CN109848498B - 一种复杂矩形喷管整体焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂矩形喷管整体焊接方法，包括如下步骤：根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；四部分组件包括相对称的左侧组件和右侧组件，以及相对称的上部组件和下部组件；在第一不锈钢基板上铺满箔状钎料，将第一铜板设有冷却槽道的一面朝向箔状钎料，用工装压紧后真空钎焊得左侧组件和右侧组件；以第二不锈钢基板的弧面为结合面，在其上铺满箔状钎料，然后将第二铜板贴合弧面朝向箔状钎料，用工装压紧后真空钎焊得上部组件和下部组件；将各组件组装成矩形结构，在连接缝处铺设膏状钎料，压紧后真空钎焊得矩形喷管整体组件。本发明采用分部加工钎焊后再整体钎焊，降低了加工难度。

Description

一种复杂矩形喷管整体焊接方法

技术领域

本发明属于航空航天设备技术领域，涉及一种复杂矩形喷管整体焊接方法。

背景技术

喷管的扩散-收敛结构件被应用于航空航天领域的高速或高超音速飞行器上和风洞试验中。在高超音速飞行状态下，矩形喷管的扩散-收敛结构件喉道段需要承受高压以及超过2100℃的高温的恶劣工况条件；为提高矩形喷管的扩散-收敛结构件在高温、高压下的使用寿命，一般设计不锈钢与铜合金复合的、带有许多薄壁槽道的复杂主动冷却结构。

因矩形喷喉道段扩散-收敛的特殊结构，部分焊接面为曲面，对矩形喷管整体钎焊时对工装要求较高，工装夹持困难且加工难度大，钎焊面的密封性得不到保证。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种复杂矩形喷管整体焊接方法，采用分部加工钎焊后再整体钎焊，降低了加工难度，并保证了复杂矩形喷管整体结构的密封性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种复杂矩形喷管整体焊接方法，包括如下步骤：

(1)根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；其中，四部分组件包括相对称的左侧组件和右侧组件，以及相对称的上部组件和下部组件；左侧组件和右侧组件均包括第一不锈钢基板和一面开设有冷却槽道的第一铜板；上部组件和下部组件均包括具有弧面的第二不锈钢基板和能与其相贴合的第二铜板，第二铜板的贴合弧面上开设有冷却槽道；

(2)在第一不锈钢基板表面上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第一铜板设有冷却槽道的一面朝向箔状钎料，与第一不锈钢基板紧密贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉，得到左侧组件和右侧组件；

(3)以第二不锈钢基板的弧面作为结合面，在其上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第二铜板贴合弧面朝向箔状钎料，与第二不锈钢基板贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；再将第二铜板加工成厚度均匀、与第二不锈钢基板的弧面相一致的弧面，得到上部组件和下部组件；

(4)将上部组件的弧面和下部组件的弧面相对，将其平放在左侧组件的上方，保证上部组件的弧面和下部组件的弧面之间的最小间距为理论喉道值；再将右侧组件放置在上部组件和下部组件的上方，组装成整体组件，形成内腔结构；向内腔的连接缝处注满膏状钎料HBNi82CrSiB，采用工装将组装后的整体组件进行定位压紧；

(5)将步骤(4)中整体组件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对整体组件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉。

进一步，步骤(4)中的工装包括拉杆和定位端板；在第一不锈钢基板和第二不锈钢基板的端部均开设多个通孔，在组装后的整体组件的前端面和后端面均放置定位端板，拉杆的两端分别穿过前端面的和后端面的定位端板，拉杆通过拉杆螺帽固定。

进一步，步骤(4)中在组装后的整体组件内放置与整体组件内腔相匹配的定位型芯；所述的定位型芯包括按径向长度分割成与整体组件内腔结构相匹配的第一型芯、第二型芯、第三型芯、第四型芯、第五型芯和第六型芯。

