CN110039215A - 一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，用于将工件二焊接在工件一的凹槽内：沿凹槽的长度方向在工件一上开设N组台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽两侧的台阶；在凹槽内正对各台阶子口的位置垫放铜箔组，铜箔组包括位于凹槽底部的铜箔一、分别位于凹槽两侧壁的铜箔二、铜箔三，再将工件二的侧边压入凹槽内；固定工件一，焊接工件一与工件二，形成试件；采用对铜选择性消除的溶液将试件中的所有铜箔去除。本发明的目的在于提供一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，以解决现有技术无法解决高精度板槽焊接结构精密缝隙控制的问题，实现对板槽焊接结构的缝隙进行高精度控制、得到更为精密的缝隙值的目的。

Description

一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构

技术领域

本发明涉及精密缝隙领域，具体涉及一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构。

背景技术

在航空、航天、船舶以及核工业关键部件及结构设计及制造中常常存在大小不一的缝隙，会存在发生缝隙腐蚀的风险，进而对焊接结构的承载能力和可靠性等产生不良影响。缝隙大小对腐蚀的影响规律以及设计时应该规避的腐蚀敏感值范围等相关问题，对产品结构的优化设计与改进、产品可靠性评价等具有较强的工程意义。在核工业燃料组件特殊焊缝结构环境强度可靠性研究过程中，为了深入研究薄壁槽板焊接结构缝隙腐蚀分析研究及控制等问题，需要获得更为精密的缝隙值(公差带0.02mm)，控制精度比传统指标(公差带0.26mm)要求提高一个数量级。

目前，针对流道、缝隙尺寸控制的研究报道较多。专利号为CN108825430A的现有技术通过应用弹簧及材料热胀冷缩的性质达到传力构件与叶片端部间隙控制的目的，但该方案只是通过机械结构动态控制缝隙在一定范围变化。专利号为CN108382497A的现有技术通过在辅具本体中设计一特定结构仿形面起到装配时控制后背门与车体间间隙的作用，该现有技术适合于曲面间隙的控制，然而间隙控制精度不高，只能保证在1.5mm之内。专利号为CN207576779U的现有技术通过在设备机架上设置有对间隙大小进行测量的控制器，在上胶装置上安装间隙控制驱动器，通过智能系统实现间隙尺寸的精确控制，但是该方案难以实现复杂结构缝隙控制。从目前可查询到已公开的资料显示，对于精度要求如此严格(公差带0.02mm)的类似板槽焊接结构精密缝隙控制方法和制备方法尚未见报道，现有技术中没有成熟的经验可供借鉴。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，以解决现有技术无法解决高精度板槽焊接结构精密缝隙控制的问题，实现对板槽焊接结构的缝隙进行高精度控制、得到更为精密的缝隙值的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种精密缝隙试样的制备方法，用于将工件二焊接在工件一的凹槽内，包括以下步骤：

(a)沿凹槽的长度方向在工件一上开设N组台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽两侧的台阶，其中N≥2；

(b)在凹槽内正对各台阶子口的位置垫放铜箔组，所述铜箔组包括位于凹槽底部的铜箔一、分别位于凹槽两侧壁的铜箔二、铜箔三，再将工件二的侧边压入所述凹槽内；

(c)固定工件一，焊接工件一与工件二，形成试件；

(d)采用对铜选择性消除的溶液将试件中的所有铜箔去除。

针对现有技术中无法解决高精度板槽焊接结构精密缝隙控制的问题，本发明提出一种精密缝隙试样的制备方法，在工件一的凹槽两侧开设相互正对的台阶，每两个相互正对的台阶构成一组台阶子口，N组台阶子口沿凹槽的长度方向进行分布。凹槽两侧相对的台阶起到增强对工件二的限位能力、便于各铜箔的安放、提供可靠焊点便于焊接操作施工的效果。每组台阶子口均对应一组铜箔组，铜箔组包括位于凹槽底部的铜箔一、分别位于凹槽两侧壁的铜箔二、铜箔三，即是各自独立分布的三块铜箔形成薄壁板槽典型缝隙分布结构，以各铜箔充填在所需形成的缝隙内。

