CN101642840A - 铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其主要是：先将不锈钢接头和水冷基板用氢氧化钠及硫酸溶液处理并烘干，取熔点420－480℃锌铝合金带药芯焊丝，将其弯成圆圈置于露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处；将水冷基板的感应线圈与一台感应加热电源相连，将水冷基板置于上述感应线圈内，再将不锈钢接头的感应线圈与另一台高频感应加热电源相连，将不锈钢接头置于上述感应线圈内。焊接时水冷基板焊接处的温度升至450－480℃，不锈钢接头焊接处的温度升至500－550℃。本发明较理想地解决了铝与不锈钢两种不同材质部件的焊接问题，焊接后钎料外形饱满、均匀、完全填缝，可使焊接处永久密封，保证了IGBT功率模块工作状态稳定。

Description

铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法

技术领域

本发明涉及电力机车及动车组的IGBT功率模块恒温冷却装置的加工方法。

背景技术

目前，电力机车及动车组的IGBT功率模块的恒温冷却装置普遍采用铝制水冷基板，即一个电力机车或动车组的高压电器柜箱体内安装有几十个水冷基板，每个水冷基板安装有2个以上的IGBT功率模块。上述水冷基板主要是由水冷槽板、水冷盖板、焊片及不锈钢接头等组成的。该铝制水冷基板的加工方法主要是：将粗机加工后的水冷槽板、水冷盖板用焊片通过真空钎焊将它们焊接为一体，之后在其端面钻2个Φ10.8的孔并加工出M12×1的螺纹，然后将带有M12×1螺纹的两个不锈钢接头(即进出水接头)分别安装到水冷基板端面位置的螺孔内，在露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处进行气焊密封。

上述焊接加工方式存在如下缺点：气焊密封是由人工操作，由于两种材质的熔点温度不同，焊接温度极难控制，即使焊接温度达到，焊料在氧气、乙炔气流的冲击下也很难在两体结合的倒角处完全添缝密封。当冷却***工作时，水泵高速运转促使冷却介质在***管路中高速循环，如果水冷基板的进出水口与不锈钢接头连接处有微小的泄漏，将会烧坏电器元件甚至形成短路，致使机车无法正常运行，其后果不堪设想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现水冷基板端面与不锈钢接头两体结合的倒角处可靠密封的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法。

本发明主要是采用感应焊接的方法，具体内容如下：

一、两体焊接处的表面处理

1、分别将不锈钢接头和水冷基板端面部分置于温度为75-85℃的8％-10％氢氧化钠溶液中浸泡15-20秒，以除掉水冷基板上的铝氧化膜及不锈钢接头表面的油污。

2、取出上述工件，再置于常温下约10％硫酸溶液中浸泡5-6秒，以中和附在基板和接头上的碱液。

3、用水冲洗清洗过的工件表面，使之不存留任何影响焊接的物质。

4、烘干冲洗过的工件，然后将不锈钢接头安装到水冷基板端面部位准备焊接。

二、焊接材料

1、本发明所采用的焊接材料为：直径2.5-3.5毫米、熔点420-480℃锌铝合金带药芯(钎剂)焊丝。

2、上述焊丝焊料的标定成分如下：

Pb               0.005％MAX

Fe               0.005％MAX

Cu               0.005％MAX

Cd               0.005％MAX

Al               2.4％MAX

Zn               余量。

3、上述焊丝钎剂其主要成份为无腐蚀的铯的氟化物。该钎剂的作用是：钎剂熔化后就会溶解连接铝部件表面的氧化膜，并能防止重新氧化，钎剂又湿润铝表面，使得钎料能通过毛细作用自由地流入焊缝，冷却后钎剂在部件表面上形成一层紧紧依附的薄膜。

4、焊丝的用法：事先将上述焊丝弯成圆圈置于露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处，即两体的焊接处。最好弯成圆圈的焊丝紧箍在不锈钢接头根部，以防止钎料熔化后流入板体孔内的钎料多而爬升不锈钢接头端壁的钎料少所造成的被焊接的两体之间的钎料外形不均匀、不饱满、不光滑的焊接面。

三、焊接设备及工装

1.焊接设备即感应加热设备：本发明所采用的感应加热设备为SSF-60型超音频低功率感应加热设备，该设备主要由主机和变压器两部分组成。该感应加热设备两台同时使用，它们分别与不锈钢接头的感应线圈及水冷基板的感应线圈相连。

