一种超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构和方法

本发明涉及超多层薄壁金属组成件的焊接领域，尤其是涉及一种超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构和方法。

背景技术：

扩散焊是指在一定的温度(该温度通常低于材料的熔点)和压力下，将待焊表面紧密接触，从而使接触面之间通过原子扩散形成具有一定强度的连接界面。通过制定合理的温度、压力、焊接时间等工艺参数，促使接触面一侧的原子向对侧扩散迁移，使接触面间的空隙逐渐减小直至消失，得到组织性能优异、焊合率高的界面。

目前在航空航天领域就有大量的超多层薄壁金属组成件，比如波纹管、多能流道、金属膜盒等。这种层数超过20层的超多层金属组成件，一般需要改用特殊的焊接的工艺进行制造。如tig焊(李西恭,殷晓强.不锈钢膜盒的焊接工艺[j].焊接,1997,4:6-7.)或微束等离子焊(李延民.超薄壁gh4169膜盒微束等离子焊接工艺研究[d].北京工业大学,2013.)等方式制造，从而导致操作难度，生产周期和制造成本的大幅度上升。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构和方法，针对20层及以上薄壁金属组成件实现扩散焊连接，减低工艺难度，提高生产效率。

如果对超多层金属组成件直接采用扩散焊会产生焊区无法良好接触的难题。造成这种问题的原因在于，当非焊接区域喷涂阻焊剂后，由于阻焊剂层本身具有一定厚度，会使待焊合区域悬空，扩散焊压力主要作用于非焊接区域，使连接界面不容易完全焊合。通常情况下，升温引起材料软化之后，薄材在自身重力作用下发生塌陷变形，能够使待焊区逐步贴合。然而，超多层薄壁金属组成件环焊缝窄，待焊区面积小，包括不锈钢在内的诸多材料在常规焊接温度下都无法依靠自身重力进行足以实现良好焊合的变形。

由此，本发明通过以下技术方案来实现超多层薄壁金属组成件的扩散焊工艺：

一种超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构，包括两个上下设置的法兰，以及设置在两个法兰之间的至少20层的薄壁金属片，在薄壁金属片的焊接面上非焊接区域和法兰的焊接面上非焊接区域喷涂有阻焊剂，焊接结构还包括焊接垫片，所述焊接垫片被夹持在相邻的薄壁金属片的待焊接区域，以及法兰和薄壁金属片的待焊接区域之间，所述焊接垫片和薄壁金属片为相同金属材料。

进一步地，所述的薄壁金属片为不锈钢薄片。

进一步地，所述薄壁金属片为环形片，所述焊接垫片包括内圈垫片和外圈垫片，所述外圈垫片的外径贴合环形片的外径，所述内圈垫片的内径贴合环形片的内径，所述法兰和薄壁金属片之间设置外圈垫片，相邻的薄壁金属片之间交替设置内圈垫片和外圈垫片。

进一步地，所述垫片的厚度大于或等于阻焊剂层的厚度。

一种如上所述的超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构的焊接方法，包括以下步骤：

s1、加工法兰：采用线切割方法将第一种金属板材加工成法兰；

s2、加工薄壁金属片：采用线切割方法将第二种金属板材加工成薄壁金属片；

s3、加工焊接垫片和遮挡板：采用线切割方法将第三种金属板材加工焊接垫片和遮挡板，所述焊接垫片和遮挡板的形状相同，即为加工得到数量两倍的焊接垫片，其中一半焊接垫片用作遮挡板；

s4、打磨及清洗：用砂纸对法兰、薄壁金属片和焊接垫片进行打磨，并且在打磨后采用无水乙醇清洗；

s5、将打磨光滑、清洗干净的法兰和薄壁金属片置于水平台上，用遮挡板对需要扩散焊的区域进行封闭，向法兰和薄壁金属片的焊接面均匀喷涂阻焊剂，自然风干；

s6、在真空热压炉内进行装配；

s7、采用真空热压炉进行扩散焊。

进一步地，，所述的步骤s6具体包括：将拼合的分瓣套筒放入真空炉内的工作区；在分瓣套筒内依次放入法兰、焊接垫片和薄壁金属片，即在分瓣套筒内搭建扩散焊结构；在扩散焊结构上压入压块，然后拆除分瓣套筒。

