CN112338447A - 一种宽流道喉道结构件的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽流道喉道结构件的加工方法，通过依次制备铜合金内壳和不锈钢外套组件，然后将不锈钢外套组件沿轴向均等分切割为若干瓣，在不锈钢外套组件的内壁上铺设钎料，使得相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线，采用真空钎焊得到组合件；然后在冷却介质中通过氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件焊接，最后加工铜合金内壳的的内通道，得到宽流道喉道结构件。本发明在焊接时将若干瓣不锈钢外套组件的切割缝对准流道槽，在冷却介质中采用氩弧焊将不锈钢外套组件焊接，保证氩弧焊焊缝远离钎缝，减小焊缝对钎缝的影响，保证焊接质量。
Description
技术领域
本发明属于航空航天设备加工技术领域，涉及一种宽流道喉道结构件的加工方法。
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，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。
因宽流道喉道结构件为轴对称喷管结构，其喉道段为扩散-收敛的特殊结构，铜合金内壳为两端大、中间小的结构，加工时候铜合金内壳无法直接套入不锈钢外壳内，且焊接面为曲面，对于宽流道喉道结构件整体钎焊时对工装要求较高，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宽流道喉道结构件的加工方法，将不锈钢外套组件沿轴向切割为若干瓣通过真空钎焊与铜合金内壳焊接，降低了工件整体的加工难度；同时将若干瓣不锈钢外套组件的切割缝对准流道槽，保证氩弧焊焊缝远离钎缝，减小焊缝对钎缝的影响，保证焊接质量。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种宽流道喉道结构件的加工方法，包括如下步骤：
(1)在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成第一弧面，在第一弧面上沿轴向开设多条流道槽，得到铜合金内壳；所述的流道槽的宽度为8～12mm；
(2)在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳外型相匹配的内型孔，得不锈钢外壳；在不锈钢外壳的外壁上加工若干个间隔设置的环状凸台，将相邻的环状凸台之间的不锈钢外壳的外壁面用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的圆弧面，得到不锈钢外套组件；
(3)将不锈钢外套组件沿轴向均等分切割成若干瓣，在各瓣不锈钢外套组件的内壁上铺设箔状钎料；将相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线，用工装将各瓣不锈钢外套组件与铜合金内壳紧密贴合并压紧，得到组合件；
(4)将组合件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对组合件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；
(5)将不锈钢外套组件放置在冷却介质中，相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线；采用氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件焊接，将不锈钢外套组件重新焊接为整体结构；
(6)将铜合金内壳内的通槽加工成与第一弧面的弧度相匹配的第二弧面，形成内通道，将组合件外型用车床加工到最终尺寸，得到宽流道喉道结构件的整体组件。
进一步，所述的通槽的直径小于宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸。
进一步，所述的宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸为50mm。
进一步，所述的冷却介质为冷却水。
进一步，步骤(4)中的真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为10～12h。
进一步，步骤(4)中真空钎焊操作包括如下步骤：
(1)对真空炉抽真空，使炉内真空度达1×10-2Pa；
(2)向炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150Pa；
(3)以30℃/h的速度加热到350～450℃，保温60min；
(4)以60℃/h的速度加热到600～700℃，分压5pa，保温60min；
(5)以90℃/h的速度加热到800～900℃，分压30pa，保温240min；
(6)以100℃/h的速度加热到1050～1200℃，分压50pa，开始真空钎焊，时间为4～6h。
进一步，钎焊完毕后，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，使炉内压力达到9×104Pa，待组合件冷却至65℃出炉。
