CN111069759A - 一种铜钢专用扩散连接工装及扩散连接方法 - Google Patents

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丁锐
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Abstract

一种铜钢专用扩散连接工装及扩散连接方法，属于异种材料扩散焊技术领域。本发明解决了现有的针对铜‑钢复合换热器的铜‑钢扩散连接技术存在的结构件焊缝存在内应力，以及接头强度低的问题。胀芯为柱状体结构且其外圆面为锥面，若干胀瓣绕铜环的中心轴线布置在铜环内且每个胀瓣均与铜环内壁无间隙接触，每个胀瓣上远离铜环的一侧面均为斜面，胀芯配合插设在若干胀瓣围设成的环形结构内，环状结构的小端内径小于胀芯的小端外径设置，环状结构的大小内径小于胀芯的大端外径设置。通过扩散焊压机对胀芯进行向下施压，胀芯的外圆锥面通过胀瓣传递侧向力于铜环，铜环与钢环之间的压力使两侧材料产生原子了间扩散，有效减小焊缝内应力，保证接头强度。

Description

一种铜钢专用扩散连接工装及扩散连接方法
技术领域
本发明涉及一种铜钢专用扩散连接工装及扩散连接方法，属于异种材料扩散焊技术领域。
背景技术
扩散焊是将两个待焊工件夹紧在一起，置于真空或保护气氛炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，而达到紧密接触，在随后的保温加热中，原子间相互扩散而形成冶金连接的扩散连接方法。铜具有导热效率高、耐烧蚀性好等特点，不锈钢具有高温强度高、承载性能好等特点，采用真空扩散连接技术制造铜-钢复合换热器，可以充分发挥两种材料各自的优势，为高压环境的高效换热提供了一种新型的换热元件。目前，航空发动机燃烧室、喷管、核岛冷却***、钻井平台等均对于铜钢复合换热器有着迫切的需求。然而，受两种材料物理性能差异的影响，铜-钢扩散连接技术尚存在以下瓶颈：异种材料热膨胀系数存在差异，导致焊后降温过程结构件焊缝部位存在内应力；异种材料形成接头强度低，仅能达到铜合金母材强度的33％，接头强度需要大幅提高。
扩散焊技术(即扩散连接技术)出现于上世纪60年代初，这一扩散连接方法不仅能够获得同种金属和合金的牢固接头而且能够获得铜-钢复合的牢固接头，尤其是在航空、航天领域利用扩散焊技术可以解决许多新材料的连接问题。随着我国航空航天技术的发展，扩散焊技术的研究和应用也在不断发展，80年代实现了同种金属和合金的扩散焊技术应用。
真空扩散焊是实现钢与铜及铜合金的高精度、高质量的有效连接的有效手段之一，目前国内外学者开展了相应技术的研究工作。根据国内外学者研究成果，铜与钢实现高强度连接的技术方案可行，但目前仅针对试样开展了一定理论研究，工程应用研究较少。尤其是对于有特殊形状的铜-钢复合换热器，如两个待焊工件分别为铜环100和钢环101，焊接前铜环100外壁与钢环101内壁之间的单边间隙控制在0.04mm到0.1mm之间，其中铜环100为TU1铜材料，钢环101为304不锈钢，如图3及图4所示，其中图4为铜环100的主视示意图，其为圆环状结构，且外壁加工有若干竖向沟槽100-1，每个竖向沟槽100-1的尺寸均为宽3mm，深3mm；图3为钢环101的主剖视示意图，其也为圆环状结构，且其内壁上下平行开设有两个环形沟槽101-1，且钢环101的上部及下部各开设有一个圆孔101-2。每个环形沟槽101-1的尺寸均为宽10mm，深5mm；圆孔101-2的内径为8mm。对于此种铜-钢复合换热器，因其铜环及钢环上均加工有不同尺寸的沟槽，导到其对扩散连接工装及扩散连接方法的要求增加，目前沿未有关于此类铜-钢复合换热器结构的扩散连接工装有扩散连接方法。
发明内容
本发明是为了解决现有的针对铜-钢复合换热器的铜-钢扩散连接技术存在的结构件焊缝存在内应力，以及接头强度低的问题，进而提供了一种铜钢专用扩散连接工装及扩散连接方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种铜钢专用扩散连接工装，它包括胀芯及若干胀瓣，其中胀芯为柱状体结构且其外圆面为锥面，若干胀瓣绕铜环的中心轴线布置在铜环内且每个胀瓣均与铜环内壁无间隙接触，每个胀瓣上远离铜环的一侧面均为斜面，胀芯配合插设在若干胀瓣围设成的环形结构内，每相临两个胀瓣之间无间隙接触状态下形成环状结构，且所述环状结构的小端内径小于胀芯的小端外径设置，所述环状结构的大小内径小于胀芯的大端外径设置。
