CN117564389A - 一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，包括：设计焊接接头结构，焊接接头结构包括管接头和两段直管；对管接头和两段直管去氧化膜和清洗；将打磨清洗干净的两根直管端部分别插入管接头两侧内孔孔底，预留焊缝；在焊缝外部预置钎料；按照真空高频感应钎焊参数对焊缝进行焊接；根据焊接标准，对焊缝的焊接质量进行检测；若检测通过，则完成焊接，否则，对焊缝进行补焊。解决卫星矢量调节机构柔性管路的高可靠性密封连接问题。
Description
技术领域
本发明属于焊接工艺领域，涉及一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法。
背景技术
电推进技术是当前卫星推进系统研制技术的重要发展方向，其具有比冲高、工作寿命长等突出优势，能够在通信卫星平台、重力场测量卫星和深空探测等诸多领域获得广泛应用。
柔性管路是电推进系统矢量调节机构的关键组件，其具有大范围柔性变形的能力，且变形力矩小，具备当前国内卫星推进系统管路难以媲美的特殊优势。柔性管路组件由球头、直管、外套螺母等零件组成，其中直管与球头均由1Cr18Ni9Ti不锈钢制成，二者采用钨极氩弧焊方法连接。由于直管外径为Φ1.7mm，内径仅为Φ0.7mm，受到焊接保护气体压力的限制，钨极氩弧焊直管长度上限约为3600mm。而新型商用卫星柔性管路组件中直管长度约为8000mm，无法采用钨极氩弧焊直接连接。为实现产品的性能，可将大于极限长度的直管分割成两段或多段，先采用钨极氩弧焊连接球头与一段直管，再采用其他焊接方法将多段直管分别连接在一起。
针对管路类结构焊接，国内外学者开展了一定的研究工作，连接方法以高频感应钎焊为主，如马龙等[1]使用BCu35NiMnCoSi钎料在Ar气保护下高频感应钎焊连接了飞机用Φ8mm直径不锈钢导管与弯管，并对钎角处的疏松缺陷进行了组织分析；王宇周[2]同样采用高频感应钎焊方法连接霍尔推力器用不锈钢管路，并研究了接头界面组织与力学性能，使用钎料为AgCu共晶钎料，保护气体为惰性气体；贾志华[3]等人采用HlCuNi30-2-0.2钎料研究了不锈钢导管的氩气保护感应钎焊工艺并分析了接头的微观组织；德国发明专利：Method for producing a heat exchanger,in particular a sorption heattransducer(专利号：DE102013222258)公开了一种采用低温软钎焊连接热交换器管路的工艺方法。
上述研究中主要采用惰性气体保护高频感应钎焊方法对1Cr18Ni9Ti不锈钢管路进行了连接，该方法采用局部加热，保证了管路整体、特别是直管与球头的钨极氩弧焊接头性能不受影响，同时避免外套螺母发生变形，因此适用于多段直管之间的连接。但是，相比于真空气氛下的焊接，Ar气等惰性气体保护焊接接头仍然存在一定的氧化风险，从而对接头密封和承载造成不利影响。此外，上述研究中采用的钎料包括软钎料、AgCu钎料、Cu基钎料等，使接头的使用温度相对较低。因此，上述研究中所述的工艺方法不能满足卫星柔性管路在轨飞行高可靠、长寿命柔性变性的使用要求。
而在国内外相关文献与专利中，未见真空环境下采用高温钎料实现不锈钢管路高频感应钎焊连接的相关报道。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，解决卫星矢量调节机构柔性管路的高可靠性密封连接问题。
本发明的技术解决方案是：
本发明公开了一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，包括：
设计焊接接头结构，所述焊接接头结构包括管接头和两段直管；
对所述管接头和两段直管去氧化膜和清洗；
将打磨清洗干净的两根直管端部分别插入管接头两侧内孔孔底，预留焊缝；
在所述焊缝外部预置钎料；
按照真空高频感应钎焊参数对所述焊缝进行焊接；所述真空高频感应钎焊参数为：真空度为1×10-2～1×10-5Pa，焊接电流为300～600A；
根据焊接标准，对焊缝的焊接质量进行检测；
若检测通过，则完成焊接，否则，对所述焊缝进行补焊。
进一步的，在上述连接方法中，所述焊接接头结构，包括管接头和两段直管；管接头两端设置内孔，单端内孔深度大于5mm；两端内孔分别与两段直管相配合，孔口处2～4mm长度内孔配合间隙为双边0.02～0.06mm，孔底处1.5～3mm长度内孔配合间隙为双边不大于0.01mm。
进一步的，在上述连接方法中，所述对管接头和两段直管去氧化膜和清洗，具体方法为：
采用不低于800#砂纸打磨管接头和两段直管表面去除氧化膜；
