CN111761155A - 一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法，该方法包括：步骤1，清洗陶瓷环、焊片组件的表面后，将陶瓷环和焊片组件烘干，其中，焊片组件包括至少两层活性复合焊片；步骤2，将陶瓷环和焊片组件依次放置于金属基座的焊接表面上方，记作待焊接件，并用工装夹具将待焊接件固定在真空炉内，真空炉为真空钎焊炉；步骤3，设定真空炉的焊接参数，根据预定温度曲线对待焊接件进行焊接，其中，预定温度曲线中的预设降温速率为10℃/min。通过本申请中的技术方案，延长了摩擦副的使用寿命，使得摩擦副中陶瓷环和金属基座能够可靠连接，焊缝强度高，抗剪强度超过110MPa。

Description

一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法

技术领域

本申请涉及雷达设备的技术领域，具体而言，涉及一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法。

背景技术

随着机相扫雷达的广泛应用，水铰链已成为雷达系统不可缺少的重要组件。水铰链将水箱内的冷却液送往转动的天线阵面，通过冷板冷却高功率T/R组件，起到液体的旋转关节作用。摩擦副是水铰链中的核心组件，其由陶瓷环和金属基座组成。

而现有技术中，水铰链摩擦副的陶瓷环-金属基座间的连接方式，主要有机械连接和胶接两种。采用机械连接的方法，金属基座和陶瓷环之间的密封主要通过橡胶密封圈实现，而雷达的服役寿命都在10～15年。在雷达的长期服役过程中，橡胶密封圈会逐渐老化，其密封性、压缩率及补偿能力都会逐渐下降，导致摩擦副漏液的风险会日益增加。

对于胶接的方法，不仅胶接强度较低，普遍低于10MPa，而且，胶粘剂的性能受环境因素变化的影响较大，采用胶接方式连接的摩擦副通用性较低，同样的，金属基座和陶瓷环之间的胶粘剂容易老化，存在导致密封环密封端面泄漏的可能。

发明内容

本申请的目的在于：克服机械连接或胶接的陶瓷环-金属摩擦副存在漏液的问题，通过活性钎焊技术，实现摩擦副的陶瓷环-金属基座高可靠连接，形成一体式摩擦副，连接强度高、使用寿命长、密封性能好，能够满足长寿命、高可靠水铰链的使用要求。

本申请的技术方案是：提供了一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法，该方法包括：步骤1，清洗陶瓷环、焊片组件的表面后，将陶瓷环和焊片组件烘干，其中，焊片组件包括至少两层活性复合焊片；步骤2，将陶瓷环和焊片组件依次放置于金属基座的焊接表面上方，记作待焊接件，并用工装夹具将待焊接件固定在真空炉内，真空炉为真空钎焊炉；步骤3，设定真空炉的焊接参数，根据预定温度曲线对待焊接件进行焊接，其中，预定温度曲线中的预设降温速率为10℃/min。

上述任一项技术方案中，进一步地，金属基座的焊接表面上设置有焊接槽，焊接槽的壁厚为1mm，焊接槽的深度为2mm。

上述任一项技术方案中，进一步地，焊片组件还包括：铜箔；铜箔设置于两层活性复合焊片之间，以便吸收金属基座降温过程中的形变应力，其中，铜箔的厚度为0.3mm。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤2之前，还包括：打磨金属基座的焊接表面，并利用丙酮擦拭陶瓷环和焊接表面。

上述任一项技术方案中，进一步地，真空炉的焊接参数包括：焊接真空度3.0×10-3Pa；钎焊温度880℃。

上述任一项技术方案中，进一步地，活性复合焊片由添加了0.5wt％B元素的AgCuTi活性焊料制成。

本申请的有益效果是：

本申请中的技术方案，一方面，在金属基座上设置焊接槽，减小金属基座和陶瓷环之间的焊接面积，且利用焊接槽的形变，减小金属基座和陶瓷环在焊接过程中的焊接应力，防止焊接过程中陶瓷环开裂。另一方面，在焊片组件中设置铜箔，利用铜箔在高温下的易发生形变的特性，消除TC4金属基座和氧化铝陶瓷环由于热膨胀系数差异而产生的残余应力。同时，将预设降温速率设为10℃/min，使得摩擦副以较缓的速率降温，进一步降低因热膨胀系数差异而产生的残余应力对焊接后的摩擦副的影响，提高摩擦副的良品率。

采用本申请中制备方法支撑的水铰链式摩擦副，其陶瓷环和金属基座能够可靠连接，焊缝强度高，抗剪强度超过110MPa，远超胶接强度。焊接后的摩擦副形成一体式密封环，结构简单，避免了机械连接的复杂结构，且不存在老化问题，使用寿命长，焊缝致密，其密封性可靠性远高于密封圈及胶接，能够满足雷达对水铰链式摩擦副的密封可靠性和使用寿命的要求，有助于延长雷达的服役时间。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的金属基座的实物图；

