正方形，边长为200mm；每个网格的中部开设有通孔42。底板1的内侧面和顶板4的内侧面相对应，每个通孔42内装有螺纹连接件。
参见图4，底板1上固定设有一对长侧板6和一对短侧板5，一对长侧板6和一对短侧板5围成的空间为放置被焊接件的工件空间；一对长侧板6为一对平行板，一对短侧板5为一对平行板，一对短侧板5位于一对长侧板6之间；通过调节一对短侧板5之间的间距，实现调节工件空间的大小。一对长侧板6的顶部和底部、一对短侧板5的顶部和底部均分别开设有螺纹孔，通过螺纹孔和紧固螺钉8配合使一对长侧板6、一对短侧板5分别固定连接底板1和顶板4。
参见图3和图4，工件空间内的底板1上设有垫板2和压板3，通过加载螺栓11和并紧螺母10的配合，将压板3、被焊接件和垫板2压紧，顶板4内侧面中部的通孔孔口均为六边形孔口，并紧螺母10固定安装于六边形孔口内。
用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装的制作材料为耐热钢。
参见图6，用于焊接时，通过调节一对短侧板5之间的间距，调节好工件空间的大小；在工件空间内的底板1上放置垫板2，将被焊接工件放于垫板2上，压板3放在被焊接件工件的顶面，再盖上顶板4；通过顶板4上的紧固螺钉8、底板1上的紧固螺钉8将顶板4、一对短侧板5、一对长侧板6和底板1固定连接；通过顶板4上的加载螺栓11和并紧螺母10将压板3、被焊接工件和垫板2压紧，使顶板4、压板3、被焊接工件、垫板2和底板1形成一个固定的整体。
实施例2
本发明的具体焊接操作步骤如下：
（1）被焊接工件为板状的液冷骨架结构件9，液冷骨架结构件9的最小外接圆直径900mm，将液冷骨架结构件9放置于垫板2上，在液冷骨架结构件9的顶部加上压板3，再盖上顶板4。通过顶板4上的紧固螺钉8、底板1上的紧固螺钉8将顶板4、一对短侧板5、一对长侧板6和底板1固定连接，通过顶板4上的加载螺栓11和并紧螺母10将压板3、液冷骨架结构件9和垫板2压紧；使顶板4、压板3、液冷骨架结构件9、垫板2和底板1形成一个固定的整体。放入真空炉内的焊接工作平台上，要求焊接工作平台的平面度小于0.01um。液冷骨架结构件9居中放置，距离一对短侧板5和一对长侧板6的间距相等且为10mm，大于Δα×L×ΔT=（0.000023-0.000011)×900×（500-20)=5.2mm。
（2）通过顶板4上的加载螺栓11对液冷骨架结构件9进行加载，加载扭矩与加载螺栓11距离扩散焊接工装的垂直中心线的距离成正比，加载顺序为先远后近；距离扩散焊接工装的垂直中心的距离相等的加载螺栓11加载扭矩相等。加载扭矩为所述载螺钉11距离扩散焊接工装的垂直中心的距离与作用力F的乘积，作用力F取500N，即距离中心最近的4个加载螺栓11的加载扭矩为70NM，即距离中心第二近的12个加载螺栓11的加载扭矩为210NM。扩散焊接工装的垂直中心线为底板1的中心点和顶板4的中心点之间的垂直连线。
（3）关闭真空炉，真空度达到3×10-2Pa，参见图7，进行加热操作：在30min内均匀加热升温至250℃保温40min；在30min内加热升温至400℃，保温120min；在40min内加热升温至500℃，保温120min；在30min内加热升温至530℃，保温60min；在10min内降温至500℃，保温30min；在20min内降温至400℃，保温30min；在15min内降温至200℃，保温30min；在30min内降温至80℃。
（4）打开真空炉门，拆除加载螺栓11和紧固螺钉8，取出扩散焊接工装和被焊接件，冷却至室温，得到完成焊接的液冷骨架结构件9。
Claims (10)
1.一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：包括底板（1）、顶板（4）、一对短侧板（5）和一对长侧板（6）；
所述底板（1）和顶板（4）结构相同；底板（1）的内侧面均为平板，外侧面上设有网格状加强筋（41），每个网格的中部开设有通孔（42）；底板（1）的内侧面和顶板（4）的内侧面相对应；每个通孔（42）内设有螺纹连接件；底板（1）的内侧和顶板（4）的内侧相对应；
所述底板（1）上固定设有一对长侧板（6）和一对短侧板（5），一对长侧板（6）和一对短侧板（5）围成的空间为放置被焊接件的工件空间；工件空间内的底板（1）上设有垫板（2）和压板（3）；