进一步，所述的步骤(2)和步骤(3)中真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为8～10h。

进一步，所述的步骤(5)中的真空钎焊的压力为0.01～300Pa，温度为300℃～1100℃，时间为6～10h。

进一步，将第二不锈钢基板和第二铜板真空钎焊后，将第二铜板的壁厚加工至8～10mm。

进一步，步骤(2)和步骤(3)中箔状钎料HBCu58MnCo的铺设厚度为0.03mm。

进一步，对步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中压紧后的组件和整体组件进行钎焊缝隙尺寸检测，保证钎缝间隙尺寸均匀一致。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种复杂矩形喷管整体焊接方法，采用先分部加工再整体钎焊的工艺，降低了钎焊难度，同时保证了整体组件的密封性。本发明首先根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；四部分组件包括相对称的左侧组件和右侧组件，以及相对称的上部组件和下部组件；其次将第一不锈钢基和第一铜板真空钎焊后得到左侧组件和右侧组件，再将第二不锈钢基和第二铜板真空钎焊后得到上部组件和下部组件；最后将上部组件、下部组件、左侧组件和右侧组件进行组装后真空钎焊得到整体组件。本发明采用分部加工的方法，使复杂矩形喷管整体焊接的加工难度降低，同时加工过程中各组件钎焊面紧密贴合，增大了钎焊面积，进而增强了复杂矩形喷管整体结构的密封性。

附图说明

图1为本发明的第一铜板的俯视图；

图2为本发明的第二铜板的截面图；

图3为本发明的上部组件的截面图；

图4为本发明的上部组件、下部组件与左侧组件的装配结构示意图；

图5为本发明的复杂矩形喷管整体结构外部示意图；

图6为本发明的复杂矩形喷管整体内部结构截面图。

其中，1为第一不锈钢基板，2为第一铜板，3为第二不锈钢基板，4为第二铜板，5为冷却槽道，6左侧组件，7为右侧组件，8为上部组件，9为下部组件，10为第一型芯，11为第二型芯，12为第三型芯，13为第四型芯，14为第五型芯，15为第六型芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种复杂矩形喷管整体焊接方法，包括如下步骤：

(1)根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；其中，四部分组件包括相对称的左侧组件6和右侧组件7，以及相对称的上部组件8和下部组件9；左侧组件6和右侧组件7均包括第一不锈钢基板1和一面开设有冷却槽道5的第一铜板2；上部组件8和下部组件9均包括具有弧面的第二不锈钢基板3和能与其相贴合的第二铜板4，第二铜板4的贴合弧面上开设有冷却槽道5；

(2)在第一不锈钢基板1表面上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第一铜板2设有冷却槽道5的一面朝向箔状钎料，与第一不锈钢基板1紧密贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉，得到左侧组件6和右侧组件7；

(3)以第二不锈钢基板3的弧面作为结合面，在其上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第二铜板4贴合弧面朝向箔状钎料，与第二不锈钢基板3贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；再将第二铜板4加工成厚度均匀、与第二不锈钢基板3的弧面相一致的弧面，得到上部组件8和下部组件9；

(4)将上部组件8的弧面和下部组件9的弧面相对，将其平放在左侧组件6的上方，保证上部组件8的弧面和下部组件9的弧面之间的最小间距为理论喉道值；再将右侧组件7放置在上部组件8和下部组件9的上方，组装成整体组件，形成内腔结构；向内腔的连接缝处注满膏状钎料HBNi82CrSiB，采用工装将组装后的整体组件进行定位压紧；

(5)将步骤(4)中整体组件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对整体组件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉。

具体的，所述的左侧组件6和右侧组件7相对称，上部组件8和下部组件9相对称。第一不锈钢基板1和第一铜板2的上表面和下表面均为平面，在第一铜板2的上表面开设多条冷却槽道5；采用储能焊的方式将箔状钎料HBCu58MnCo铺满第一不锈钢基板1的上表面，用工装将第一铜板2和第一不锈钢基板1的上表面紧密贴合并压紧，在压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃的条件下真空钎焊，得到左侧组件6和右侧组件7。

