王 偉

(中國(guó)人民解放軍海軍 駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，沈陽(yáng) 110034)

導(dǎo)管安裝高頻感應(yīng)釬焊是將工件置于充滿(mǎn)氬氣的感應(yīng)加熱器中，采用軟感應(yīng)線圈加熱，靠同軸電纜遠(yuǎn)距離輸送高頻能量，并采用光電信號(hào)控制釬焊溫度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的釬焊方法。是航空裝備制造關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)技術(shù)上的技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)缺乏，只能依靠國(guó)外原裝全套引進(jìn)的工裝設(shè)備進(jìn)行大量的生產(chǎn)作業(yè)，國(guó)外工裝設(shè)備雖然可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)的使用要求，但仍然存在著設(shè)計(jì)技術(shù)落后、占地面積大、操作繁瑣、使用場(chǎng)地環(huán)境要求高、維護(hù)困難、維修周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，針對(duì)導(dǎo)管安裝高頻感應(yīng)釬焊所存在的難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的航空工作者對(duì)該項(xiàng)課題進(jìn)行了大量的研究工作，通過(guò)與高校研發(fā)機(jī)構(gòu)的緊密協(xié)作，研制出一套既滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)航空企業(yè)生產(chǎn)制造要求，同時(shí)又克服老式工裝設(shè)備缺點(diǎn)的導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。

1 不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊設(shè)備

某型不銹鋼導(dǎo)管安裝高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備組成如下:1)高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備：包括高頻電發(fā)生裝置、溫控裝置、冷卻裝置；2) 軟感應(yīng)線圈：焊接時(shí)纏繞在感應(yīng)加熱器上將能量傳遞給工件；3) 測(cè)溫組件：包括光纖、凸透鏡，固定在感應(yīng)加熱器上，將溫度通過(guò)光信號(hào)傳遞給溫控裝；4)感應(yīng)加熱器：是導(dǎo)管安裝釬焊的主要工裝，由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)安裝的感應(yīng)加熱器組成[1]。焊接前，用其將焊接區(qū)罩住并夾緊，并將軟感應(yīng)線圈纏繞其上。不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊設(shè)備示意圖如圖1所示。

圖1 不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊設(shè)備示意圖

2 感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱技術(shù)主要依靠焦耳熱效應(yīng)和磁滯效應(yīng)這兩種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程以達(dá)到加熱的目的。對(duì)于非磁性材料，如鋁、銅、奧氏體不銹鋼和高于居里點(diǎn)(即磁衰變溫度)的碳鋼，其產(chǎn)生熱量的唯一途徑是焦耳熱效應(yīng)；對(duì)于鐵磁性金屬(如低于居里點(diǎn)溫度的碳鋼)產(chǎn)熱的主要途徑也是焦耳熱效應(yīng)，但是還有少部分來(lái)源于磁滯損耗。感應(yīng)加熱中焦耳熱效應(yīng)的機(jī)理是：在線圈中通過(guò)電流時(shí)，在它的周?chē)阃瑫r(shí)產(chǎn)生了磁場(chǎng)。通過(guò)的電流為直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是固定不變的，線圈內(nèi)導(dǎo)體無(wú)感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生；當(dāng)在線圈中通以高頻電流，就會(huì)產(chǎn)生環(huán)形效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)變化的高頻磁場(chǎng)，如果線圈內(nèi)有導(dǎo)體，導(dǎo)體就會(huì)切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流——渦流。由于導(dǎo)體具有電阻，所以感應(yīng)電流就會(huì)使導(dǎo)體發(fā)熱，即是焦耳熱效應(yīng)。高頻的感應(yīng)渦流在導(dǎo)體中會(huì)引起集膚效應(yīng)，集膚效應(yīng)使大部分感生電流集中在導(dǎo)體表層，使有效導(dǎo)電面積減小，電阻增加[2]。感應(yīng)線圈上的電流頻率越高，導(dǎo)體上感生電流頻率也越高，因此集膚效應(yīng)也越強(qiáng)，由于集膚效應(yīng)引起的電阻急劇增加會(huì)使導(dǎo)體的發(fā)熱量大大增加，同時(shí)，由于電流主要流經(jīng)導(dǎo)體表層，熱量也就集中于表層，可以利用高頻電流對(duì)導(dǎo)體的表層進(jìn)行局部加熱。磁滯發(fā)熱的機(jī)理是：當(dāng)鐵磁性金屬被磁化時(shí)，其內(nèi)的磁性偶極子可以看成是小磁針，它隨著磁場(chǎng)方向變化(即交流電變化)而轉(zhuǎn)動(dòng)，交流電的頻率越高，偶極子反復(fù)極化的運(yùn)動(dòng)也越劇烈，反復(fù)極化越劇烈，從電磁場(chǎng)所得到的能量也越多；同時(shí)，偶極子在反復(fù)極化的劇烈運(yùn)動(dòng)中又相互作用，從而使分子間的摩擦也變得越劇烈，這樣就把偶極子從磁場(chǎng)中所吸收的能量變成了熱能，使導(dǎo)體加熱升溫[3]。不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊裝配示意圖[4]如圖2所示。

