长直导管高频钎焊工艺技术研究

长直导管高频钎焊工艺技术研究

李杨 邓录峰 毛丽丽

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 辽宁 沈阳 110043

摘要：针对长直管钎焊结构，采用火焰钎焊焊接，存在两端同轴度差、焊接收缩量不稳定、接头变形大、一次钎焊合格率低等技术问题。本文采用基于高频感应钎焊技术的限位焊接工艺，通过共性焊接试验和各异性试验研究，掌握了基于高频感应钎焊的微变形控制、限位焊接技术，形成限位高频感应钎焊技术工艺方案，解决了长直结构钎焊管路焊接后结构变形大、形位公差大等难题，形成了该类管路件的典型工艺路线。

关键词：长直管 火焰钎焊 高频感应钎焊 变形 工艺路线

引言：管路火焰钎焊工艺方法是传统钎焊工艺方法，已成熟应用于各类型结构管路焊接，受接头和管型结构约束小。受工艺特点限制，火焰钎焊过程中人为影响因素大，焊接变形大且无规律，尤其是管径规格Φ16及以上的管路焊接变形难以控制，焊后存在管接头锥面椭圆、形位公差大等问题。本文所论述的就是通过开展大直径薄壁直管类零件高频钎焊工艺参数摸索、高频钎焊加热感应器自主设计优化、高频钎焊设备开发等多项技术，逐步掌握基于高频感应钎焊技术的限位焊接和微变形控制技术，掌握钎焊后形位公差控制技术，实现该类管路高频钎焊的精准制造，解决制造及装配问题，形成该类产品的标准工艺路线。

一．钎焊工艺及分析

某零部件各管路均为长直结构，管径范围为Φ20mm—Φ28mm，属于典型大管径薄壁管，导管长度范围177mm—700mm不等，焊接后不进行组合加工，直接保证两端接头的同轴度不大于0.25mm的形位要求，以往加工后100%需要装配校正。

拟通过研究实现以下具体目标：

（1）优化工艺路线，研究限位焊接工艺装备，实现全钎焊过程限位焊接；

（2）焊接后同轴度不大于0.25mm，焊接后长度尺寸公差在±0.5mm内；

（3）满足装配需求，无装配校正现象。

1.材料（主料、辅料）

各规格管子、接头，生产组件，钎料、钎剂。

2.设备

高频焊机、充氩仓高频焊机，机床、自动平端机、切管机等

3.共性焊接试验

（1）高频感应器优化试验

（a）感应器匝数。通过试验，对于较大管径≥20，加热均匀性上，感应器使用多匝要明显优于单匝感应器，单匝感应器在圆周上存在天然一个“缺口”，该处加热温度低导致整个圆周上加热不均匀。

（b）间隙距离。由于集肤效应，线圈理论上离零件间隙越小加热效率越高，但间隙过小焊工操作性下降，圆周上易使部分部位温度过高导致咬边，同时零件也容易触碰到密封用玻璃管导致玻璃管炸裂，综合考虑间隙在5-8加热效率、操作性较好。

（c）加热宽度。考虑到零件接头有效直线段一般为15左右，标准要求钎料量渗透深度≥2.5，较理想铺展渗透量5，为保证钎料有效铺展，需额外对接头钎料铺展深度以外的部分加热，接头加热宽度≥5，一般取较理想铺展渗透下情况下的接头加热宽度约为10。同时感应圈下表面需离工装≥5安全距离，钎料环直径1.2，一般2-3圈，故需加热宽度约为10-13。

（d）感应器最终结构。同时通过试验发现零件有效受热区域约等于0.6-0.8倍感应圈厚度。感应圈材料采用Φ6×1紫铜管，多匝感应圈匝间间隙保持1-3，故采用双匝感应器与零件加热区域较为匹配，双匝感应器厚度约为15，有效加热厚度约为9-12，与零件需加热宽度相当。感应线圈内径离接头保持5-8工艺间隙，双匝感应器内圈直径=接头直径D+2×(5-8)。

