CN114473169A - 双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其中，双金属圆柱面形结构风洞电极包括外壳以及套设于外壳孔中的内壳，内壳内配置有锥度涨芯，外壳的外围还装配有加固套组，外壳的底端还设置有底托；其中，扩散焊接方法具体按照如下步骤进行：步骤1：将各工件加工，预处理，装配；步骤2：然后将加固套组装配于步骤1处理后工件的外围，得到装配件A；步骤3：将装配件A吊装于真空炉内，控制真空炉的参数，进行扩散焊接，得到扩散焊接后的工件。本发明解决了常规焊接方法中焊接强度不足、内腔焊料过流、焊渣堵塞问题。对提高扩散焊接质量，降低生产成本，促进扩散焊接领域发展具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于金属材料扩散焊接技术领域，提供了一种双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法。
背景技术
扩散焊接的目的是解决航空航天等重要领域零部件制造方面的卡脖子问题。方法是加工A部件，再加工B部件，将两个待焊件采用工装夹紧在一起，再用扩散焊技术通过精确的温度、压力、时间及真空度等参数控制，促使原子间互相扩散渗透使其合为一体的过程。通俗一点来讲就是达到“你中有我，我中有你的程度”。它能够解决一些不能通过常规机械加工方法获得的零部件内部构造，并且扩散焊接更适用于双金属材料、耐热合金和新材料如陶瓷、复合材料焊接。双金属圆柱面形结构风洞电极的焊接方法一般有钎焊，扩散焊接方法有加过渡层介质扩散焊接、利用材料热胀原理扩散焊接。
钎焊在焊接过程当中钎料容易产生焊渣和焊料过流，且钎料熔点低于双金属最低母材液相线温度，因此钎焊易造成内腔结构堵塞，强度达不到双金属母材本体焊接强度。加过渡层介质扩散焊接，由于双金属圆柱面装配间隙很小，间隙过大又难以使双金属材料原子间互相迁移渗透，因此加过渡层介质装配工艺复杂，且过渡层介质熔点低于两种金属中最低母材最低熔点，造成焊接强度不够。利用材料热胀特性扩散焊接，其双金属内外圆柱壳，通过热胀冷缩方法过盈配合，将装配完成的构件在高温环境下，根据材料本身形变产生扩散焊接的压力达到双金属内外圆柱的焊接。由于热胀过盈配合中过盈量有限，且高温环境下材料本身产生形变方向不确定，导致焊接密封不够，不能满足较高温度和压力环境工况使用。
以扩散焊接行业十几年的技术成果积累，设计出一套解决常规焊接方法中焊接强度不足，密封性欠缺、焊料过流等缺点的实用方案，对建立扩散焊接领域标杆具有重大意义，为航空航天等重要领域的结构设计和制造提供了技术保障。
发明内容
本发明的目的是提供双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，解决了现有双金属圆柱面形结构风洞电极钎焊、加过渡层介质扩散焊接、利用材料热胀原理扩散焊接的焊接技术有待进一步优化的问题。
本发明所采用的技术方案是，
双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其中，双金属圆柱面形结构风洞电极包括外壳以及套设于外壳孔中的内壳，内壳内配置有锥度涨芯，外壳的外围还装配有加固套组，外壳的底端还设置有底托；
其中，扩散焊接方法具体按照如下步骤进行：
步骤1：将外壳、内壳、锥度涨芯、加固套组以及底托按照设计要求加工到需要的尺寸，并对外壳、内壳进行预处理，将外壳在烘箱烤热至60-80℃，保温1-1.5h；随即将内壳装配于热胀的外壳的内孔当中；将底托的沉台置于外壳、内壳底部；将锥度涨芯装配于内壳，通过压力机将锥度涨芯预压，此时锥度涨芯上端面距离外壳、内壳端面位移距离40-50mm,并记录压力值；
步骤2：然后将加固套组装配于外壳的外围，得到装配件A；
步骤3：将装配件A吊装于真空炉内，将真空炉内的压头与锥度涨芯的上端面接触，将真空炉抽真空并保持真空度；以3-5℃/min的速度将真空炉升温至880℃-930℃，在真空炉上读取并记录装配件A在垂直方向的热胀高度量，调节真空炉的压头的压力，控制压头的压力为0.1-0.5T，进行第一次保温，然后将真空炉以3-5℃/min的速度升温至1020℃-1045℃，在真空炉的压头的作用下使锥度涨芯上端面高出外壳、内壳端面的位移量同步走完，然后进行第二次保温，扩散焊接结束。
本发明的特点还在于；
步骤1中，预处理包括用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇后清洗晾干。
步骤2中，加固套组包括两个加固套，每个加固套为筒状结构，加固套采用304不锈钢材料，加固套的壁厚控制为30-40mm。
