CN114669818B - 低温冷屏薄壁铝合金导管结构及其真空钎焊工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空钎焊与低温冷屏技术领域，提供了一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构及其真空钎焊工艺与应用。本发明提供的的真空钎焊工艺，通过设置装配工装，可固定、支撑并压紧薄壁铝合金管和半圆套管并使之保持正确的位置关系，通过真空钎焊使得薄壁铝合金管与半圆套管形成牢固的冶金结合；真空钎焊的效率很高，钎焊加热均匀引起的应力和变形小，保证焊件尺寸的精度。本发明提供的低温冷屏薄壁铝合金导管结构，通过半圆套管焊接在低温冷屏上，不必担心焊接造成导管出现裂纹与焊穿而导致低温冷屏出现冷漏的现象。钎焊质量稳定、生产效率高，且结构轻便、空间利用率高、导热系数大、热阻小，能快速实现低温冷屏。
Description
技术领域
本发明涉及真空钎焊与低温冷屏技术领域，尤其涉及一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构及其真空钎焊工艺与应用。
背景技术
高真空绝热储存容器夹层设置低温冷屏，低温介质在薄壁铝合金管内流动将冷量传导至铝合金筒体壁，使其快速实现低温冷屏，减少内部储存容器受到热辐射而造成的液氮、液氦等的蒸发损失。通常低温冷屏有以下结构形式：
低温冷屏壁上焊接铝合金管结构，由于铝合金管壁较薄，焊接时极易导致铝合金管产生裂纹或烧穿，使得生产制造过程异常困难，且存在后期使用过程低温冷屏出现冷漏的风险。
通过抱箍结构使铝合金管紧贴低温冷屏壁，这种结构抱箍在铝管的上方抱箍会吸收一部分冷量，铝管与筒壁的接触面很窄且不能保证铝管全长都与筒壁接触，无法最快速与高效的实现低温冷屏。
低温冷屏壁上焊接带“站脚”的铝合金管结构，这种带“站脚”的铝管需要专门进行定制，定制成本高、周期较长，定制铝管如果为了保证焊接不损伤铝管本体则铝管与“站脚”之间会存在传导面窄或距离较长的情况，而且铝管两侧“站脚”的焊接也无法达到全焊透，这样铝管“站脚”与筒壁之间存在径向方向上的一条长的间隙，定制铝管还是存在一些传冷速度与效率上的不足。
发明内容
本发明旨在至少克服上述现有技术的缺点与不足其中之一，提供一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构及其真空钎焊工艺与应用。本发明目的基于以下技术方案实现：
本发明目的第一方面，提供了一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，包括以下步骤：
S1、装配铝合金导管结构的配件：所述铝合金导管结构的配件包括薄壁铝合金管、半圆套管和铝箔钎料，准备一个内部具有凹槽的固定块，在所述固定块内底部依序叠放第一石墨布、半圆套管、铝箔钎料、薄壁铝合金管、第二石墨布和压紧块，所述压紧块和固定块配合可固定、支撑并压紧薄壁铝合金管和半圆套管并使之保持正确的位置关系；
S2、将装配好的铝合金导管结构连同装配工装一起组成工件放入真空炉，设定炉温550～650℉，开启高真空，开启加热，炉温达到550～650℉后每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉，至炉温设定为750～860℉，控制工件升温速率为1.5～5℉/min；
S3、当工件温度达到650～750℉时，设定炉温为850～1000℉，当炉温达到850～1000℉后每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉，至炉温设定为1000～1100℉；
S4、当工件最高温度达到950～1050℉时，进行均温，直至工件各处温度达到950～1050℉；
S5、将炉温设定在1080～1150℉，控制工件升温速率为1～3℉/min，当薄壁铝合金管中心温度达到1045～1100℉，保温0～20分钟，停止加热；
S6、当工件中心温度降到970～1020℉时，关闭真空，停止加热；待工件中心温度降到500～680℉出炉，冷却至室温。
