CN110508957A - 一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法 - Google Patents

一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法，涉及先进连接技术领域。本发明在双层板之间的待连接阵列支柱处涂覆一种比母材熔点低的中间层，在双层板的边界凸台处涂覆一种比母材熔点低且比所述中间层熔点高的钎料；然后将双层板装配好后，放置于真空钎焊炉中逐步升温进行加热，依次使钎料中的粘结剂蒸发、中间层完全熔化、钎料完全熔化；之后将温度降至中间层的固相线温度以上、钎料的固相线温度以下，钎料凝固，双层板内部形成一个封闭空腔；再在真空钎焊炉中通入氩气，利用与双层板内部封闭空腔之间的压差，进行瞬时液相扩散焊；冷却至室温，完成双层板结构的连接。本发明能达到较高接头强度，且对焊接结构适应性强。

Description

一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法
技术领域
本发明涉及先进连接技术领域，特别涉及一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法。
背景技术
随着航空科学技术的发展，在航空装备中越来越多地采用新材料、新结构，对其焊接技术也提出了更高的要求。为适应高性能航空发动机研制的需要，一方面要求提高材料的工作温度，另一方面要求采用特殊结构实现对热端工作零部件的强化冷却。涡喷发动机加力燃烧室工作温度高，可以达到1800℃或者更高。一般而言，常规耐热合金材料的使用温度的提高是有限的，很难达到发动机热端工作零部件应具备的耐温指标的技术要求，因而必须采用特殊的冷却结构，使常规耐热合金能够适应更高的使用温度。层板结构即是可满足这种需要的高效冷却结构。目前，为了保证加力燃烧室的可靠工作，在加力筒体外壁和燃气之间铺设一层隔热屏，隔热屏为层板结构，以降低主燃气对加力筒体外壁的热传导，从而降低外壁壁温，还可以在隔热屏和外壁之间通入冷却空气，使加力筒体外壁的壁温进一步降低。
为了使层板结构能够在航空发动机热端零部件上被可靠的应用，必须解决耐温合金材料有效连接的技术难题。目前，层板结构通常是由数层金属板经扩散焊或钎焊连接而成的，而传统的钎焊接头强度较低；扩散焊，如瞬时液态扩散焊的焊接结构适应性差，对端面平整度及粗糙度要求较高。因此，十分有必要开发一种能达到较高接头强度，同时焊接结构适应性强的连接技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法。本发明提供的方法能够获得具有高强度焊接接头的双层板结构，并克服了传统瞬时液态扩散焊对焊接结构件端面粗糙度要求高，焊接结构适应性差的缺点。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法，包括以下步骤：
(1)在双层板之间的待连接阵列支柱处涂覆一种比母材熔点低的中间层，在双层板的边界凸台处涂覆一种比母材熔点低且比所述中间层熔点高的钎料；
(2)将双层板装配好后，放置于真空钎焊炉中逐步升温进行加热；所述加热包括依次进行的第一加热阶段、第二加热阶段和第三加热阶段；
所述第一加热阶段使钎料中的粘结剂蒸发；
所述第二加热阶段使中间层完全熔化；
所述第三加热阶段使钎料完全熔化；
(3)加热完成后，将温度降至中间层的固相线温度以上、钎料的固相线温度以下，钎料凝固，双层板内部形成一个封闭空腔；
(4)在真空钎焊炉中通入氩气，利用与所述双层板内部形成的封闭空腔之间的压差，在步骤(3)的温度下进行瞬时液相扩散焊；冷却至室温，完成双层板结构的连接。
优选地，所述中间层的熔点比母材低300～350℃。
优选地，所述钎料的熔点比中间层高50℃以上。
优选地，所述第一加热阶段的温度为850～950℃，保温时间为20～30min。
优选地，所述第二加热阶段的温度为中间层熔点以上50℃，保温时间为10～30min。
优选地，所述第三加热阶段的温度为钎料熔点以上50℃，保温时间为10～20min。
优选地，所述步骤(3)中的温度比中间层熔点温度高20～50℃。
优选地，所述氩气后，真空钎焊炉内的压力为0.5atm。
优选地，所述瞬时液相扩散焊的时间为1～6h。
本发明提供了一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法。层板结构的连接通常有多个连接处，各连接处之间的间隙不一，而传统瞬时液态扩散焊只能对结构件整体施压，对结构件的端面平整度及粗糙度有较高要求；本发明利用钎料和中间层的熔点差异，使双层板结构内部形成封闭区域，利用气压差对复杂的焊接结构件施加各向同性的压力，克服了传统瞬时液态扩散焊对焊接结构件端面平整度及粗糙度要求高、焊接结构适应性差的缺点。并且，本发明相比传统的瞬时液态扩散焊具有更短的焊接时间和更好的焊接接头质量。此外，本发明过程简单，无需设计专用的加工模具，生产成本低，适用于工业化推广应用。实施例结果表明，采用本发明方法获得的双层板结构其阵列支柱端头与上盖板之间的焊合率达到95％，各焊接点的强度达到母材的87％以上。
