CN111360472B - 一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具及扩散焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具及扩散焊接方法，夹具设置有定位柱，可以实现底板、顶板和线圈骨架的定位，从而将多个线圈骨架装夹于底板和顶板之间以便于进行扩散焊接，避免在焊接施压时出现移动，当线圈骨架高度由于焊接变形减少时，线圈骨架所承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的定位柱上，从而保证线圈骨架不会发生进一步的变形。线圈骨架在空间上围绕底板中心呈环形均匀分布，可以将焊接压力均匀传递给单个线圈骨架，提高焊接质量的一致性。扩散焊接方法通过对线圈骨架的焊接面进行镀镍处理，以及在焊接时对加热温度、焊接压力、保温时间的控制，降低废品率，可靠性强，焊接质量稳定。

Description

一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具及扩散焊接方法

技术领域

本发明涉及线圈骨架扩散焊接领域，尤其涉及一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具及扩散焊接方法。

背景技术

电磁控制阀是液压系统中不可缺少的执行器元件，广泛应用于自控领域的各个环节。电磁铁由导电线圈和线圈骨架两大部分构成，在通电后对铁磁性物质产生吸力，可以把电磁能转变成机械能，是电磁控制阀的重要组成部分。普通电磁铁经过多年的不断革新，磁场稳定性和控制精度日益提升，但仍无法完全满足飞机舵机液压系统的使用要求，为此，人们开发出了一种飞机专用电磁铁，与传统电磁铁的一体化结构线圈骨架不同，该种电磁铁的线圈骨架导磁体选用矫顽力较小的电磁纯铁（DT4），并在中间部位加入由非磁性金属（如Hb62铅黄铜、奥氏体不锈钢等）制成的隔磁体，使得磁路分路，基本解决了传统电磁铁存在的剩磁现象，具有极高的控制精度。然而，正是由于加入了非磁性金属制作的隔磁体，制作这种线圈骨架的工艺更加复杂，需通过焊接将导磁体与隔磁体连接为整体。

目前通常采用的线圈骨架焊接方法为钎焊或摩擦焊，而这两种焊接方法或多或少都存在各种问题：钎焊接头缺陷多，拉伸强度低，零件质量可靠性不高；摩擦焊接头冶金结合质量不佳，且由于存在扭矩，焊后接头奥氏体晶粒位错杂乱排布，呈位错网络分布，焊接残余应力大，容易出现开裂现象，废品率较高，且焊接效率低下，不适用于线圈骨架的大批量焊接，难以满足使用要求。

发明内容

为解决上述现有的线圈骨架扩散焊接技术难以满足使用要求的问题，本发明提供了一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具及扩散焊接方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，包括底板、顶板和多个定位柱，定位柱安装于底板和顶板之间，底板上开设有多个用于卡设定位柱一端的第一限位凹槽，多个第一限位凹槽均靠近底板的中轴线并绕底板的中轴线呈一圈环形阵列分布，顶板上开设有多个用于卡设定位柱另一端的第三限位凹槽，多个第三限位凹槽与多个第一限位凹槽一一对应；

底板上还开设有多个与线圈骨架的一端相匹配的第二限位凹槽，多个第二限位凹槽均位于第一限位凹槽远离底板的中轴线的一侧，多个第二限位凹槽绕底板的中轴线呈一圈或多圈环形阵列分布，通过顶板朝向底板一侧的端面与多个第二限位凹槽配合卡设线圈骨架的两端，从而将多个线圈骨架装夹于底板和顶板之间以便于进行扩散焊接。

优选的，所述第一限位凹槽和第二限位凹槽的深度相等且不小于2mm，第三限位凹槽的深度不小于5mm。

优选的，所述的线圈骨架由第一端盖、第一导磁体、隔磁体、第二导磁体和第二端盖依次连接构成，第一端盖、第二端盖和定位柱均为圆柱形，且定位柱的直径大于第一端盖和第二端盖的直径。

