CN104339079A - 焊接波纹管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接波纹管的制备方法。该方法包括：将冲压制备好的波纹管膜片清洗干净，然后将膜片叠加放入焊接模具中，膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘加入中间过渡金属层（或膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘镀制中间过渡金属膜层），最后将焊接模具放入高温炉加热到一定温度并保温一定时间,利用不同材料的热膨胀系数不同的特点，使焊接模具在高温时对波纹管膜片产生压力，从而使波纹管膜片达到压力扩散焊接的目的。本发明简单易行、焊接温度低、成本低、成品率高，可以非常快速的一次性的制备多个焊接波纹管，提高了生产效率。

Description

焊接波纹管的制备方法

技术领域

本发明涉及波纹管的制造技术，尤其涉及一种波纹管的焊接方法。 

背景技术

国外在焊接波纹管的生产和应用方面已有较长的历史,早在十九世纪末就出现了焊接结构的波纹管,焊接波纹管是金属波纹管的主要品种之一,它具有一些液压成形波纹管所不能比拟的优点。近二十年来,焊接波纹管引起人们的重视,在仪器仪表电子工业和空间技术等方面已经得到了应用。焊接波纹管的制造方法与液压成形不同,它是采用精巧的焊接技术,把预先冲制的环状膜片沿其内外边缘交替焊接而制成。尽管这种工艺比较精细复杂,费用高。但是,由于材料加工变形小,尺寸精度容易控制,因此,制得的焊接波纹管具有灵敏度高、线性好、滞后小、位移大、弹性性能和有效面积偏差小等优点。此外,这种工艺方法还有可以加工塑性较差而弹性很好的材料,为研制耐高温、耐腐蚀、高强度等特殊材料的波纹管开辟了途径。焊接波纹管产品的尺寸范围一般外径为32－850毫米(内径为10－760毫米),也有外径小于10毫米的微型焊接波纹管。材料厚度一般为0.03-0.6.0毫米。焊接波纹管的长度通常不大于外径的1.5倍。采用的材料是多种多样的。主要有不锈钢、蒙乃尔合金、镍、镍基恒弹性合金、赫斯特洛合金等等。随着科学技术的发展和焊接工艺水平的不断提高,焊接波纹管在航空和宇航等空间领域和电子工业及其他工业得到了广泛的应用。 

传统焊接波纹管的工艺流程如下：冲制膜片-除油-焊接-机械稳定-酸洗-烘干-检测。焊接波纹管工艺的关键在于膜片的冲制、焊接和检测等工序。由于膜片的质量直接影响以后的焊接质量,所以,要求冲制为膜片具有较高的几何尺寸精度,无毛刺,表面光洁。冲制0.1毫米厚度以下的膜片时,对模具的精度要求很高,一般是采用无间隙冲模。焊接方法通常有电阻焊、氩弧焊和等离子焊等几种。检验是保证焊接波纹管质量的重要措施,元件的用途和技术要求不同,检验的项口也不同作为测量元件时,要求检测刚度、特性、有效面积。作真空密封或用于其他无特性要求的场合时,就要求检测泄漏、耐压或疲劳寿命等。对于特殊应用的场合还要经过耐高温、耐腐蚀及耐辐照等试验。 

焊接波纹管制造工艺的核心是焊接工艺,目前,除采用等离子焊接外,有些单位还开展电子束焊接和激光焊接等方面的研究;但所有这些焊接技术生产效率低，焊接波纹管的成本很高。为了解决大批量生产的问题,研制专用的高效率焊接技术已成了十分重要的课题。为了实现焊接生产的高质量、低成本、高效率的重要途径，本发明采用压力扩散焊接的技术进行焊 接波纹管的制备。 