附图说明
图1为采用本发明方法对双层板结构进行连接的示意图；其中，1-下盒体，2-阵列支柱，3-凸台，4-上盖板，5-中间层，6-钎料，7-空腔；
图2为本发明各步骤中时间-温度工艺示意图；其中，T0为钎料粘结剂蒸发温度，T1为中间层熔化温度，T2为钎料熔化温度，T3为钎料熔点，T4为瞬间液相扩散焊温度，(t2-t1)为使钎料中的粘结剂蒸发的保温时间，(t4-t3)为使中间层熔化的保温时间，(t6-t5)为使钎料熔化的保温时间，(t7-t6)为使钎料凝固的时间，(t8-t7)为进行瞬时液态扩散焊的时间，(t9-t8)为冷却至室温的时间。
具体实施方式
本发明提供了一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法，包括以下步骤：
(1)在双层板之间的待连接阵列支柱处涂覆一种比母材熔点低的中间层，在双层板的边界凸台处涂覆一种比母材熔点低且比所述中间层熔点高的钎料；
(2)将双层板装配好后，放置于真空钎焊炉中逐步升温进行加热；所述加热包括依次进行的第一加热阶段、第二加热阶段和第三加热阶段；
所述第一加热阶段使钎料中的粘结剂蒸发；
所述第二加热阶段使中间层完全熔化；
所述第三加热阶段使钎料完全熔化；
(3)加热完成后，将温度降至中间层的固相线温度以上、钎料的固相线温度以下，钎料凝固，双层板内部形成一个封闭空腔；
(4)在真空钎焊炉中通入氩气后，利用与所述双层板内部形成的封闭空腔之间的压差，在步骤(3)的温度下进行瞬时液相扩散焊；冷却至室温，完成双层板结构的连接。
本发明对双层板结构进行连接的示意图如图1所示，其中，1表示下盒体，2表示阵列支柱，3表示凸台，4表示上盖板，5表示中间层，6表示钎料，7表示空腔；图1中带有阵列支柱2和凸台3的下盒体1与上盖板4为双层板结构的固有组成部分。
本发明在双层板之间的待连接阵列支柱2处涂覆一种比母材(即双层板材料)熔点低的中间层5，在双层板的边界凸台3处涂覆一种比母材熔点低且比所述中间层熔点高的钎料6。在本发明中，所述中间层的熔点优选比母材低300～350℃；所述钎料的熔点优选比中间层高50℃以上。本发明对所述中间层和钎料的成分没有特别的要求，采用本领域熟知的中间层和钎料，使其熔点能够满足要求即可；例如，当双层板结构的母材为GH4169时，中间层可以为片状BNi-9、钎料可以为膏状BNi-5；当双层板结构的母材为GH5188时，中间层可以为片状BNi-2、钎料可以为膏状BNi-5。在本发明中，所述中间层和钎料的涂覆厚度以形成的待焊面平整为准。
中间层和钎料涂覆完成后，本发明将双层板装配好后，放置于真空钎焊炉中逐步升温进行加热。在本发明中，所述将双层板装配好，即将上盖板4装配到中间层和钎料形成的待焊面上。本发明对所述真空钎焊炉没有特别的要求，采用本领域熟知的真空钎焊炉即可。真空钎焊炉抽真空后，开始进行逐步升温加热；所述抽真空的真空度优选为10-4Pa。在本发明中，所述加热包括依次进行的第一加热阶段、第二加热阶段和第三加热阶段。在本发明中，所述第一加热阶段使钎料中的粘结剂蒸发；所述第一加热阶段的温度优选为850～950℃，保温时间优选为20～30min；第一加热阶段完成后，升温进入第二加热阶段。在本发明中，所述第二加热阶段使中间层完全熔化；所述第二加热阶段的温度优选为中间层熔点以上50℃，保温时间优选为10～30min；第二加热阶段使中间层完全熔化的同时，使整个构件温度均匀化；第二阶段完成后，升温进入第三加热阶段。在本发明中，所述第三加热阶段使钎料完全熔化；所述第三加热阶段的温度优选为钎料熔点以上50℃，保温时间优选为10～20min；所述第三加热阶段在使钎料完全熔化的同时，使钎料在双层板边界凸台四周润湿。
加热完成后，本发明将温度降至中间层的固相线温度以上、钎料的固相线温度以下，所述温度优选比中间层熔点温度高20～50℃，钎料凝固，双层板内部形成一个封闭空腔，空腔内的真空环境与钎焊炉中的真空环境相同。钎料凝固，双层板结构的上盖板与下合体边界凸台处连接，因此双层板内部会形成一个封闭空腔；钎料凝固后即完成边界凸台与上盖板的钎焊连接。
钎料凝固后，本发明在真空钎焊炉中通入氩气，利用真空钎焊炉与所述双层板内部封闭空腔之间的压差，在上一步骤的温度条件下进行瞬时液相扩散焊。在本发明中，通入氩气后，真空钎焊炉内的压力优选为0.5atm；通入氩气后，外部压力(即真空钎焊炉内的压力)会使上盖板紧贴至阵列支柱的端头处。在本发明中，所述瞬时液相扩散焊的时间优选为1～6h，即通入氩气后，在上一步骤的温度条件下保温1～6h，完成双层板的阵列支柱端头与上盖板之间的瞬时液相扩散连接。在本发明中，所述双层板内部形成的类真空封闭空腔与真空钎焊炉内通入氩气后的压力之间存在气压差，利用该气压差，在双层板结构的阵列支柱端头与上盖板之间形成类似等静压，即对焊接端面施加各向同性的压力，经瞬时液相扩散焊可以获得高强度连接的双层板结构；同时，这种方法对焊接构件的结构适应性强，可对复杂的焊接结构件进行连接，克服了传统瞬时液态扩散焊对焊接结构件端面平整度及粗糙度要求高、焊接结构适应性差的缺点。完成瞬时液相扩散焊之后，本发明将所得构件冷却至室温；所述冷却优选为自然冷却。冷却至室温后，双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接完成。
