CN113510327A - 异种材料钎焊间隙控制方法和系统 - Google Patents

异种材料钎焊间隙控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种异种材料钎焊间隙控制方法和系统，包括：根据待装配的各工件的实际结构预设装配间隙值；确定各工件的性能参数；根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置和热结构分析的边界条件；根据热结构分析的边界条件和各工件的性能参数，分析各工件的热位移变化，并求出各工件间钎焊间隙值；根据各工件间钎焊间隙值与钎焊料的预设钎焊间隙范围进行比较和复算，获得工件间最佳的装配间隙范围；根据最佳的装配间隙范围进行工艺试验确定工件间实际装配间隙。本发明通过模拟分析将工件初始装配间隙与钎焊间隙联系起来，实现了异种材料钎焊间隙的数值化控制，保证了产品钎焊质量。

Description

异种材料钎焊间隙控制方法和系统
技术领域
本发明涉及钎焊连接技术领域，具体地，涉及一种异种材料钎焊间隙控制方法和系统。
背景技术
钎焊就是在低于母材熔点、高于钎焊料熔点的某一温度下加热母材，通过液态钎焊料在母材表面或间隙内润湿、铺展、毛细流动填缝，最终凝固结晶，而实现原子间结合的一种材料连接方法。
针对钎焊焊缝强度较低的原因有：钎焊料与母材化学反应比较弱，其反应接合面仅为几微米到几十微米之间。因此必须通过增加钎焊面积来提高整个接头强度，而钎焊面积的主要受钎焊料与母材的填缝面积的影响，即单位面积强度一定的情况下，钎焊填缝面积越大，整个接头的强度越高；填缝能力受毛细作用的影响，排除了材料和工艺因素外，毛细工作取决于钎焊间隙，因此控制钎焊间隙，是提高整个钎焊接头性能的关键。
钎焊间隙是指钎焊熔化时工件待钎焊处的间隙，在高温下，难以通过有效手段对其进行测量，或测量成本高，方案可实施性差。因此需要反复预置工件装配间隙进行钎焊，焊后通过金相或其他破坏手段来完成，这样不仅会增加生产周期，也造成较大的生产浪费，更重要的是造成控制数据的模糊化，不利于同类产品推广和应用。为此需要发明一种有效、可量化的控制异种材料钎焊间隙的方法。
专利文献CN107649800B(申请号：CN201710885788.2)公开了一种搭接钎缝间隙控制装置及获取最优加载力进行钎焊的方法。搭接钎缝间隙控制装置包括工作台、冷却系统、钎焊操作台、压紧装置一和保持水平装置。通过控制不同的加载而获得不同的钎缝间隙，利用获得的钎缝间隙判定出最优间隙值，进而得到与最优间隙值相对应的最优加载力；固定加载，用于批量生产过程中钎缝间隙的定量控制，进行钎焊，从而实现钎焊质量的提升。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种异种材料钎焊间隙控制方法和系统。
根据本发明提供的异种材料钎焊间隙控制方法，包括：
步骤S1、根据待装配的各工件的实际结构预设装配间隙值，绘制各工件的三维图和建立各工件的立体几何模型；
步骤S2、根据各工件的材料确定各工件的性能参数；
步骤S3、根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置和热结构分析的边界条件；
步骤S4、根据热结构分析的边界条件和各工件的性能参数，分析各工件的热位移变化，并求出各工件间钎焊间隙值；
步骤S5、根据各工件间钎焊间隙值与钎焊料的预设钎焊间隙范围进行比较和复算，获得工件间最佳的装配间隙范围；
步骤S6、根据最佳的装配间隙范围进行工艺试验，将实际钎焊间隙与热结构分析结果进行比对，优化边界条件设置，确定工件间实际装配间隙，最终控制钎焊间隙。
优选的，所述性能参数包括密度、泊松比、弹性模量和线膨胀系数。
优选的，所述边界条件包括初始温度、最终温度和约束状态；
