无室的热接合系统的制作方法

本发明的方面大体上涉及热接合零件。更特别地，本发明的各个方面涉及其附近无环境室的热接合系统。

背景技术：

在某些热接合过程中，诸如钎焊或软钎焊，除了清洁接合表面上留下的任何污染物之外，惰性环境外的操作需要焊剂以防止在金属加热时氧化物形成。焊剂可以使用膏状、液体、粉末或具有焊剂涂层的接合材料棒施加。在热循环期间，焊剂首先熔化到接头中并被填料材料(例如钎焊合金)替代，并填满接头。

焊剂可以在性能上改变，且大体上根据被接合的特定的基体金属选择。例如，当接合铜与铜时含磷钎焊合金可以是自成渣的，例如，BCup-5,但含磷钎焊合金如果与铁或镍基金属一起使用会产生脆性的磷化物。然而，在其它的要求高腐蚀性寿命的情形中可能需要无磷的合金。通常，焊剂应当既与接合的合金又与用来防止优先腐蚀侵害的基体金属化学相容。

需要无磷的接合合金的铜接头包含银(即，Ag)，以用于抗腐蚀。通常，无磷的接合合金需要受控的环境以防止氧化物污染和接头孔隙。例如，现代的钎焊系统使用工厂地面上的钎焊室用于零件分组装。由于室内固有的尺寸和复杂性的钎焊限制，零件不能在使用点(例如，在现场或装配线安装过程期间)组装，或就地钎焊。因此，这些情况增加了劳动力成本，并降低了生产量。

技术实现要素：

本文公开了一种无室的热接合系统。本发明的第一方面包括一种用于执行由周围没有环境室的金属零件限定的接头空间的热接合的系统。该系统包括感应线圈，其用于加热邻近由金属零件限定的接头空间的区域以用于接头空间的热接合。该系统还包括用于向接头空间引导保护气体的气体透镜，以及用于控制保护气体从气体透镜的流的阀系统。真空系统在金属零件中形成负压以在热接合期间驱使保护气体通过接头空间，从而允许无环境室的热接合。

本发明的第二方面包括一种用于使用周围没有环境室的感应加热系统执行由金属零件限定的接头空间的热接合的系统。该系统包括：气体透镜，其与感应加热系统一起定位以用于在通过感应加热系统加热期间向接头空间引导保护气体；阀系统，其用于控制保护气体从气体透镜的流；以及真空系统，其用于在金属零件中形成负压以在由感应加热系统加热期间驱使保护气体通过接头空间，从而允许无环境室的热接合。

附图说明

从下面结合附图对本发明的各个方面的详细描述将更容易地理解本发明的这些和其它的特征，附图描述了本发明的各个实施例，其中：

图1示出了根据本发明的各个实施例的系统的示意图。

图2示出了根据本发明的各个实施例的系统的示意图。

图3示出了根据本发明的各个实施例的操作过程的流程图。

应注意的是本发明的附图不一定按照比例。附图意在仅描述本发明的典型方面，且因此不应当认为限制本发明的范围。在附图中，图之间相似的标记代表相似的元件。

具体实施方式

如本文所指出的那样，本发明的实施例主要涉及钎焊。更特别地，本发明的各个方面涉及无室的无磷钎焊系统与相关方法。

在下面的描述中，参考了形成该描述的一部分的附图，且在附图中通过图解示出了其中可实施本教导内容的特定示例性实施例。这些实施例描述得足够详细以使得本领域的技术人员能够实施本教导内容，并且要理解的是，在不脱离本教导内容的范围的情况下可使用其它的实施例并且可进行改变。因此下面的描述仅是示例性的。

如本文所述，通常，用于防腐蚀的需要含银的无磷钎焊合金的铜接头需要受控的钎焊环境以防止氧化物污染和接头气孔。现代的钎焊系统使用工厂地面上的钎焊室用于零件分组装。由于这些限制，零件不能在使用的时候组装或就地钎焊。因此，这增加了劳动力成本并降低了生产量。