优选地，步骤S1中所述压紧块和固定块的材料为奥氏体不锈钢；和/或
所述第一石墨布和第二石墨布的厚度为0.07～0.2mm；和/或
所述铝箔钎料的厚度0.02～0.1mm。
优选地，步骤S1中所示固定块内部呈U型结构，所述压紧块的外壁与固定块的内壁相匹配。
优选地，步骤S1中所述薄壁铝合金管、半圆套管和铝箔钎料在装配前清洗去除表面油污、灰尘和氧化膜，所述压紧块和固定块在装配前清洗去除表面油污。
优选地，步骤S1中所述薄壁铝合金管和半圆套管在装配前对钎焊面进行打磨。
优选地，步骤S2中所述工件放入真空炉后，在薄壁铝合金管的前、中、后三个部位***热电偶测定工件温度。
优选地，步骤S2中所述每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉具体为每5～25min设定炉温提高30～80℉。
优选地，步骤S3中所述每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉具体为每5～25min设定炉温提高30～80℉。
优选地，步骤S4中均温时要求炉内真空度≤5.0×10-3Pa，如果真空度没达到要求，允许延长20～45分钟均温时间等待真空度达到要求。
优选地，步骤S6中待工件中心温度降到500～680℉出炉，冷却至室温的步骤具体为：待工件中心温度冷却到850～950℉时充氮气，冷却至500～680℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
本发明目的第二方面，提供了一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构，由以上任一项所述的制备方法制得。
本发明目的第三方面，提供了一种包括该低温冷屏薄壁铝合金导管结构的低温冷屏。
本发明可至少取得如下有益效果其中之一：
本发明提供的低温冷屏薄壁铝合金导管结构装配工装，可固定、支撑并压紧薄壁铝合金管和半圆套管并使之保持正确的位置关系，在固定块与半圆套管，压紧块与薄壁铝合金管之间放置石墨布，可以减小铝合金管的摩擦力，还可以防止由于钎料润湿导致工装与工件有一定的粘连，最终使得薄壁铝合金管与半圆套管形成牢固的冶金结合。
本发明提供的低温冷屏薄壁铝合金导管结构，通过半圆套管焊接在低温冷屏上，直接解决了低温冷屏上导管的焊接问题，不必担心焊接造成导管出现裂纹与焊穿而导致低温冷屏出现冷漏的现象。本发明的铝合金导管结构与低温冷屏筒壁还可以采用半自动MIG焊的方式焊接，具有更高效的优点。
本发明提供的低温冷屏薄壁铝合金导管结构，通过真空钎焊使薄壁铝合金管与半圆套管形成牢固的冶金结合；真空钎焊具有很高的生产效率，可一次完成一炉批次的零件，钎焊加热均匀引起的应力和变形小，容易保证焊件尺寸的精度；阶梯式设定炉温的控温方式，可精确控制工件的升温速率。半圆套管与低温冷屏壁的焊接可以达到全焊透，以热传导为主的方式进行冷量传导，热阻更小。此结构还具有轻便、空间利用率高、导热系数大的优点，能快速实现低温冷屏。
附图说明
图1为本发明优选实施例的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的装配示意图；
图2为本发明优选实施例的低温冷屏薄壁铝合金导管结构用于低温冷屏的结构示意图；
附图标记说明：1、压紧块，2、固定块，3、第一石墨布，4、铝合金管，5、半圆套管，6、铝箔钎料，7、第二石墨布，8、钎焊层，9、铝合金导管结构，10、低温冷屏筒壁。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的优选实施例，提供了一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，总体包括以下步骤：备料→清洗→烘干→检验→装配→钎焊→检验。