进一步，所述的不锈钢外套组件的的圆弧面与其内壁的间距为8～10mm。
进一步，步骤(6)中加工后的铜合金内壳的壁厚为8～10mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种宽流道喉道结构件的加工方法，通过依次制备铜合金内壳、不锈钢外套组件，然后将不锈钢外套组件沿轴向均等分切割为若干瓣，在不锈钢外套组件的内壁上铺设钎料，使得相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线，采用真空钎焊得到组合件；然后在冷却介质中通过氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件焊接，最后加工铜合金内壳的的内通道，得到宽流道喉道结构件。
因铜合金内壳为两端大、中间小的结构，加工时铜合金内壳无法直接套入不锈钢外套组件内，本发明将不锈钢外套组件沿轴向切割为若干瓣，采用真空钎焊将不锈钢外套组件和铜合金内壳钎焊成组合件，降低了宽流道喉道结构件整体焊接的加工难度；现有的钎焊方式是采用补偿块将相邻的若干瓣不锈钢外套组件的切割缝与流道槽的筋条焊接，本发明克服了技术偏见，不同于现有的真空钎焊方法，本发明将相邻的不锈钢外套组件的切割缝对准流道槽，在冷却介质中采用氩弧焊将相邻的各瓣不锈钢外套组件焊接；将现有的相邻不锈钢外套组件的切割缝与筋条的三面焊接优化为相邻不锈钢外套组件切割缝之间的两两焊接，使得氩弧焊焊缝远离钎缝，减小焊缝对钎缝的影响，保证焊接质量。
附图说明
图1为本发明的宽流道喉道结构件整体外部结构示意图；
图2为本发明的宽流道喉道结构件整体内部结构截面图；
图3为本发明的图2的A-A处剖视图；
图4为本发明的图2的B-B处剖视图；
其中，1为铜合金内壳，2为环状凸台，3为不锈钢外套组件，4为氩弧焊焊缝。
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。
一种宽流道喉道结构件的加工方法，包括如下步骤：
(1)在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成第一弧面，在第一弧面上沿轴向开设多条流道槽，得到铜合金内壳1；所述的流道槽的宽度为8～12mm；
(2)在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳1外型相匹配的内型孔，得不锈钢外壳；在不锈钢外壳的外壁上加工若干个间隔设置的环状凸台2，将相邻的环状凸台2之间的不锈钢外壳的外壁面用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的圆弧面，得到不锈钢外套组件3；
(3)将不锈钢外套组件3沿轴向均等分切割成若干瓣，在各瓣不锈钢外套组件3的内壁上铺设箔状钎料；将相邻的不锈钢外套组件3之间的切割缝对准铜合金内壳1流道槽的中轴线，用工装将各瓣不锈钢外套组件3与铜合金内壳1紧密贴合并压紧，得到组合件；
(4)将组合件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对组合件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；
(5)将不锈钢外套组件3放置在冷却介质中，相邻的不锈钢外套组件3之间的切割缝对准铜合金内壳1流道槽的中轴线；采用氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件3焊接，将不锈钢外套组件3重新焊接为整体结构；
(6)将铜合金内壳1内的通槽加工成与第一弧面的弧度相匹配的第二弧面，形成内通道，将组合件外型用车床加工到最终尺寸，得到宽流道喉道结构件的整体组件。
具体参见图1、图2，图1为本发明的宽流道喉道结构件整体外部结构示意图，图2为本发明的宽流道喉道结构件整体内部结构截面图。可选的，所述的环状凸台2包括四个。本发明是根据设计要求的尺寸，将各组件通过本发明提供的方法焊接成宽流道喉道结构件的整体组件。具体的，本发明首先在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽，通槽的直径小于宽流道喉道结构件设计要求的收敛段的最小尺寸；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成设计要求的第一弧面，在第一弧面上开设多条流道槽，用于冷却宽流道喉道结构件，使宽流道喉道结构件能够在高温下工作。所述的流道槽为宽流道槽，流道槽的宽度为8～12mm；通槽的直径小于宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸，是为了后期方便将通槽用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第二弧面，形成内通道。