进一步地，每个胀瓣上斜面的倾斜角度均与胀芯外圆锥面的倾斜角度相同设置。
进一步地，胀芯的外圆锥面的倾斜角度为2°。
进一步地，胀瓣的数量为八瓣。
进一步地，所述胀芯上沿其轴向开设有中心通孔。
一种使用上述焊接工装的扩散连接方法，它包括如下步骤：
步骤一、使用除油剂清洗铜环和钢环表面油污；
步骤二、将铜环与钢环待焊接接触面镀20μm到30μm的镍层，然后用丙酮擦拭零件表面；
步骤三、通过涂保护胶、烘干、硝酸酸洗的方法去除沟槽处多余镍层；
步骤四、将钢环同轴套装在铜环上；
步骤五、将若干胀瓣依次涂抹BN涂料，将涂料烘干后呈环形布置在铜环内；
步骤六、将胀芯涂抹BN涂料，将涂料烘干后同轴装设在若干胀瓣形成的环状结构内；
步骤七、将钢环、铜环及焊接工装组成的整体结构放置在真空炉中，进行扩散连接。
进一步地，步骤七中采用的扩散连接压力为2MPa，保温时间为60min，真空度为5.0X10-3Pa，扩散连接温度为950℃。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
通过扩散焊压机对胀芯进行向下施压，胀芯的外圆锥面通过胀瓣传递侧向力于铜环，铜环与钢环之间的压力使两侧材料产生原子了间扩散，有效减小焊缝内应力，保证接头强度。采用分瓣工装，将垂直加载力转化为水平法向加载力，实现对环形结构件的整体加压。
通过本申请的扩散连接方法所得到的力学性能最佳，与现有技术相比，采用降温保压的方式，使铜钢复合扩散连接后的结构件始终在受约束状态下降温，得到接头性能满足焊合率要求、强度要求，尺寸要求的焊接结构件。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为扩散连接工装的俯视示意图；
图3为钢环的主剖视示意图；
图4为铜环的主视示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种铜钢专用扩散连接工装，它包括胀芯1及若干胀瓣2，其中胀芯1为柱状体结构且其外圆面为锥面，若干胀瓣2绕铜环100的中心轴线布置在铜环100内且每个胀瓣2均与铜环100内壁无间隙接触，每个胀瓣2上远离铜环100的一侧面均为斜面，胀芯1配合插设在若干胀瓣2围设成的环形结构内，每相临两个胀瓣2之间无间隙接触状态下形成环状结构，且所述环状结构的小端内径小于胀芯1的小端外径设置，所述环状结构的大小内径小于胀芯1的大端外径设置。通过扩散焊压机对胀芯1进行向下施压，胀芯1的外圆锥面通过胀瓣2传递侧向力于铜环100，铜环100与钢环101之间的压力使两侧材料产生原子了间扩散，有效减小焊缝内应力，保证接头强度。采用分瓣工装，将垂直加载力转化为水平法向加载力，实现对环形结构件的整体加压。
扩散焊压机向下施压过程中，受胀芯1的挤压，若干胀瓣2沿径向扩张。
每个胀瓣2上斜面的倾斜角度均与胀芯1外圆锥面的倾斜角度相同设置。
胀芯1的外圆锥面的倾斜角度为2°。
胀瓣2的数量为八瓣。
所述胀芯1上沿其轴向开设有中心通孔1-1。如此设计，起到减重的作用。
一种使用上述扩散连接工装的扩散连接方法，它包括如下步骤：
步骤一、使用除油剂清洗铜环100和钢环101表面油污；
步骤二、将铜环100与钢环101待焊接接触面镀20μm到30μm的镍层，然后用丙酮擦拭零件表面；
步骤三、通过涂保护胶、烘干、硝酸酸洗的方法去除沟槽处多余镍层；
步骤四、将钢环101同轴套装在铜环100上；
步骤五、将若干胀瓣2依次涂抹BN涂料，将涂料烘干后呈环形布置在铜环100内；
步骤六、将胀芯1涂抹BN涂料，将涂料烘干后同轴装设在若干胀瓣2形成的环状结构内；
步骤七、将钢环101、铜环100及扩散连接工装组成的整体结构放置在真空炉中，进行扩散连接。
步骤七中采用的扩散连接压力为2MPa，保温时间为60min，真空度为5.0X10-3Pa，扩散连接温度为950℃。因本申请所针对的待焊铜环100与钢环101结构特殊，铜环100外壁加工的若干竖向沟槽100-1，使得对扩散连接的参数要求较高，本实施方式中的参数下力学性能最佳，与现有技术相比，采用降温保压的方式，使铜钢复合扩散连接后的结构件始终在受约束状态下降温，有效减小焊缝内应力，保证接头强度，得到接头性能满足焊合率要求、强度要求，尺寸要求的焊接结构件。