首先是薄壁铝合金导管结构的装配，用到的钎焊零件有：压紧块1、固定块2、第一石墨布3、铝合金管4、半圆套管5、铝箔钎料6和第二石墨布7。其中，第一石墨布3、铝合金管4、半圆套管5、铝箔钎料6和第二石墨布7为直接采购，压紧块1和固定块2为采购材料自行加工。固定块2的内底部形状与半圆套管5外壁相匹配，内部具有U字型的凹槽；压紧块1整体呈T字型，其底部形状与铝合金管4外壁相匹配，并且压紧块1置于固定块2的内部且压紧块1的外壁与固定块2的内壁相匹配。第一石墨布3放置在固定块2与半圆套管5之间且使固定块2与半圆套管5不接触，第二石墨布7放置在压紧块1与薄壁铝合金管4之间且使压紧块1与薄壁铝合金管4不接触。
在本实施例中，压紧块1和固定块2的材料为奥氏体不锈钢，如S30408；压紧块1和固定块2的长度为半圆套管5的1/15～1/8，优选为1/10，例如铝合金管4的长度为6000mm、半圆套管5的长度为6000mm，压紧块1和固定块2的长度均为600mm。第一石墨布3和第二石墨布7的厚度为0.07～0.2mm，优选为0.1～0.15mm。铝箔钎料6采用4004材料，厚度0.02～0.1mm，优选0.05～0.08mm；铝合金管4和半圆套管5均采用3003-O材料。
在本实施例中，铝合金管4、半圆套管5和铝箔钎料6进行钎焊前清洗去除表面油污、灰尘和氧化膜，具体过程：NaOH水溶液碱洗→清水漂洗→HNO3水溶液酸洗→清水漂洗、冲洗；压紧块1和工装固定块2进行酸洗去除油污。钎焊零件清洗后，表面不得有固体物质、浮锈、氧化皮、油斑、碱迹及大面积的水渍。清洗后的零件必须佩戴洁净的棉质白手套进行操作，防止对零件造成二次污染。
烘干炉提前半小时通电加热，设置温度200℃，将铝合金管4、半圆套管5、铝箔钎料6、压紧块1和工装固定块2通过悬吊淋水除去大量水分后放入烘干炉，待炉温回升到200℃时，保温1.5h，保温时间可根据零件数量而定，保证干燥充分。对烘干后的零件表面取样进行油分检测，含油量要求≤30mg/m2，各零部件在洁净、干燥的场所存放、装配，保证相对湿度控制在60％以下，温度控制在28℃以下，预防结露和操作人员出汗，保证零件清洁，并在48小时内入炉钎焊。
然后，使用钢丝刷对铝合金管4和半圆套管5钎焊面进行打磨，表面粗糙更利于钎料的润湿。此时需要注意不宜使用砂纸对其进行打磨，由于铝合金材料较软，砂纸上的沙粒会嵌入铝合金，影响钎焊质量。
按图1所示对各零部件进行装配，将固定块2放置在真空炉底模上→在固定块2内铺置第一石墨布3→将半圆套管5置于固定块2的第一石墨布3上→在半圆套管5内铺置一层铝箔钎料6→将铝合金管4放在铝箔钎料6上→在铝合金管4上放置第二石墨布7→压紧块1放入固定块2内与之配合将装配部件固定压紧。由于铝合金热膨胀系数较大且本工件长度较长，在固定块与半圆套管，压紧块与薄壁铝合金管之间放置石墨布，可以减小铝合金管的摩擦力，还可以防止由于钎料润湿导致工装与工件有一定的粘连。此外，铝合金与奥氏体不锈钢的热膨胀系数相差较大，本发明在固定块内预留了足够膨胀的空间，避免造成工件严重变形。
在本实施例中，一炉钎焊12根6米长铝合金导管结构，在真空炉左、中、右位置选定三根铝合金管，在每根铝合金管前、中、后三个部位***热电偶，共9个热电偶，在热电偶安装前对其进行准确性验证，温度偏差符合使用要求的记录具体偏差数值，可以更准确的测得工件温度。在真空钎焊过程中，钎焊人员通过调节加热块功率与观察工件各部位的温度变化，来控制升温速度、保温时间、钎焊温度、真空度等。采用加热块对工件加热，加热块布置在真空炉的顶部、底部、左右侧和前后炉门，且通过调功器调节加热块的加热功率，使真空炉和工件按照设定的规律升温进行钎焊；使用扩散泵获得高真空度，真空度的测定使用电离真空计。
本发明优选实施例的真空钎焊工艺具体如下：
实施例1
a.设定炉温为600℉，开启高真空，开启加热块加热，随着炉温升高至到达600℉，设定炉温每次提高50℉至炉温设定为800℉，每次间隔10分钟，控制工件升温速率为3℉/min，每10分钟记录钎焊数据；
b.当工件各处温度达到700℉时设定炉温为900℉，设定炉温每10分钟提高50℉，至炉温设定为1050℉；
c.当工件最高温度达到995～1000℉时，进行均温，直至工件各处温度达到1000℉，此时要求炉体真空度≤5.0×10-3Pa，如果真空度没达到要求，允许延长30分钟均温时间等待真空度达到要求；