圖2 不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊裝配示意圖

3 工藝試驗(yàn)方法

3.1 某不銹鋼導(dǎo)管豎直方向釬焊接頭的型式

不銹鋼導(dǎo)管安裝釬焊的接頭型式按導(dǎo)管直徑大小分兩種[5]如見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 導(dǎo)管直徑d≤10安裝高頻感應(yīng)釬焊接頭型式(一)

圖4 導(dǎo)管直徑d≥12安裝高頻感應(yīng)釬焊接頭型式(二)

3.2 釬料環(huán)及工藝試樣

釬料環(huán)成份為BCu35NiMnCo，用0.8 mm的薄帶經(jīng)切條、退火、堿液回火和彎曲制成，其結(jié)構(gòu)如圖5。在接頭上方加的釬料環(huán)厚度為0.25 mm，寬度為1.5～3 mm，不銹鋼的套管材料與導(dǎo)管一致，為1Cr18Ni10Ti[7]。

3.3 接頭的表面準(zhǔn)備

圖5 BCu35NiMnCo釬料環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3.4 焊接工藝規(guī)范的確定

通過(guò)地面焊接不同規(guī)格的導(dǎo)管試樣，采用各種型號(hào)的感應(yīng)加熱器，設(shè)置不同的焊接參數(shù)，焊接后的接頭經(jīng)目視和X光檢查，符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，則將所用參數(shù)作為合格參數(shù)進(jìn)行記錄，全部試驗(yàn)完成之后，選擇焊接效果最理想接頭的焊接參數(shù)，將其作為導(dǎo)管安裝釬焊的焊接規(guī)范。焊接試樣的規(guī)格及接頭數(shù)量見(jiàn)表1，焊接參數(shù)摸索試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表1 摸索規(guī)范所焊接試樣的規(guī)格及接頭數(shù)量

表2 摸索規(guī)范所用感應(yīng)加熱器及焊接參數(shù)的確定

4 釬焊質(zhì)量檢驗(yàn)及缺陷的排除

目視檢查是否有光滑圓弧形釬角，加熱區(qū)保護(hù)是否良好，接頭和基體表面上是否有釬料瘤氣孔、燒穿及基體熔蝕等缺陷；采用X光透照方法檢查接頭內(nèi)部缺陷，如導(dǎo)管和附件內(nèi)部是否有裂紋，接頭是否有未釬透、釬料瘤和氣孔等缺陷，以及附件相對(duì)于導(dǎo)管對(duì)接處的位移是否超出標(biāo)準(zhǔn)；密封性和耐壓性應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)接頭存在超過(guò)規(guī)定的缺陷或氣密檢查不合格時(shí)，在連接間隙尺寸符合規(guī)定且接頭區(qū)域無(wú)表面氧化的情況下，采用重復(fù)加熱方法進(jìn)行修復(fù)；在生產(chǎn)中對(duì)于因?yàn)殚g隙大而產(chǎn)生的未釬透和不氣密，采用外加釬料環(huán)和加四氟硼酸鉀釬料粉的方法進(jìn)行重復(fù)釬焊；當(dāng)上述方法不能奏效或不適用時(shí)，則采用切割方法來(lái)排除缺陷。

5 工藝上的若干改進(jìn)和分析

(1)采用在焊前直接加釬料環(huán)的方法進(jìn)行焊接，一次焊接合格率明顯提高。

(2)對(duì)于接頭表面表面氧化問(wèn)題，通過(guò)改變了通氬氣保護(hù)的方式，由原來(lái)焊前、焊接、焊后都通規(guī)定流量氬氣的方式改為焊前小流量—大流量—規(guī)定流量和焊接、焊后用規(guī)定流量的通氬氣保護(hù)方式，有效地提高了氬氣保護(hù)效果，減少了氧化現(xiàn)象。