锥度涨芯的外圆锥度通过内壳的内径以及整体的扩散焊接方法的参数所确定，以便在扩散焊接结束后，锥度涨芯的上端与外壳和内壳端面平齐。
步骤3中，真空度控制为1×10-3pa-3×10-3pa。
步骤3中，第一次保温的时间控制为15-25min，第二次保温的时间控制为5-20min。
本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法的有益效果是：通过本扩散焊接方法，使得双金属圆柱形面扩散焊接面受力均匀，焊接质量提高；密封性增大，满足高压气体、流体工况条件作业；拓展延伸本专利周边也适用于多边形、圆锥形、T形(包含圆柱面、圆柱端面一次扩散焊接)等内外壳形状工件扩散焊接。
附图说明
图1是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中整体装配结构示意图；
图2是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中整体装配剖视示意图；
图3是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中外壳的结构示意图；
图4是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中内壳的结构示意图；
图5是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中锥度涨芯的工装结构示意图；
图6是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中加固套的工装结构示意图；
图7是双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中底托的工装结构示意图；
图中，1.外壳，2.内壳，3.锥度涨芯，4.加固套，5.底托。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法进行进一步详细说明。
本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法。
本发明加工步骤如下:
如图1、图2、图7所示，底托5为45#钢材料，加工外壳1、内壳2定位二台沉孔及如下锥度涨芯3的位移通孔。
如图1、图2、图6所示，加固套4为304不锈钢材料，壁厚控制在30-40mm内，如下外壳1的外圆锥面与加固套4的内锥面配做抱紧。
如图1、图2、图5所示，锥度涨芯3为2520耐高温合金不锈钢材料，其外圆锥度与如下内壳2的内孔配做位移高度。
如图1、图2、图4所示，内壳2为T2紫铜或铬锆铜材料，其流道槽宽、槽深根据热加工压缩量预放留量0.1-0.2mm，内壳2的内孔与如上锥度涨芯3配做位移高度40-50mm，内壳外圆与如下所述外壳1的内孔间隙配做，其余两端部位需留有焊接后加工余量5-10mm。
如图1、图2、图3所示，外壳1为304不锈钢材料，除内孔、两端两圈流道孔加工到尺寸外，其余端面、外圆留有焊接后加工余量5-10mm。外壳内孔与内壳2外圆间隙配合，外壳1的外圆表面二次加工外锥度与如上加固套4的内孔配做抱紧。
装配前处理：
加固套4与外壳1、锥度涨芯3与内壳2装配贴合部位，底托5上端面、沉台、内孔，均垫0.1-0.3mm厚石墨纸，避免焊接粘连。
外壳1内孔、内壳2外圆，需扩散焊接部位用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇清洗晾干。
装配及进炉抽真空：
将外壳1在烘箱烤热至60-80℃，保温1-1.5H，随即内壳2迅速装配于热胀的外壳1内孔当中，接下来底托的沉台置于外壳、内壳底部，然后锥度涨芯3装配于内壳2孔中，最后加固套4装配于外壳1的圆柱面。装配完成整体吊装于真空炉内高温扩散焊接。关闭真空炉的炉盖，开启真空泵抽真空至1×10-3pa-3×10-3pa保持真空度至加温过程完成。
扩散焊接：真空炉压头压涨芯上端面记录位移值，以3-5℃/min的加温速度将真空炉逐渐升温至880℃-930℃(根据工件垂直方向热胀高度量，调节真空炉压头压力，保持压头0.1-0.5T压力，记录位移值，此时工件热胀结束)，保温15-25min。持续以3-5℃/min加温速度逐渐升温至1020℃-1045℃，此时锥度涨芯3上端面距离外壳1端面的位移量同步走完，保温5-20min，扩散焊接过程结束。
降温冷却出炉取件：待真空炉内温度达300-350℃，开盖取件。
在真空炉高温环境下对锥度涨芯3上端面加压，锥度涨芯上端面受垂直向下的作用力产生位移时，这种作用力转换成锥度涨芯圆锥面相对于焊接面产生侧向挤压力撑大内壳，实现内外壳扩散焊接。常温下焊接面直径与装配间隙配合关系为,焊接面直径每增加20-30mm,配合间隙增大0.01-0.015mm。