优选的，第二限位凹槽的直径比第一端盖和第二端盖的直径均大0.5～4mm。

优选的，第一限位凹槽和第三限位凹槽的直径相等，且第一限位凹槽和第三限位凹槽的直径比定位柱的直径大0.2～1mm。

优选的，定位柱的直径不小于30mm，第一限位凹槽和第三限位凹槽的直径比定位柱的直径大0.4mm。

一种用于线圈骨架的扩散焊接方法，首先对线圈骨架的待焊部件进行表面处理，然后将待焊部件组装成待焊线圈骨架，将多个待焊线圈骨架安装于底板的第二限位凹槽内，并将多个定位柱安装于底板的第一限位凹槽内，然后将顶板压装于待焊线圈骨架和定位柱远离底板的一侧，使多个定位柱远离底板的一端均卡设于顶板的第三限位凹槽内，从而使顶板朝向底板一侧的端面与多个第二限位凹槽配合卡住线圈骨架的两端，然后对装夹于底板和顶板之间的待焊线圈骨架进行扩散焊接。

优选的，待焊部件的表面处理为，对待焊部件的焊接表面进行电镀镍处理，镍层厚度为5～40μm，电镀镍处理后立即使用无水乙醇对焊接表面进行处理，然后对焊接表面进行烘干。

优选的，将待焊线圈骨架装夹于底板和顶板之间以形成待焊装配体，然后将待焊装配体放置于真空扩散焊机炉腔中进行真空扩散焊接。

优选的，所述的真空扩散焊接为，在1×10^-3～1×10^-4Pa的真空度下，对真空扩散焊机炉腔中的待焊装配体进行加热和加压，加热温度为900～980℃，焊接压力为6～10MPa，保温并保压1.5～2.5h，然后停止加热并使焊接压力降至1～3MPa，再向真空扩散焊机炉腔内充入高纯氩气，使炉腔内温度降至150℃以下，焊接完成。

根据上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的线圈骨架的扩散焊接夹具，用于在扩散焊接时夹紧固定多个线圈骨架，可以实现线圈骨架的大批量扩散焊接，提高焊接效率。夹具设置有定位柱，可以实现底板、顶板和线圈骨架的定位，避免在焊接施压时出现移动，此外，当线圈骨架高度由于焊接变形而减少时，线圈骨架所承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的定位柱上，从而保证线圈骨架不会发生进一步的变形。由于多个线圈骨架呈环形阵列分布于底板的第二限位凹槽中，本扩散焊用夹具可以将焊接压力均匀传递给单个线圈骨架，提高焊接质量的一致性。

本发明提供的线圈骨架的扩散焊接方法，在扩散焊接用夹具的辅助下进行，装配便捷操作简便，可以实现线圈骨架的大批量扩散焊接，提高焊接质量的一致性，避免线圈骨架变形，降低废品率，大幅提高焊接质量和焊接效率；并且通过对线圈骨架的焊接面进行镀镍处理，以及在焊接时对加热温度、焊接压力、保温时间的控制，有效提高了DT4和非磁性材料界面的冶金结合作用，因此可靠性强，废品率低，焊接质量稳定。

附图说明

图1为本发明的夹具对线圈骨架进行装夹前的示意图；

图2为本发明对线圈骨架进行装夹后的剖视示意图；

图3为本发明中DT4和奥氏体不锈钢扩散焊接头微观组织图。

图中标记：11、底板，12、顶板，13、定位柱，14、线圈骨架，111、第一限位凹槽，112、第二限位凹槽，121、第三限位凹槽，141、第一端盖，142、第一导磁体，143、隔磁体，144、第二导磁体，145、第二端盖，h、线圈骨架高度，h1、第一限位凹槽深度和第二限位凹槽深度，h2、第三限位凹槽深度，h4、底板厚度， h5、顶板厚度，d1、第一端盖和第二端盖中的较大直径，d2、第二限位凹槽直径，d3、定位柱直径，d4、第一限位凹槽直径。