本发明提供的双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法中各步骤时间-温度工艺示意图如图2所示。
本发明采用钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接的方法将双层板结构进行连接，本发明提供的方法能够获得具有高强度焊接接头的双层板结构，并克服了传统瞬时液态扩散焊对焊接结构件端面粗糙度要求高，焊接结构适应性差的缺点。
下面结合实施例对本发明提供的双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
步骤1：选用母材GH5188，主要成分见表1，其熔点为1330±20℃，将膏状中间层材料BNi-2(熔点970～999℃)涂抹在阵列支柱处，将钎料BNi-5(熔点1073～1135℃)涂抹在边界凸台处，按图1所示装配好后放入真空钎焊炉中。
表1母材GH5188的主要化学成分(质量百分比)
步骤2：先将高温真空钎焊炉抽到真空，将炉温升至900℃，保温20min。其目的是为了使钎料中的粘结剂蒸发。
步骤3：将炉温升至1030℃，保温10min，中间层材料熔化。
步骤4：将炉温升至1150℃，保温10min，钎料熔化。
步骤5：将炉温降至1030℃，保温10min，钎料凝固。双层板上盖板与下盒体内部形成一个封闭空腔。
步骤6：真空室充氩气，保持炉内压力0.5amt，利用外部压力将上盖板紧贴至阵列支柱端头处，在1030℃继续保温60min，阵列支柱端头处中间层材料和镍板进行扩散连接。
步骤7：将炉温降至室温，完成焊接。
对焊接效果进行检测，结果阵列支柱端头与上盖板的焊合率达到95％，各焊接接点的强度达到母材强度的87％以上。
而原母材GH5188阵列支柱端面与盖板直接采用瞬间液相扩散焊，焊接过程中整体加压，因施压面积大，阵列支柱端面高度不一，局部未压紧位置虚焊，使得焊合率仅维持在80％左右。本发明在双层板内部形成了一个封闭的空腔，利用压差实现等静压，提高了产品的焊合率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双层板结构的钎焊/瞬时液态扩散焊分步复合连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在双层板之间的待连接阵列支柱处涂覆一种比母材熔点低的中间层，在双层板的边界凸台处涂覆一种比母材熔点低且比所述中间层熔点高的钎料；
(2)将双层板装配好后，放置于真空钎焊炉中逐步升温进行加热；所述加热包括依次进行的第一加热阶段、第二加热阶段和第三加热阶段；
所述第一加热阶段使钎料中的粘结剂蒸发；
所述第二加热阶段使中间层完全熔化；
所述第三加热阶段使钎料完全熔化；
(3)加热完成后，将温度降至中间层的固相线温度以上、钎料的固相线温度以下，钎料凝固，双层板内部形成一个封闭空腔；
(4)在真空钎焊炉中通入氩气，利用与所述双层板内部形成的封闭空腔之间的压差，在步骤(3)的温度下进行瞬时液相扩散焊；冷却至室温，完成双层板结构的连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间层的熔点比母材低300～350℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钎料的熔点比中间层高50℃以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一加热阶段的温度为850～950℃，保温时间为20～30min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二加热阶段的温度为中间层熔点以上50℃，保温时间为10～30min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三加热阶段的温度为钎料熔点以上50℃，保温时间为10～20min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的温度比中间层熔点温度高20～50℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通入氩气后，真空钎焊炉内的压力为0.5atm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瞬时液相扩散焊的时间为1～6h。
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