2.焊接用工装之一-不锈钢接头的感应线圈

对不锈钢接头进行感应加热是由不锈钢接头的感应线圈来完成。该线圈是由铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与不锈钢接头外形对应的圆形。当不锈钢接头置于该感应线圈的圆形空间，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈两端即输入和输出端设有与一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头可直接与感应加热电源相连，也可通过设在感应加热电源上的过渡铜管间接相连。

上述感应加热电源的主机和变压器输出的高频信号和工作电流是通过感应线圈的铜管壁传导到工件上，为防止感应加热产生的高温对铜管腐蚀和软化，该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环水机构，当感应线圈与该高频感应加热电源相连时，循环水便接通。

与不锈钢接头对应的感应线圈可以是一个，即焊完一个不锈钢接头与水冷基板之间的焊缝再移到另一个不锈钢接头上，焊另一个不锈钢接头与水冷基板之间的焊缝；该感应线圈最好是相同的两个，即进、出水两个不锈钢接头与水冷基板之间的焊缝同时焊接。

3.焊接用工装之二-水冷基板上的感应线圈

对水冷基板进行感应加热是由水冷基板的感应线圈来完成。该线圈是由铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与水冷基板外形对应的扁圆形。当水冷基板置于该感应线圈的扁圆形空间，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈两端即输入和输出端设有与另一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头可直接与感应加热电源相连，也可通过设在感应加热电源上的过渡铜管间接相连。

上述感应加热电源的主机和变压器输出的高频信号和工作电流是通过感应线圈的铜管壁传导到工件上，为防止感应加热产生的高温对铜管腐蚀和软化，该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环水机构，当感应线圈与该高频感应加热电源相连时，循环水便接通。

4.焊接准备

将水冷基板的感应线圈输入和输出端分别与一台感应加热电源的变压器输入及输出接线端子相连。将组装有不锈钢接头的水冷基板置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，之后将水冷基板用夹具固定。再将不锈钢接头的感应线圈输入和输出端分别与另一台高频感应加热电源的变压器输入及输出接线端子相连。将固定在水冷基板上的不锈钢接头置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米。

5.焊接

将高频感应加热电源与电源相连，按启动键，然后将高频感应加热电源上的功率调节器由小到大缓慢调至所需功率(即通过触点式温度传感器测试焊接处基板、接头及焊丝的温度，当它们的温度达到所需温度范围时，此时显示的功率即为所需功率，这样在焊接操作时只要将功率调到该功率范围即可，不必每次都测量温度)，利用电磁感应原理，使被加热物体在短时间内急剧升温，铝制水冷基板焊接处的温度升至450-480℃，不锈钢接头焊接处的温度升至500-550℃。此时置于焊接处的钎料熔化，维持该温度2-4分钟，钎剂湿润铝表面，使得钎料能通过毛细作用自由地流入焊缝并顺着不锈钢接头端壁爬升一定高度。加热结束后将功率调小，再按停止键。冷却后钎料在部件连接表面上形成一层紧紧依附的薄膜。

本发明利用电磁感应原理，通过电感线圈转换成相同频率的磁场后，作用于处在该磁场中的金属物体上。利用涡流效应，在金属物体中生成与磁场强度成正比的感生旋转电流(即涡流)。由旋转电流借助金属物体内的电阻，将其转换成热能，同时还有磁滞效应、趋肤效应、边缘效应等，也能生成少量热量，它们共同使金属物体的温度急速升高，实现快速加热的目的。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明较理想地解决了铝与不锈钢两种不同材质部件的焊接问题，焊接后钎料外形饱满、均匀、完全填缝，可使焊接处永久密封，保证了IGBT功率模块工作状态稳定。

2、本发明可实现焊接自动控制，比手工操作焊接质量稳定、可靠；同时又可不间断地连续操作，焊接效率高。

3、本发明采用感应加热时间短、速度快，并且还是非接触式，因此比其他加热方式氧化轻微、便于气体保护及多项智能保护，使焊接处附近的金相损伤很小，延长了水冷基板的结构寿命。