与传统系统相比，本发明的各个实施例包括以负压闭环方式操作的无室热接合系统。金属零件的内部和外部之间的闭环负压差驱动保护气体(即，气体焊剂)穿过零件，且因而使零件脱氧。通过在零件内形成负压，有可能在没有环境室的情况下使用保护气体在工厂地面上使金属零件脱氧，降低了花费和劳动力成本。

转到图1，示出了无室的热接合系统100。出于描述的目的，“热接合”将在本文中主要描述为钎焊过程。然而，强调的是“热接合”可包括钎焊、软钎焊、焊接和/或退火以通过填充其之间的接头空间来接合零件或填充一个或多个金属零件内的接头空间。如本领域所理解的那样，焊接和钎焊可用来将金属接合在一起。如本领域进一步理解的那样，焊接可以通过将金属熔化和熔合在一起来执行，经常通过添加填料材料。相反，钎焊通常不包括熔化接合的基体金属，且通常在比焊接低的温度下执行。本发明的教导还可适用于软钎焊及特定的铁质材料及非铁材料的退火。另外，该教导还适用于软钎焊、退火及钎焊具有含磷或锌的合金的材料。

待热接合(例如钎焊)的金属零件102限定接头空间112，在那里由系统100形成接头。接头空间112可以是金属零件102中的空隙、孔或开口区域。此外，接头空间112可由包括两个金属零件的金属零件限定。换句话说，金属零件包括一对(或更多的)金属零件102A、102B，并且接头空间112可定位在一对金属零件之间。例如，接头空间可限定为第一金属零件102A的端部和第二金属零件102B的端部之间的空隙。接头空间112可为能够被所用的特定接合合金填充的任何尺寸。在实践中，金属零件102例如可包括铜管、一对铜管和/或类似的铜管道。尽管示出了管或管状金属零件，可以理解的是，能够适合于本文描述的感应加热系统108的界限内的任何形状的金属零件102(如圆形、矩形、方形等)可使用系统100来热接合。

感应加热系统108加热由邻近金属零件102限定的接头空间112的区域。如本文所示和进一步论述的那样，感应加热系统108可包括感应线圈110。也可采用其它已知形式的感应加热系统108。在目前的情形中，接头空间112在感应线圈110内对齐，即，金属零件102相对于其放置穿过的感应线圈110中的开口116具有间隙宽度。在铜管的情形中，感应线圈110中的开口116是环绕金属零件102的对应管状通道。在各个实施例中，金属零件102相对于感应线圈110固定，例如，使用任何现在已知的或后来开发的夹具(未示出)。在感应线圈110中，高频电波长驱动交流电流通过线圈。在一个实施例中，使用范围为大约10kW至大约100kW的功率来驱动AC电流通过线圈。AC电流改变由线圈包围的区域中的磁场。该区域是接头空间112在感应线圈110内对齐的地方。流动通过金属零件102的磁流产生涡流，使得能够进行金属零件102的热处理(即，感应加热)。磁场分布和加热模式可由控制系统136控制以改变金属零件102的热处理。感应线圈110可以针对金属零件102上的确切区域。只有那些靠近目标区域内的金属零件102的区域被热处理；金属零件102的其余部分不受影响。在实践中，“FLUXTROL”牌感应线圈，或者本领域中已知的任何类似的感应线圈可被用于向接头空间112附近的金属零件102上的区域供应感应热。在一个实施例中，感应线圈110选择性地分为多个部分，例如，经由分开部件118，使得其可围绕金属零件102放置，例如，在工业系统中的现场。

继续参考图1，无室系统100可包括气体透镜120。如将描述的那样，气体透镜120用于向接头空间112引导保护气体。另外，气体透镜120可用于围绕金属零件102均匀地分配保护气体。气体透镜120可设置为感应线圈110的一部分，或设置为单独的装置。在任何情形下，气体透镜120包括流体地联接至阀系统132(本文中另外描述)的歧管122，以及多个喷嘴124，其联接至歧管122以用于向接头空间112引导保护气体。与传统的基于水的系统相比，喷嘴124可向接头空间112沿径向向内地引导保护气体，例如以大约35-45°。在金属零件102是管的各个实施例中，通过气体透镜120提供的保护气体保护金属零件免受主要的污染气体，诸如氧、二氧化碳和/或一氧化碳及氮。气体透镜120周向地环绕金属零件102的圆周外表面提供保护，部分地包围金属零件102和接头空间112并防止氧化物污染的有害影响。