具体实施方式

参见附图，具体实施方式如下：

一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，包括底板11、顶板12和多个定位柱13，定位柱13安装于底板11和顶板12之间，底板11上开设有多个用于卡设定位柱13一端的第一限位凹槽111，多个第一限位凹槽111均靠近底板11的中轴线并绕底板11的中轴线呈一圈环形阵列分布，顶板12上开设有多个用于卡设定位柱13另一端的第三限位凹槽121，多个第三限位凹槽121与多个第一限位凹槽111一一对应。

底板11上还开设有多个与线圈骨架14的一端相匹配的第二限位凹槽112，多个第二限位凹槽112均位于第一限位凹槽111远离底板11的中轴线的一侧，多个第二限位凹槽112绕底板11的中轴线呈一圈或多圈环形阵列分布，通过顶板12朝向底板11一侧的端面与多个第二限位凹槽112配合卡设线圈骨架14的两端，从而将多个线圈骨架14装夹于底板11和顶板12之间以便于进行扩散焊接。

线圈骨架14通常由第一端盖141、第一导磁体142、隔磁体143、第二导磁体144和第二端盖145依次连接构成，第一端盖、第二端盖和定位柱13均为圆柱形，且定位柱13的直径大于第一端盖和第二端盖的直径。第一限位凹槽111和第二限位凹槽112的深度相等且不小于2mm，第三限位凹槽121的深度不小于5mm。第二限位凹槽112的直径比第一端盖和第二端盖的直径均大0.5～4mm。第一限位凹槽111和第三限位凹槽121的直径相等，且第一限位凹槽111和第三限位凹槽121的直径比定位柱13的直径大0.2～1mm。定位柱13的直径不小于30mm，第一限位凹槽111和第三限位凹槽121的直径比定位柱13的直径大0.4mm。

一种用于线圈骨架的扩散焊接方法，首先对线圈骨架14的待焊部件进行表面处理，对待焊部件的焊接表面进行电镀镍处理，镍层厚度为5～40μm，电镀镍处理后立即使用无水乙醇对焊接表面进行处理，然后对焊接表面进行烘干，再将待焊部件组装成待焊线圈骨架14。将多个待焊线圈骨架14安装于底板11的第二限位凹槽112内，并将多个定位柱13安装于底板11的第一限位凹槽111内，然后将顶板12压装于待焊线圈骨架14和定位柱13远离底板11的一侧，使多个定位柱13远离底板11的一端均卡设于顶板12的第三限位凹槽121内，从而使顶板12朝向底板11一侧的端面与多个第二限位凹槽112配合卡住线圈骨架14的两端以形成待焊装配体，然后将待焊装配体放置于真空扩散焊机炉腔中，对装夹于底板11和顶板12之间的待焊线圈骨架14进行真空扩散焊接。

真空扩散焊接为在1×10^-3～1×10^-4Pa的真空度下，对真空扩散焊机炉腔中的待焊装配体进行加热和加压，加热温度为900～980℃，焊接压力为6～10MPa，保温并保压1.5～2.5h，然后停止加热并使焊接压力降至1～3MPa，再向真空扩散焊机炉腔内充入高纯氩气，使炉腔内温度降至150℃以下，焊接完成。

实施例1、一种扩散焊用夹具，用于在扩散焊接时夹紧固定线圈骨架14。线圈骨架14由第一端盖141、第一导磁体142、隔磁体143、第二导磁体144、第二端盖145组成，其中第一导磁体142、第二导磁体144材质为DT4电磁纯铁，其余零部件材质为321奥氏体不锈钢。当然，在本发明的其它实施例中，线圈骨架14的组成还可以根据需求及设计方要求进行选择，本发明的实施例不做限定。