之后将工件二的侧边压入所述凹槽内，工件二进入凹槽的过程中，会逐渐挤压两侧的铜箔二、铜箔三，最终工件二的端部抵拢铜箔一。此时，工件二的端面和两侧面分别与铜箔一、铜箔二、铜箔三紧密接触。再通过各类夹具或工装将工件一固定，使工件一保持在稳定状态下对工件一和工件二进行焊接，焊接后即可形成试件整体。最后采用能够对铜选择性消除的溶液来对焊接后的试件进行处理，消除试件中的铜箔一、铜箔二、铜箔三。其中，所述溶液需满足不会对工件一、工件二的母材造成影响。本发明根据工件一、工件二具体的母材类型选取对应的溶液进行处理即可，在此不做限定，本领域技术人员完全有能力根据实际母材种类，选取不损耗母材又能消除掉铜箔的溶液进行处理，处理方式优选为通过酸洗溶铜方式将铜箔溶解。本发明在上述方法中，铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。本发明中台阶子口的组数大于或等于两组，以确保插入在凹槽内的工件二的两侧各自挤压至少两组铜箔二、铜箔三，以确保工件二的侧边沿凹槽长轴可靠分布，避免工件二的侧边在凹槽内发生歪斜。

步骤(d)中，先对试件进行热处理，再去除所有铜箔。通过热处理以便消除应力，稳定尺寸。

所述热处理工艺为退火。

所有铜箔均通过酸洗工艺控制厚度。

本发明中各铜箔的厚度最终反应为成型试件的各缝隙宽度，因此对于铜箔的厚度尺寸有极高要求，才能够满足公差带在0.02mm数量级的缝隙精密控制。因此，本方案中所使用的铜箔，都经过酸洗工艺来控制厚度，进一步抵消加工误差带来的缝隙控制偏差，通过酸洗精密控厚获得的铜箔衬垫在缝隙内，能够大大提高缝隙的控制精度。

步骤(c)中工件一的固定通过外压工装实现。

优选的，所述外压工装包括通槽、穿过通槽的一侧侧壁插入通槽内部的若干压紧螺栓，压紧螺栓位于通槽内的一端连接压块，通槽远离压紧螺栓所在方向的一侧内壁为基准面一，通槽底面为基准面二。

外压工装的通槽用于放置工件一，当工件二挤入工件一内的凹槽后，工件一与工件二的结构已经相对稳定，将工件一放入外压工装的通槽中，工件二同样位于工件一上，通过压紧螺栓驱动各压块向工件一方向进行运动，即可通过各压块将工件一牢固的压持在通槽内侧壁上，从而实现对工件一的稳固，确保工件一与工件二焊接过程中的结构与相对位置稳定。

所述外压工装固定工件一的方法为：将工件一的两侧面分别紧贴基准面一、基准面二，调节压紧螺栓，使压块与工件一紧密接触。通过若干个压块同时压持工件一，使得工件一被牢固的固定在外压工装内，确保工件一与工件二焊接过程中的结构与相对位置稳定。

所述溶液为能够选择性溶解铜的酸液或能够选择性电解铜的电解液。

本方案中的溶液，可以使用能够选择性溶解铜且不会对母材造成影响的酸液，如硝酸溶液等；也可以使用电解液来电解铜，如使母材作为阴极，铜箔作为阳极，电解液选用硫酸铜，即可实现保护母材，电机铜箔的效果。除此之外，本领域技术人员根据具体母材材质对溶液进行的其他适应性选取均属于本申请的保护范围之内。

一种精密缝隙试样的焊接结构，包括带有凹槽的工件一，工件一上开设N组沿凹槽的长度方向分布的台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽两侧的台阶，其中N≥2；所述凹槽底部垫放铜箔一、凹槽两侧壁分别镶嵌铜箔二、铜箔三；还包括侧边压入所述凹槽内的工件二。本方案保护具体的焊接结构，在此结构上进行工件一与工件二的焊接，焊接完成后再通过任意不影响工件一、工件二母材的技术手段消除所有铜箔。铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。

所述台阶子口具有等间距分布的三组。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。

2、本发明一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，通过台阶子口限位结构的巧妙设计和公差分配及加工精度的控制限制缝隙的变化，提高缝隙的控制精度；通过酸洗精密控厚获得的铜箔衬垫在缝隙内，进一步抵消加工误差带来的缝隙控制偏差，大大提高缝隙的控制精度；最后优选采用对铜选择性腐蚀溶解的酸液将铜箔去除，便获得理想尺寸的缝隙。