用于焊接时，被焊接工件位于垫板（2）上，压板（3）位于被焊接工件的顶面，再盖上顶板（4）；通过顶板（4）上的螺纹连接件、底板（1）上的螺纹连接件将顶板（4）、一对短侧板（5）、一对长侧板（6）和底板（1）固定连接，通过顶板（4）上的加载螺栓（11）和并紧螺母（10）的配合将压板（3）、被焊接工件和垫板（2）压紧，使顶板（4）、压板（3）、被焊接工件、垫板（2）和底板（1）形成一个固定的整体。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：所述一对长侧板（6）为一对平行板，一对短侧板（5）为一对平行板，一对短侧板（5）位于一对长侧板（6）之间；通过调节一对短侧板（5）之间的间距，实现调节工件空间的大小。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：所述一对长侧板（6）的顶部和底部、一对短侧板（5）的顶部和底部均分别开设有螺纹孔，通过螺纹孔和紧固螺钉（8）配合使一对长侧板（6）、一对短侧板（5）分别固定连接底板（1）和顶板（4）。
4.根据权利要求1所述的一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：所述顶板（4）内侧面中部的通孔孔口均为六边形孔口，所述并紧螺母（10）固定设于所述六边形孔口内。
5.根据权利要求1所述的一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：每个网格为正方形，边长为150mm-250mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于大型液冷骨架结构件的扩散焊接工装，其特征在于：所述扩散焊接工装的零件材料均为耐热钢。
7.基于权利要求1所述的大型液冷骨架结构件的扩散焊接方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）被焊接工件为板状，将被焊接工件放置于垫板（2）上，在被焊接工件的顶部加上压板（3），再盖上顶板（4）；通过顶板（4）上的紧固螺钉、底板（1）上的紧固螺钉将顶板（4）、一对短侧板（5）、一对长侧板（6）和底板（1）固定连接，通过加载螺栓（11）和并紧螺母（10）的作用将压板（3）、被焊接的工件和垫板（2）压紧；使顶板（4）、压板（3）、被焊接件、垫板（2）和底板（1）形成一个固定的整体；并放置在真空炉内的焊接工作平台上；
焊接工作平台平面度小于0.01um；
被焊接工件距离一对短侧板（5）或一对长侧板（6）的最小间距S均应大于Δα×L×ΔT，Δα为被焊接工件材料与底板（1）材料的热膨胀系数差，L为被焊接工件最小外接圆直径，ΔT为焊接最高温度与室温的差；
（2）通过顶板（4）上的加载螺栓（11）对被焊接工件加载，加载扭矩与加载螺栓（11）距离扩散焊接工装的垂直中心线的距离成正比，加载顺序为先远后近；距离扩散焊接工装的垂直中心的距离相等的加载螺栓（11）加载扭矩相等；
（3）关闭真空炉，真空度达到3×10-2Pa，进行先加热后降温操作：在470min内，分别四个阶段加热升温至530℃；在165min内，分别四个阶段降温至80℃；
（4）打开真空炉门，拆除加载螺钉栓（11）和紧固螺钉（8），取出扩散焊接工装和被焊接件，冷却至室温，得到完成的焊接的工件。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述加载为加载扭矩，加载扭矩为所述载螺钉（11）距离扩散焊接工装的垂直中心的距离与作用力F的乘积，作用力F为250-1000N。
9.根据权利要求7或8所述的焊接方法，其特征在于：所述步骤（2）中，扩散焊接工装的垂直中心线为底板（1）的中心点和顶板（4）的中心点之间的垂直连线。
10.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于：所述步骤（3）中，具体加热操作是：在30min内均匀加热升温至250℃保温40min；在30min内加热升温至400℃，保温120min；在40min内加热升温至500℃，保温120min；在30min内加热升温至530℃，保温60min；在10min内降温至500℃，保温30min；在20min内降温至400℃，保温30min；在15min内降温至200℃，保温30min；在30min内降温至80℃。
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