一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接接头和焊接方法与流程

本发明涉及一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接接头及焊接方法，属于航天器推进
技术领域：
，可以应用于电推进系统磁聚焦霍尔推力器加速器和阴极高温工作环境下导线的可靠连接。
背景技术：
：磁聚焦霍尔推力器是由加速器、阴极、支架组成，加速器和阴极是推力器的主要功能组件，安装支架是将加速器和阴极组装的载体，并提供推力器与整星的结构安装和电、气路连接接口。其中加速器中励磁导线绕制在导磁体上，由于工作温度高，故励磁导线采用耐500℃的高温电磁导线，绕制后需要与普通外引线进行连接以保证通电后电磁线圈产生磁场。阴极的作用是发射电子，并提供电子发射的启动温度，所以其工作温度也很高，阴极底座也需要与普通外引线进行连接以实现通电后温度升高达到发射电子的条件。由于励磁电磁导线是单头导线，按照国家导线压接标准规定单头导线不能采用压接的方式连接。阴极底座的结构是3个圆柱形的杆，每个圆柱形端面分别有以外园中心为轴线，沿着圆周均布的2个、3个和7个孔分别连接阴极负引线、点火正引线和加热正引线，2根、3根和7根外引线需要分别装配到相应一个底座上的2个、3个和7个孔中并进行有效、可靠的连接以实现正常的通电功能。采用真空钎焊、软钎焊、电子束焊或激光焊和微弧焊接方法进行导线连接存在以下问题：(1)真空钎焊由于焊接温度超过600℃，导致外引线表面发黑氧化破损。(2)软钎焊连接焊锡的耐温温度只有183℃，不符合导线高温环境的工作要求，工作温度超过183℃时，焊料熔化，连接失效。(3)电子束焊或激光焊焊接时功率参数不易控制，容易出现所谓“爬行”现象，导致导线焊接处断裂，焊接合格率低。(4)采用微弧焊接，加速器导线连接后焊接部位呈圆球状，需要对焊接部位进行保护非常困难，而且微弧焊接无法对阴极底座与导线进行焊接。技术实现要素：本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种局部加热感应钎焊的方法，并设计优化了焊接接头结构和焊接工艺参数，解决了在高温环境下工作的导线的可靠连接问题。本发明的技术解决方案是：一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接接头，所述导线连接是指位于焊接接头入口端的m根导线和位于焊接接头出口端n根导线相互连接，m和n均大于等于1，所述焊接接头包括l个独立通孔，独立通孔用于将位于焊接接头入口端的导线和位于焊接接头出口端的导线相对插入装配，或者用于将位于焊接接头入口端的导线或者位于焊接接头出口端的导线贯穿装配，l大于等于m和n的最大值，通孔的孔径大于插入其中的导线直径，通孔内壁与导线外径之间间隙满足感应钎焊要求。所述焊接接头轴向中心周向布置r个排气孔，r大于等于1。所述通孔绕焊接接头中心轴线圆周均布。基于上述焊接接头，本发明提供的一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接方法，包括如下步骤：(1-1)、清洗焊接接头和感应钎焊钎料，去除焊接接头和感应钎焊钎料表面油污和多余物；(1-2)、对带有绝缘外皮的导线进行剥线处理，露出焊接端区域，并将焊接端区域打磨处理，去除表面氧化层。(1-3)、将待焊接的导线装配在焊接接头上，将焊料装配在导线的焊接端区域；具体的装配方式分为三种：(1-3.1)、焊接接头入口端的导线和位于焊接接头出口端的导线相对插入装配；(1-3.2)、位于焊接接头入口端的导线贯穿装配；(1-3.3)、位于焊接接头出口端的导线贯穿装配；(1-4)、在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置，用于防止感应钎焊产生的热量使线皮氧化；(1-5)、将装配好的焊接接头及导线焊接端区域固定在感应线圈加热区内，采用感应钎焊的方法进行焊接。具体的焊料放置方式按照如下原则确定：对于相对插入同一个通孔中的焊接接头入口端导线和出口端导线，将钎料分别装配在靠近焊接接头入口端和出口端的导线焊接端区域；对于贯穿装配的焊接接头入口端导线或者焊接接头出口端导线，将焊料装配在靠近导线数量少的焊接接头端部的导线焊接端区域。