3、本发明一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，适用于核工业燃料组件特殊焊缝结构环境强度可靠性研究。此外在航空航天、石油化工、核工业等相关领域均会遇到对腐蚀环境下焊接结构缝隙腐蚀的试验和评价问题，本专利可应用于更精确评价相应环境下缝隙对腐蚀性能的影响规律。

4、本发明一种精密缝隙试样的制备方法及焊接结构，在航空等领域微通道散热器等关键部件常涉及精密流道尺寸控制问题，更精密的流道可采用更小的尺寸获得理想散热效率，因此本申请也可适用于精密流道制备。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为典型缝隙示意图；

图2为本发明具体实施例的主视图；

图3为本发明具体实施例沿图2中A-A方向线的剖视图；

图4为图3中B处的放大图；

图5为本发明具体实施例中外压工装的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-工件一，101-凹槽，102-台阶，2-工件二，3-铜箔一，4-铜箔二，5-铜箔三，6-外压工装，601-通槽，602-压紧螺栓，603-基准面一，604-基准面二，605-压块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图4所示的一种精密缝隙试样的制备方法，用于将工件二2焊接在工件一1的凹槽101内，包括以下步骤：

(a)沿凹槽101的长度方向在工件一1上开设N组台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽101两侧的台阶102，其中N≥2；

(b)在凹槽101内正对各台阶子口的位置垫放铜箔组，所述铜箔组包括位于凹槽101底部的铜箔一3、分别位于凹槽101两侧壁的铜箔二4、铜箔三5，再将工件二2的侧边压入所述凹槽101内；

(c)固定工件一1，焊接工件一1与工件二2，形成试件；

(d)采用对铜选择性消除的溶液将试件中的所有铜箔去除。

其中，铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。通过台阶子口限位结构的巧妙设计和公差分配及加工精度的控制限制缝隙的变化，提高缝隙的控制精度；通过酸洗精密控厚获得的铜箔衬垫在缝隙内，进一步抵消加工误差带来的缝隙控制偏差，大大提高缝隙的控制精度；最后优选采用对铜选择性腐蚀溶解的酸液将铜箔去除，便获得理想尺寸的缝隙。

本实施例适用于核工业燃料组件特殊焊缝结构环境强度可靠性研究。此外在航空航天、石油化工、核工业等相关领域均会遇到对腐蚀环境下焊接结构缝隙腐蚀的试验和评价问题，本专利可应用于更精确评价相应环境下缝隙对腐蚀性能的影响规律。并且，在航空等领域微通道散热器等关键部件常涉及精密流道尺寸控制问题，更精密的流道可采用更小的尺寸获得理想散热效率，因此本实施例也可适用于精密流道制备。

本实施例中工件一1为齿板，工件二2为芯板，具体的：首先对零部件子口结构和尺寸公差分配进行优化设计，利用精密机械加工装置在凹槽的两侧加工三组限位台阶子口，利用台阶子口的限位达到精密控制缝隙尺寸的目的；之后在齿板凹槽内垫放相应厚度的各铜箔，然后将芯板侧边压入齿板凹槽内，通过在台阶子口两端朝凹槽内部方向镶嵌不同厚度的铜箔以达到调控缝隙处间隙大小的目的。之后对镶嵌铜箔后的缝隙利用工装固定，进而采用内衬外压的工装技术对缝隙尺寸进行精确固定，其中内衬是指垫衬的铜箔一3、铜箔二4、铜箔三5，外压是指外压工装的夹持。通过外压工装的夹持使压块与试件紧密接触，使得试件中缝隙尺寸得到精确固定。随后进行焊接程序。试件焊接完后，拆卸工装取出试件，随后装入热处理工装进行热处理，以便消除应力，稳定尺寸。试件经消除应力后取出，采用酸洗溶铜的方式去除试件中镶嵌的铜片。上述步骤完成后，便可得到具有不同缝隙宽度的试件。

本实施例采用台阶子口的限位结构和缝隙关键尺寸公差分配，进而控制缝隙的尺寸，提高缝隙的控制精度；通过酸洗精密控厚获得的铜箔衬垫在凹槽内，进一步抵消加工误差带来的缝隙控制偏差；最后采用对铜选择性腐蚀溶解的酸液将铜箔去除，便获得理想尺寸的缝隙。