其中，所述初始温度为室温，所述最终温度为钎焊料完全熔化的温度，所述约束状态包括自由状态、点约束状态和面约束状态。
优选的，采用热结构分析软件分析各工件的热位移变化，所述热位移变化包括各工件的位移值和变形图。
优选的，在不同约束状态时，分别求出在初始温度和最终温度下各工件钎焊间隙的极值，根据各工件钎焊间隙的极值差值获得最大钎焊间隙、最小钎焊间隙和平均钎焊间隙。
根据本发明提供的异种材料钎焊间隙控制系统，包括：
模块M1、根据待装配的各工件的实际结构预设装配间隙值，绘制各工件的三维图和建立各工件的立体几何模型；
模块M2、根据各工件的材料确定各工件的性能参数；
模块M3、根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置和热结构分析的边界条件；
模块M4、根据热结构分析的边界条件和各工件的性能参数，分析各工件的热位移变化，并求出各工件间钎焊间隙值；
模块M5、根据各工件间钎焊间隙值与钎焊料的预设钎焊间隙范围进行比较和复算，获得工件间最佳的装配间隙范围；
模块M6、根据最佳的装配间隙范围进行工艺试验，将实际钎焊间隙与热结构分析结果进行比对，优化边界条件设置，确定工件间实际装配间隙，最终控制钎焊间隙。
优选的，所述性能参数包括密度、泊松比、弹性模量和线膨胀系数。
优选的，所述边界条件包括初始温度、最终温度和约束状态；
其中，所述初始温度为室温，所述最终温度为钎焊料完全熔化的温度，所述约束状态包括自由状态、点约束状态和面约束状态。
优选的，采用热结构分析软件分析各工件的热位移变化，所述热位移变化包括各工件的位移值和变形图。
优选的，在不同约束状态时，分别求出在初始温度和最终温度下各工件钎焊间隙的极值，根据各工件钎焊间隙的极值差值获得最大钎焊间隙、最小钎焊间隙和平均钎焊间隙。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明主要根据异种焊缝使用要求，确定工件装配间隙的方向与膨胀方面的关系，采用热结构分析方法将异种工件不同方向的膨胀量进行对比，将两者的差值，与期望值(钎焊料推荐的钎焊间隙)进行必要的运算，计算工件装配间隙；再利用该装配间隙，进行工艺试验，获得实测钎焊间隙，与分析方法比对，优化边界条件，再通过实际钎焊间隙反推获得装配间隙，形成较好毛细作用条件，从而保证产品钎焊质量。
2、本发明解决了异种材料钎焊间隙难以预测，钎焊质量无法有效保证的问题，通过模拟分析将工件初始装配间隙与钎焊间隙联系起来，实现了异种材料钎焊间隙的数值化控制，保证了产品钎焊质量。
3、本方法可以节约生产成本、量化钎焊间隙指标，避免反复试验，提高异种材料钎焊间隙可预见性，保证焊缝质量。
4、本发明采用模拟分析与少量破坏性试验相结合，可以大幅降低材料、加工和试验成本，同时也对类似结构或材料有推广和借鉴的意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例中工件有限元模型结构示意图；
图2为实施例中不同温度下高温合金弹性模量的变化图；
图3为实施例中不同温度下高温合金膨胀系数的变化图；
图4为实施例中工件在自由状态下的位移云图；
图5为实施例中工件在三点约束状态下的位移云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本实施例涉及一种异种材料钎焊间隙控制方法，如以某产品的管板结构为例，其中管套在板外侧，钎焊为搭接方式，所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据待装配的管结构和板结构的实际结构，预设一个常用的直径装配间隙上限(如单边装配间隙0.08mm)，并绘制各个零件的proe三维图，建立立体几何模型，并对模型进行必要的简化，具体见图1。
