CN115889922B - 一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，该方法包括：一、将待焊接件置于真空管式炉的入口端内并按照密封连接有推拉杆的盲板；二、对真空管式炉抽真空；三、利用推拉杆将待焊接件推送至恒温区加热保温进行钎焊得到焊接件；四、利用推拉杆将焊接件拉回至真空管式炉的端部冷却。本发明通过在真空管式炉的入口端盲板上密封连接推拉杆，利用推拉杆将待焊接件快速推送至恒温区进行真空钎焊，并将焊接件快速送至端口冷却，有效控制减少了待焊接件和焊接件在不同温区的滞留时间，改善了升温和降温过程对焊接件焊缝及母合金微观组织和性能的不利影响，提高了真空钎焊的质量和效率。
Description
技术领域
本发明属于钛基合金真空钎焊技术领域，具体涉及一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法。
背景技术
钛及钛合金是十分重要的轻质结构材料，在航空、航天、生物医药、车辆工程及军工等诸多领域具有非常重要的地位和广阔的应用前景，长期以来都是金属材料领域的研究热点。随着航空及航天事业的大力发展，国家对钛合金的需求越来越多，钛合金的生产量也在逐年增加。我国很早就开始研究钛及其合金，并成功研制出部分性能非常优良的钛合金，现今我国的钛合金生产工业正在快速发展，这将为国家的国防事业和重要工业提供强有力的保证。
但是，钛合金的机械性能对其微观结构非常敏感，在钛合金的焊接加工过程中，无保护的钛合金由于化学活性大，导致其易与空气或其它金属元素生成脆性金属间化合物，导致接头脆化，严重影响焊接质量；同时由于熔点高，导热性差，使用普通的焊接方法易导致母材及焊缝区域晶粒粗大及焊接变形，从而导致力学性能的下降和尺寸校正困难。真空钎焊有相对较低的钎焊温度、连接复杂结构件可能性、高精度及更好的接头性能，并且钎焊的环境气氛可以控制在惰性气氛或真空气氛中；此外，钛基钎焊料与钛合金相容性更好，更加有利于得到组织性能接近于母材的钎焊接头，因此，真空钎焊是钛基合金焊接的理想途径。然而，由于是处于真空环境或保护气氛中，所以待焊接件必须与钎焊料同步升温和降温，这就导致钛合金在真空钎焊过程中又经历了热处理环境，由于真空环境的升温和降温过程的速率一般比较缓慢，这样一方面会导致钛合金本身的微观结构发生变化，力学性能降低；另一方面也会导致钎焊料在钛合金中的扩散距离急剧增加，热影响区增加，也会严重影响最终焊接件的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法。该方法利用真空管式炉的入口端盲板上密封连接的推拉杆将待焊接件快速推送至恒温区进行真空钎焊，并将焊接件快速送至端口冷却，有效控制减少了待焊接件和焊接件在不同温区的滞留时间，达到升降温过程对钎焊过程影响的最小化，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件焊缝及母合金微观组织和性能的不利影响，提高了真空钎焊的质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后将密封连接有推拉杆的盲板安装在真空管式炉的入口端，再在真空管式炉的出口端安装盲板，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度上升至钎焊温度时，利用真空钎焊组件中入口端盲板上的推拉杆将待焊接件迅速推送至真空管式炉中间的恒温区加热保温进行钎焊，得到焊接件，并将推拉杆回缩至入口端；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后，利用推拉杆将焊接件迅速拉回至真空管式炉的入口端或推送至真空管式炉的出口端进行冷却，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
常规真空管式炉的加热单元在炉子中部，即恒温区仅在中部区域，加之保温砖等的作用，炉管两端的温度远低于恒温区温度，因此，炉管中部和两端的温度相差较大。本发明对常规真空管式炉的入口端结构进行改造，在入口端端口安装的盲板上密封连接推拉杆，先将待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后对真空管式炉抽真空并启动加热程序，当真空管式炉内温度上升至钎焊温度时，利用推拉杆的作用将待焊接件从入口端内迅速推送至真空管式炉中间的恒温区中，使得待焊接件迅速升温至钎焊温度，在恒温区更为稳定精确的温度条件下进行钎焊，同时推拉杆回缩至入口端避免恒温区高温加热作用，待钎焊过程完成后，利用推拉杆将焊接件迅速拉回至真空管式炉的入口端或推送至真空管式炉的入口端进行冷却，使得焊接件脱离恒温区的高温环境进行迅速降温。从上述过程可知，本发明利用推拉杆的作用使得待焊接件进行快速的升温钎焊和降温过程，有效控制减少了待焊接件和焊接件在不同温区的滞留时间，即减少在两端低温区升温时间和在恒温区降温时间，降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，利用管式炉两端与中间恒温区不同的温度区域来实现升降温过程对钎焊过程影响最小化的目的，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件焊缝及母合金微观组织和性能的不利影响，提高了真空钎焊的质量。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤一中所述密封连接有推拉杆的盲板包括盲板和密封穿设在盲板中的连接杆，且连接杆位于真空管式炉入口端内的端部设置有推拉板，位于真空管式炉外的端部设置有操作板。