压力扩散焊接技术是一种广泛应用的各种材料焊接技术，它是指相互接触的表面，在高温强压的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后，结合层原子间相互扩散而形成整体可靠连接的过程。扩散焊接过程大致可以分为物理接触阶段、化学作用阶段和体积作用阶段。第一个阶段为物理接触阶段，被连接表面在压力和温度作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触界面逐渐扩大最终达到整个面的可靠接触。第二阶段为化学作用阶段，此时被激活的接触界面的原子相互扩散，产生原子健，形成牢固的结合层。第三阶段为体积作用阶段，在接触部分形成的结合层逐渐向体积方向发展，形成可靠的表面连接。这三个过程并非是相互分离独自完成的，而是相互交叠进行的，整个作用的结果便是在连接处由于扩散和再结晶等过程形成稳定的固态结合，它可以生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠的连接。扩散焊接参数的选择对焊接界面的质量具有重要的影响。扩散焊接的参数主要有：温度、压力、时间、气体介质、表面状态和中间层的选择等。其中的压力是一个非常重要的参数，它是实现所需物理接触的必要条件。现在一般的压力扩散焊接技术的压力是外部加压，如果采用一般的压力扩散焊接技术制造焊接波纹管，将会影响波纹管的制造效率，从而提高波纹管的成本。为了解决这一问题，本发明利用不同金属的热膨胀系数不同的特点，采用模具对波纹管施加压力，这样高温炉就可以一次焊接多个波纹管或连续焊接波纹管。 

发明内容

（一）要解决的技术问题 

鉴于上述技术问题，本发明提供了焊接波纹管的制备方法，以提升焊接波纹管的生产效率，降低制造成本。 

（二）技术方案 

根据本发明的一个方面，提供了一种焊接波纹管的制备方法。该方法包括：将冲压制备好的波纹管膜片清洗干净，然后将膜片叠加放入焊接模具中，膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘放入中间过渡金属层（或膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘镀制中间过渡金属膜层），最后将焊接模具放入高温炉加热到一定温度并保温一定时间,利用不同材料的热膨胀系数不同的特点，使焊接模具在高温时对波纹管膜片产生压力，从而使波纹管膜片达到压力扩散焊接的目的。 

在扩散焊接过程中，为了降低焊接温度、控制界面反应、加速焊接过程、降低对焊接表面粗糙度的要求或防止接头中出现有害的组织、抑制或改变界面反应产物以提高连接处的 性能，常在焊接膜片边缘表面间添加特定成分的中间夹层材料,其厚度在0.01mm左右，或者采用化学镀工艺、磁控溅射镀膜等技术镀制中间过渡金属膜层，膜层厚度在2－50μm。制备中间层可采用单一的软金属，也可采用多层金属。软金属中间层有Ni、Cu及Al等，它们的塑性好，屈服强度低，能通过塑性变形和蠕变变形来缓解接触处的残余应力。 

 压力扩散焊接模具所用材料的膨胀系数应小于波纹管膜片材料的膨胀系数。模具在高温下产生的压力可以使连接处微观凸起部分产生塑性形变，使之达到紧密接触状态，并提供形变能为原子扩散创造条件。较高的压力能产生较好的接头。压力上限取决于对焊件总体变形量的限度，设备吨位等。对于异种金属扩散焊，采用较大的压力对减少或防止扩散孔洞有作用。通常扩散焊压力在0.5－50MPa之间选择。所选的压力通常要保持在稍低于所选温度下的屈服应力。 

 温度是扩散焊最重要的工艺参数，温度影响被焊材料的屈服强度和原子的扩散行为，对消除空隙起着决定性的作用。温度的微小变化会使扩散焊速度产生较大的变化。在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快，所获得的接头强度也高。从这点考虑，应尽可能选用较高的扩散焊温度。但加热温度受被焊工件和夹具的高温强度，工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，对许多金属和合金，扩散焊温度为0.5－0.8T_m（K），T_m为低熔点焊接材料的熔点。 

 压力扩散焊接所需要的时间长短会对接触处组织和成分的均匀性产生重要影响，一般可以视连接材料，以及焊接的压力和温度来选择。在一般的条件下，扩散焊接时间在10－200min。 

 高温炉采用真空高温炉，也可以是具有保护性气体（如H₂、N₂等）的高温炉。 

 （三）有益效果 

从上述技术方案可以看出，本发明焊接波纹管的制备方法具有以下有益效果：简单易行、焊接温度低、成本低、成品率高，可以非常快速的一次性的制备多个焊接波纹管，提高了生产效率。 

附图说明

图1为压力扩散焊接波纹管的示意图； 

图2为本发明实施例压力扩散焊接波纹管方法的流程图。 

【本发明主要元件符号说明】 

1-波纹管膜片； 2-螺母； 

3-螺栓；       4-过渡金属膜或膜片； 

5-模具压板。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。 

本发明首先将冲压制备好的波纹管膜片清洗干净，然后将膜片叠加放入焊接模具中，膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘放入中间过渡金属层（或膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘镀制中间过渡金属膜层），最后将焊接模具放入高温炉加热到一定温度并保温一定时间。 