d.将各区的炉温设定在1120℉，控制工件升温速率为2℉/min，每5分钟记录钎焊数据，中心温度达到1068～1070℉时，保温10～15分钟，停止加热；
e.当工件中心温度降到1000℉时，关闭电离真空计、高真空阀门和加热块空气开关，扩散泵停止运行；
f.待工件中心温度冷却到900℉时往真空炉内充入氮气，待工件中心温度冷却到600℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
实施例2
a.设定炉温为620℉，开启高真空，开启加热块加热，随着炉温升高至到达620℉，设定炉温每次提高70℉至炉温设定为760℉，每次间隔20分钟，控制工件升温速率为2℉/min，每10分钟记录钎焊数据；
b.当工件各处温度达到670℉时设定炉温为880℉，设定炉温每20分钟提高70℉，至炉温设定为1020℉；
c.当工件最高温度达到965～970℉时，进行均温，直至工件各处温度达到970℉，此时要求炉体真空度≤5.0×10-3Pa，如果真空度没达到要求，允许延长30分钟均温时间等待真空度达到要求；
d.将各区的炉温设定在1080℉，控制工件升温速率为1.5℉/min，每5分钟记录钎焊数据，中心温度达到1055～1060℉时，保温15～20分钟，停止加热；
e.当工件中心温度降到980℉时，关闭电离真空计、高真空阀门和加热块空气开关，扩散泵停止运行；
f.待工件中心温度冷却到850℉时往真空炉内充入氮气，待工件中心温度冷却到550℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
实施例3
a.设定炉温为550℉，开启高真空，开启加热块加热，随着炉温升高至到达550℉，设定炉温每次提高40℉至炉温设定为830℉，每次间隔6分钟，控制工件升温速率为4℉/min，每10分钟记录钎焊数据；
b.当工件各处温度达到720℉时设定炉温为980℉，设定炉温每6分钟提高40℉，至炉温设定为1080℉；
c.当工件最高温度达到1015～1020℉时，进行均温，直至工件各处温度达到1020℉，此时要求炉体真空度≤5.0×10-3Pa，如果真空度没达到要求，允许延长30分钟均温时间等待真空度达到要求；
d.将各区的炉温设定在1150℉，控制工件升温速率为3℉/min，每5分钟记录钎焊数据，中心温度达到1095～1100℉时，停止加热；
e.当工件中心温度降到1020℉时，关闭电离真空计、高真空阀门和加热块空气开关，扩散泵停止运行；
f.待工件中心温度冷却到950℉时往真空炉内充入氮气，待工件中心温度冷却到650℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
实施例4
a.设定炉温为600℉，开启高真空，开启加热块加热，随着炉温升高至到达600℉，设定炉温每次提高60℉至炉温设定为780℉，每次间隔10分钟，控制工件升温速率为3.5℉/min，每10分钟记录钎焊数据；
b.当工件各处温度达到700℉时设定炉温为900℉，设定炉温每10分钟提高60℉，至炉温设定为1050℉；
c.当工件最高温度达到995～1000℉时，进行均温，直至工件各处温度达到1000℉，此时要求炉体真空度≤5.0×10-3Pa，如果真空度没达到要求，允许延长30分钟均温时间等待真空度达到要求；
d.将各区的炉温设定在1100℉，控制工件升温速率为2.5℉/min，每5分钟记录钎焊数据，中心温度达到1077～1080℉时，保温10～15分钟，停止加热；
e.当工件中心温度降到1000℉时，关闭电离真空计、高真空阀门和加热块空气开关，扩散泵停止运行；
f.待工件中心温度冷却到900℉时往真空炉内充入氮气，待工件中心温度冷却到600℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
最后，对实施例1～4所得工件进行目视检查，工件表面光洁，钎缝尺寸饱满、过渡圆滑，无明显溶蚀痕迹。对12根钎焊完成的铝合金导管结构进行氦质谱检漏，检测全部合格，确定钎焊未对薄壁铝合金管造成泄漏。
实施例5