不銹鋼導(dǎo)管豎直方向釬焊接頭焊接質(zhì)量是各工序質(zhì)量和人、機(jī)、料、法、環(huán)各種因素綜合作用的結(jié)果，釬焊前的若干準(zhǔn)備工序?qū)附淤|(zhì)量有著直接的影響。另外,生產(chǎn)中還存在一些影響焊接質(zhì)量的因素。設(shè)備的穩(wěn)定性決定設(shè)備重復(fù)執(zhí)行焊接規(guī)范的能力,將直接影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和焊接規(guī)范選擇的合理性。導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊的主要工藝參數(shù)有：1)設(shè)備輸出功率一般通過(guò)調(diào)整輸出電壓來(lái)控制。輸出功率直接影響工件達(dá)到釬焊溫度的時(shí)間，進(jìn)而影響接頭的焊接質(zhì)量； 2)釬焊溫度是釬焊的主要參數(shù)。根據(jù)釬料的熔點(diǎn)規(guī)定釬焊溫度，一般比釬料熔點(diǎn)高出一定值。但釬焊時(shí)溫度過(guò)高時(shí)，釬料與工件之間粘附力小的毛細(xì)作用弱，釬料不易填滿(mǎn)焊接區(qū)域，在焊接豎直方向接頭時(shí)尤其明顯[8]，同時(shí)釬焊時(shí)溫度過(guò)高還會(huì)引起釬料過(guò)熱、釬料流失、燒穿等缺陷。釬焊時(shí)溫度過(guò)低則釬料不能充分熔化，影響釬料的流動(dòng)造成未焊透。 3)達(dá)到釬焊溫度的時(shí)間過(guò)短，焊接區(qū)溫度場(chǎng)分布不均勻影響釬料流動(dòng)；達(dá)到釬焊溫度的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能引起熔化的釬料和工件表面氧化，容易形成夾渣，影響釬焊質(zhì)量； 4)保溫時(shí)間是指釬焊區(qū)達(dá)到釬焊溫度后保持該溫度的時(shí)間，該參數(shù)通過(guò)溫度控制器上的限時(shí)器設(shè)置。保溫時(shí)間的長(zhǎng)短影響釬料在間隙中的漫流程度、釬料與基材之間的擴(kuò)散作用及釬角的形成。保溫時(shí)間不足會(huì)引起未釬透和釬角的成型；保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起釬料流失、過(guò)熱甚至燒穿。釬焊溫度與保溫時(shí)間的正確配合是保證形成良好接頭的關(guān)鍵； 5)導(dǎo)管釬焊時(shí)采用充氬氣的方式對(duì)釬焊區(qū)進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)氣有兩路，一路送至感應(yīng)加熱器內(nèi)，保護(hù)導(dǎo)管和套管外表面；一路送至導(dǎo)管內(nèi)部，保護(hù)導(dǎo)管內(nèi)表面。保護(hù)氣流量直接影響釬焊質(zhì)量及表面氧化色。

5.1 裝配間隙及清潔度影響

接頭的裝配間隙是影響釬焊質(zhì)量和接頭強(qiáng)度的重要因素。間隙太小，阻礙釬料流動(dòng)；間隙太大，破壞釬料的毛細(xì)作用，釬料不能釬滿(mǎn)間隙。釬焊工藝對(duì)工件表面清潔度要求非常嚴(yán)格。它不僅影響接頭的外觀質(zhì)量，還將影響釬料的潤(rùn)濕和流動(dòng)，進(jìn)而影響釬焊質(zhì)量。

5.2 產(chǎn)生缺陷的主要原因分析

未焊透：①間隙大，影響釬料的毛細(xì)作用；②間隙太小，阻礙釬料流動(dòng)；③釬焊時(shí)加熱溫度過(guò)高或過(guò)低，釬料未填充滿(mǎn)導(dǎo)管和套管之間的間隙；④保護(hù)效果不好，造成導(dǎo)管、套管、釬料氧化影響釬料的附著及釬料與基體之間的擴(kuò)散作用；⑤鍍鎳層損壞，釬料不能潤(rùn)濕基體。氣孔：①間隙小，氣體未充分排出；②到達(dá)釬焊溫度的時(shí)間或保溫時(shí)間短，氣體未及時(shí)排出。釬料瘤：釬焊的加熱溫度高或加熱時(shí)間長(zhǎng)，使釬料流出搭接面。燒穿：釬焊接頭、釬料環(huán)或加熱保護(hù)罩不夠清潔，在釬焊時(shí)產(chǎn)生煙霧，使測(cè)溫不準(zhǔn)，導(dǎo)致釬焊的焊接溫度過(guò)高。釬角處夾渣：釬焊的加熱溫度過(guò)高、加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或接頭不夠干凈，釬焊時(shí)反應(yīng)生成物較多，冷卻后殘留在釬角內(nèi)。未形成釬角：保溫時(shí)間短，其它成因同未焊透。不氣密：同未焊透和氣孔成因。熔蝕：母材表面被熔化的釬料過(guò)度溶解而形成凹陷，嚴(yán)重時(shí)形成燒穿。

6 結(jié)論

不銹鋼導(dǎo)管釬焊技術(shù)作為一門(mén)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的連接技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、密封性好、可靠度高、重量特性好等優(yōu)勢(shì)，而就目前國(guó)內(nèi)的研制水平來(lái)看，還存在焊接缺陷率高，成本大、不開(kāi)敞區(qū)操作困難等問(wèn)題，這些都是同軍機(jī)使用特性、維護(hù)特性相矛盾的，可見(jiàn)，該項(xiàng)技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)理想化狀態(tài)，前面還有很長(zhǎng)的路要走。

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