CN109773295B - 一种月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：准备钻头基体、切削具、焊丝和助焊剂；步骤二：对钻头基体和切削具进行喷砂处理；然后对焊丝、钻头基体和切削具进行无水乙醇清洗；步骤三：将切削具与钻头基体进行装配；步骤四：设置黄铜钎焊的焊嘴参数，得到钎焊火焰；步骤五：根据步骤四中的钎焊火焰对步骤三中装配好的钻头基体与切削具进行预热；步骤六：对步骤五中预热好的切削具与钻头基体进行焊接；步骤七：对步骤六中焊接好的切削具与钻头基体进行保温；步骤八：对步骤七中保温后的切削具与钻头基体进行无损检测。本发明对关键工艺参数进行严格控制，且进行焊缝质量检测，致使钻头焊接可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于深空探测技术领域，尤其涉及一种月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法。
背景技术
探月三期钻取采样装置需要通过钻进取芯技术，钻取着陆点目标区域内深度约2米的月壤样品。钻取的对象是复杂的月壤工况，具有高密实度、低导热率等特点，钻进过程中会受到复杂的力载作用，并产生很大的热量，这对钻具的硬度、强度、耐磨性、耐热性等性能提出了很高的要求，从而对钻头钎焊与检测的方法提出了挑战。
现有地面小尺寸钻头钎焊一般采用铜基或镍基手工钎焊，对关键工艺参数未进行严格控制，且无法进行焊缝质量检测，致使钻头焊接可靠性较低，甚至会产生过烧导致钻头性能退化。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法，对关键工艺参数进行严格控制，且进行焊缝质量检测，致使钻头焊接可靠性高。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：准备钻头基体、切削具、焊丝和助焊剂；步骤二：对钻头基体和切削具进行喷砂处理；然后对焊丝、钻头基体和切削具进行无水乙醇清洗；步骤三：将步骤二中的切削具与钻头基体进行装配；步骤四：设置黄铜钎焊的焊嘴参数，得到钎焊火焰；步骤五：根据步骤四中的钎焊火焰对步骤三中装配好的钻头基体与切削具进行预热；步骤六：对步骤五中预热好的切削具与钻头基体进行焊接；步骤七：对步骤六中焊接好的切削具与钻头基体进行保温；步骤八：对步骤七中保温后的切削具与钻头基体进行无损检测。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤一中，钻头基体的材料为合金钢，牌号为40CrNiMoA，技术标准为GB/T 3077-1999；切削具的材料为硬质合金，牌号为YG6x，技术标准为Q/OHNG 039；焊丝为黄铜焊丝，牌号为SCu4700，技术标准为GB/T9460-2008，规格是Φ1.6mm；助焊剂为铜气焊熔剂。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤二中，对钻头基体和切削具进行喷砂处理包括如下步骤：将切削具按序号顺序装入方格托盘中，与钻头基体一起放入喷砂机腔内，调整喷砂机空气压力调到4MPa，使用46目白刚玉砂进行喷砂，喷砂后将切削具和钻头基体表面的浮灰用气枪吹除。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤二中，对焊丝、钻头基体和切削具进行无水乙醇清洗包括：将焊丝与喷砂好的切削具、钻头基体分别用无水乙醇浸泡并用纱布擦洗，并用气枪吹干。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤三中，将步骤二中的切削具与钻头基体进行装配包括：切削具与钻头基体进行安装固定，单边焊缝间隙L范围在0.1mm～0.15mm之间；其中，切削具分为四组，每组切削具包括第一切削具和第二切削具，每组切削具设置于相对应的钻头基体的刀翼的安装孔中。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤四中，设置黄铜钎焊的焊嘴参数，得到钎焊火焰包括：选用￠6～￠9.52焊嘴，采用乙炔压力为0.05-0.06Mpa，氧气压力为0.5-0.6Mpa，打开乙炔气阀，点火后调节氧气阀调出碳化焰后再调大氧气阀直到白色外焰距蓝色2～4mm，即内焰与焰心重合。