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种焊接波纹管的制备方法。图1为压力扩散焊接波纹管的示意图。图2为本发明实施例压力扩散焊接波纹管方法的流程图。请参照图1和图2，本实施例包括： 

步骤A，按照图纸冲压制备焊接波纹管膜片1。由于膜片的质量直接影响以后的焊接质量,所以要求冲制的膜片具有较高的几何尺寸精度,无毛刺,表面光洁。本发明采用无间隙冲模制备0.1mm的304不锈钢波纹管膜片； 

步骤B，利用化学方法对焊接波纹管膜片1进行化学清洗除油； 

步骤C，在焊接膜片边缘表面间添加特定成分的中间夹层材料4,或者采用化学镀工艺、磁控溅射镀膜等技术镀制中间过渡金属膜层4。本发明中采用化学镀工艺,在304不锈钢基材表面分别制备出约5μm的Cu和10μm Ni作为金属中间层4。同时也采用0.1mmNi、0.02mmCu作为金属中间层4； 

步骤D，将边缘表面间添加特定成分的中间过渡金属膜层4的膜片1放入焊接模具中并将螺母2拧紧。本实施例焊接模具中螺母2和螺栓3采用膨胀系数小于304不锈钢的Mu。为了增大焊接压力，模具压板5采用304不锈钢。 

步骤E，把装好波纹管膜片4的焊接模具放入高温炉中加热到一 

定温度并保温一定时间。本实施例中Ni、Cu分别作为中间过渡金属层时温度分别为850℃和800℃，保温皆为30min；高温炉采用真空高温炉和高温氢气炉。 

步骤F，待炉温降到80℃以下时，取出焊接波纹管进行检测。利用检漏仪对焊接波纹管的漏率进行了检测，漏率小于10^-10Pa.m³/s。利用扫描电镜对焊缝区进行了显微组织观察和 能谱分析,试验结果表明,采用Cu、Ni做过渡层可以显著提高304不锈钢扩散焊接波纹管的性能。 

综上所述，本发明将一个面的外边缘和另一个面的内边缘具有中间过渡金属层的膜片叠加放入焊接模具中，再将焊接模具放入高温炉加热到一定温度并保温一定时间,利用不同材料的热膨胀系数不同的特点，使焊接模具在高温时对波纹管膜片产生压力，从而使波纹管膜片达到压力扩散焊接的目的。本发明简单易行、焊接温度低、成本低、成品率高、生产效率高，具有良好的应用前景。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种焊接波纹管的制备方法，其特征在于，包括：该方法包括：将冲压制备好的波纹管膜片进行化学清洗干净，然后将膜片叠加放入焊接模具中，膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘放入中间过渡金属层（或膜片一个面的外边缘和另一个面的内边缘镀制中间过渡金属膜层），最后将焊接模具放入高温炉加热到一定温度并保温一定时间,利用不同材料的热膨胀系数不同的特点，使焊接模具在高温时对波纹管膜片产生压力，从而使波纹管膜片达到压力扩散焊接的目的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在焊接膜片边缘表面间添加特定成分的中间夹层材料,其厚度在0.01mm左右，或者采用化学镀工艺、磁控溅射镀膜等技术镀制中间过渡金属膜层，膜层厚度在2－50μm，中间层可采用单一的软金属，也可采用多层金属，金属中间层可选择Ni、Cu、Ag及Al等熔点较低的软金属。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力扩散焊接模具所用材料的膨胀系数应小于波纹管膜片材料的膨胀系数，模具在高温下产生的压力可以使连接处微观凸起部分产生塑性形变，使之达到紧密接触状态，并提供形变能，为原子扩散创造条件，通常扩散焊压力在0.5－50MPa之间选择，所选的压力通常要保持在稍低于所选温度下的屈服应力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度是扩散焊最重要的工艺参数，温度影响被焊材料的屈服强度和原子的扩散行为，对消除空隙起着决定性的作用，对许多金属和合金，扩散焊温度为0.5－0.8T_m（K），T_m为低熔点焊接材料的熔点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力扩散焊接所需要的时间长短会对接触处组织和成分的均匀性产生重要影响，一般可以视连接材料，以及焊接的压力和温度来选择，在一般的条件下，扩散焊接时间在10－200min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温炉可采用真空高温炉，也可以是具有保护性气体（如H₂、N₂等）的高温炉。