（2）钎料圈制备试验

（a）钎料圈数量。采用预制钎料圈方案，通过大管径的钎料熔化铺展试验，钎料铺展长度为4-7，铺展深度与零件间隙和表面状态有关，铺展深度与钎料圈数量没有明显关系，深度大约为3-5，但钎料圈较多时焊脚高度高，钎料圈少时焊脚高度小，考虑到焊脚大小，直径之间间隙在0.12以内2-2.5钎料圈即可，直径间隙大于0.12用3个钎料圈。需要注意的是2.5个钎料圈时需错开均匀放置。

（b）间隙调整。同时对于不满足装配要求的管子要进行管端处理保证装配间隙，最佳装配直径间隙为0.10-0.15，一般为缩径处理。下图为2#工件间隙过小而进行的缩径加工。

（3）基础参数焊接试验

通过加热钎焊试验，获得基础的焊接参数，功率、电流、电压、频率，已确定基本参数。

（a）仓外感应钎焊基本参数：

电流（A）为表指：58±5[3150A×（58±5）%]；

电压（V)为表指：34±5[450V×（34±5）%]；

频率（KHz）为表指：34±5[200KHz×（34±5）%]；

功率（Kw）为表指：15±5[30Kw×（15±5）%]。

（b）充氩仓感应钎焊：

功率为4±1Kw,氧含量不大于50PPM，≤2PPM时最佳。

（4）焊接微变形试验

（a）收缩量。通过试验确定，周向限位下，轴向不约束限位情况下，焊接收缩量0-0.10，基本不收缩，故焊接前组合尺寸控制在要求的中值+0.5,不额外预留焊接余量。

（b）限位方式。轴向限位下，轴向固定约束，随加热时间收缩量0.3-1.8不等，加热时间越长收缩量越大,无法确定准确收缩量，直管容易弯曲或在焊缝区出现鼓包型变形。故限位焊接时，周向限位，轴向不限位。

二．难点的研究解决

1.目标件号各异性焊接试验

针对具体管路，逐件号进行分析，掌握基于高频感应钎焊的微变形控制、限位焊接技术。以1#工件为载体，先行进行了大量的工艺试验，通过了多轮提升，部分试验成果已应用于其他件号的试验。

（1）1#工件焊接试验及工艺优化

1#工件规格为Φ26×1，材料为0Cr18Ni9，单台4件。长度尺寸177±0.5，同轴度要求不大于0.25。火焰钎焊后，长度尺寸和同轴度难以控制，需要装配校正

1#工件刚性差、抗变形能力不强、散热速度块、加热时间长。接头直线段短，对感应器设计要求严格。目前累计完成5次高频焊接迭代试验。第1、2次试验。采用两端限位焊接试验，第1次和第2次迭代试验采用同轴杆+两端固定限位方式焊接，同轴度可满足要求，能够保证0.25mm的同轴度要求。但长度上受两端工装限制，变形量无法控制，长度公差难以控制，试验摸索为0.2-1.8不等，焊道区及接头均存在鼓包变形问题；

第3次改进试验。采用两端接头周向限位，轴向不限位焊接试验。同时了实现一次装配两根管路，分别实现两端的焊接，提高装配效率，限位工装。该管路同轴度进一步提高至0.18以内，长度上变形量0-0.3mm，通过预留余量可以保证焊接后长度尺寸要求。

但焊接操作难度大，实际上没有提高装配效率，工装长度不足造成装配和焊后拆卸困难，工装材料考虑不周全，生锈卡滞，不耐高温，磁场屏蔽效果不佳导致工装过热。氩气保护气路结构不合理导致氩气保护不佳。法兰边变形问题没有消除。

