毕业设计(论文)-感应钎焊在管接头连接中的应用.doc
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1、*毕业设计(论文) I 感应式钎焊在管接头连接中的应用 摘 要 钎焊是一种古老的连接方法,经历了漫长的发展历程。然而,钎焊在现代技 术的基础上获得了极大的发展和广泛的应用。它在航天、航空、汽车、化工、机 械、家电和电子等军用、民用工业中得到广泛的应用,是当今高技术中一项精密 的连接技术。感应钎焊是一种高效率、高质量钎焊方法。感应加热的优点是热量 很大,并局限在共建所需的局部位置,加热速度快,易于实现热量的集中,温度 易控制,因此焊接时工件变形小,可以使焊件的修正工作量大大减少。管接头的 形式分为承插焊接头和对焊接头,而本文中都才用的是对焊接头。 本文通过对飞机制造过程中连接导管的高频感应钎焊工
2、艺、工业管道的中高 频感应钎焊工艺和发动机引线水管的中频感应钎焊工艺的研究来阐述感应式钎焊 在管接头连接中的应用。 关键词:钎焊,感应钎焊,导管,连接 *毕业设计(论文) II INDUCTIVE BRAZING IN PIPE JOINTS CONNECTED APPLICATIONS ABSTRACT Soldering is an ancient connection method, after a lengthy course of development. However, the brazing on the basis of modern technology was a gre
3、at development and a wide range of applications. It is in the aerospace, aviation, automotive, chemicals, machinery, appliances and electronics, military, civilian industry has been widely used in todays high-tech technology in a sophisticated connection. Induction brazing is a high efficiency, high
4、-quality brazing method. Induction heating has the advantage of great heat, and limited to local areas to build the required, fast heating, easy to implement centralized heat, easy to control the temperature, so welding deformation of the workpiece is small, can make amendments to the workload signi
5、ficantly weldment reduced. Socket fittings welded into the form and welded, and are only used in this article is welded . Through the process of connecting duct aircraft manufacturing high frequency induction brazing process, the pipeline industry in the high frequency induction brazing process and
6、the engine lead pipes of medium frequency induction brazing process research to elucidate the induction brazed joints in the pipe connection application. KEY WORDS: braze,induction brazing, catheter, connection *毕业设计(论文) III 目 录 摘 要. ABSTRACT 目 录. 前 言.1 第 1 章 感应钎焊.3 1.1 高频感应加热原理3 1.2 高频感应加热的特点.3 1.2
7、.1 表面效应(集肤效应) 3 1.2.2 邻近效应.4 1.2.3 圆环效应.4 1.3 感应加热的频率.4 1.4 钎焊材料.4 第 2 章 感应钎焊设备.6 2.1 感应钎焊设备组成.6 第 3 章 飞机导管高频感应钎焊技术.8 3.1 导管高频感应钎焊的工艺特点.8 3.1.1 不锈钢导管的钎焊特点.8 3.1.2 钛合金导管的钎焊特点.8 3.2 导管高频感应钎焊工艺方案.8 3.2.1 固定式高频感应钎焊简明工艺流程.9 3.2.2 安装式高频感应钎焊简明工艺流程.10 3.3 导管高频感应钎焊焊接材料的选择.10 3.4 导管高频感应钎焊工艺.11 3.4.1 焊前准备.11 3