图2是根据本申请的一个实施例的陶瓷环的实物图；

图3是根据本申请的一个实施例的新型一体式水铰链摩擦副制备方法的示意流程图；

图4是根据本申请的一个实施例的不同钎焊温度下的抗剪强度的柱形图；

图5是根据本申请的一个实施例的待焊接件的结构示意图；

图6是根据本申请的一个实施例的预定温度曲线的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

首先，由于陶瓷环和金属基座的材料材质并不相同，常规的焊接工艺和焊接材料并无法将两者焊接在一起，因此，需要在焊接工艺和焊接材料上进行研究和大量的试验，以使两者能够焊接在一起，且满足雷达对摩擦副的性能要求。

其次，在金属和陶瓷焊接过程中，金属热膨胀系数大，而陶瓷热膨胀系数小，二者热膨胀系数的差异，将会导致在焊接过程中产生较大的焊接应力，且陶瓷为脆性材料，很容易在焊接应力作用下开裂。为了减小金属和陶瓷焊接过程中的应力，一方面对金属基座的结构进行了改进，另一方面通过大量的试验，得出最佳的焊接工艺，以提高产品的合格率。

最后，为了减小焊接应力对陶瓷环的影响，还在焊接材料中加入铜箔，利用铜材质较软的特性，对焊接应力进行吸收，进一步提高良品率。

以下将通过实施例的方式，对本申请中的技术方案进行说明。

如图1和图2所示，设定待焊接的陶瓷环外径77mm，内径65mm，厚度9mm，材质为氧化铝，金属基座的材质为钛合金TC4，外径66mm，内径74mm，厚度5.5mm。

进一步的，金属基座的焊接表面上设置有焊接槽，焊接槽的壁厚为1mm，焊接槽的深度为2mm。

为了减小金属基座和陶瓷环在焊接过程中的焊接应力，在保证密封性的前提下，在金属底座的焊接表面上设置焊接槽，一方面，减小金属底座与陶瓷环之间的焊接面积及相接触的金属厚度，从而减小焊接应力；另一方面，利用焊接槽壁厚较薄，容易发生形变，进而利用该形变抵消部分焊接应力，进一步减小焊接应力对陶瓷环的影响，避免陶瓷环发生开裂。

如图3所示，本实施例提供了一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法，所述方法包括：

步骤1，清洗陶瓷环、焊片组件的表面后，将陶瓷环和焊片组件烘干，其中，焊片组件包括至少两层活性复合焊片，其中，活性复合焊片由添加了0,5wt％B元素的AgCuTi活性焊料制成。

在焊接前期，实验人员采用常规的AgCuTi活性焊料进行试验，通过分析，焊缝接头组织的化合物主要为Ti₃Cu₃O和Ti-Cu。如图4所示，通过对不同钎焊温度下的抗剪强度进行测试，当钎焊温度为880℃时，摩擦副接头力学性能的抗剪强度最大，为81MPa，但不能够满足雷达设备中对水铰链摩擦副的性能要求。

为了提高焊缝强度，实验人员在AgCuTi活性钎料中添加不同比例的元素，制成活性复合焊片。经过大量实验，提升抗剪强度效果较好的元素及比例为：0.5wt％的B元素。

通过对焊缝进行分析可知，对于加入B元素的活性复合焊片AgCuTiB而言，在焊缝中生成了化合物TiB，该化合物TiB可以细化组织晶粒，对焊缝起到增强增韧的效果。

通过实验测得，同样在钎焊温度为880℃下，利用该焊片焊接后的水铰链摩擦副，其抗剪强度为111MPa，明显优于常规的AgCuTi活性焊料。

具体的，为了提高焊接效率，使焊接组件充分融化，焊片组件可以为层叠放置的两片活性复合焊片，活性复合焊片为厚度为0.1mm、外径为74mm、内径为66mm的环形片状焊片。

将陶瓷环、焊片组件放置于超声波清洗槽内清洗5分钟，将表面的杂质或者油渍清洗干净，并利用烘干设备在60℃的环境中对陶瓷环和焊片组件进行烘干，完成焊接前的材料清洁工作。

进一步的，焊片组件还包括：铜箔；铜箔设置于两层活性复合焊片之间，以便吸收金属基座降温过程中的形变应力。

具体的，在焊接完成后，焊接件需要降温，由于物体的热胀冷缩，会因形变在金属基座和陶瓷环之间产生焊接应力，为了对这种焊接应力进行吸收，本实施例中还在两层活性复合焊片之间设置了厚度为0.3mm的铜箔。

AgCuTiB活性复合焊片的熔点约为780℃，钎焊温度一般低于900℃，低于纯铜的熔点(1083℃)，因此，焊接过程中，铜箔会保持固态。

焊接结束后，焊接件开始降温，焊片将随温度降低逐渐凝固，由于TC4金属基座和氧化铝陶瓷环热膨胀系数差异较大，凝固过程二者收缩不一致，会在焊缝上产生较大的残余应力，若不能及时将残余应力消除，则陶瓷环会在残余应力作用下开裂。