扩散焊用夹具包括：底板11、顶板12和定位柱13。其中，底板11上开有多个第一限位凹槽111和多个第二限位凹槽112；第一限位凹槽111位于底板11中央，围绕底板11中心呈环形均布，用于放置和固定定位柱13；第二限位凹槽112位于第一限位凹槽111以外区域，围绕底板中心呈环形均布，其大小和形状根据线圈骨架14的第一端盖141和第二端盖145的形状和大小开设，用于固定装配好待焊接的线圈骨架14；顶板12位于底板11上方，顶板12上开有多个与第一限位孔111一一对应的第三限位凹槽121，顶板12用于在外力作用下将线圈骨架14压紧固定；当装配完成时，线圈骨架14位于底板11和顶板12之间；定位柱13有多个，一个定位柱13对应一个第一限位凹槽111和一个第三限位凹槽121，在装配时，通过将定位柱13插入第一限位凹槽111和与对应的第三限位凹槽121来实现底板11、顶板12和线圈骨架14的定位。

底板11和顶板12的厚度和大小，与扩散焊炉腔的尺寸有关，其设置原则应保证即能将夹具顺利地放置到炉腔中，亦应保证每炉次尽量焊接多的线圈骨架14。

第一限位凹槽111、第二限位凹槽112、第三限位凹槽121的数量和分布，与线圈骨架14的最大零部件尺寸、底板11的尺寸有关，其设置原则是确保多个线圈骨架14之间，以及线圈骨架14与定位柱13之间在摆放时不会相互干涉，必要时，为尽量放置较多的线圈骨架14，相邻的两个线圈骨架14可以颠倒放置。第一限位凹槽的深度和第二限位凹槽的深度均为h1，且h1≥2mm，第三限位凹槽的深度h2≥5mm，如此设置，是为了保证在高温环境中加压时线圈骨架14和定位柱13不会产生不可控的移位。

作为优选的方案，第一限位凹槽111、第二限位凹槽112、第三限位凹槽121、定位柱13的形状均为圆柱形。第二限位凹槽112的直径d2，与线圈骨架14的最大的一个端盖（第一端盖141、第二端盖145之间的直径最大者）的直径d1之间的关系为：d2-d1=0.5～4mm。第一限位凹槽111直径与第三限位凹槽121直径相等，均为d4，其与定位柱13的直径d3之间的关系为：d4-d3=0.2～1mm；更优选的是，d4-d3=0.4mm，且d3≥Φ30mm，如此设置，是为了在定位柱13与第一限位凹槽111、第三限位凹槽121之间形成间隙配合，即能保证定位柱13顺利插入，又能起到固定作用。

本实施例中，第三限位凹槽121的深度h2、线圈骨架14的高度h、定位柱13的高度h3的关系为：h+h2-h3=a×h，其中a为线圈骨架14的允许最大压缩量。（h+h2）的值为装配完成后第一限位凹槽111的底部和第三限位凹槽121的底面之间的距离，（h+h2-h3）的值为装配完成后开始焊接前，定位柱13顶面距第三限位凹槽121底面的距离。当线圈骨架14在高温、高压焊接时的压缩量达到（h+h2-h3）时，即线圈骨架14高度由于焊接变形由h减少至（a×h）时，线圈骨架14所承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的定位柱13上，从而阻挡扩散焊机压头进一步下压，保证线圈骨架不会发生进一步的变形进而导致报废。

作为本实施例的优选方案，底板11、顶板12和定位柱13的材质均为高温强度优良的材料，底板11的高度h4、顶板12的厚度h5均应大于10mm。如此设置，是为了确保扩散焊用夹具在高温下仍具有优异的强度和刚度，不损失其作为工装夹具所应具备的支撑和固定作用。更优选的是底板11、顶板12和定位柱13均有金属钼制作而成，如此设置，是因为金属钼的耐高温性能异常优良并且热胀系数极小，在高温下非常稳定，有利于提高线圈骨架14的扩散焊接精度。

实施例1还提供了一种线圈骨架14的扩散焊接方法，该方法利用上述的一种扩散焊用夹具夹持固定后进行焊接，对待焊接的线圈骨架14进行预处理；将定位柱13插入到底板11的第一限位凹槽111中，同时将预处理好的线圈骨架14放置在底板11的第二限位凹槽112中；盖上顶板12并使定位柱13依次插入第三限位凹槽121中，形成待焊整体装配体；将装配体送入扩散焊机炉腔内进行真空扩散焊接作业。该方法的可靠性强，废品率低，焊接质量稳定。