系统100还包括用于控制保护气体从(到)气体透镜120的流的阀系统132。阀系统132包括可操作地联接至气体透镜120的第一分散阀150，即，歧管，以用于控制保护气体到气体透镜的流。阀系统132还包括可操作地联接在保护气体供给154和保护气体储存156之间的第二隔膜阀152，以及可操作地联接在保护气体储存156和第一分散阀150之间的第三需求阀158。如图所示，每个阀可由本文中所述的控制系统136控制。

在操作中，隔膜阀152可采用任何已知的或后续开发的隔膜型阀的形式，例如，包括弹簧加载的橡胶阀，其允许特定压力的保护气体从保护气体供给154输送至保护气体储存156，因而调节输送至气体储存156的保护气体的量以及输送至气体透镜120的保护气体的最大压力。隔膜阀152可通过控制系统136设定。气体储存156利用从保护气体供给154给送的气体建立保护气的聚集。在一个实施例中，气体储存156可包括释放阀(未示出)，以用于释放形成气体储存156期间的过度压力。根据控制系统136的指示，需求阀158以设定压力范围内的值从气体储存156供给保护气体，即，以最大压力(由隔膜阀152设定的压力)和最小压力覆盖的值。需求阀158可由控制系统根据多个因素设定，诸如金属零件或接头空间大小、感应加热系统大小、气体透镜大小、喷嘴大小等，以在操作期间以适当压力向焊剂接头空间112提供保护气体。例如，需求阀158可以是闸阀、蝶阀、球阀等。

分散阀150可具有打开位置和关闭位置，其中关闭位置阻止保护气体流入气体透镜120。例如，分散阀150可为由控制系统136控制的双向伺服阀。如本领域已知的那样，双向阀要么阻止工作流体的流的一部分穿过通路，要么允许流通过。分散阀150可主要在打开位置(无阻塞)起作用，并可在关闭的位置(阻塞)促动而起作用。然而，分散阀150还可在部分打开的位置(部分阻塞)起作用。例如，阀150可以是闸阀、蝶阀、球阀、微型电磁阀等。分散阀150控制是否将保护气体输送到接头空间。因而分散阀150可在接头形成在接头空间112中之前、期间和/或之后控制保护气体的释放。

系统100还可包括真空系统122，以用于在金属零件102中形成负压来促使保护气体穿过接头空间112。在各个实施例中，真空系统122可包括可操作地(以密封的方式)设置在金属零件102的第一端部处的真空泵124。真空泵124可使用任何现在已知的或后续开发的系统密封至金属零件102的第一端部，诸如具有用于与泵124(密封)联接的开口128的阻挡盖126。尽管示为在金属零件102的端部处，阻挡盖126可定位在金属零件102的端部内且远离金属零件102的端部。在金属零件102的第二端部不能被另外密封(例如，物理结构封闭、经由阀封闭等)以形成足够负压的情形下，阻挡盖130可操作地(以密封的方式)布置在金属零件102的第二端部以允许形成足够的负压。阻挡盖130可以是用于将密封金属零件102的第二端部密封的任何现在已知的或后续开发的机构，例如，可充气装置(如橡胶)、可降解装置(纸或其他可溶材料)等。尽管示为在金属零件102的端部，阻挡盖130可定位在金属零件102内且远离金属零件102的端部。在操作期间，真空泵124在金属零件102的内部和接头空间112和/或感应线圈110之间形成负压差。该负压差驱动保护气体通过金属零件102。继续参考图1，冷凝器140用于冷凝来自金属零件102的水蒸汽。冷凝器140可置于真空泵124和金属零件102之间，或另外地定位。冷凝器140用于冷凝来自金属零件102和/或接头的水蒸汽并引导水至排水管(未示出)。