实施例2：

如图1至图5所示的一种精密缝隙试样的制备方法，在实施例1的基础上，步骤(c)中工件一1的固定通过外压工装6实现。所述外压工装包括通槽601、穿过通槽601的一侧侧壁插入通槽601内部的若干压紧螺栓602，压紧螺栓602位于通槽601内的一端连接压块605，通槽601远离压紧螺栓602所在方向的一侧内壁为基准面一603，通槽601底面为基准面二604。所述外压工装固定工件一1的方法为：将工件一1的两侧面分别紧贴基准面一603、基准面二604，调节压紧螺栓602，使压块605与工件一1紧密接触。

本实施例通过压紧螺栓调节压块的相对位置，通过压块与试件的紧密接触，使得试件中缝隙尺寸得到精确固定。

实施例3：

一种精密缝隙试样的焊接结构，包括带有凹槽101的工件一1，工件一1上开设N组沿凹槽101的长度方向分布的台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽101两侧的台阶102，其中N≥2；所述凹槽101底部垫放铜箔一3、凹槽101两侧壁分别镶嵌铜箔二4、铜箔三5；还包括侧边压入所述凹槽101内的工件二2。

优选的，所述台阶子口具有等间距分布的三组。

在本实施例所公开的结构上进行工件一与工件二的焊接，焊接完成后再通过任意不影响工件一、工件二母材的技术手段消除所有铜箔。铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。

优选的采用对各铜箔选择性腐蚀溶解的酸液将铜箔去除，便获得理想尺寸的缝隙。本实施例中的酸液优选使用硝酸即可。

铜箔一、铜箔二、铜箔三各自的厚度可根据试件尺寸公差设计进行独立选取，选取的铜箔一的厚度等于试件尺寸中凹槽底部间隙的宽度，铜箔二、铜箔三的厚度分别等于试件尺寸中凹槽两侧间隙的宽度，即可在消除铜箔后得到具有不同缝隙宽度的试件，获得理想尺寸的缝隙，达到精密控制缝隙尺寸的目的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，用于将工件二(2)焊接在工件一(1)的凹槽(101)内，包括以下步骤：

(a)沿凹槽(101)的长度方向在工件一(1)上开设N组台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽(101)两侧的台阶(102)，其中N≥2；

(b)在凹槽(101)内正对各台阶子口的位置垫放铜箔组，所述铜箔组包括位于凹槽(101)底部的铜箔一(3)、分别位于凹槽(101)两侧壁的铜箔二(4)、铜箔三(5)，再将工件二(2)的侧边压入所述凹槽(101)内；

(c)固定工件一(1)，焊接工件一(1)与工件二(2)，形成试件；

(d)采用对铜选择性消除的溶液将试件中的所有铜箔去除。

2.根据权利要求1所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，步骤(d)中，先对试件进行热处理，再去除所有铜箔。

3.根据权利要求2所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，所述热处理工艺为退火。

4.根据权利要求1所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，所有铜箔均通过酸洗工艺控制厚度。

5.根据权利要求1所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，步骤(c)中工件一(1)的固定通过外压工装(6)实现。

6.根据权利要求5所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，所述外压工装包括通槽(601)、穿过通槽(601)的一侧侧壁插入通槽(601)内部的若干压紧螺栓(602)，压紧螺栓(602)位于通槽(601)内的一端连接压块(605)，通槽(601)远离压紧螺栓(602)所在方向的一侧内壁为基准面一(603)，通槽(601)底面为基准面二(604)。

7.根据权利要求6所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，所述外压工装固定工件一(1)的方法为：将工件一(1)的两侧面分别紧贴基准面一(603)、基准面二(604)，调节压紧螺栓(602)，使压块(605)与工件一(1)紧密接触。

8.根据权利要求1所述的一种精密缝隙试样的制备方法，其特征在于，所述溶液为能够选择性溶解铜的酸液或能够选择性电解铜的电解液。

9.一种精密缝隙试样的焊接结构，其特征在于，包括带有凹槽(101)的工件一(1)，工件一(1)上开设N组沿凹槽(101)的长度方向分布的台阶子口，每组台阶子口均包括两个分别分布在凹槽(101)两侧的台阶(102)，其中N≥2；所述凹槽(101)底部垫放铜箔一(3)、凹槽(101)两侧壁分别镶嵌铜箔二(4)、铜箔三(5)；还包括侧边压入所述凹槽(101)内的工件二(2)。

10.根据权利要求9所述的一种精密缝隙试样的焊接结构，其特征在于，所述台阶子口具有等间距分布的三组。