该方法具体包括如下步骤：S1：对线圈骨架14的零部件-第一端盖141、第一导磁体142、隔磁体143、第二导磁体144、第二端盖145的待焊面用抛光轮进行表面抛光处理，抛光轮采用多层帆布、毛毡或皮革材料，抛光时加入由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂，抛光后应确保焊面粗糙度不低于Ra0.8。对抛光后的焊面进行电镀镍处理，镍层厚度为5～40μm，镀镍后要求焊面镀层结晶细致，平滑光亮且无起皮、起泡、麻点等缺陷。电镀镍处理后立即使用无水乙醇清理焊面并及时烘干。

S2：将表面处理后的第一端盖141、第一导磁体142、隔磁体143、第二导磁体144、第二端盖145组装成线圈骨架14，并与该扩散焊用夹具形成待焊整体装配体后送入扩散焊机炉腔内进行真空扩散焊接作业，具体包括以下步骤S21-S26。

S21：将整体装配体放置在扩散焊机石墨底板上，并通过调节整体装配体的位置使整体装配体的顶板中心与扩散焊机压头中心基本重合，随后对装配体施加1～3MPa的预紧力。

S22：关闭扩散焊机炉门后抽真空，确保焊机炉腔内的真空度达到1×10-3～1×10-4Pa后开始加热。

S23：以10-25℃/min速率升温到 800℃时保温10min以使炉腔温度均匀化，随后继续升温至900～980℃，以此温度为线圈骨架14的最佳扩散焊接温度。

S24：施加6～10MPa的焊接压力，并保温1.5～2.5h，在此期间应确保焊接炉腔内的真空度不低于1×10-3Pa。

S25：将焊接压力降至1～3MPa并停止加热，充入高纯氩气使炉腔温度下降。

S26：当炉腔内温度降至150℃以下时卸载并打开炉门，取出焊接好的线圈骨架，焊接完成。

在本实施例中，步骤S1中对线圈骨架14零部件进行的表面抛光处理方法还可以是化学抛光等具有相同效应的方法，电镀镍处理还可以是化学镀镍处理等具有相同效应的处理方法。

在本实施例中，在步骤S26后还可以对线圈骨架14的外形尺寸进行精加工处理，以得到所需要的成品，若如此，所述的线圈骨架14可视为毛坯件。

图3是本实施例中DT4和奥氏体不锈钢扩散焊接头微观组织图，焊接界面存在明显的浓度梯度，符合扩散特征，冶金结合良好，接头拉伸强度可以达到DT4的母材强度。

综上所述，本发明提供的一种扩散焊用夹具，可以实现线圈骨架14的大批量扩散焊接，提高焊接效率。夹具设置有定位柱13，可以实现底板11、顶板12和线圈骨架14的定位，避免在焊接施压时出现移动，此外，当线圈骨架14高度由于焊接变形由h减少至h3-h2时，线圈骨架14所承受的轴向焊接压力将会分配至刚性更高的定位柱13上，从而保证线圈骨架不会发生进一步的变形。线圈骨架14在空间上围绕底板11中心呈环形均匀分布，这可以将焊接压力均匀传递给单个线圈骨架14，有助于提高焊接质量的一致性。在上述的扩散焊接用夹具的辅助下实施的扩散焊接方法，通过对线圈骨架14的焊接面进行镀镍处理，以及在焊接时对加热温度、焊接压力、保温时间的控制，有效提高了DT4和不锈钢界面的冶金结合作用，因此可靠性强，废品率低，焊接质量稳定。

Claims (10)

1.一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：包括底板（11）、顶板（12）和多个定位柱（13），定位柱（13）安装于底板（11）和顶板（12）之间，底板（11）上开设有多个用于卡设定位柱（13）一端的第一限位凹槽（111），多个第一限位凹槽（111）均靠近底板（11）的中轴线并绕底板（11）的中轴线呈一圈环形阵列分布，顶板（12）上开设有多个用于卡设定位柱（13）另一端的第三限位凹槽（121），多个第三限位凹槽（121）与多个第一限位凹槽（111）一一对应；