4、本发明易于操作，而且操作安全。

附图说明

图1是本发明不锈钢接头的感应线圈主视示意图。

图2是本发明不锈钢接头的感应线圈俯视示意图。

图3是本发明水冷基板的感应线圈主视示意图。

图4是本发明水冷基板的感应线圈俯视示意图。

图5是本发明铝制水冷基板、不锈钢接头、感应焊接设备及工装组装后的主视示意简图。

图中序列号说明：1.不锈钢接头；2.锌铝合金焊丝；3.水冷基板的感应线圈；4.带接头的过渡铜管；5.水冷基板；6.水冷基板固定夹具；7.不锈钢接头的感应线圈；8.带接头的过渡铜管；9.与不锈钢接头的感应线圈相连的高频感应加热电源主机；10.与不锈钢接头的感应线圈相连的高频感应加热电源变压器；11.与水冷基板的感应线圈相连的高频感应加热电源主机；12.与水冷基板的感应线圈相连的高频感应加热电源变压器。

具体实施方式

例1

分别将不锈钢接头和水冷基板端面部分置于温度为85℃的8％氢氧化钠溶液中浸泡20秒，取出上述工件，再置于常温下10％硫酸溶液中浸泡5秒，用水冲洗清洗过的工件表面并烘干，然后将不锈钢接头安装到水冷基板端面。取直径2.5毫米、熔点420-480℃锌铝合金带药芯焊丝，该焊丝焊料的标定成分如下：Pb 0.005％MAX，Fe 0.005％MAX，Cu 0.005％MAX，Cd0.005％MAX，Al 2.4％MAX，Zn余量。将上述焊丝弯成圆圈置于露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处，并且弯成圆圈的焊丝紧箍在不锈钢接头根部。不锈钢接头的感应线圈是由φ8×δ1mm紫铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与不锈钢接头外形对应的圆形，如图1和图2所示。当不锈钢接头置于该感应线圈的圆形空间，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈输入和输出端设有与一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头通过设在感应加热电源上带接头的过渡铜管间接相连。该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环冷却水机构。水冷基板的感应线圈也是由φ8×δ1mm紫铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与水冷基板外形对应的扁圆形，如图3和图4所示。当水冷基板置于该感应线圈的扁圆形空间，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈输入和输出端设有与另一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头通过设在感应加热电源上带接头的过渡铜管间接相连。该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环的冷却水机构。将水冷基板的感应线圈输入和输出端分别与一台高频感应加热电源对应的两过渡铜管一端相连，这两过渡铜管分别与该高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连。将组装有不锈钢接头的水冷基板置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，之后将水冷基板用夹具固定。再将不锈钢接头的感应线圈输入和输出端分别与另一台高频感应加热电源对应的两过渡铜管一端相连，这两过渡铜管分别与该高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连。将固定在水冷基板上的不锈钢接头置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，如图5所示。本发明所采用的两台感应加热设备为SSF-60型超音频低功率感应加热设备，它们的技术参数为：

工作电源                三相380V/50HZ

工作电压范围            342V-430V

最大输入电流            97A

最大输出功率            60KW

振荡频率                10-40KHZ

冷却水流量(主机)        40L/min(0.1KPa)

冷却水流量(变压器)      41L/min(0.1KPa)

将上述两台感应加热电源通电，按启动键，然后将高频感应加热电源上的功率调节器由小到大缓慢调至所需功率，使铝制水冷基板焊接处的温度升至450℃，不锈钢接头焊接处的温度升至500℃。此时置于焊接处的钎料熔化，维持该温度4分钟，钎剂湿润铝表面，使得钎料能通过毛细作用自由地流入焊缝并顺着不锈钢接头端壁爬升一定高度，调小功率，再按停止键。冷却后钎料在部件连接表面上形成一层紧紧依附的薄膜。将上述不锈钢接头的感应线圈再移到另一个不锈钢接头上，重复上面的操作。

例2

分别将不锈钢接头和水冷基板端面部分置于温度为75℃的10％氢氧化钠溶液中浸泡15秒，取出上述工件，再置于常温下9％硫酸溶液中浸泡6秒，用水冲洗清洗过的工件表面并烘干，然后将不锈钢接头安装到水冷基板端面。取直径3.5毫米、熔点420-480℃锌铝合金带药芯焊丝，该焊丝焊料的标定成分如下：Pb 0.005％MAX，Fe 0.005％MAX，Cu 0.005％MAX，Cd0.005％MAX，Al 2.4％MAX，Zn余量。将上述焊丝弯成圆圈置于露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处，并且弯成圆圈的焊丝紧箍在不锈钢接头根部。不锈钢接头的感应线圈是由φ8×δ1mm紫铜管制成相同的两个蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与不锈钢接头外形对应的圆形，如图1和图2所示。当不锈钢接头***该感应线圈的圆形空间后，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈输入和输出端设有与上述感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头通过设在感应加热电源上的过渡铜管间接相连。该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环冷却水机构。水冷基板的感应线圈也是由φ8×δ1mm紫铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与水冷基板外形对应的扁圆形，如图3和图4所示。当水冷基板***该感应线圈的扁圆形空间后，两者之间的间隙量为3-7毫米。该感应线圈输入和输出端设有与上述感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头，该接头通过设在感应加热电源上的过渡管间接相连。该感应加热电源有对铜管进行冷却的循环的冷却水机构。将水冷基板的感应线圈输入和输出端分别与一台高频感应加热电源对应的两过渡铜管一端相连，这两过渡铜管分别与该高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连。将组装有不锈钢接头的水冷基板置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，之后将水冷基板用夹具固定。