步骤2，针对零件材料(管结构为高温合金材料、板结构为不锈钢材料)，通过材料手册查询材料性能参数，其中弹性模量和热胀系数是随温度变化比较明显。若无相关数据，可以根据现有数据采用线性外推法获得，具体见图2和图3。
步骤3，根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置以及工件受热拘束状态，其中工件拘束状态，一般分为自由状态、点拘束状态和面拘束状态。选取初始温度(室温)和最终温度(钎焊料完全熔化的温度)，以上均作为后续热结构分析的边界条件。
以管板结构(管为高温合金材料，板为不锈钢材料)为例。
初始温度：20℃；最终温度：1150℃。
管(材料：高温合金)材料性能参数：
密度：8.33g/cm3；泊松比：0.35；
弹性模量：220000MPa(20℃)，155500MPa(1150℃)；
线膨胀系数：1.47-5/℃(20℃)，1.9E-5/℃(1150℃)；
板(板：不锈钢)材料性能参数：
密度：7.85g/cm3；泊松比：0.3；
弹性模量：198000MPa(20℃)，102000MPa(1150℃)；
线膨胀系数：1.66-5/℃(20℃)，2.04E-5/℃(1150℃)；
步骤4，根据上述边界条件(包括初始温度、最终温度以及约束状态)和材料性能参数，采用热结构分析软件Analysis分析各工件位移和变形云图，并求出初始温度和最终温度下各零件钎焊部位的极限值，其中根据各零件钎焊部位的极限差值获得最大钎焊间隙、最小钎焊间隙和平均钎焊间隙，如图4和图5所示，图4为自由状态的工件各部位变形云图，从图5为三点约束状态的工件各部位变形云图。
以自由状态为例(考虑装配时极限状态)：
初始平均装配间隙：0.08mm；最大钎焊间隙：0.1119mm；最小钎焊间隙：0mm；平均钎焊间隙：0.0119mm。
以三点拘束为例(考虑装配时均匀定位约束)：
初始装配间隙：0.08mm；最大钎焊间隙：0.08mm(约束点处)；最小钎焊间隙：0.005mm；平均钎焊间隙：0.0319mm。
步骤5，在实际钎焊生产过程，对工件进行约束定位是比较常见的，因此本实施中只考虑约束状态。装配间隙(是指焊接加热前零件之间直径方向的间隙和一半)，钎焊间隙(是指焊接加热到规定温度时零件之间直径方向的间隙和一半)，平均钎焊间隙(是指焊接加热到规定温度时整个圆弧面上零件之间直径方向的间隙和一半)。根据平均钎焊间隙为0.0319mm，较初始装配间隙较小了约0.05mm，参考推荐钎焊间隙范围0.03-0.07mm，处于下限值附近，因此将初始的装配间隙由0.08mm提高到0.1mm。重新计算结果如下：
初始装配间隙：0.1mm；最大钎焊间隙：0.1mm(约束点处)；最小钎焊间隙：0.025mm；平均钎焊间隙：0.0519mm。
考虑平均钎焊间隙处于推荐钎焊间隙中值附近，最小钎焊间隙为0.025接近0.03mm，能够满足钎焊料润湿填缝的要求。约束点处钎焊间隙最大0.10mm，但仅限于约束点，其间隙变化是连续的，可以不予考虑。因此确定了该结构工件钎焊处的装配间隙控制在0.1mm左右，并根据零件加工难度确定装配间隙范围为(0.1-X)-(0.1+Y)，其中(X、Y是分别代表两个待焊工件钎焊配合部位的加工公差)根据管板零件材料和结构来确定来分配零件钎焊配合部位的加工公差。
步骤6，根据分析获得最佳的装配间隙范围，设计和加工简化的工件，钎焊后对焊缝进行多点剖切，通过焊缝观察，确定平均钎焊间隙，与热分析结果进行比对，优化边界条件设置，确定工件实际装配间隙。具体有，钎焊后沿中心对焊缝进行6点剖切，通过体式显微镜等方式观察，并实测钎焊间隙，将实测结果与结构热分析数据进行对比，调整初始装配间隙。
为有效控制钎焊间隙，保证焊缝质量，发明提出了一种异种材料钎焊间隙控制方法，该方法可以节约生产成本、量化钎焊间隙指标，避免反复试验，提高异种材料钎焊间隙可预见性，保证焊缝质量。