8、.4.2 钎焊间隙的控制.11 3.5 钎焊质量检验和工艺验证试验.12 3.5.1 钎焊质量检验.12 3.5.2 导管高频感应钎焊工艺验证试验.14 *毕业设计(论文) IV 第 4 章 发动机引线水管的中频感应钎焊技术.17 4.1 试验设备及材料.17 4.2 中频感应钎焊工艺参数的选择.17 4.3 试验结果及讨论.18 4.3.1 对中频感应钎焊机的要求.18 4.3.2 钎焊材料的选择.18 4.3.3 钎焊接头强度试验.19 4.3.4 钎焊接头强度试验.20 4.2 结论.20 第 5 章 工业管道的感应钎焊技术.21 5.1 试验设备及材料.21 5.2 试验方法的确定.2
9、1 5.2.1 接头设计.22 5.2.2 加热规范参数的确定.22 5.2.3 试验前的准备.23 5.3 试验结果及接头性能分析.24 5.3.1 拉伸试验.24 5.3.2 拉伸试验.25 5.3.3 金相实验.26 5.3.4 腐蚀试验.26 5.4 结论.27 结 论.28 谢 辞.29 参考文献.30 附 录.31 外文资料翻译.32 *毕业设计(论文) 1 前 言 连接材料的方法中,钎焊是人类最早使用的方法之一。在人类历史上,当人 类尚未开始使用铁器时,就已经发明用钎焊连接金属。在埃及出士的古文物中, 就发现用银铜钎料钎焊的管子,用金钎料连接的护符盒,据考证分别是 5000 年
10、和近 4000 年前的物品。古代焊接主要分为铸焊(亦称浇焊) 、古代钎焊和锻焊, 其中铸焊和古代钎焊与现代钎焊技术比较相近,锻焊也为现代焊接技术奠定了基 础。 伴随着钎焊方法和钎料、钎剂的发展,钎焊的应用领域也不断的扩大,创造 了可观的经济效益。比如在电机制造业中,用钎焊来制造硬质合金切削工具、采 矿用钻头、换热器、导管、容器、发动机、电动机、变压器以及汽轮机的叶片和 拉筋的连接等;有不少用其它焊接方法难以甚至无法进行连接的结构;可采用钎 焊的方法解决。在航空制造业中,钎焊用于制造蜂窝结构、滤网、喷气发动机叶 轮和喷射器等,军用飞机的不锈钢和钦合金、铝合金液压和气压导管的连接方面, 钎焊和扩散
11、焊取代了原有的机械螺纹连接,不仅解决了接头泄漏问题,而且减轻 接头的质量,得到广泛了的采用。前麦道公司己为 A-4 喷气战斗机焊接了 10 万 个接头,洲际轰炸机的液压系统中有 5000 多个导管接头采用了钎焊,提高了接 头的可靠性。在无线电及仪表制造业中,钎焊在许多情况下还是唯一的连接方法, 如用钎焊制造微波波导、电子管、电真空器件和无线电接线等。 1993 年中国焊接学会在青岛召开“第七届全国焊接学术会议“以来,钎焊专业 委员会分别于 1994 年、1995 年、1996 年在浙江金华市、湖南大庸市、江苏扬中 市召开了第七届、第八届、第九届全国钎焊技术交流会,尤其是 1998 年 10 月
12、在 江苏无锡召开的第十届全国钎焊技术交流会,收到论文 100 多篇。四届会议共收 到论文近 300 篇,其中 1994 年第七届 51 篇,1995 年第八届 58 篇,1996 年第九 届 68 篇。1998 年第十届 100 多篇。论文逐年增加的同时,参会人数更是一届比 一届多。1994 年第七届 80 多人,1995 年第八届 80 多人,1996 年第九届突破了 100 人,1998 年第十届达 150 多人。与此同时,1994 年国际焊接学会第 47 届年 会在北京召开,1994 年、1995 年中国电子学会焊接专业委员会召开的学术会议, 我国钎焊与扩散焊工作者提交的论文总数达到 1
13、13 篇。这些统计数字充分说明了 *毕业设计(论文) 2 我国钎焊技术的研究与应用,在国家经济建设中正发挥着越来越大的作用。 国外钎焊技术的研究和应用同样越来越受到钎焊工作者的重视。特别是近几 年来,ISO 组织和国际电工学会等国际组织起草制定的焊接技术标准共有 30 多项, 其中有关钎焊的标准就多达 25 项,1994-1996 年正式发布的有近 10 项,另有 10 多项正在修改、制定中。特别是近几年里,国外的钎焊材料、钎焊设备的不断进 入我国市场,一方面使我们更深入地了解到了国外钎焊技术的最新研究成果,同 时又促进了我国钎焊技术的研究和发展。 进入 21 世纪,我国钎焊技术将围绕着“创新
14、” 、 “环保”两个主题进行研究 和发展。其中包括,钎料创新、钎焊工艺和方法的创新和钎焊设备的创新;在环 境保护方面重点研究与开发无污染、无公害的钎焊工艺、材料、方法及减少污染 的方法,特别重点研究无铅无镉的钎料,无腐蚀无污染的钎剂。 改革开放以来,随着我国航空工业、汽车工业、电子工业的高速度发展,感 应钎焊技术应用越来越广。论文通过对飞机导管的高频感应钎焊工艺、工业管道 的中高频感应钎焊工艺和发动机引线水管的中频感应钎焊工艺的研究,将感应钎 焊技术推广到民用,家电行业。 *毕业设计(论文) - 3 - 第 1 章 感应钎焊 感应钎焊是利用交变磁场电场感应现象,场中的工件上的涡流效应对工件 进