本发明通过在真空管式炉入口端本身安装的盲孔上密封连接推拉杆，用于快速推拉待焊接件和焊接件，在不改变真空管式炉大结构的基础上，保证了真空管式炉内的真空钎焊条件，提高了真空钎焊的效率；同时，在连接杆位于真空管式炉入口端内的端部设置推拉板，以直接与待焊接件、焊接件接触作用，方便推拉过程的顺利进行，通过在连接杆位于真空管式炉外的端部设置操作板，方便操作者通过控制操作板实现推拉，避免与连接杆直接作用，避免通过连接杆向真空管式炉内带入杂质，进一步提高了真空钎焊的质量。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，所述连接杆的长度大于真空管式炉的炉管长度，所述推拉板的高度大于操作板的高度。本发明通过限定连接杆的长度大于真空管式炉的炉管长度，保证了推拉杆的作用区域贯穿真空管式炉的整个炉管各个温区，从而利用推拉杆将待焊接件和焊接件在低温区和恒温区之间移动，实现了快速升降温的真空钎焊过程；同时，通过限定推拉板的高度大于操作板的高度，一方面使得推拉板与待焊接件和焊接件充分接触，改善推拉效果进而实现快速升降温，另一方面降低了操作板的操作难度。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤一中所述推拉杆为不锈钢或钛合金。选用不锈钢或钛合金作为推拉杆材质，使得推拉杆在钛合金与钎焊料组合的待焊接件的真空钎焊温度以上仍具有一定强度，保证了推拉杆的推拉性能。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤三中所述推拉杆对待焊接件的推送速度为0.5m/s。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤四中所述推拉杆对焊接件拉回或推送的速度为0.5m/s。
上述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤四中所述冷却的方式为自然空气对流冷却或循环水冷却。本发在不改变真空管式炉整体结构的情况下，采用上述方式进行冷却，利用炉管中部和两端较大的温度差，实现真空钎焊的快速升降温，极大地简化了真空管式炉快速升降温装置的设计和操作以及降低了对焊接件组织性能的影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过在真空管式炉的入口端盲板上密封连接推拉杆，利用推拉杆将待焊接件快速推送至恒温区进行真空钎焊，并将焊接件快速送至端口冷却，有效控制减少了待焊接件和焊接件在不同温区的滞留时间，降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件焊缝及母合金微观组织和性能的不利影响，提高了真空钎焊的质量。
2、本发明利用真空管式炉加热-保温-降温过程中的保温过程用于钎焊过程中，因此可在设备允许的条件下，尽可能地提高升温速率和降温速率，大大缩短真空钎焊的时间，增加了真空钎焊的效率。
3、本发明在不改变真空钎焊炉大结构的条件下，仅对其入口端盲板进行改造，工艺简单可控，有效控制待焊接件和焊接件在不同温区的温区时间，实现了升降温过程对真空钎焊过程影响的最小化。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明真空管式炉推拉杆的结构示意图。
图2为本发明真空管式炉采用推拉杆实施真空钎焊过程示意图。
图3a为本发明实施例1中TA2钛合金的微观组织图。
图3b为本发明实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的微观组织图。
图3c为本发明对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的微观组织图。
图4a为本发明实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织图。
图4b为本发明对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织图。
图5为本发明实施例1中TA2钛合金、经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金和对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸性能曲线图。
图6为本发明实施例2中TA2钛合金、经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金和对比例2中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸性能曲线图。
图7为本发明实施例3中TA2钛合金快速升降温真空钎焊和对比例1中TA2钛合金随炉升降温真空钎焊后的工艺曲线图。
附图标记说明
1—盲板；2—连接杆；3—推拉板；4—操作板。
具体实施方式
如图1所示，本发明真空管式炉的推拉杆包括盲板1和密封穿设在盲板1中的连接杆2，且连接杆2位于真空管式炉入口端内的端部设置有推拉板3，位于真空管式炉外的端部设置有操作板4。
本发明实施例1~实施例3中采用的真空管式炉为卧式真空管式炉，其炉管为长度1000mm的刚玉管，推拉杆中的盲板1为KF80BS真空盲板，连接杆2为直径5mm、长度1200mm的圆杆，推拉板3为直径3mm、高度40mm的圆柱体，操作板4为直径5mm、高度50mm的圆柱体，推拉刚的材质为不锈钢或钛合金。