本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法中；
装配前处理：
加固套4与外壳1、锥度涨芯3与内壳2装配贴合部位，底托5上端面、沉台、内孔，均垫0.1-0.3mm厚石墨纸，避免焊接粘连。
外壳1内孔、内壳2外圆，需扩散焊接部位用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇清洗晾干。
装配及进炉抽真空：
将外壳1在烘箱烤热至60-80℃，保温1-1.5h后放置于底托5沉台之内，接下内壳迅速装配于热胀的外壳1内孔当中，然后锥度涨芯3装配于内壳2孔中，最后加固套4装配于外壳圆柱面。装配完成整体吊装于真空炉内高温扩散焊接。关闭炉盖，开启真空泵抽真空至1×10-3pa-3×10-3pa保持真空度至加温过程完成。
扩散焊接：真空炉压头压涨芯上端面记录位移值，以3-5℃/min加温速度逐渐升温至880℃-930℃(根据工件垂直方向热胀高度量，调节真空炉压头压力，保持压头0.1-0.5T压力，记录位移值，此时工件热胀结束)，保温15-25min。持续以3-5℃/min加温速度逐渐升温至1010℃-1045℃，此时锥度涨芯上端面位移量同步走完，保温5-20min，扩散焊接过程结束。
降温冷却出炉取件：待真空炉内温度达300-350℃，开盖取件。
在真空炉高温环境下对锥度涨芯3上端面加压，锥度涨芯上端面受垂直向下的作用力产生位移时，这种作用力转换成锥度涨芯圆锥面相对于焊接面产生侧向挤压力撑大内壳2，实现内壳2和外壳1的扩散焊接。
下面通过具体的实施例对本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法进行进一步详细说明。
实施例1
装配前处理：
加固套4与外壳1、锥度涨芯3与内壳2装配贴合部位，底托5上端面、沉台、内孔，均垫0.1mm厚石墨纸，避免焊接粘连。
外壳1内孔、内壳2外圆，需扩散焊接部位用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇清洗晾干。
装配及进炉抽真空：
将外壳1在烘箱烤热至60℃，保温1h后放置于底托5沉台之内，接下内壳迅速装配于热胀的外壳1内孔当中，然后锥度涨芯3装配于内壳2孔中，最后加固套4装配于外壳圆柱面。装配完成整体吊装于真空炉内高温扩散焊接。关闭炉盖，开启真空泵抽真空至1×10-3pa保持真空度至加温过程完成。
扩散焊接：真空炉压头压涨芯上端面记录位移值，以3℃/min加温速度逐渐升温至880℃(根据工件垂直方向热胀高度量，调节真空炉压头压力，保持压头0.1T压力，记录位移值，此时工件热胀结束)，保温15min。持续以3℃/min加温速度逐渐升温至1010℃，此时锥度涨芯上端面位移量同步走完，保温5min，扩散焊接过程结束。
降温冷却出炉取件：待真空炉内温度达300℃，开盖取件。
在真空炉高温环境下对锥度涨芯3上端面加压，锥度涨芯上端面受垂直向下的作用力产生位移时，这种作用力转换成锥度涨芯圆锥面相对于焊接面产生侧向挤压力撑大内壳2，实现内壳2和外1的扩散焊接。
实施例2
装配前处理：
加固套4与外壳1、锥度涨芯3与内壳2装配贴合部位，底托5上端面、沉台、内孔，均垫0.15mm厚石墨纸，避免焊接粘连。
外壳1内孔、内壳2外圆，需扩散焊接部位用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇清洗晾干。
装配及进炉抽真空：
将外壳1在烘箱烤热至70℃，保温1.25H后放置于底托5沉台之内，接下内壳迅速装配于热胀的外壳1内孔当中，然后锥度涨芯3装配于内壳2孔中，最后加固套4装配于外壳圆柱面。装配完成整体吊装于真空炉内高温扩散焊接。关闭炉盖，开启真空泵抽真空至2×10- 3pa,保持真空度至加温过程完成。
扩散焊接：真空炉压头压涨芯上端面记录位移值，以4℃/min加温速度逐渐升温至905℃(根据工件垂直方向热胀高度量，调节真空炉压头压力，保持压头0.3T压力，记录位移值，此时工件热胀结束)，保温20min。持续以4℃/min加温速度逐渐升温至1032℃，此时锥度涨芯上端面位移量同步走完，保温13min，扩散焊接过程结束。
降温冷却出炉取件：待真空炉内温度达325℃，开盖取件。
在真空炉高温环境下对锥度涨芯3上端面加压，锥度涨芯上端面受垂直向下的作用力产生位移时，这种作用力转换成锥度涨芯圆锥面相对于焊接面产生侧向挤压力撑大内壳2，实现内壳2和外1的扩散焊接。
实施例3
装配前处理：
加固套4与外壳1、锥度涨芯3与内壳2装配贴合部位，底托5上端面、沉台、内孔，均垫0.3mm厚石墨纸，避免焊接粘连。