再参考图1，在各个实施例中，系统100还包括用于控制感应线圈110、阀系统132和真空系统122的操作的控制系统136。特别地，控制系统136控制阀系统132的操作以控制保护气体从(到)气体透镜120的流。控制系统136可构造成开始来自保护气体分散阀150的保护气体的分布，并经由气体透镜120将此保护气体直接引导到接头空间112、金属零件102和/或接头。控制系统136可给感应线圈110提供指令以开始金属零件102的加热。此外，控制系统136可给感应线圈110提供指令以响应于温度测量信息执行增加或减少的加热。

再参考图1，控制系统136可包括具有用户界面180的多通道微处理器170。用户界面180可包括用于显示至少第一类信息的显示器，诸如操作选项(例如，开始真空泵、启动感应加热、改变感应加热等)。用户界面180的操作能够进行控制系统136的管理。控制系统136可进一步构造成执行如下过程：1)开始来自保护气体分散阀150的保护气体的分布并将所述保护气体直接引导到接头空间112、金属零件102和/或接头；2)提供指令以改变保护气体分散的流率；3)开始和中止通过真空系统122的闭环负压；4)给感应线圈110提供指令以执行金属零件102的加热；以及5)给感应线圈110提供指令以响应于温度测量信息执行增加或减少加热。控制系统136还使用任何现在已知或后续开发的传感器和/或计算器跟踪钎焊热循环、气流、温度等。

控制系统136还起作用为控制或接收来自系统100内的任何其它现在已知或后续开发的设备、传感器等的数据。例如，在各个实施例中，系统100还包括至少一个温度传感器172(例如，光学高温计、IR传感器等)。温度传感器170可检测接头空间112、感应线圈110和/或金属零件102的温度。在各个实施例中，温度传感器170与控制系统136联接，并可以滚动基础、根据命令或以任何其它的方式给控制系统136提供关于感应线圈110和/或金属零件102的温度的温度数据。温度传感器170还向媒介物(例如，数据存储)提供温度数据，该控制系统136可以访问以确定感应线圈110和/或金属零件102的温度。

参考图2，在各个实施例中，无磷热响应(钎料)材料190可设置在由金属零件102限定的将形成接头的接头空间112中。例如，可在金属零件102被固定以在金属零件102和感应线圈110之间周向地提供空隙的情形中提供材料190。钎料材料190作用为填料材料并封闭接头空间112，帮助形成接头。热响应材料190可包括本领域已知的任何无磷合金，例如，非自成渣的银合金，诸如具有例如约618℃(1150°F)至约1037℃(1900°F)的温度范围的钎焊合金的美国焊接学会(AWS)钎焊－银族的一种。例如，可采用称作AWS钎焊－银轴承合金类型18(AWS BAg-18)或类型24(AWS BAg-24)等的合金。

如在系统100的各个实施例中所使用的保护气体可采用包括氮(N2)和氢(H2)的多种形式。另外，保护气体可以是无磷的。在一个实施例中，保护气体可包括：例如用于无磷轴承合金的包括80-90％氮(N2)及10-20％氢(H2)的氨(AWS类型5，也称为“合成气体”)，或者例如包括75％氢和25％氮的游离氨，用于钎焊铜、银、镍、铜-磷和铜-锌轴承填料金属。在另一个实施例中，保护气体可包括氮和氢，低温或纯化的(AWS类型6A)，例如包括：70-99％N2，1-30％H2，用于钎焊铜、黄铜、镍合金、蒙乃尔合金、中高碳钢和铬合金。在另一个实施例中，保护气体可包括氮、氢和一氧化碳(CO)，低温或纯化的(AWS类型6B)，例如包括：70-99％N2，2-20％H2，1-10％CO，用于钎焊铜、银、低镍合金、镍、铜-磷和铜-锌轴承填料金属、中高碳钢。保护气体还可包括任何其它的现在未知或后续开发的气体焊剂。