真空钎焊左侧组件6和右侧组件7时，具体操作如下：

装炉：打开炉门将组件装入真空钎焊炉中有效均温区并立即关上炉门；

抽真空：冷态抽真空，使炉内真空度达1×10^-2Pa，防止钎料中Mn、Cu元素挥发，给炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150Pa；

以30℃/h的速度加热到450℃，保温60min；

再以60℃/h的速度加热到700℃，分压50pa，保温120min；

以90℃/h的速度加热到900℃，分压100pa，保温300min；

以100℃/h的速度加热到1095℃，分压150pa，开始钎焊；

真空钎焊：在1095℃±5℃钎焊时，保持50min，开始真空钎焊。

冷却程序：以90℃/h的速率控温冷却到700℃关分压阀，随炉真空冷却，使工件冷却至65℃出炉。

具体的，所述的第二不锈钢基板3下表面和第二铜板4的下表面均为平面；第二不锈钢基板3上表面为中部凸起的弧面，下表面为平面；第二铜板4的上表面与第二不锈钢基板3的上表面相匹配，在第二铜板4的上表面开设多条冷却槽道5，第二铜板4的下表面为平面；用储能焊的方式将箔状钎料HBCu58MnCo铺满第二不锈钢基板3的上表面，用工装将第二铜板4的上表面和第二不锈钢基板3的上表面紧密贴合并压紧，在压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃的条件下真空钎焊；真空钎焊完毕后，将第二铜板4的下表面用车床加工成与第二不锈钢基板3上表面弧度相一致的弧面，保证第二铜板4的壁厚为8～10mm，得到上部组件8和下部组件9。真空钎焊上部组件8和下部组件9的具体操作与钎焊左侧组件6和右侧组件7的真空钎焊操作与参数相同，在此不再赘述。

本发明的复杂矩形喷管的材料主要为AISI304和Cr-Zr-Cu。所述的第一不锈钢基板1和第二不锈钢基板3的材料均为AISI304。AISI304固溶处理后为单相奥氏体组织，具有较高的强度，良好的韧性、塑性、焊接性以及抗腐蚀性能。所述的第一铜板2和第二铜板4的材料均为Cr-Zr-Cu。Cr-Zr-Cu固溶-时效强化合金，具有高强高导特性，具有良好的抗蚀性和高温抗氧化性，也具有良好的焊接性能，能很好的承受冷态和热态压力加工。

在分别真空钎焊后得到左侧组件6、右侧组件7、上部组件8和下部组件9后，将上部组件8的弧面和下部组件9的弧面相对，将其平放在左侧组件6的上方，并将右侧组件7放置在上部组件8和下部组件9的上方，组装成矩形喷管整体组件，形成内腔结构；用注射器沿矩形喷管整体组件的内腔的连接缝均匀铺设膏状钎料HBNi82CrSiB；其中，步骤(4)中上部组件8的弧面和下部组件9的弧面之间的最小间距为理论喉道值，理论喉道值通常在3～5mm。对上部组件8的弧面和下部组件9的弧面之间的最小间距进行尺寸检测，保证最小间距尺寸在3～5mm，采用工装将矩形结构整体组件进行定位压紧。组装矩形结构整体组件时，若将上部组件8和下部组件9按上下位置组装时，无法保证内腔的最窄处的尺寸，因此，将上部组件8和下部组件9左右放置，将左侧组件6和右侧组件7上下放置，完成组装过程。

步骤(5)中，对整体组件进行真空钎焊时，具体操作如下：

装炉：打开炉门将组件装入真空钎焊炉中有效均温区并立即关上炉门；

抽真空：冷态抽真空，使炉内真空度达1×10^-2Pa，防止钎料中Mn、Cu元素挥发，给炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150Pa；