本发明提供的低温冷屏结构如图2所示。采用半自动MIG焊将铝合金导管结构9焊接在低温冷屏筒壁10上，对其再次进行氦质谱检漏，确定焊接没有对其产生泄漏问题，则得到低温冷屏结构。
本发明提供的低温冷屏薄壁铝合金导管结构，钎焊质量稳定、生产效率高，且结构轻便、空间利用率高、导热系数大、热阻小，能快速实现低温冷屏。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、装配铝合金导管结构的配件：所述铝合金导管结构的配件包括薄壁铝合金管(4)、半圆套管(5)和铝箔钎料(6)，准备一个内部具有凹槽的固定块(2)，在所述固定块(2)内底部依序叠放第一石墨布(3)、半圆套管(5)、铝箔钎料(6)、薄壁铝合金管(4)、第二石墨布(7)和压紧块(1)，所述压紧块(1)和固定块(2)配合可固定、支撑并压紧薄壁铝合金管(4)和半圆套管(5)并使之保持正确的位置关系；
S2、将装配好的铝合金导管结构连同装配工装一起组成工件放入真空炉，设定炉温550～650℉，开启高真空，开启加热，炉温达到550～650℉后每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉，至炉温设定为750～860℉，控制工件升温速率为1.5～5℉/min；
S3、当工件温度达到650～750℉时，设定炉温为850～1000℉，当炉温达到850～1000℉后每间隔一定时间设定炉温提高30～80℉，至炉温设定为1000～1100℉；
S4、当工件最高温度达到950～1050℉时，进行均温，直至工件各处温度达到950～1050℉；
S5、将炉温设定在1080～1150℉，控制工件升温速率为1～3℉/min，当薄壁铝合金管(4)中心温度达到1045～1100℉，保温0～20分钟，停止加热；
S6、当工件中心温度降到970～1020℉时，关闭真空，停止加热；待工件中心温度降到500～680℉出炉，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S1中所述压紧块(1)和固定块(2)的材料为奥氏体不锈钢；和/或
所述第一石墨布(3)和第二石墨布(7)的厚度为0.07～0.2mm；和/或
所述铝箔钎料(6)的厚度0.02～0.1mm。
3.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S1中所示固定块(2)内部呈U型结构，所述压紧块(1)的外壁与固定块(2)的内壁相匹配。
4.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S1中所述薄壁铝合金管(4)、半圆套管(5)和铝箔钎料(6)在装配前清洗去除表面油污、灰尘和氧化膜，所述压紧块(1)和固定块(2)在装配前清洗去除表面油污。
5.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S1中所述薄壁铝合金管(4)和半圆套管(5)在装配前对钎焊面进行打磨。
6.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S2中所述工件放入真空炉后，在薄壁铝合金管(4)的前、中、后三个部位***热电偶测定工件温度。
7.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S4中均温时要求炉内真空度≤5.0×10-3Pa。
8.根据权利要求1所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构的真空钎焊工艺，其特征在于，步骤S6中待工件中心温度降到500～680℉出炉，冷却至室温的步骤具体为：待工件中心温度冷却到850～950℉时充入氮气，待工件中心温度冷却至500～680℉出炉，在空气中自然冷却至室温。
9.一种低温冷屏薄壁铝合金导管结构，其特征在于，根据权利要求1～8中任一项所述的真空钎焊工艺制得。
10.一种低温冷屏，其特征在于，包括权利要求9所述的低温冷屏薄壁铝合金导管结构。
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