具体的，在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳1外型相匹配的内型孔；将圆柱不锈钢锻件的外壁用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的圆弧面，得不锈钢外壳；在不锈钢外壳的外壁上加工若干个间隔设置的环状凸台2，将相邻的环状凸台2之间的不锈钢外壳的外壁面用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的圆弧面，得到不锈钢外套组件3。因铜合金内壳1和不锈钢外壳均为两端大、中间小的结构，铜合金内壳1无法直接套设在不锈钢外套组件3的内型孔内，因此将不锈钢外套组件3沿轴向均等分切割成若干瓣；具体的，将不锈钢外套组件3沿轴向均等分切割成三瓣，采用储能焊的方式在每瓣不锈钢外套组件3的内壁上铺满箔状钎料HBNi82CrSiB；将相邻的不锈钢外套组件3之间的切割缝对准铜合金内壳1流道槽的中轴线，用工装将各瓣不锈钢外套组件3与铜合金内壳1紧密贴合并压紧，得到组合件；真空钎焊后，将不锈钢外套组件3放置在冷却介质中，相邻的不锈钢外套组件3之间的切割缝对准铜合金内壳1流道槽的中轴线；采用氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件3焊接，将不锈钢外套组件3重新焊接为整体结构。焊接不锈钢外套组件3时，将若干瓣不锈钢外套组件3的切割缝对准流道槽，在冷却介质中采用氩弧焊将不锈钢外套组件3焊接，保证氩弧焊焊缝4远离钎缝，减小焊缝对钎缝的影响，保证焊接质量。
图3为本发明的图2的A-A处剖视图；图4为本发明的图2的B-B处剖视图；图3中氩弧焊焊缝4为各瓣环状凸台2焊接形成，图4中氩弧焊焊缝4为各瓣不锈钢外壳焊接形成，焊接完成后将氩弧焊焊缝4处理平整，形成平整圆弧面。
进一步，所述的通槽的直径小于宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸，方便后期对通槽进行加工，将通槽用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的第二弧面，得到铜合金内壳1与不锈钢外套组件3的组合件。
进一步，所述的宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸为50mm，即宽流道喉道结构件的喉道段最小尺寸为50mm。
进一步，所述的冷却介质为冷却水。
需要说明的是，采用氩弧焊焊接不锈钢外套组件3时，将不锈钢外套组件3放置在冷却水中用于对不锈钢外套组件3进行降温，电流为80-100A，氩气流量在5-8L/min，焊丝材料为0Cr21Ni10。所述的工装是与不锈钢外套组件3外部弧面相匹配的弧形夹紧件，将不锈钢外套组件3和铜合金内壳1定位和压紧，保证不锈钢外套组件3和铜合金内壳1的钎焊面紧密贴合，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。
进一步，步骤(4)中的真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为10～12h。
进一步，步骤(4)中真空钎焊操作包括如下步骤：
(1)对真空炉抽真空，使炉内真空度达1×10-2Pa；
(2)向炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150Pa；
(3)以30℃/h的速度加热到350～450℃，保温60min；
(4)以60℃/h的速度加热到600～700℃，分压5pa，保温60min；
(5)以90℃/h的速度加热到800～900℃，分压30pa，保温240min；
(6)以100℃/h的速度加热到1050～1200℃，分压50pa，开始真空钎焊，时间为4～6h。
具体的，真空钎焊时，打开炉门将不锈钢外套组件3和铜合金内壳1的组合件装入真空钎焊炉中有效均温区并立即关上炉门；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；开始程序升温，待炉内温度升至1095±5℃时，开始真空钎焊。
进一步，钎焊完毕后，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，使炉内压力达到9×104Pa，待组合件冷却至65℃出炉。
进一步，所述的不锈钢外套组件3的的圆弧面与其内壁的间距为8～10mm。
进一步，步骤(6)中加工后的铜合金内壳1的壁厚为8～10mm。
最后对宽流道喉道结构件的整体组件进行压力试验，以测定整体组件的密封性。具体操作为：分别对真空钎焊得到的宽流道喉道结构件的整体组件的扩张段和喉道进行压力试验，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进行压力测试，测试结果均为合格；在10.0MPa下保压30min，对整体组件的扩张段和喉道进行压力测试，测试结果均为合格。
需要说明的是，宽流道喉道结构件的材料主要为AISI304和Cr-Zr-Cu。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。铜合金内壳1的材料为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。