参考图3，并继续参考图1和图2，示出了显示根据各个实施例的方法的流程图。如图所示，该方法可包括以下过程：

过程P1可包括在金属零件102的一部分上放置无磷热响应钎料材料190。热响应钎料材料190的放置可接近由金属零件102限定的接头空间112，使得金属零件102或材料190的热处理将利用热响应钎料材料190填充接头空间112。在一个单独的实施例中，接头空间112可由两个金属零件限定。例如，第一金属零件102A的第一端和第二金属零件102B的第一端之间的空隙。如本文所述，无磷热响应钎料材料可包括如BAg-18或BAg-24或本领域已知的任何其它无磷钎料材料。

过程P2A包括利用无磷热响应钎料材料190热接合(例如钎焊)金属零件102以形成接头，即，利用毛细作用。无磷热响应钎料材料190通过感应线圈110加热至其熔点并通过毛细作用分布在由金属零件102限定的接头空间112中。钎料材料190随后在金属零件102上和接头空间112内流动(被称为润湿)。在一个实施例中，钎焊过程(P2A)在约676℃(1240°F)至约843℃(1550°F)的温度范围内施行。与感应线圈110联接的控制系统136可通过感应线圈110开始和控制钎焊过程。

过程P2B包括驱使保护气体通过接头空间112以使其中形成的接头脱氧。保护气体可基本越过由金属零件102限定的接头空间112通过分散阀150施加。保护气体的压力可由需求阀158控制。控制系统136根据所需的流率或用户输入有效地控制需求阀158或分散阀150。如本文中所述，无磷保护气体可包括氮和氢。设置在金属零件102的第一端部处的包括真空泵124的真空系统122(并且可能是设置在金属零件102的第二端部处的阻挡孔盖130)在金属零件102中形成密封和闭环。真空系统包括在金属零件102和接头空间112内的负闭环压力。负闭环压力驱使保护气体通过接头空间112。保护气体与金属零件102和/或接头相互作用并使其微观地脱氧，从而“保护”它/它们不被氧化。这种保护气体化学还原可以将氧化铜形成物还原成可用热水冲洗除去的惰性化合物。如图3中所示，过程P2B可在过程P2A时执行或与过程P2A基本同时执行。

在各个实施例中，描述为“联接”至彼此的构件可沿着一个或多个对接部连接。在一些实施例中，这些对接部可包括不同构件之间的连接，且在其它的情形中，这些界面可包括牢固地和/或整体地形成的相互连接。也就是说，在一些情形中，“联接”至彼此的构件可同时地成形以限定单独的连续元件。然而，在其它的实施例中，这些联接的构件可形成为单独的元件并随后通过已知的过程(例如紧固、超声波焊接、粘结)连接。

本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的且不意在限制。如本文所使用，单数形式“一个”、“一种”和“该”也可意在包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。用语“包括”、“包括了”、“包含”、“具有”是包含性的，且因此表明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。本文描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必须要求其执行以所论述或所示的特定顺序执行，除非特别地指出执行的顺序。还应理解的是可采用额外的或备选的步骤。

当一个元件或层被称为“在…上”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一元件或层时，其可以直接地在另一元件或层上、接合、连接或联接至该另一元件或层，或可存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接地在…上”、“直接地接合至”、“直接地连接至”或“直接地联接至”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。用来描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式解释(例如，“在…之间”对比“直接地在…之间”、“相邻”对比“直接相邻”等)。如本文所使用，用语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任何和所有组合。

为了便于描述，诸如“内部”、“外部”、“在…下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间相关的用语可在本文中使用以描述如附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相关的用语可意在包含除了在附图中描述的定向之外还包括装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的装置翻转，则描述为在其它的元件或特征“下方”或在其它的元件或特征“下面”的元件然后将定向为在该其它的元件或特征“上方”。因而，示例性用语“下方”可包含上方和下方的定向两者。装置可以是其它的定向(旋转90°或在其它的定向)并且相应地解释本文使用的空间相对描述。

为了说明和描述的目的介绍了本发明的不同方面的上述描述。其不意在穷举或限制本发明为公开的准确形式，并且显然地，许多修改和变型是可能的。对本领域的技术人员显而易见的这种修改和变型被包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。