进一步地，薄壁金属片为环形片，在分瓣套筒内依次放入法兰、第一层的焊接垫片和第一层的薄壁金属片后，在薄壁金属片的中间插入棒芯，然后依次继续放入其余焊接垫片薄壁金属片，在最后放入顶部的法兰前，抽出棒芯。

进一步地，所述步骤s7中，真空热压炉内真空度至3×10^-3pa以下后开始加热。

进一步地，所述步骤s7中，加热时炉内升温速度不大于10℃/min，升温至950℃后，在3min时间内逐渐加压至30mpa，保温保压60min。

进一步地，所述步骤s7中，扩散焊过程中炉内真空度维持在3×10^-3～5×10^-3pa之间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现了超多层薄壁金属组成件的扩散焊工艺，可以实现在一个扩散焊工步里同时焊合所有环焊缝，各层焊缝组织均匀，强度一致，保证了超多层薄壁金属组成件整体性能的稳定与制造的可重复性。

2、本发明通过在待焊接区域(焊缝区域)添加同种金属的焊接垫片，使扩散焊压力直接传递至待焊接面，待焊接面依靠压力载荷实现有效接触，为元素提供扩散迁移的通道。因此可以不需要通过高温促使薄壁金属片完全软化，降低扩散连接时所需要的最高温度。

附图说明

图1为焊接结构的结构示意图。

图2为环形片的结构示意图。

图3为外圈垫片的结构示意图。

图4为内圈垫片的结构示意图。

图5为阻焊剂喷涂时遮挡片和环形片的关系示意图。

图6为焊接方法的流程示意图。

图7为在真空热压炉内进行装配过程的示意图。

图8为装配过程完成后的示意图。

附图标记：1、上法兰，2、下法兰，3、环形片，4、外圈垫片，5、内圈垫片，6、阻焊剂，7、棒芯，8、压块，9、遮挡片，10、分瓣套筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种超多层薄壁金属组成件的扩散焊结构，包括两个上下设置的法兰，以及设置在两个法兰之间的至少20层的薄壁金属片。在薄壁金属片的焊接面上非焊接区域和法兰的焊接面上非焊接区域喷涂有阻焊剂。焊接结构还包括焊接垫片，焊接垫片被夹持在相邻的薄壁金属片的待焊接区域，以及法兰和薄壁金属片的待焊接区域之间。焊接垫片和薄壁金属片为相同金属材料。垫片的厚度大于或等于阻焊剂层的厚度。

本实施例焊接结构的焊接方法如下：

步骤s1、加工法兰：采用线切割方法将第一种金属板材加工成法兰；

步骤s2、加工薄壁金属片：采用线切割方法将第二种金属板材加工成薄壁金属片。

步骤s3、加工焊接垫片和遮挡板：采用线切割方法将第三种金属板材加工焊接垫片和遮挡板，所述焊接垫片和遮挡板的形状相同，即为加工得到数量两倍的焊接垫片，其中一半焊接垫片用作遮挡板。

步骤s4、打磨及清洗：用砂纸对法兰、薄壁金属片和焊接垫片进行打磨，并且在打磨后采用无水乙醇清洗。

步骤s5、将打磨光滑、清洗干净的法兰和薄壁金属片置于水平台上，用遮挡板对需要扩散焊的区域进行封闭，向法兰和薄壁金属片的焊接面均匀喷涂阻焊剂，自然风干。

步骤s6、在真空热压炉内进行装配：将拼合的分瓣套筒放入真空炉内的工作区；在分瓣套筒内依次放入法兰、焊接垫片和薄壁金属片，即在分瓣套筒内搭建扩散焊结构；在扩散焊结构上压入压块，然后拆除分瓣套筒。