Claims (7)

1.一种铜钢专用扩散连接工装，其特征在于：它包括胀芯(1)及若干胀瓣(2)，其中胀芯(1)为柱状体结构且其外圆面为锥面，若干胀瓣(2)绕铜环(100)的中心轴线布置在铜环(100)内且每个胀瓣(2)均与铜环(100)内壁无间隙接触，每个胀瓣(2)上远离铜环(100)的一侧面均为斜面，胀芯(1)配合插设在若干胀瓣(2)围设成的环形结构内，每相临两个胀瓣(2)之间无间隙接触状态下形成环状结构，且所述环状结构的小端内径小于胀芯(1)的小端外径设置，所述环状结构的大小内径小于胀芯(1)的大端外径设置。
2.根据权利要求1所述的一种铜钢专用扩散连接工装，其特征在于：每个胀瓣(2)上斜面的倾斜角度均与胀芯(1)外圆锥面的倾斜角度相同设置。
3.根据权利要求2所述的一种铜钢专用扩散连接工装，其特征在于：胀芯(1)的外圆锥面的倾斜角度为2°。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种铜钢专用扩散连接工装，其特征在于：胀瓣(2)的数量为八瓣。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种铜钢专用扩散连接工装，其特征在于：所述胀芯(1)上沿其轴向开设有中心通孔(1-1)。
6.一种使用上述权利要求1～5中任一权利要求所述焊接工装的焊接方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一、使用除油剂清洗铜环(100)和钢环(101)表面油污；
步骤二、将铜环(100)与钢环(101)待焊接接触面镀20μm到30μm的镍层，然后用丙酮擦拭零件表面；
步骤三、通过涂保护胶、烘干、硝酸酸洗的方法去除沟槽处多余镍层；
步骤四、将钢环(101)同轴套装在铜环(100)上；
步骤五、将若干胀瓣(2)依次涂抹BN涂料，将涂料烘干后呈环形布置在铜环(100)内；
步骤六、将胀芯(1)涂抹BN涂料，将涂料烘干后同轴装设在若干胀瓣(2)形成的环状结构内；
步骤七、将钢环(101)、铜环(100)及焊接工装组成的整体结构放置在真空炉中，进行扩散焊接。
7.根据权利要求6所述的扩散连接方法，其特征在于：步骤七中采用的扩散焊接压力为2MPa，保温时间为60min，真空度为5.0X10-3Pa，扩散焊接温度为950℃。
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