外壳1内孔、内壳2外圆，需扩散焊接部位用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇清洗晾干。
装配及进炉抽真空：
将外壳1在烘箱烤热至80℃，保温1.5h后放置于底托5沉台之内，接下内壳迅速装配于热胀的外壳1内孔当中，然后锥度涨芯3装配于内壳2孔中，最后加固套4装配于外壳圆柱面。装配完成整体吊装于真空炉内高温扩散焊接。关闭炉盖，开启真空泵抽真空至3×10- 3pa保持真空度至加温过程完成。
扩散焊接：真空炉压头压涨芯上端面记录位移值，以5℃/min加温速度逐渐升温至930℃(根据工件垂直方向热胀高度量，调节真空炉压头压力，保持压头0.5T压力，记录位移值，此时工件热胀结束)，保温25min。持续以5℃/min加温速度逐渐升温至1045℃，此时锥度涨芯上端面位移量同步走完，保温20min，扩散焊接过程结束。
降温冷却出炉取件：待真空炉内温度达350℃，开盖取件。
在真空炉高温环境下对锥度涨芯3上端面加压，锥度涨芯上端面受垂直向下的作用力产生位移时，这种作用力转换成锥度涨芯圆锥面相对于焊接面产生侧向挤压力撑大内壳2，实现内壳2和外1的扩散焊接。
本发明双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，通过合理地设计工艺流程，解决常规焊接方法中焊接强度不足、内腔焊料过流、焊渣堵塞问题。对提高扩散焊接质量，降低生产成本，促进扩散焊接领域发展具有重大意义。
Claims (6)
1.双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，其中，所述双金属圆柱面形结构风洞电极包含外壳(1)以及套设于外壳(1)孔中的内壳(2)，所述内壳(2)内配置有锥度涨芯(3)，所述外壳(1)的外围还装配有加固套组，所述外壳(1)的底端还设置有底托(5)；
其中，所述扩散焊接方法具体按照如下步骤进行：
步骤1：将所述外壳(1)、内壳(2)、锥度涨芯(3)、加固套组以及底托(5)按照设计要求加工到需要的尺寸，并对外壳(1)、内壳(2)进行预处理，将外壳(1)在烘箱烤热至60-80℃，保温1-1.5h，随即内壳(2)迅速装配于外壳(1)的内孔当中，接下来底托(5)的沉台置于外壳(1)、内壳(2)底部，然后锥度涨芯(3)装配于内壳(2)孔中，通过压力机预压涨芯上端面，此时锥度涨芯(3)上端面距离外壳、内壳端面位移距离40-50mm；
步骤2：然后将加固套组装配于外壳(1)的外围，得到装配件A；
步骤3：将装配件A吊装于真空炉内，将真空炉内的压头与锥度涨芯(3)的上端面接触，将真空炉抽真空并保持真空度；以3-5℃/min的速度将真空炉升温至880℃-930℃，在真空炉上读取并记录装配件A在垂直方向的热胀高度量，调节真空炉的压头的压力，控制压头的压力为0.1-0.5T，进行第一次保温，然后将真空炉以3-5℃/min的速度升温至1010℃-1045℃，在压头的作用下使锥度涨芯(3)的位移量对应装配件A同步走完，然后进行第二次保温，扩散焊接结束。
2.根据权利要求1所述的双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，步骤1中，所述预处理包括用金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后喷射雾状汽油或无水乙醇后清洗晾干。
3.根据权利要求1所述的双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，步骤2中，所述加固套组包括两个加固套(4)，所述加固套(4)为筒状结构，所述加固套(4)采用304不锈钢材料，所述加固套(4)的壁厚控制为30-40mm。
4.根据权利要求1所述的双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，所述锥度涨芯(3)的外圆锥度通过内壳(2)的内径以及整体的扩散焊接方法的参数所确定，以便在扩散焊接结束后，锥度涨芯(3)的上端面与外壳(1)和内壳(2)端面平齐。
5.根据权利要求1所述的双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，步骤3中，所述真空度控制为1×10-3pa-3×10-3pa。
6.根据权利要求1所述的双金属圆柱面形结构风洞电极的扩散焊接方法，其特征在于，步骤3中，所述第一次保温的时间控制为15-25min，所述第二次保温的时间控制为5-20min。
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