如果薄壁金属片为环形片，则在在分瓣套筒内依次放入法兰、第一层的焊接垫片和第一层的薄壁金属片后，在薄壁金属片的中间插入棒芯，然后依次继续放入其余焊接垫片薄壁金属片，在最后放入顶部的法兰前，抽出棒芯。

步骤s7、采用真空热压炉进行扩散焊。

如图1～图4所示，本实施例以一种不锈钢的金属膜盒为例进行展开说明：金属膜盒的焊接机构包括上法兰1、下法兰2和薄壁金属片，其中的薄壁金属片为不锈钢的环形片3。焊接垫片包括内圈垫片5和外圈垫片4，外圈垫片4外径贴合环形片3的外径，内圈垫片5的内径贴合环形片3的内径。法兰1、2和环形片3之间设置外圈垫片4，相邻的环形片3之间交替设置内圈垫片5和外圈垫片4。

如图5所示，金属膜盒的焊接方法的工艺如下：

(1)加工上法兰1和下法兰2：采用线切割将1mm厚的不锈钢板加工成直径90mm的下法兰2和外径90mm、中心孔径15mm的上法兰1。

(2)加工环形片3：采用线切割将0.2mm厚的不锈钢板加工成外径90mm，内径50mm的环形片3，共20片。

(3)加工焊接垫片和遮挡板9：采用线切割将0.1mm厚的不锈钢板加工成内外圈垫片4。内圈垫片5的尺寸为外径56mm，内径50mm；外圈垫片44的尺寸为外径90mm，内径84mm，内外圈垫片4各10个。遮挡板9与焊接垫片形状相同，在此步骤中与焊接垫片一起加工。遮挡板9可采用1mm厚的不锈钢板制作，也可以采用和焊接垫圈相同的0.1mm不锈钢钢板制作。

(4)打磨及清洗：依次用1000#、1200#、1500#砂纸对上法兰1、下法兰2、环形片3、内圈垫片5和外圈垫片4进行打磨，打磨平整后用无水乙醇清洗。此步骤的目的是去掉不锈钢表面的氧化层，并保证扩散焊时所有接触面都具有足够高的表面光洁度。

(5)喷涂阻焊剂：如图6所示，将打磨光滑、清洗干净的法兰1、2和环形片3置于水平地面上，用遮挡板9对需要扩散焊的区域进行封闭，向各片层表面均匀喷涂氮化硼阻焊剂，自然风干。

(6)在真空热压炉内进行装配：装配过程如图7和图8所示。首先将拼合的分瓣套筒10放入真空炉内的工作区，并在分瓣套筒10内依次放入下法兰2、第一层的外圈垫片4和第一层环形片3。然后将棒芯7插入环形片3的中心孔中，将第一层内圈垫片5穿过棒芯7放在环形片3上。在此基础上依次叠放上第二层环形片3&——第二层外圈垫片4——第三层环形片3，如此循环，摆放上第二十层环形片3后，抽出棒芯，放上最后一层外圈垫片4，并将上法兰1置于其上。所有片层组装完成后，放上压块8，拆除分瓣套筒10。在后续扩散焊过程中，连接压力通过压块8沿轴向方向均匀地向多层结构件传递。

(7)炉内抽真空：炉门关闭后，真空热压炉内部形成密闭环境，使用扩散泵抽真空度至3×10^-3pa以下后开始加热。扩散焊过程中扩散泵持续工作，将真空度维持在5×10^-3pa左右。

(8)扩散焊：以10℃/min的加热速率升温至950℃，缓慢地将压块89上所受压力增加至30mpa，增压所需时间为3min。保温保压60min。

(9)焊件随炉冷却：保温保压过程结束后，压力逐步卸载，焊件在约5×10^-3pa的真空度下随炉冷却。炉内温度降至150℃以下时，关闭扩散泵，停止抽真空。

(10)取件：待炉内温度降至室温后开炉取件，焊件制作完成。

通过本实施例的工艺可以大幅缩短焊接工步所需的时间，显著提高了制造效率。制作的扩散焊界面组织均匀，接头力学性能优异，抗剪切强度可以达到母材抗剪切强度的98％以上。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。