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤五中，根据步骤四中的钎焊火焰对步骤三中装配好的钻头基体与切削具进行预热包括：将装配好的钻头基体与切削具放在焊接平台上准备预热；开始预热，焊嘴距切削具20-40mm，火焰向钻头基体四周均匀加热,用红外测温仪监测钻头基体的温度，当温度达到450-550℃时，准备焊接。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤六中，对步骤五中预热好的切削具与钻头基体进行焊接包括：每个切削具的每个侧面均焊接于相对应的安装孔中，在需焊接位置加助焊剂，将焊丝置于切削具最高点的内侧，用中外焰加热，焊丝熔融后渗入装配间隙，直至渗满，把火焰移开，让其凝固；其中，在每组切削具中，先焊接第二切削具，再焊接第一切削具，直至完成全部切削具的焊接；红外测温仪实时监控每个切削具顶面的温度，控制在850-950℃，保持焊嘴距焊接件距离20-40mm，火焰轴向加热区域为20-30mm；每个切削具点3下，焊接时间控制在10-20秒。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤七中，对步骤六中焊接好的切削具与钻头基体进行保温包括如下步骤：1)将焊接好的切削具与钻头基体放置于焊接平台上自然冷却到50-100℃；2)然后放入箱式电阻炉内保温，温度为400℃，时间1小时；3)最后取出自然冷却到室温。
上述月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法中，在步骤八中，对步骤七中保温后的切削具与钻头基体进行无损检测包括如下步骤：借助于CT扫描测量仪器对焊缝内部进行无损检测，若焊缝内部缺陷面积与焊缝剖切面面积的比率不大于15％，则为合格。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)与现有小尺寸钻头手工钎焊相比，本发明对切削具与钻头基体钎焊间隙进行了量化控制，从而获得焊缝最优的抗拉与抗剪强度；
(2)本发明对焊接过程关键参数进行了量化控制，既保证了钎料的良好的流动性，消除焊缝缺陷，又确保了钻头切削具不会发生过烧，从而使钻头具有很高的硬度、强度、耐磨性，并获得最优的综合性能；
(3)本发明能有效检测出有焊缝填充缺陷问题并进行量化的判断，实现无损、可靠的检测，并具有经济性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的焊接加热操作图；
图3是本发明实施例提供的钻头焊接顺序设计图；
图4是本发明实施例提供的CT无损检测扫描剖面示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的月壤钻取用钻头钎焊与无损检测方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一：进行原材料准备。准备好焊接的相关材料，包括钻头基体、切削具、焊丝、助焊剂，并进行检验。钻头基体原材料为合金钢，牌号40CrNiMoA，技术标准GB/T 3077-1999，并进行检验；切削具原材料为硬质合金，牌号YG6x，技术标准Q/OHNG 039，对密度、洛氏硬度、抗弯强度、冲击韧性、金相组织、断面组织、表面缺陷等进行检验；焊丝为黄铜焊丝，牌号SCu4700，技术标准GB/T9460-2008，规格是Φ1.6mm。检验要求焊丝表面光滑、无毛刺、凹坑、划痕、裂纹等缺陷；助焊剂为铜气焊熔剂。
步骤二：进行焊前清理。清除钢材基体、硬质合金切削具表面及接合处的油污、氧化物、毛刺及其它杂物，保证焊接件的接合面的清洁与干燥，具体包括：
1)喷砂处理：将切削具按序号顺序装入方格托盘中，与钻头基体一起放入喷砂机腔内，调整喷砂机空气压力调到4MPa，使用46目白刚玉砂进行喷砂，以材料部分出现银灰色清洁表面为准，喷砂后将工件表面的浮灰用气枪吹干净；
2)无水乙醇清洗：将焊丝与喷砂好的切削具、钻头基体分别用无水乙醇浸泡并用纱布擦洗，清洗干净后用气枪吹干，切削具按序号顺序放入方格托盘中待检，钻头基体与焊丝放入不锈钢托盘待检。