测量打磨后的直管外径与管接头内孔直径，保证打磨后接头配合间隙仍满足装配焊接要求，如打磨后配合间隙过大，按照打磨后直管待焊位置直径实测值配合加工新的管接头，保证新加工管接头内孔直径满足配合间隙要求；
打磨后采用无水乙醇或丙酮对待焊直管、管接头进行超声清洗；清洗时间不低于15min，后烘干或自然风干；
清洗后应尽快完成装配焊接，如不能立即焊接应将待焊工件放入干燥柜中存放，存放时间不应超过24小时；如存放时间过长，焊前需重新进行打磨和清洗。
进一步的，在上述连接方法中，所述在焊缝外部预置钎料，具体为：在焊缝处的直管上套接钎料环。
进一步的，在上述连接方法中，所述钎料环的环内外径差为0.4～1.5mm，钎料环内径为1.7～2mm，外径为2.5～4.7mm，钎料环宽度为1～2.5mm。
进一步的，在上述连接方法中，钎料为BNi系高温Ni基钎料。
进一步的，在上述连接方法中，所述按照真空高频感应钎焊参数对所述焊缝进行焊接，具体方法为：
设置真空高频感应钎焊参数，进行焊接；
观察到钎料熔化后开始保温，保温时间T1后，关闭电流随炉冷却，冷却时间T2后放气开炉，取出工件；
检测工件，如发现有局部未钎透或未填满缺陷，调节所述真空高频感应钎焊参数后进行补焊。
进一步的，在上述连接方法中，保温时间T1为15～300s；T2大于30min。
进一步的，在上述连接方法中，补焊次数不超过2次。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明真空高频感应钎焊与氩气等惰性气体保护的高频感应钎焊相比，更能有效避免焊缝处发生氧化，保证钎料更加良好的润湿铺展并形成更高质量的冶金结合，获得更可靠的焊接接头。
(2)本发明高温Ni基钎料使用温度高，且不引入母材自身不具备的合金元素，使焊接接头更适应严苛的宇航服役环境，降低接头在冷热交变等复杂工况下发生失效的风险；
(3)本发明使用专用的真空高频感应钎焊工艺参数，使柔性管路接头表面成型良好，焊缝内部质量较高、力学性能高，密封性能高(在1MPa保压5min，焊缝漏率小于1×10- 4Pa·L/s)，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法工艺流程图；
图2是单根柔性管路结构示意图；
图3是管接头结构尺寸示意图；
图4是待焊件的焊接结构示意图；
图5是预置钎料位置用量示意图；
图6是具体实施方式(实施例1)中焊缝外观形貌图；
图7是具体实施方式(实施例2)中焊缝处显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。
如图1所示，本实施例提供了一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，步骤包括：
设计焊接接头结构，焊接接头结构包括管接头和两段直管；
对管接头和两段直管去氧化膜和清洗；
将打磨清洗干净的两根直管端部分别插入管接头两侧内孔孔底，预留焊缝；
在焊缝外部预置钎料；
按照真空高频感应钎焊参数对焊缝进行焊接；
根据焊接标准，对焊缝的焊接质量进行检测；
若检测通过，则完成焊接，否则，对焊缝进行补焊。
详细步骤如下：
步骤1、焊接接头结构要求：采用示意图2中管接头连接两段直管，管接头材料与直管材料相同为1Cr18Ni9Ti不锈钢。管接头两侧各加工一个内孔，内孔近似为台阶孔，单侧内孔深度为5mm，靠近孔口3mm长度范围内内孔直径为即与直管双边配合间隙为0.02～0.06mm，靠近孔底2mm长度范围内内孔直径为/>即配合间隙不大于双边0.01mm。直管端部可适当倒角，管接头内孔底部不应有过大圆角，保证直管能插入管接头内孔底部。
步骤2、焊前去氧化膜与清洗：当直管及管接头待焊位置有氧化膜存在时，采用不低于800#砂纸打磨去除氧化膜，打磨后应测量待焊位置直管外径与管接头内孔直径，保证打磨后接头配合间隙仍满足装配焊接要求，如打磨后配合间隙过大，需要记录打磨后直管直径实测值，再按照实测值配合加工新的管接头，保证新加工管接头内孔直径满足配合间隙要求。打磨后采用无水乙醇或丙酮对待焊直管、管接头进行超声清洗，清洗时间不低于15min，后烘干或自然风干，清洗后不得裸手触摸工件。清洗后应尽快完成装配焊接，如不能立即焊接应将待焊工件放入干燥柜中存放，存放时间不应超过24小时。如存放时间过长，焊前需重新进行打磨和清洗。
步骤3、焊前装配与预置钎料：