当m＝n，且焊接接头入口端的导线和出口端的导线一一对应地相对插入在m个通孔中时，所述步骤(5)将装配好的焊接接头及导线焊接端区域平行于地面固定在感应线圈加热区内；否则，将装配好的焊接接头及导线焊接端区域垂直于地面固定在在感应线圈加热区内，且钎料数量多的焊接接头端部在上。本发明的另一个技术解决方案是：一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接接头，其特征在于所述焊接接头为t型接头，t型接头由端面和垂直于端面的连接基体构成，连接基体为出口端，端面为入口端，入口端设有s个独立通孔，沿焊接接头中心轴线圆周均布，用于连接s根导线，s大于等于1，每个独立通孔用于将一根导线贯穿装配，通孔的孔径大于插入其中的导线直径，通孔内壁与导线外径之间间隙满足感应钎焊要求。所述通孔沿中心轴线圆周均布。基于上述焊接接头，本发明的另一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接方法，包括如下步骤：(2-1)、清洗焊接接头和感应钎焊钎料，去除焊接接头和感应钎焊钎料表面油污和多余物；(2-2)、对带有绝缘外皮的导线进行剥线处理，露出焊接端区域，并将焊接端区域打磨处理，去除表面氧化层；(2-3)、将待焊接的导线装配在焊接接头上，将焊料装配在导线的焊接端区域，在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置，用于防止感应钎焊产生的热量使线皮氧化；(2-4)、将装配好的焊接接头及导线焊接端区域固定在感应线圈加热区内，采用感应钎焊的方法进行焊接，焊接过程中将装配好的焊接接头及导线焊接端区域垂直于地面固定在在感应线圈加热区内，且焊接接头入口端在上。步骤(2-3)中的装配方法为：将s个焊接接头入口端的导线从焊接接头入口端贯穿插入不同的通孔中，钎料放置在靠近焊接接头出口端的导线焊接端区域。本发明相对于现有技术的有益效果为：(1)、本发明针对多种导线连接需求，提出了通用的焊接接头结构，确定每种连接方式钎焊时焊料的不同安装位置，与常规钎焊钎料安装位置不同，最大限度保证了焊接质量。(2)、本发明提出增加感应钎焊的冷却装置并设计了其安装位置，对焊接时导线外引线表皮的降温保护起到了至关重要的作用。(3)、本发明焊接接头轴向中心周向布置多个排气孔，防止焊接过程中焊接面出现空穴。附图说明图1(a)为本发明实施例单头励磁导线与单头励磁导线接头焊接图；图1(b)为本发明实施例单头励磁导线与单头励磁导线焊接接头结构图；图2为本发明实施例单头励磁导线与2个多头绝缘导线接头焊接图；图3(a)为本发明实施例同向2个、3个和7个多头绝缘导线接头焊接图；图3(b)为本发明实施例2个孔焊接接头结构图；图4为本发明实施例材料为4j33和紫铜材料3个孔焊接接头结构图；图5为本发明实施例7个孔焊接接头结构图；图6为本发明实施例多个单头励磁导线与多个多头绝缘导线接头焊接图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明提供了两个用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接接头，所述导线连接是指位于焊接接头入口端的m根导线和位于焊接接头出口端n根导线相互连接，m和n均大于等于1。第一种述焊接接头包括l个独立通孔，独立通孔用于将位于焊接接头入口端的导线和位于焊接接头出口端的导线相对插入装配，或者用于将位于焊接接头入口端的导线或者位于焊接接头出口端的导线贯穿装配，l大于等于m和n的最大值，通孔的孔径大于插入其中的导线直径，通孔内壁与导线外径之间间隙满足感应钎焊要求。所述焊接接头轴向中部周向布置r个排气孔，r大于等于1，防止焊接过程中焊接面出现空穴。所述通孔沿焊接接头中心轴线均布。基于第一种焊接接头，本发明提供了一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接方法，该方法包括如下步骤：(1-1)、清洗焊接接头和感应钎焊钎料，去除焊接接头和感应钎焊钎料表面油污和多余物；(1-2)、对带有绝缘外皮的导线进行剥线处理，露出焊接端区域，并将焊接端区域打磨处理，去除表面氧化层。