步骤三：清洁度检验。在装配和焊前以7倍放大镜检查钻头基体、切削具以及焊丝的表面清洁度和干燥度，不允许出现不干净、潮湿或被氧化的情况。
步骤四：切削具与钻头基体装配。切削具与钻头基体提前进行安装固定，保证合适均匀的钎缝间隙，双边焊缝间隙在0.2mm～0.3mm之间，单边焊缝间隙L范围在0.1mm～0.15mm之间，安装好后进行实测并完成记录。单边焊缝间隙L为钻头基体的安装孔与最近的切削具的外表面之间的距离(如图2所示)。
钻头基体共有四个刀翼，沿圆周90°排列，其中一个刀翼的外侧面刻有数字“1”做为基准，即第一刀翼，按顺时针方向，其余三个刀翼分别为第二刀翼、第三刀翼及第四刀翼。每个刀翼上安装一组切削具，每一组切削具包括第一切削具1和第二切削具2，第一切削具1安装在靠近外径的孔，第二切削具2安装在靠近内径的孔。检验切削具安装的配合间隙是否合适，并进行间隙尺寸测量与记录。
步骤六：设置黄铜钎焊的焊嘴参数，得到钎焊火焰：
火焰采用适合黄铜钎焊的中性焰，火焰调节方法：(1)选择焊嘴，选用￠6～￠9.52焊嘴。(2)调节合适气压大小，采用乙炔压力为0.05-0.06Mpa，氧气压力为0.5-0.6Mpa。(3)火焰调节：首先打开乙炔气阀，点火后调节氧气阀调出明显的碳化焰后再缓慢调大氧气阀直到白色外焰距蓝色2～4mm，此时外焰轮廓已模糊，即内焰与焰心将重合。
步骤七：预热。预热操作步骤包括：1)将装配好的钻头基体与切削具放在焊接平台上准备预热；2)开始预热，焊嘴距切削具20-40mm，火焰向钻头基体四周均匀加热,用红外测温仪监测钻头基体的温度(非火焰处)，当温度达到450-550℃时，准备焊接。加热操作如图2所示。
步骤八：焊接。具体操作包括：
1)焊接顺序：切削具分为四组，每组包括第一切削具1和第二切削具2，每组切削具设置于相对应的钻头基体的刀翼的安装孔中，焊接时先焊其中一个第二切削具2，再焊同组的第一切削具1。焊完一组后再焊接下一组。焊接顺序设计图如图3所示。
2)接头形式：每个切削具的每个侧面均焊接于相对应的安装孔中。
3)焊接步骤：
在需焊接位置加助焊剂，将焊丝置于切削具最高点的内侧，用中外焰加热，焊丝熔融后渗入装配间隙，每一点焊3下，直至渗满，确保助焊剂全部排出，立即把火焰移开，让其凝固；按第1项的顺序重复整个步骤，直至完成全部切削具的焊接。
4)温度控制要求：红外测温仪实时监控八个切削具顶面的温度，控制在850-950℃，保持焊嘴距焊接件距离20-40mm，火焰轴向加热区域为20-30mm；
5)时间控制要求：每个切削具点3下，焊接时间控制在10-20秒。
6)过程控制要求：技术人员现场监督，焊接全程摄像记录，填写《焊接工艺参数记录》。
步骤九：保温，具体操作包括：
1)钻头焊接完成后，于焊接平台上自然冷却到50-100℃。
2)放入箱式电阻炉内保温，温度400℃，时间1小时。
3)取出自然冷却到室温。
步骤十：焊后处理，具体操作包括：
1)调整喷砂机空气压力到4MPa，使用46目白刚玉砂对钻头喷砂，去除表面焊剂。
2)把钻头放入沸水炉1小时。
3)用打磨机清理多余的焊料，打磨遵守不碰硬质合金切削具的操作标准。
4)超声波清洗残留物。
步骤十一：焊后检验，具体操作包括：
1)检验方法：利用7倍放大镜观察钻头焊缝，局部缺陷使用40倍显微镜。
2)检验要求：A.焊缝接头表面光亮，填角均匀，光滑圆弧过度。
B.接头无过烧、表面严重氧化、焊缝粗糙、焊蚀等缺陷。
C.焊缝无气孔、夹渣、裂纹、焊瘤等现象。
并完成《表面质量检测报告》。
步骤十二：无损与同批试件剖切检测
借助于CT扫描等测量仪器将对焊缝内部是否填满钎料进行无损检测，利用检测图像和图片进行识别和检测，见下图CT扫描图片，每个切削具扫描2个正交剖面，1只钻头共扫面16个剖面，如图4所示。能有效检测出有焊缝填充缺陷问题，实现无损、高效的检测。
同时，针对同批次抽取一件钻头试件，进行破坏性的焊缝剖切(沿着硬质合金切削具进行剖切)，要求焊缝内部缺陷(未充填或充填有空洞)面积与焊缝剖切面面积的比率不大于15％，并与CT扫描结果进行对照，双重判断提高检测的可靠性。