将打磨清洗干净的两根直管端部分别插入管接头两侧内孔，由于内孔底部配合间隙较小，需确认直管插入孔底、插入深度为5mm。随后按图4示意在焊缝外部预置钎料，所用钎料为BNi系高温Ni基钎料(GB/T 10859牌号：BNi63～BNi95等、AWS美国焊接学会牌号BNi-1～BNi-13等)，由于焊缝尺寸小钎料用量少，因此用体积代替重量标定预置钎料量，按图5示意，将预置钎料简化为套接在直管外部的钎料环，环内外径差约为0.4～1.5mm，即钎料环内径为Φ1.7mm，外径约为Φ2.5～Φ4.7mm，钎料环宽度应为1～2.5mm。如采用粉末钎料需将钎料粉调成膏状后涂覆使用，如使用熔炼块体钎料应将钎料机械加工为满足尺寸要求的钎料环后使用，如使用钎料箔或钎料丝，应将钎料整形，保证其满足尺寸要求后使用，注意保证预置钎料与工件及焊缝贴紧贴实，避免钎料熔化后无法填充焊缝。针对不同外形磁感应线圈，如采用O形线圈，焊前装配和预置钎料应在线圈内完成，如选用C形线圈，可先完成装配和预置钎料后，再将待焊接头转移至线圈内部，注意保证待焊接头应位于线圈中央，必要时可通过不发生磁感应的陶瓷等材料制作的定位工装在线圈中固定接头。管路其余部分盘绕成直径不小于Φ300mm的圆圈后固定，避免球头及非焊接位置的直管划伤或弯折变形。
步骤4、按照真空高频感应钎焊参数进行焊接：
真空度为1×10-2～1×10-5Pa，焊接电流为300～600A，待观察到钎料熔化后开始保温，保温时间为15～300s，关闭电流随炉冷却，冷却时间不小于30min后方可放气开炉取出工件，避免接头温度较高时与大气环境接触发生严重氧化。焊后如发现有局部未钎透、未填满等缺陷可适当调节工艺参数后进行补焊，补焊次数不应超过2次，避免钎缝组织恶化影响接头性能。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例提供的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，主要包括焊接接头结构设计、焊前去氧化膜与清洗、焊前装配与预置钎料、真空高频感应钎焊、焊后质量检测等步骤。本发明焊接结构要求，焊接接头结构设计、焊前装配与预置钎料、真空高频感应钎焊参数是本发明的重点，其涉及了卫星柔性管路研制的关键工艺，其他工艺过程属于常规工艺过程。
实现步骤如下：
1、焊接接头结构的设计
按图3所示，加工管接头连接两段直管，管接头内孔分为两段，管接头材料选用1Cr18Ni9Ti，要求在管接头两端各加工一个内孔，内孔近似为台阶孔，孔口处一段内孔与直管的配合间隙为双边0.02mm～0.06mm，孔底处一段内孔与直管配合间隙为双边不大于0.01mm。
2、焊前去氧化膜与清洗
(1)焊前去氧化膜：采用800#及以上砂纸打磨去除待焊位置氧化膜，打磨后接头装配间隙仍应满足配合要求。机械打磨去除待直管待焊位置及管接头内孔近孔口一段的氧化皮，注意避免过度打磨影响装配间隙。
(2)焊前清洗：采用无水乙醇或丙酮超声波清洗，清洗时间不应低于15min，后烘干或自然风干，不得裸手触摸工件。清洗后立即装配焊接或立即转入干燥柜中存放，存放时间不得超过24h。
3、焊前装配与预制钎料
在线圈内部将两段直管与管接头插接装配在一起，将高温Ni基钎料预置在焊缝处保证钎料与待焊工件紧密接触。将管路其余部分盘绕固定，避免球头及非焊接位置直管划伤或弯折变形。
(1)焊前装配：两待焊直管插入管接头两侧内孔，确认直管插至孔底，插入深度为5mm。
(2)预置钎料：按图5示意，钎料套接在直管外部的钎料环，钎料环内径Φ1.7mm，外径Φ2.5～Φ4.7mm，钎料环宽度1～2.5mm。钎料环应贴紧工件与焊缝。
4、真空高频感应钎焊
合理控制钎料预置量，保证钎料足量能够填满焊缝间隙，同时避免钎料过量造成过于巨大的钎角，影响柔性管路后续的整型及在轨柔性变性功能。合理控制高频电流及焊接时间，保证钎料完全熔化并填缝钎缝形成良好的冶金结合，获得高可靠性密封接头，同时避免反应过于剧烈造成熔蚀缺陷。
(1)抽真空：真空度为1×10-2～1×10-5Pa。
(2)焊接：开启加热电流，电流为300～600A，观察到钎料熔化时开始保温，保温时间15～300s，保温完成后关闭加热电流，随炉降温。
(3)取件：降温时间不小于30min后可放气并打开炉门取出工件。
(4)补焊：钎缝外部有局部未钎透未填满等缺陷可进行补焊，补焊次数不应超过2次。
5、焊缝质量检测
(1)外部质量：肉眼或10倍显微镜检查焊缝外观，保证钎角均匀、连续、光滑，无未钎透、未填满缺陷、无外部裂纹缺陷。
(2)钎着率：按批次抽取产品接头或采用与实际接头结构完全相同的试验件进行剖切后磨制金相试验件，用光学显微镜检测，保证直管插入深度3mm范围内焊缝钎着率不低于85％。
(3)承压漏率：真空氦质谱仪检测，保证1MPa保压5min，焊缝漏率小于1×10-4Pa·L/s