底板（11）上还开设有多个与线圈骨架（14）的一端相匹配的第二限位凹槽（112），多个第二限位凹槽（112）均位于第一限位凹槽（111）远离底板（11）的中轴线的一侧，多个第二限位凹槽（112）绕底板（11）的中轴线呈一圈或多圈环形阵列分布，通过顶板（12）朝向底板（11）一侧的端面与多个第二限位凹槽（112）配合卡设线圈骨架（14）的两端，从而将多个线圈骨架（14）装夹于底板（11）和顶板（12）之间以便于进行扩散焊接。

2.根据权利要求1所述的一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：所述第一限位凹槽（111）和第二限位凹槽（112）的深度相等且不小于2mm，第三限位凹槽（121）的深度不小于5mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：所述的线圈骨架（14）由第一端盖（141）、第一导磁体（142）、隔磁体（143）、第二导磁体（144）和第二端盖（145）依次连接构成，第一端盖、第二端盖和定位柱（13）均为圆柱形，且定位柱（13）的直径大于第一端盖和第二端盖的直径。

4.根据权利要求3所述的一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：第二限位凹槽（112）的直径比第一端盖和第二端盖的直径均大0.5～4mm。

5.根据权利要求3所述的一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：第一限位凹槽（111）和第三限位凹槽（121）的直径相等，且第一限位凹槽（111）和第三限位凹槽（121）的直径比定位柱（13）的直径大0.2～1mm。

6.根据权利要求5所述的一种用于线圈骨架的扩散焊接夹具，其特征在于：定位柱（13）的直径不小于30mm，第一限位凹槽（111）和第三限位凹槽（121）的直径比定位柱（13）的直径大0.4mm。

7.一种利用权利要求1的扩散焊接夹具进行线圈骨架扩散焊接的方法，其特征在于：首先对线圈骨架（14）的待焊部件进行表面处理，然后将待焊部件组装成待焊线圈骨架（14），将多个待焊线圈骨架（14）安装于底板（11）的第二限位凹槽（112）内，并将多个定位柱（13）安装于底板（11）的第一限位凹槽（111）内，然后将顶板（12）压装于待焊线圈骨架（14）和定位柱（13）远离底板（11）的一侧，使多个定位柱（13）远离底板（11）的一端均卡设于顶板（12）的第三限位凹槽（121）内，从而使顶板（12）朝向底板（11）一侧的端面与多个第二限位凹槽（112）配合卡住线圈骨架（14）的两端，然后对装夹于底板（11）和顶板（12）之间的待焊线圈骨架（14）进行扩散焊接。

8.根据权利要求7所述的一种利用权利要求1的扩散焊接夹具进行线圈骨架扩散焊接的方法，其特征在于：待焊部件的表面处理为，对待焊部件的焊接表面进行电镀镍处理，镍层厚度为5～40μm，电镀镍处理后立即使用无水乙醇对焊接表面进行处理，然后对焊接表面进行烘干。

9.根据权利要求8所述的一种利用权利要求1的扩散焊接夹具进行线圈骨架扩散焊接的方法，其特征在于：将待焊线圈骨架（14）装夹于底板（11）和顶板（12）之间以形成待焊装配体，然后将待焊装配体放置于真空扩散焊机炉腔中进行真空扩散焊接。

10.根据权利要求9所述的一种利用权利要求1的扩散焊接夹具进行线圈骨架扩散焊接的方法，其特征在于：所述的真空扩散焊接为，在1×10^-3～1×10^-4Pa的真空度下，对真空扩散焊机炉腔中的待焊装配体进行加热和加压，加热温度为900～980℃，焊接压力为6～10MPa，保温并保压1.5～2.5h，然后停止加热并使焊接压力降至1～3MPa，再向真空扩散焊机炉腔内充入高纯氩气，使炉腔内温度降至150℃以下，焊接完成。

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