为了达到上述发明目的，本发明针对钎焊结构特点和使用要求，通过模拟分析获得钎焊间隙数据，与钎焊料推荐间隙比对，计算出工件装配间隙，再通过试验验证、分析分方法，确定最佳装配间隙，最终通过控制工件装配间隙来控制钎焊间隙的目的。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种异种材料钎焊间隙控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1、根据待装配的各工件的实际结构预设装配间隙值，绘制各工件的三维图和建立各工件的立体几何模型；
步骤S2、根据各工件的材料确定各工件的性能参数；
步骤S3、根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置和热结构分析的边界条件；
步骤S4、根据热结构分析的边界条件和各工件的性能参数，分析各工件的热位移变化，并求出各工件间钎焊间隙值；
步骤S5、根据各工件间钎焊间隙值与钎焊料的预设钎焊间隙范围进行比较和复算，获得工件间最佳的装配间隙范围；
步骤S6、根据最佳的装配间隙范围进行工艺试验，将实际钎焊间隙与热结构分析结果进行比对，优化边界条件设置，确定工件间实际装配间隙，最终控制钎焊间隙。
2.根据权利要求1所述的异种材料钎焊间隙控制方法，其特征在于，所述性能参数包括密度、泊松比、弹性模量和线膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的异种材料钎焊间隙控制方法，其特征在于，所述边界条件包括初始温度、最终温度和约束状态；
其中，所述初始温度为室温，所述最终温度为钎焊料完全熔化的温度，所述约束状态包括自由状态、点约束状态和面约束状态。
4.根据权利要求1所述的异种材料钎焊间隙控制方法，其特征在于，采用热结构分析软件分析各工件的热位移变化，所述热位移变化包括各工件的位移值和变形图。
5.根据权利要求1所述的异种材料钎焊间隙控制方法，其特征在于，在不同约束状态时，分别求出在初始温度和最终温度下各工件钎焊间隙的极值，根据各工件钎焊间隙的极值差值获得最大钎焊间隙、最小钎焊间隙和平均钎焊间隙。
6.一种异种材料钎焊间隙控制系统，其特征在于，包括：
模块M1、根据待装配的各工件的实际结构预设装配间隙值，绘制各工件的三维图和建立各工件的立体几何模型；
模块M2、根据各工件的材料确定各工件的性能参数；
模块M3、根据各工件的钎焊结构和钎料填缝要求，确定钎焊缝位置和热结构分析的边界条件；
模块M4、根据热结构分析的边界条件和各工件的性能参数，分析各工件的热位移变化，并求出各工件间钎焊间隙值；
模块M5、根据各工件间钎焊间隙值与钎焊料的预设钎焊间隙范围进行比较和复算，获得工件间最佳的装配间隙范围；
模块M6、根据最佳的装配间隙范围进行工艺试验，将实际钎焊间隙与热结构分析结果进行比对，优化边界条件设置，确定工件间实际装配间隙，最终控制钎焊间隙。
7.根据权利要求6所述的异种材料钎焊间隙控制系统，其特征在于，所述性能参数包括密度、泊松比、弹性模量和线膨胀系数。
8.根据权利要求6所述的异种材料钎焊间隙控制系统，其特征在于，所述边界条件包括初始温度、最终温度和约束状态；
其中，所述初始温度为室温，所述最终温度为钎焊料完全熔化的温度，所述约束状态包括自由状态、点约束状态和面约束状态。
9.根据权利要求6所述的异种材料钎焊间隙控制系统，其特征在于，采用热结构分析软件分析各工件的热位移变化，所述热位移变化包括各工件的位移值和变形图。
10.根据权利要求6所述的异种材料钎焊间隙控制系统，其特征在于，在不同约束状态时，分别求出在初始温度和最终温度下各工件钎焊间隙的极值，根据各工件钎焊间隙的极值差值获得最大钎焊间隙、最小钎焊间隙和平均钎焊间隙。
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