第4次改进试验。改进后的1#工件在吸取经验上，改进为限位工装，优化了气路结构增强氩气保护效果，优化了感应器提高了加热温度均匀性,长度上变形量可控且较小0-0.2mm。焊接操作性提高，但一端接头由于气路设计缺陷导致流量过度使接头冷却过度，易造成钎焊铺展量不足导致报废，但交付的零件装配效果良好。

第5次改进试验。在限位工装上附加一个挡气环，防止氩气直吹接头造成冷却而导致温度过低钎料无法铺展渗透。在焊接效率和焊接质量均取得良好效果。

基于上述1#工件研制经验，第3次试验成果应用于其他件号试验，同时并随第4.5次试验同步改进。

（2）2#工件焊接试验及工艺优化

2#工件规格为Φ28×1，材料为0Cr18Ni9，长度尺寸572±0.5，同轴度不大于0.25。一端接头为法兰接头加热时易变形且氩气保护困难。已完成2次迭代。第1次限位焊接试验。2#工件第1次试验迭代采用1端限位+同轴装配管子焊接方式焊接，限位工装，同轴度满足要求，长度上变形量可控0-0.3mm。

但气路结构缺陷存在氩气保护不佳，工装过宽，结构不合理不便于焊接操作和零件的装配、拆卸，焊接操作难度大易失误导致报废，但交付的零件装配效果良好。

第2次限位焊接试验。改进随行限位工装结构、保护气路结构和感应器结构，降低操作难度，优化氩气保护，限位工装，长度上基本不变形，收缩量0-0.1，同轴度满足要求，试验效果良好。

（3）3#工件焊接试验及工艺优化

3#工件规格为Φ28×1，材料为0Cr18Ni9，长度尺寸564.3±0.5，同轴度不大于0.25。如下图所示，其中一端接头为法兰接头，法兰边焊接变形不易控制。已完成2次迭代。第1次限位焊接试验。振动管组件3#工件第1次试验迭代采用1端限位+同轴装配管子焊接方式焊接，限位工装，同轴度满足要求，长度上变形量可控0-0.3mm。

但气路结构缺陷存在氩气保护不佳，工装过宽，结构不合理不便于焊接操作和零件的装配、拆卸，焊接操作难度大易失误导致报废，但交付的零件装配效果良好。

第2次限位焊接试验。改进随行限位工装结构、保护气路结构和感应器结构，降低操作难度，优化氩气保护，限位工装，长度上基本不变形，收缩量0-0.1，同轴度满足要求，试验效果良好。

（4）4#工件焊接试验及工艺优化

4#工件规格为Φ22×1材料为0Cr18Ni9，长度尺寸476±0.5，同轴度不大于0.25。其中一端接头为法兰接头，焊接变形不易控制。另一端接头长斜边结构且基准A面直线段过短，焊接难度大。已完成2次迭代。

第1次限位焊接试验。4#工件第1次试验采用1端限位+同轴装配管子焊接方式焊接，限位工装，同轴度满足要求，长度上变形量可控0-0.3mm。

但同样存在气路结构缺陷存在氩气保护不佳，工装过宽，结构不合理不便于焊接操作和零件的装配、拆卸，焊接操作难度大易失误导致报废，但交付的零件装配效果良好。

第2次改进试验。改进随行限位工装结构、保护气路结构，降低操作难度，优化氩气保护，限位工装，试验效果良好。

三．结论

（1）通过该项目，掌握了基于高频感应钎焊的限位焊接技术，实现了大直径薄壁直管高频钎焊精准制造，取得良好效果，使产品满足装配需求，提高生产效率。

（2）掌握集冷却、保护、限位功能的高频钎焊工装设计能力。

（3）掌握集成多个件号的通用型高频钎焊限位工装设计能力。

（4）获得了该类零件结构高频限位精确焊接工艺。

【参考文献】

[1]叶琦主编.金属熔化焊基础.第2版.北京：化学工业出版社，2008.

[2]方洪渊主编.简明钎焊工手册.北京：机械工业出版社，2001.

[3] 叶琦主编.焊接技术.北京：化学工业出版社，2005.