以30℃/h的速度加热到450℃，保温60min；

再以60℃/h的速度加热到700℃，分压5pa，保温60min；

以90℃/h的速度加热到900℃，分压30pa，保温240min；

以100℃/h的速度加热到1095℃，分压50pa，开始钎焊；

真空钎焊：在1095℃±5℃钎焊时，保持20min，开始真空钎焊。

冷却程序：以90℃/h的速率控温冷却到700℃关分压阀，随炉真空冷却气体冷却到200℃充填高纯氩气，氩气纯度为99.999％，使炉内压力达到9×104Pa，气体冷却，使工件冷却至65℃出炉。

最后，分别在矩形喷管两侧焊接O型喷管，电流80-100A，氩气流量5-8L/min。焊丝材料为0Cr21Ni10，对夹层及O型水管进行8.5MPa水压试验，保持30min，对氩弧焊焊缝逐一进行检查，对泄漏垫进行有效标记。

压力试验：

分别对真空钎焊得到的复杂矩形喷管的整体组件的扩张段和喉道段进行压力试验，在2.0MPa～9.5MPa下每升高0.5MPa，保压5min，对整体组件的扩张段和喉道段进行压力测试均合格；在10.0MPa下保压30min，对整体组件的扩张段和喉道段进行压力测试均合格。

进一步，步骤(4)中的工装包括拉杆和定位端板；在第一不锈钢基板1和第二不锈钢基板3的端部均开设多个通孔，在组装后的整体组件的前端面和后端面均放置定位端板，拉杆的两端分别穿过前端面的和后端面的定位端板，拉杆通过拉杆螺帽固定。

需要说明的是，步骤(4)中的工装还包括压紧块，定位端板有两个，分别设置在整体组件的前端面和后端面，拉杆的两端分别穿过前端面的和后端面的定位端板，并通过拉杆螺帽固定拉杆，从而将整体组件在水平方向上固定；其中压紧块可设置多个，将压紧块放置在整体组件的上部，采用螺杆将压紧块固定，用于将整体组件定位压紧，使各个组件之间紧密贴合并压紧，然后由中间向两边检测钎焊间隙，保证钎缝间隙小于等于0.05mm，并且均匀一致。另外，在整体组件底部放置高纯石墨底座，为整体组件提供底部支撑。在钎焊前，在工装和整体组件的结合面涂抹阻钎剂，以防止工装和工件粘连。

进一步，步骤(4)中在组装后的整体组件内放置与整体组件内腔相匹配的定位型芯；所述的定位型芯包括按径向长度分割成与整体组件内腔结构相匹配的第一型芯10、第二型芯11、第三型芯12、第四型芯13、第五型芯14和第六型芯15。

具体的，将左侧组件6、右侧组件7、上部组件8和下部组件9装配后，如图6所示，在整体组件内放置与整体组件内腔相匹配的定位型芯，其中定位型芯包括第一型芯10、第二型芯11、第三型芯12、第四型芯13、第五型芯14和第六型芯15。其中，第一型芯10、第二型芯11、第五型芯14和第六型芯15选用Q235材料，第三型芯12和第四型芯13选用石墨材料。因第一铜板2和第二铜板4的厚度为8～10mm，均为型面薄壁件，在整体组件内部设置第一型芯10、第二型芯11、第三型芯12、第四型芯13、第五型芯14和第六型芯15主要是用于定位和控制变形，使各工件钎焊面紧密贴合，增强了复杂矩形喷管整体结构的密封性。

进一步，所述的步骤(2)和步骤(3)中真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为8～10h。

进一步，所述的步骤(5)中的真空钎焊的压力为0.01～300Pa，温度为300℃～1100℃，时间为6～10h。

进一步，将第二不锈钢基板3和第二铜板4真空钎焊后，将第二铜板4的壁厚加工至8～10mm。具体的，通过铣加工的方式将第二铜板4的壁厚加工至8～10mm。

进一步，步骤(2)和步骤(3)中箔状钎料HBCu58MnCo的铺设厚度为0.03mm。

进一步，对步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中压紧后的组件和整体组件进行钎焊缝隙尺寸检测，保证钎缝间隙尺寸均匀一致，保证钎焊缝隙小于等于0.05mm。