(1-3)、将待焊接的导线装配在焊接接头上，将焊料装配在导线的焊接端区域；具体的装配方式分为三种：(1-3.1)、焊接接头入口端的导线和位于焊接接头出口端的导线相对插入装配；(1-3.2)、位于焊接接头入口端的导线贯穿装配；(1-3.2)、位于焊接接头出口端的导线贯穿装配；(1-4)、在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置，用于防止感应钎焊产生的热量使线皮氧化；具体的焊料放置方式按照如下原则确定：对于相对插入同一个通孔中的焊接接头入口端导线和出口端导线，将钎料分别装配在靠近焊接接头入口端和出口端的导线焊接端区域；对于贯穿装配的焊接接头入口端导线或者焊接接头出口端导线，将焊料装配在靠近导线数量少的焊接接头端部的导线焊接端区域。例如：当焊接接头入口端的导线和出口端的导线全是采用相对插入m个独立通孔时，即：m＝n≤l时，钎料分别靠近焊接接头入口端和出口端放置；当l≥(m+n)，且焊接接头入口端的导线和出口端的导线全是采用贯通插入独立通孔时，当钎料靠近焊接接头入口端或出口端导线数量少的一端放置；当部分对位于焊接接头入口端的导线和位于焊接接头出口端的导线焊接端区域相对插入，另一部分位于焊接接头入口端的导线或者位于焊接接头出口端的导线贯穿装配时，相对插入的导线钎料分别靠近焊接接头入口端和出口端放置，贯通插入的导线钎料靠近焊接接头入口端或出口端导线数量少的一端放置。(1-5)、将装配好的焊接接头及导线焊接端区域固定在感应线圈加热区内，采用感应钎焊的方法进行焊接。当m＝n，且焊接接头入口端的导线和出口端的导线一一对应地相对插入在m个通孔中时，所述步骤(5)将装配好的焊接接头及导线焊接端区域平行于地面固定在感应线圈加热区内；否则，将装配好的焊接接头及导线焊接端区域垂直于地面固定在在感应线圈加热区内，且钎料数量多的焊接接头端部在上。第二种焊接接头为t型接头，t型接头由端面和垂直于端面的连接基体构成，连接基体为出口端，端面为入口端，入口端设有s个独立通孔，沿焊接接头中心轴线圆周均布，用于连接s根导线，s大于等于1，每个独立通孔用于将一根导线贯穿装配，通孔的孔径大于插入其中的导线直径，通孔内壁与导线外径之间间隙满足感应钎焊要求。同样，所述通孔沿中心轴线圆周均布。基于第二种焊接接头，本发明也提供了一种用于导线连接的高可靠感应钎焊焊接方法，具体步骤为：(2-1)、清洗焊接接头和感应钎焊钎料，去除焊接接头和感应钎焊钎料表面油污和多余物；(2-2)、对带有绝缘外皮的导线进行剥线处理，露出焊接端区域，并将焊接端区域打磨处理，去除表面氧化层；(2-3)、将待焊接的导线装配在焊接接头上，将焊料装配在导线的焊接端区域，在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置，用于防止感应钎焊产生的热量使线皮氧化；具体的装配方法为：将s个焊接接头入口端的导线从焊接接头入口端贯穿插入不同的通孔中，钎料放置在焊接接头出口端。(2-4)、将装配好的焊接接头及导线焊接端区域固定在感应线圈加热区内，采用感应钎焊的方法进行焊接，焊接过程中将装配好的焊接接头及导线焊接端区域垂直于地面固定在在感应线圈加热区内，且焊接接头入口端在上。实施例：以下实施例将上述焊接接头应用于磁聚焦霍尔推力器加速器和阴极上，设计了加速器导线和阴极底座分别与导线焊接连接的焊接接头，并采用感应钎焊的方法解决了导线在高温工作环境下的可靠连接。加速器导线连接主要包括：(1)、加速器附加线圈和内线圈绕制的单头导线各一端需要互相连接；(2)、附加线圈和内线圈绕制的单头导线另外一端又分别和2个同向多头外引线连接；(3)、3个阴极底座端面分别有以外圆中心为轴线，沿着圆周均布的2个、3个和7个孔，2根、3根、7根导线分别焊接到2个、3个和7个孔中，以实现霍尔推力器供电的正常工作。导线线芯为银铜材料，加速器焊接接头为紫铜材料，阴极底座为瓷封合金4j33材料。针对感应钎焊的特点，本实施例设计了5种感应钎焊焊接接头，分别是：1)、如图1(a)和图1(b)所示，焊接接头包括1个独立通孔，用于加速器附加线圈单头励磁导线与内线圈单头励磁导线连接。通孔中部周向布置3个排气孔，排气孔直径1mm。