由以上技术方案，本发明提供了一种宽流道喉道结构件的加工方法，通过依次制备铜合金内壳1、不锈钢外套组件3，然后将不锈钢外套组件3沿轴向均等分切割为若干瓣，在不锈钢外套组件3的内壁上铺设钎料，使得相邻的不锈钢外套组件3之间的切割缝对准铜合金内壳1流道槽的中轴线，采用真空钎焊得到组合件；然后在冷却介质中通过氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件3焊接，最后加工铜合金内壳1的的内通道，得到宽流道喉道结构件。
因铜合金内壳1为两端大、中间小的结构，加工时铜合金内壳1无法直接套入不锈钢外套组件3内，本发明将不锈钢外套组件3沿轴向切割为若干瓣，采用真空钎焊将不锈钢外套组件3和铜合金内壳1钎焊成组合件，降低了宽流道喉道结构件整体焊接的加工难度；现有的钎焊方式是采用补偿块将相邻的若干瓣不锈钢外套组件3的切割缝与流道槽的筋条焊接；本发明克服了技术偏见，不同于传统的真空钎焊方法，本发明将相邻的不锈钢外套组件3的切割缝对准流道槽，在冷却介质中采用氩弧焊将相邻的各瓣不锈钢外套组件3焊接；将传统的相邻不锈钢外套组件3的切割缝与筋条的三面焊接优化为相邻不锈钢外套组件3切割缝之间的两两焊接，使得氩弧焊焊缝4远离钎缝，减小焊缝对钎缝的影响，保证焊接质量。
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 (9)
1.一种宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在圆柱铜合金锻件中部沿轴向开设通槽；将圆柱铜合金锻件的外壁用车床加工成第一弧面，在第一弧面上沿轴向开设多条流道槽，得到铜合金内壳；所述的流道槽的宽度为8～12mm；
(2)在圆柱不锈钢锻件中部沿轴向开设与铜合金内壳外型相匹配的内型孔，得不锈钢外壳；在不锈钢外壳的外壁上加工若干个间隔设置的环状凸台，将相邻的环状凸台之间的不锈钢外壳的外壁面用车床加工成与第一弧面弧度相匹配的圆弧面，得到不锈钢外套组件；
(3)将不锈钢外套组件沿轴向均等分切割成若干瓣，在各瓣不锈钢外套组件的内壁上铺设箔状钎料；将相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线，用工装将各瓣不锈钢外套组件与铜合金内壳紧密贴合并压紧，得到组合件；
(4)将组合件放入真空钎焊炉，在真空条件下加热，对组合件进行真空钎焊，真空钎焊完毕后冷却至常温出炉；
(5)将不锈钢外套组件放置在冷却介质中，相邻的不锈钢外套组件之间的切割缝对准铜合金内壳流道槽的中轴线；采用氩弧焊将相邻的不锈钢外套组件焊接，将不锈钢外套组件重新焊接为整体结构；
(6)将铜合金内壳内的通槽加工成与第一弧面的弧度相匹配的第二弧面，形成内通道，将组合件外型用车床加工到最终尺寸，得到宽流道喉道结构件的整体组件。
2.根据权利要求1所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，所述的通槽的直径小于宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸。
3.根据权利要求2所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，所述的宽流道喉道结构件收敛段的最小尺寸为50mm。
4.根据权利要求1所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，所述的冷却介质为冷却水。
5.根据权利要求1所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，步骤(4)中的真空钎焊的压力为0.01～500Pa，温度为300℃～1100℃，时间为10～12h。
6.根据权利要求5所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，步骤(4)中真空钎焊操作包括如下步骤：
(1)对真空炉抽真空，使炉内真空度达1×10-2Pa；
(2)向炉内填充高纯氩气，使炉内真空度到50-150Pa；
(3)以30℃/h的速度加热到350～450℃，保温60min；
(4)以60℃/h的速度加热到600～700℃，分压5pa，保温60min；
(5)以90℃/h的速度加热到800～900℃，分压30pa，保温240min；
(6)以100℃/h的速度加热到1050～1200℃，分压50pa，开始真空钎焊，时间为4～6h。
7.根据权利要求6所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，钎焊完毕后，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，使炉内压力达到9×104Pa，待组合件冷却至65℃出炉。
8.根据权利要求1所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，所述的不锈钢外套组件的的圆弧面与其内壁的间距为8～10mm。
9.根据权利要求8所述的宽流道喉道结构件的加工方法，其特征在于，步骤(6)中加工后的铜合金内壳的壁厚为8～10mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210209 |
|
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