由以上技术方案，本发明提供了一种复杂矩形喷管整体焊接方法，采用先分部加工再整体钎焊的工艺，降低了钎焊难度，同时保证了整体组件的密封性。本发明首先根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；四部分组件包括相对称的左侧组件6和右侧组件7，以及相对称的上部组件8和下部组件9；其次将第一不锈钢基和第一铜板2真空钎焊后得到左侧组件6和右侧组件7，再将第二不锈钢基和第二铜板4真空钎焊后得到上部组件8和下部组件9；最后将上部组件8、下部组件9、左侧组件6和右侧组件7进行组装后真空钎焊得到整体组件。本发明采用分部加工的方法，使复杂矩形喷管整体焊接的加工难度降低，同时加工过程中各组件钎焊面紧密贴合，增大了钎焊面积，进而增强了复杂矩形喷管整体结构的密封性。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据待加工的复杂矩形喷管的设计要求，将其按照四部分组件分别制造后再进行真空钎焊；其中，四部分组件包括相对称的左侧组件和右侧组件，以及相对称的上部组件和下部组件；左侧组件和右侧组件均包括第一不锈钢基板和一面开设有冷却槽道的第一铜板；上部组件和下部组件均包括具有弧面的第二不锈钢基板和能与其相贴合的第二铜板，第二铜板的贴合弧面上开设有冷却槽道；

(2)在第一不锈钢基板表面上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第一铜板设有冷却槽道的一面朝向箔状钎料，与第一不锈钢基板紧密贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉，得到左侧组件和右侧组件；

(3)以第二不锈钢基板的弧面作为结合面，在其上铺满箔状钎料HBCu58MnCo，然后将第二铜板贴合弧面朝向箔状钎料，与第二不锈钢基板贴合并用工装压紧；放入真空钎焊炉后进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；再将第二铜板加工成厚度均匀、与第二不锈钢基板的弧面相一致的弧面，得到上部组件和下部组件；

(4)将上部组件的弧面和下部组件的弧面相对，将其平放在左侧组件的上方，保证上部组件的弧面和下部组件的弧面之间的最小间距为理论喉道值；再将右侧组件放置在上部组件和下部组件的上方，组装成整体组件，形成内腔结构；向内腔的连接缝处注满膏状钎料HBNi82CrSiB，采用工装将组装后的整体组件进行定位压紧；

(5)在步骤(4)中组装后的整体组件内放置与整体组件内腔相匹配的定位型芯；将整体组件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对整体组件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉。

2.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，步骤(4)中的工装包括拉杆和定位端板；在第一不锈钢基板和第二不锈钢基板的端部均开设多个通孔，在组装后的整体组件的前端面和后端面均放置定位端板，拉杆的两端分别穿过前端面的和后端面的定位端板，拉杆通过拉杆螺帽固定。

3.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，所述的定位型芯包括按径向长度分割成与整体组件内腔结构相匹配的第一型芯、第二型芯、第三型芯、第四型芯、第五型芯和第六型芯。

4.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，所述的步骤(2)和步骤(3)中真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为8～10h。

5.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的真空钎焊的压力为0.01～300Pa，温度为300℃～1100℃，时间为6～10h。

6.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，将第二不锈钢基板和第二铜板真空钎焊后，将第二铜板的壁厚加工至8～10mm。

7.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中箔状钎料HBCu58MnCo的铺设厚度为0.03mm。

8.根据权利要求1所述的复杂矩形喷管整体焊接方法，其特征在于，对步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中压紧后的组件和整体组件进行钎焊缝隙尺寸检测，保证钎缝间隙尺寸均匀一致。

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