如图6所示，一、管接头内孔两段内径分别为和/>即装配间隙分别为0.02～0.04mm和不大于0.01mm；二、焊前去氧化膜后无水乙醇超声清洗20min，自然风干后立即装配焊接；三、使用钎料为BNi82CrSiBFe粉末钎料，钎料颗粒度为200目，将钎料调成膏状后涂覆在焊缝外部并整形成环状，钎料环内径为Φ1.7mm、外径约为Φ2.5～Φ2.7mm、宽度约为2～2.2mm；四、真空度为5×10-3Pa、焊接电流为450A、保温时间为100s、焊后随炉冷却时间45min。
实施例2
如图7所示，本实施例与实施例1不同之处在于：步骤三中使用钎料为BNi-2箔片钎料，钎料厚度为0.02mm，其它与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：步骤一中焊接装配间隙分别为0.04～0.06mm和不大于0.01mm，其它与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1、2或3不同之处在于：步骤三中使用钎料为BNi-5粉末钎料，钎料颗粒度为200目；步骤四中焊接电流为520A、保温时间为110s，其它与实例1相同。
上述实施例只是对本发明的解释，而不能作为对本发明的限制，因此凡是与本发明思路类似的实施方式或用于其他类似结构但思路与本发明类似的实施方式均在本发明的保护范围内。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于，包括：
设计焊接接头结构，所述焊接接头结构包括管接头和两段直管；
对所述管接头和两段直管去氧化膜和清洗；
将打磨清洗干净的两根直管端部分别插入管接头两端内孔孔底，预留焊缝；
在所述焊缝外部预置钎料；
按照真空高频感应钎焊参数对所述焊缝进行焊接；所述真空高频感应钎焊参数为：真空度为1×10-2～1×10-5Pa，焊接电流为300～600A；
根据焊接标准，对焊缝的焊接质量进行检测；
若检测通过，则完成焊接，否则，对所述焊缝进行补焊。
2.根据权利要求1所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：所述焊接接头结构，管接头单端内孔深度大于5mm；两端内孔分别与两段直管相配合，孔口处2～4mm长度内孔配合间隙为双边0.02～0.06mm，孔底处1.5～3mm长度内孔配合间隙为双边不大于0.01mm。
3.根据权利要求1所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：所述对管接头和两段直管去氧化膜和清洗，具体方法为：
采用不低于800#砂纸打磨管接头和两段直管表面去除氧化膜；
测量打磨后的直管外径与管接头内孔直径，保证打磨后接头配合间隙仍满足装配焊接要求，如打磨后配合间隙过大，按照打磨后直管待焊位置直径实测值配合加工新的管接头，保证新加工管接头内孔直径满足配合间隙要求；
打磨后采用无水乙醇或丙酮对待焊直管、管接头进行超声清洗；清洗时间不低于15min，后烘干或自然风干；
清洗后完成装配焊接，如不能立即焊接应将待焊工件放入干燥柜中存放，存放时间不应超过24小时；如存放时间超过24小时，焊前需重新进行打磨和清洗。
4.根据权利要求1所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：所述在焊缝外部预置钎料，具体为：在焊缝处的直管上套接钎料环。
5.根据权利要求4所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：所述钎料环的环内外径差为0.4～1.5mm，钎料环内径为1.7～2mm，外径为2.5～4.7mm，钎料环宽度为1～2.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：钎料为BNi系高温Ni基钎料。
7.根据权利要求1所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：所述按照真空高频感应钎焊参数对所述焊缝进行焊接，具体方法为：
设置真空高频感应钎焊参数，进行焊接；
观察到钎料熔化后开始保温，保温后，关闭电流随炉冷却，冷却后放气开炉，取出工件；
检测工件，如发现有局部未钎透或未填满缺陷，调节所述真空高频感应钎焊参数后进行补焊。
8.根据权利要求7所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：保温时间为15～300s；冷却时间大于30min。
9.根据权利要求7所述的一种卫星柔性管路的真空高频感应钎焊连接方法，其特征在于：补焊次数不超过2次。
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