实施例1
如图2所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后将密封连接有推拉杆的盲板安装在真空管式炉的入口端，再在真空管式炉的出口端安装盲板，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度以10℃/min升温速率上升至钎焊温度950℃时，利用真空钎焊组件中入口端盲板上的推拉杆以0.5m/s的推送速度将待焊接件迅速推送至真空管式炉中间的恒温区在950℃下加热保温30min进行钎焊，得到焊接件，并将推拉杆回缩至入口端；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后停止加热程序，利用推拉杆以0.5m/s的推送速度将焊接件迅速推送至真空管式炉的出口端，并采用自然空气对流进行冷却，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
对比例1
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉中间的恒温区内，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度以10℃/min升温速率上升至钎焊温度950℃时加热保温30min进行钎焊，得到焊接件；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后停止加热程序，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
图3a为本发明实施例1中TA2钛合金的微观组织图，图3b为本发明实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的微观组织图，图3c为本发明对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的微观组织图，结合图3a~图3b可知，对比例1中随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金组织粗化严重，拉伸强度和延伸率降低明显，而实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金组织的粗化现象缓解明显，性能介于原始态和随炉升降温之间，说明本发明的快速升降温工艺降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件母合金微观组织不利影响，提高了真空钎焊的质量。
图4a为本发明实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织图，图4b为本发明对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织图，结合图4a~图4b可知，实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织粗大，而对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的焊缝组织细小，且焊缝周围组织远小于实施例1，说明本发明的快速升降温工艺降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件焊缝微观组织不利影响，提高了真空钎焊的质量。
图5为本发明实施例1中TA2钛合金、经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金和对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸性能曲线图，从图5可知，相较于原始态TA2钛合金，对比例1中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸强度均明显降低，但实施例1中经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸延伸率明显优于对比例1，说明本发明的快速升降温工艺降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件力学性能的不利影响。
实施例2
如图2所示，本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后将密封连接有推拉杆的盲板安装在真空管式炉的入口端，再在真空管式炉的出口端安装盲板，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度以10℃/min升温速率上升至钎焊温度950℃时，利用真空钎焊组件中入口端盲板上的推拉杆以0.5m/s的推送速度将待焊接件迅速推送至真空管式炉中间的恒温区在950℃下加热保温10min进行钎焊，得到焊接件，并将推拉杆回缩至入口端；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后停止加热程序，利用推拉杆以0.5m/s的推送速度将焊接件迅速推送至真空管式炉的出口端采用自然空气对流进行冷却，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
对比例2