加入的铜箔在高温下强度较低，抗拉强度只有几十兆帕，很容易在残余应力作用下发生变形，因此，可以利用铜箔变形，消除TC4金属基座和氧化铝陶瓷环由于热膨胀系数差异而产生的残余应力，从而保证氧化铝陶瓷环在降温过程中不开裂。

步骤2，将陶瓷环和焊片组件依次放置于金属基座的焊接表面上方，记作待焊接件，并用工装夹具将待焊接件固定在真空炉内，真空炉为真空钎焊炉；

为了保证能够露出金属基座焊接表面的金属层，还可以利用砂纸打磨金属基座的焊接表面，去除其表面的氧化层。

之后，如图5所示，首先在氧化铝陶瓷环上放置一片清洗后的活性复合焊片AgCuTiB，作为第一层焊片，再将准备好的铜箔放在第一层焊片上，以便于利用铜箔消除焊接过程中的残余应力，再将第二片活性复合焊片AgCuTiB放置在铜箔上，作为第二层焊片，最后，将钛合金TC4金属基座放置在第二层焊片上方，将上述待焊接的物品装配好，作为待焊接件，使用工装夹具固定在真空钎焊炉内，准备对陶瓷环和金属基座进行焊接。

进一步的，还可以利用丙酮擦拭陶瓷环和焊接表面。

这是由于摩擦副焊接过程，对焊接面洁净程度要求较高，若焊接面带有油污等，会污染焊接面，导致污染部位无法焊接。丙酮是挥发性较强的有机溶剂，一方面具有极强的去污效果，另一方面极易挥发，不会残留在焊接面，因此，采用丙酮擦拭陶瓷环和焊接表面。

步骤3，设定真空炉的焊接参数，在待焊接件上放置石墨块，以保证钎焊过程中TC4金属基座、焊片组件、陶瓷环不会发生相对位移，根据预定温度曲线对所述待焊接件进行焊接，其中，所述预定温度曲线中的预设降温速率为10℃/min。

如图6所示，钎焊连接时真空度维持在3×10^-3Pa以下，设定钎焊过程中的预定温度曲线。

在升温过程中，750℃之前加热速度为20℃/min，并分别在温度达到400℃和750℃时保温10min，从750℃升温到钎焊温度时，其加热速度为10℃/min。

之后在钎焊温度保温10min，钎焊温度为840℃-900℃，需要说明的是，本实施例中的钎焊温度为880℃，该温度是由摩擦副的抗剪强度确定的，对应于摩擦副最大的抗剪强度。

之后以10℃/min的预设降温速率，将焊接好的摩擦副降温到400℃后，随炉冷却，待冷却到室温后摩擦副才可以从炉中取出。

需要说明的是，在摩擦副的降温过程中，焊缝上会产生较大的残余应力，实验人员通过对不同降温速率下，降温时间和良品率进行了统计，得到降温速率为10℃/min的情况下，良品率和降温时间最佳。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法，包括：步骤1，清洗陶瓷环、焊片组件的表面后，将陶瓷环和焊片组件烘干，其中，焊片组件包括至少两层活性复合焊片；步骤2，将陶瓷环和焊片组件依次放置于金属基座的焊接表面上方，记作待焊接件，并用工装夹具将待焊接件固定在真空炉内，真空炉为真空钎焊炉；步骤3，设定真空炉的焊接参数，根据预定温度曲线对待焊接件进行焊接，其中，预定温度曲线中的预设降温速率为10℃/min。通过本申请中的技术方案，延长了摩擦副的使用寿命，使得摩擦副中陶瓷环和金属基座能够可靠连接，焊缝强度高，抗剪强度超过110MPa。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (6)

1.一种新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，清洗陶瓷环、焊片组件的表面后，将所述陶瓷环和所述焊片组件烘干，

其中，所述焊片组件包括至少两层活性复合焊片；

步骤2，将所述陶瓷环和所述焊片组件依次放置于所述金属基座的焊接表面上方，记作待焊接件，并用工装夹具将所述待焊接件固定在真空炉内，所述真空炉为真空钎焊炉；

步骤3，设定所述真空炉的焊接参数，根据预定温度曲线对所述待焊接件进行焊接，

其中，所述预定温度曲线中的预设降温速率为10℃/min。

2.如权利要求1所述的新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，所述金属基座的焊接表面上设置有焊接槽，所述焊接槽的壁厚为1mm，所述焊接槽的深度为2mm。

3.如权利要求2所述的新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，所述焊片组件还包括：铜箔；

所述铜箔设置于两层所述活性复合焊片之间，以便吸收所述金属基座降温过程中的形变应力，其中，所述铜箔的厚度为0.3mm。

4.如权利要求1所述的新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，步骤2之前，还包括：打磨所述金属基座的焊接表面，并利用丙酮擦拭所述陶瓷环和所述焊接表面。

5.如权利要求1至4中任一项所述的新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，所述真空炉的焊接参数包括：

焊接真空度3.0×10-3Pa；

钎焊温度880℃。

6.如权利要求1所述的新型一体式水铰链摩擦副制备方法，其特征在于，所述活性复合焊片由添加了0.5wt％B元素的AgCuTi活性焊料制成。

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