2)、如图2所示，焊接接头包括3个独立通孔，用于加速器一个单头励磁导线插入其中一个通孔中，另外两个同向多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘电线与单头励磁导线插入方向相反插入另外2个通孔中的焊接连接；该焊接接头采用紫铜材料制造而成；3)、如图3(a)和图3(b)所示，阴极底座两个同向多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘电线分别插入2个孔中的焊接连接。4)、如图4所示，用于阴极底座三个同向多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘电线分别插入3个孔中的焊接连接。焊接接头选瓷封合金4j33材料。5)、如图5所示，阴极底座七个同向多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘电线分别插入7个孔中的焊接连接。针对不同的焊接结构，本实施例在感应钎焊焊接工艺试验中，确定5个关键的焊接工艺参数：焊机工作功率、钎料量、钎焊时间、导线与工件焊接配合间隙和不同种类钎料，并采用设计优化的方法对上述工艺参数进行了优化，优选出最佳感应钎焊工艺参数，而且根据工艺试验发现，焊料的装配位置也很关键，感应钎焊焊料一般放置在导线与焊接接头入口端，根据加速器和阴极焊接接头不同结构，摸索出焊料不同的放置位置对焊接质量的影响，优化出焊料的最佳放置位置，以利于焊料的最佳流动，进而保证焊接接头的质量。本实施例具体的焊接过程如下：一、焊接前清洗焊接接头和焊料采用除油水基清洗剂水溶液在超声波清洗机中清洗所有焊接接头1和钎料2，清洗时间为10min-20min。然后用流动水冲洗干净。将清水冲洗后的焊接接头和钎料置入丙酮中进一步超声清洗5min-10min，之后吹干。二、导线剥线处理对带有绿色绝缘外皮的单头励磁导线焊接端区域进行剥线处理，剥线长度为13mm-15mm，保证焊接后铜线裸露的长度短于12mm，焊接前采用1000#砂纸对该导线端头被连接区域进行打磨处理，去除表面氧化层。对于多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘导线而言，首先采用剥线钳剥掉导线屏蔽层，之后采用热剥器剥离内层导线，剥线长度满足最终焊接后铜线裸露长度不超过12mm为准。剥线时确保金属导线不损伤、断裂，多头导线不分散。三、焊接接头和导线、焊料的装配图1(a)中单头励磁导线1套上hbag72cu钎料2后分别从纯铜焊接接头1两端插入，钎焊前钎料位置调整至纯铜焊接接头1的端面附近，导线与焊接接头配合间隙0.05mm-0.1mm，钎焊时水平放置在感应线圈内，在一次焊接过程中两处钎料同时熔化填缝，钎焊前在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置3。图2中四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘导线5装入焊接接头1孔后通过钎料2后留少许长度进行翻边定位。单头励磁导线钎料的放置位置与常规钎焊焊料放置在导线与焊接接头入口端一样，而两根多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘导线钎焊时焊料的放置位置与常规钎焊不同，hbag72cu钎料2均填加在纯铜焊接接头1的导线出口端一侧，钎焊时钎料朝上放置，钎料表面覆盖少量的钎剂，导线与焊接接头配合间隙0.05mm-0.1mm，钎焊前在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置3。图3(a)中与常规钎焊焊料放置在导线与焊接接头入口端不同，hbag72cu钎料2位于导线5在瓷封合金4j33焊接接头1伸出端附近，导线插入焊接接头1孔后通过钎料2后留少许长度进行翻边定位。钎焊过程中导线位置朝上，焊缝附近填加少许钎剂，导线与焊接接头配合间隙0.05mm-0.1mm，钎焊前在导线剥线处理裸露的金属线和线皮结合处放置冷却装置4。四、加速器和阴极与导线的感应钎焊焊接由于加速器导磁体和阴极底座工作温度高，大约在400℃左右，采用整体真空钎焊方式连接，外引线表面难以承受这么高的温度，容易导致外表面氧化发黑和破损。