与现有小尺寸钻头手工钎焊相比，本实施例对切削具与钻头基体钎焊间隙进行了量化控制，从而获得焊缝最优的抗拉与抗剪强度；本实施例对焊接过程关键参数进行了量化控制，既保证了钎料的良好的流动性，消除焊缝缺陷，又确保了钻头切削具不会发生过烧，从而使钻头具有很高的硬度、强度、耐磨性，并获得最优的综合性能；本实施例能有效检测出有焊缝填充缺陷问题并进行量化的判断，实现无损、可靠的检测，并具有经济性。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：准备钻头基体、切削具、焊丝和助焊剂；
步骤二：对钻头基体和切削具进行喷砂处理；然后对焊丝、钻头基体和切削具进行无水乙醇清洗；
步骤三：将步骤二中的切削具与钻头基体进行装配；
步骤四：设置黄铜钎焊的焊嘴参数，得到钎焊火焰；
步骤五：根据步骤四中的钎焊火焰对步骤三中装配好的钻头基体与切削具进行预热；
步骤六：对步骤五中预热好的切削具与钻头基体进行焊接；
步骤七：对步骤六中焊接好的切削具与钻头基体进行保温；
步骤八：对步骤七中保温后的切削具与钻头基体进行无损检测；
在步骤三中，将步骤二中的切削具与钻头基体进行装配包括：切削具与钻头基体进行安装固定，单边焊缝间隙(L)范围在0.1mm～0.15mm之间；其中，切削具分为四组，每组切削具包括第一切削具(1)和第二切削具(2)，每组切削具设置于相对应的钻头基体的刀翼的安装孔中；
在步骤六中，对步骤五中预热好的切削具与钻头基体进行焊接包括：每个切削具的每个侧面均焊接于相对应的安装孔中，在焊接位置加助焊剂，将焊丝置于切削具最高点的内侧，用中外焰加热，焊丝熔融后渗入装配间隙，直至渗满，把火焰移开，让其凝固；
其中，在每组切削具中，先焊接第二切削具(2)，再焊接第一切削具(1)，直至完成全部切削具的焊接；其中，第一切削具(1)安装在靠近外径的孔，第二切削具(2)安装在靠近内径的孔；
红外测温仪实时监控每个切削具顶面的温度，控制在850-950℃，保持焊嘴距焊接件距离20-40mm，火焰轴向加热区域为20-30mm；
每个切削具点3下，焊接时间控制在10-20秒。
2.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤一中，钻头基体的材料为合金钢，牌号为40CrNiMoA，技术标准为GB/T3077-1999；切削具的材料为硬质合金，牌号为YG6x，技术标准为Q/OHNG 039；焊丝为黄铜焊丝，牌号为SCu4700，技术标准为GB/T9460-2008，规格是Φ1.6mm；助焊剂为铜气焊熔剂。
3.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤二中，对钻头基体和切削具进行喷砂处理包括如下步骤：将切削具按序号顺序装入方格托盘中，与钻头基体一起放入喷砂机腔内，调整喷砂机空气压力调到4MPa，使用46目白刚玉砂进行喷砂，喷砂后将切削具和钻头基体表面的浮灰用气枪吹除。
4.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤二中，对焊丝、钻头基体和切削具进行无水乙醇清洗包括：将焊丝与喷砂好的切削具、钻头基体分别用无水乙醇浸泡并用纱布擦洗，并用气枪吹干。
5.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤五中，根据步骤四中的钎焊火焰对步骤三中装配好的钻头基体与切削具进行预热包括：将装配好的钻头基体与切削具放在焊接平台上准备预热；开始预热，焊嘴距切削具20-40mm，火焰向钻头基体四周均匀加热,用红外测温仪监测钻头基体的温度，当温度达到450-550℃时，准备焊接。
6.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤七中，对步骤六中焊接好的切削具与钻头基体进行保温包括如下步骤：
1)将焊接好的切削具与钻头基体放置于焊接平台上自然冷却到50-100℃；
2)然后放入箱式电阻炉内保温，温度为400℃，时间1小时；
3)最后取出自然冷却到室温。
7.根据权利要求1所述的月壤钻取用钻头钎焊方法，其特征在于：在步骤八中，对步骤七中保温后的切削具与钻头基体进行无损检测包括如下步骤：借助于CT扫描测量仪器对焊缝内部进行无损检测，若焊缝内部缺陷面积与焊缝剖切面面积的比率不大于15％，则为合格。
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