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉中间的恒温区内，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度以10℃/min升温速率上升至钎焊温度950℃时加热保温10min进行钎焊，得到焊接件；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后停止加热程序，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
图6为本发明实施例2中TA2钛合金、经快速升降温真空钎焊后TA2钛合金和对比例2中经随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸性能曲线图，从图6可知，经不同方式真空钎焊后TA2钛合金的拉伸性能发生了明显的改变：相较于原始态的TA2钛合金，采用对比例2中传统随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸强度和塑形均明显降低；而采用实施例2中快速升降温真空钎焊后TA2钛合金的拉伸强度和塑形均略低于原始态的TA2钛合金，但远优于对比例2中传统随炉升降温真空钎焊后TA2钛合金，说明本发明的快速升降温工艺降低了传统真空钎焊过程中升温和降温过程对钎焊过程的影响，改善了真空钎焊中升温和降温过程对焊接件力学性能的不利影响。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后将密封连接有推拉杆的盲板安装在真空管式炉的入口端，再在真空管式炉的出口端安装盲板，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度以20℃/min升温速率上升至钎焊温度950℃时，利用真空钎焊组件中入口端盲板上的推拉杆以0.5m/s的推送速度将待焊接件迅速推送至真空管式炉中间的恒温区在950℃下加热保温30min进行钎焊，得到焊接件，并将推拉杆回缩至入口端；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后停止加热程序，利用推拉杆以0.5m/s的推送速度将焊接件迅速拉回至真空管式炉的出口端采用循环水进行冷却，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
图7为本发明实施例3中TA2钛合金快速升降温真空钎焊和对比例1中TA2钛合金随炉升降温真空钎焊后的工艺曲线图，由于本发明仅利用真空管式炉加热-保温-降温过程中的保温过程用于钎焊过程，因此实施例3经升温速率提高至20℃/min，从图7可知，对比例1中TA2钛合金随炉升降温真空钎焊的整个工艺耗时超过4.5h，且过长的升温和降温过程容易对TA2钛合金的微观组织和力学性能造成不利影响，而实施例3中TA2钛合金快速升降温真空钎焊只需在真空管式炉内的温度接近保温温度时进行作用，整个工艺耗时控制在2h内，大大提高了真空钎焊的效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛合金与钎焊料组合的待焊接件置于真空管式炉的入口端内，然后将密封连接有推拉杆的盲板安装在真空管式炉的入口端，再在真空管式炉的出口端安装盲板，形成真空钎焊组件；
步骤二、对步骤一中形成的真空钎焊组件中的真空管式炉依次进行抽真空、充氩气、抽真空、充氩气和抽真空，使得真空管式炉内处于真空环境；所述处于真空环境的真空管式炉内真空度小于3.0×10-3Pa；
步骤三、启动加热程序，当步骤二中处于真空环境的真空管式炉内温度上升至钎焊温度时，利用真空钎焊组件中入口端盲板上的推拉杆将待焊接件迅速推送至真空管式炉中间的恒温区加热保温进行钎焊，得到焊接件，并将推拉杆回缩至入口端；
步骤四、待步骤三中的钎焊过程完成后，利用推拉杆将焊接件迅速拉回至真空管式炉的入口端或推送至真空管式炉的出口端进行冷却，待至真空管式炉内恒温区温度降至100℃以下后，打开真空管式炉并取出焊接件。
2.根据权利要求1所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤一中所述密封连接有推拉杆的盲板包括盲板（1）和密封穿设在盲板（1）中的连接杆（2），且连接杆（2）位于真空管式炉入口端内的端部设置有推拉板（3），位于真空管式炉外的端部设置有操作板（4）。
3.根据权利要求2所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，所述连接杆（2）的长度大于真空管式炉的炉管长度，所述推拉板（3）的高度大于操作板（4）的高度。
4.根据权利要求1所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤一中所述推拉杆为不锈钢或钛合金。
5.根据权利要求1所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤三中所述推拉杆对待焊接件的推送速度为0.5m/s。
6.根据权利要求1所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤四中所述推拉杆对焊接件拉回或推送的速度为0.5m/s。
7.根据权利要求1所述的一种真空钎焊过程中降低升降温过程对性能影响的方法，其特征在于，步骤四中所述冷却的方式为自然空气对流冷却或循环水冷却。
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