所以加速器电磁导线、阴极底座和外引线的连接采用局部加热感应钎焊的方式连接，本实施例中，选取耐温高于600℃的感应钎焊银基焊料hbag72cu(熔点780℃)，满足了工作温度的要求。具体包括如下步骤：(1)首先在相同材料、相同结构和尺寸的焊接结构模拟件上分别按工艺参数预设值进行焊前工艺试验，对结构模拟件进行焊接，先观察钎焊接头外部质量，要求如表1所示。表1钎焊接头外部质量要求缺陷种类要求残余钎剂不允许裂纹不允许母材金属过烧不允许钎料未熔化不允许钎料漫溢允许在近焊区漫溢外部未焊透所有的钎缝边缘应形成连续、均匀、圆滑的钎脚，不允许钎焊脚未焊透。溶蚀工作表面不允许。(2)焊接前后对两端导线进行电阻测试，电阻率变化≤5％。对于图1结构，先选取200mm长的单头励磁导线，用毫欧表测试其电阻值，然后从中间截断，试验件进行完钎焊后再测试导线两端(中间有焊接接头)的电阻值，前后差值与原来的电阻值的比值为电阻率变化。对于图2结构，可选取单头励磁导线与多头乙烯-四氟乙烯共聚物(etfe)绝缘电线各100mm，用毫欧表分别测试其电阻值，2个电阻值相加作为焊接前的导线电阻值，然后试验件进行完钎焊后再测试导线两端的电阻值(包括焊接接头)，对于图3(a)和图3(b)结构，选取200mm长的多头导线，毫欧表测试其电阻值，试验件进行完钎焊后再测试包括焊接接头和导线两端的电阻值，前后差值与原来的电阻值的比值为电阻率变化，要求电阻率变化≤5％。(3)然后对焊接后的导线试验件按照悬挂砝码的方法进行拉伸力测试，要求拉伸力≥70n。(4)将试验件焊缝部位剖切成两半，使用金相砂纸打磨工件剖面，强酸腐蚀后使用清水冲洗干净；最后测量其焊接缺陷，具体要求如表2所示，经过工艺试验，确定表3和表4中焊接参数即为正式工件的焊接参数。表2钎焊接头内部质量要求名称要求钎着率≥75％径向平面单个空穴最大线性尺寸≤0.7mm轴向平面单个空穴最大线性尺寸≤1.5mm贯穿性缺陷不允许表3图1导线感应钎焊工艺参数预设值加热功率kw功率调节时间s最大功率持续时间s51535表4图2和图3导线感应钎焊工艺参数预设值加热功率kw功率调节时间s最大功率持续时间s72030(5)将装配好的零件被焊区域安装在感应线圈加热区内，待位置固定后关炉门并抽真空。当炉体真空度抽至5pa时开启加热电源对零件进行升温，升温过程中观察零件加热区颜色变化及钎料熔化情况，当钎料完全熔化并在导线根部形成圆角后停止加热。(6)3分钟后关闭罗茨泵，炉体放气后出炉。取出工件，将工件平稳放置在产品盒中，注意避免磕碰划伤。(7)对产品焊缝外观进行观察，必要时采用10倍放大镜观察钎焊接头外部质量。钎焊接头应表面白亮，钎料圆角饱满，无溶蚀、裂纹等缺陷，外观质量良好，符合表1技术要求。五、焊接效果说明本实施例采用局部加热感应钎焊的方法来实现霍尔推力器加速度器电磁导线、阴极底座分别和外引线的连接后，对上述试验件进行导线焊接前后电阻率变化测试、拉伸测试和金相剖切。结果表明：焊接内外部质量钎着率≥75％、径向平面单个空穴最大线性尺寸≤0.7mm、轴向平面单个空穴最大线性尺寸≤1.5mm、导线焊接前后电阻率变化≤5％和导线焊接部位拉伸力≥70n等技术指标符合任务书要求，达到了工程应用的目的。实施例2本实施例焊接接头结构如图6所示，2个单头励磁导线反向相对插入装配孔中，3个多头导线分别贯通插入各自装配孔中，单头励磁导线上的纤料放置在焊接接头通孔两端，多头导线上的纤料放置在端头左侧导线少的一端，焊接时，焊接接头垂直地面固定在在感应线圈加热区内，左侧纤料多的那端朝上。导线感应钎焊工艺参数与表4中的工艺参数相同。同样，对试验件进行导线焊接前后电阻率变化测试、拉伸测试和金相剖切。结果表明：焊接内外部质量钎着率为90％、径向平面单个空穴最大线性尺寸0.5mm、轴向平面单个空穴最大线性尺寸1.2mm、导线焊接前后电阻率变化为1％和导线焊接部位拉伸力等于90n，达到了工程应用的目的。综上所述，本发明解决了高温环境下工作导线连接的高可靠问题，满足了拉伸强度以及导电性的要求，实现了加速器通电电磁线圈产生磁场，阴极发射电子的目的，保证了霍尔推力器的正常工作。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。当前第1页12