再将两不锈钢接头的两感应线圈输入和输出端分别与另一台高频感应加热电源对应的两过渡铜管一端相连，这两过渡铜管分别与该高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连。将固定在水冷基板上的两不锈钢接头置于上述两感应线圈内，并对其进行调整，使感应线圈与不锈钢接头两者之间的间隙量为3-7毫米，如图5所示。本发明所采用的两台感应加热设备为SSF-60型超音频低功率感应加热设备，它们的技术参数为：

工作电源                三相380V/50HZ

工作电压范围            342V-430V

最大输入电流            97A

最大输出功率            60KW

振荡频率                   10-40KHZ

冷却水流量(主机)           40L/min(0.1KPa)

冷却水流量(变压器)         41L/min(0.1KPa)

将上述两台高频感应加热电源与电源相连，按启动键，然后将高频感应加热电源上的功率调节器由小到大缓慢调至所需功率，使铝制水冷基板焊接处的温度升至480℃，不锈钢接头焊接处的温度升至550℃。此时置于焊接处的钎料熔化，维持该温度2分钟，钎剂湿润铝表面，使得钎料能通过毛细作用自由地流入焊缝并顺着不锈钢接头端壁爬升一定高度，调小功率，再按停止键。冷却后钎料在部件连接表面上形成一层紧紧依附的薄膜。

Claims (6)

1.一种铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：

(1)分别将不锈钢接头和水冷基板端面部分置于温度为75-85℃的8-10％氢氧化钠溶液中浸泡15-20秒，取出上述工件，再置于常温下约10％硫酸溶液中浸泡5-6秒，用水冲洗清洗过的工件表面并烘干，然后将不锈钢接头安装到水冷基板端面；

(2)取直径2.5-3.5毫米、熔点420-480℃锌铝合金带药芯焊丝，将其弯成圆圈置于露出水冷基板端面的不锈钢接头根部与水冷基板端面螺孔倒角处；

(3)将水冷基板的感应线圈输入和输出端分别与一台感应加热电源的变压器输入及输出接线端子相连，将组装有不锈钢接头的水冷基板置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，之后将水冷基板用夹具固定，再将不锈钢接头的感应线圈输入和输出端分别与另一台高频感应加热电源的变压器输入及输出接线端子相连，将固定在水冷基板上的不锈钢接头置于上述感应线圈内，并对其进行调整，使两者之间的间隙量为3-7毫米，

(4)将上述两台高频感应加热电源与电源相连，按启动键并由小到大缓慢调至所需功率，使铝制水冷基板焊接处的温度升至450-480℃，不锈钢接头焊接处的温度升至500-550℃，置于焊接处的钎料熔化，维持该温度2-4分钟，调小功率，再按停止键。

2.根据权利要求1所述的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：上述焊丝焊料的标定成分如下：

Pb    0.005％MAX

Fe    0.005％MAX

Cu    0.005％MAX

Cd    0.005％MAX

Al    2.4％MAX

Zn    余量。

3.根据权利要求1所述的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：不锈钢接头的感应线圈是由铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与不锈钢接头外形对应的圆形，该感应线圈输入和输出端设有与一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头。

4.根据权利要求1所述的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：水冷基板的感应线圈是由铜管制成的蛇盘管，该蛇盘管圈内的形状为与水冷基板外形对应的扁圆形，该感应线圈输入和输出端设有与另一个高频感应加热电源变压器输入及输出接线端子相连的接头。

5.根据权利要求1所述的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：弯成圆圈的焊丝紧箍在不锈钢接头根部。

6.根据权利要求1所述的铝制水冷基板与不锈钢接头的感应焊接方法，其特征在于：不锈钢接头的感应线圈是相同的两个。

Images