15、行加热,使钎料熔化,液态钎料在毛细作用下填充间隙从而实现钎焊的一种方 法。 1.1 高频感应加热原理 当线圈中的电流是交流电时,在线圈内部和其周围就产生了交变磁场。在感 应加热时,置于感应线圈中的零件就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁 理论, 变化的磁场就产生感应电动势,用法拉第电磁感应定律表示: (公式1-1)dtedEdle/ 式中:e为感应电动势,E为磁场强度,l为导体长度,t为变化时间。 由于感应电动势的存在,在零件表面就会产生感应电流。根据焦耳楞次定 律确定:Q=0.24Rt(卡),Q 为感应热,为感应电流, R 为电阻,t 为通电时 f I f I 间。零件实行感应加热主要是
16、依靠这种热量。 1.2 高频感应加热的特点 1.2.1 表面效应(集肤效应) 当直流电通过导体时, 电流在导体截面上的分布是均匀的,但是当交流电 通过圆柱导体时,电流分布是中心密度小,越接近表面密度越大,当电流频率相 当高时,导体的中心可以没有电流,而全部集中在导体的表面,这种现象称为高 频电流的表面效应。 涡流是由进入工件的交变磁场引起的,而磁场从工件的表面到心部也是按指 数曲线衰减的,因此,涡流的最大值集中在工件的表面,这也是表面效应。涡流 的理论透入深度为: (公式1-2)f / 2 1 *毕业设计(论文) - 4 - 式中:材料电阻率,为导磁率,f为电流频率。 1.2.2 邻近效应 两
17、邻近的导体,例如两汇流排或感应线圈与被感应应加热的零件,在有电流 通过的情况下,由于电流磁场的相互作用,在导体上的电流将重新分布,这种现 象被称之为邻近效应。 1.2.3 圆环效应 圆环形导体通入高频电流(或中频)交流时所产生的磁场在环内集中,环外分 散,环内的磁通不仅穿过环外空间,同时也穿过环形导体本身,这样就使环形导 体外侧交链的磁通多于内侧,于是环形导体外侧产生较大的感应电动势,迫使电 流在环形导体内侧的电流透人深度中流过,这种现象称为高频电的环形效应。 1.3 感应加热的频率 用于感应加热的电源频率范围很大,可从 50 赫兹到几兆赫兹,选择频率的 重要依据是加热频率和温度分布,其次是考
18、虑各种加工工艺(如淬火,焊接)对电 流频率的一些特殊要求。熔炼透热加工工艺要求加热温度均匀;而淬火要求满足 淬硬层深度,在此基础上,要求淬硬层深度内加热温度均匀。对于熔炼还要考虑 功率和搅拌力。再者频率高的电源较频率低的电源价格高,功率大的电源价格高, 为此选择电源频率及功率成为一项技术经济指标。 1.4 钎焊材料 钎焊是一种可明显减轻构件重量的精密连接技术。钎焊材料(以下简称钎材) 是钎焊技术的重要组成之一。它主要包括钎料、钎剂以及一些钎焊用辅助材料如 止焊剂、清洗剂等等它们对钎焊产品质量有着至关重要的作用。钎料也称焊料, 是钎焊材料最重要的组成部分。 钎料的选择是一个重要而复杂的问题,应从
19、经济角度、使用要求、钎料和母 材的相互匹配等方面进行综合考虑。目前,采用的钎料大致有三种:银钎料、铜 *毕业设计(论文) - 4 - 磷银钎料、铜磷钎料。 银钎料的润湿性能好,填充性好,强度高,塑性大,具有良好的综合性能。 但该钎料价格昂贵,在钎焊过程中需加银钎剂,而钎剂在受热时会析出影响人体 健康的有害气体,焊接后钎剂易滞留在接头表面上,会引起接头腐蚀和泄漏。 铜磷钎料的流动性好,能渗入间隙极小的接头,在焊接紫铜时可不加钎剂, 由于不含银,价格很低。但该钎料含有大量的Cu3P化合相故相对来说比较脆,可 用于不受冲击、弯曲载荷的小型铜接头。 铜磷银钎料是近几年专为钎焊铜及铜合金发展起来的一种钎
20、料。经过实验表 明该钎料具有良好的漫流、填缝及润湿性能。由于含有银的成分,改善了加工性 和塑性,提高了抗拉强度。由于含有磷的成分,在焊接紫铜时无需加钎剂。该钎 料性能好,价格低,是替代高银钎料的理想材料。除钢等黑色金属以及受很大冲 击、振动载荷的接头外,多数焊接接头均可采用铜磷银钎料。 钎剂的作用是清除焊件及钎料表面的氧化物,防止焊件在高温下继续氧化, 改善钎料对焊接金属表面的润滑性及填缝能力。用铜磷钎料或铜磷银钎料进行紫 铜与紫铜的焊接时,由于钎料中的磷能还原母材表面的氧化铜与氧化亚铜,起着 钎剂的作用,因此可不加钎剂。但在钎焊黄铜等铜合金时,由于磷不能充分还原 合金元素形成的氧化物,仍需加
21、钎剂焊接。 *毕业设计(论文) 6 第 2 章 感应钎焊设备 2.1 感应钎焊设备组成 感应钎焊装置由以下部分组成图 2-1 。 图 2-1 高频感应钎焊装置组成 高频电源:高频电发生装置。 温度控制器:控制钎焊温度及保温时间。在温度控制器上有两块显示表 ,一块 用于显示热电偶所测温度 ,另一块用于显示光电二极管所反馈的信息值。 软式感应圈:将电源能量传递给工件的装置。焊接时将其缠绕在焊接保护器上 ,通 过高频应将能量传递给工件。 光电二极管:焊接时将光电二极管固定在焊接保护器上 ,通过光电信号反映焊 接区温度。 *毕业设计(论文) 7 图 2-2 焊接保护器结构示意图 焊接保护器:导管安装钎
22、焊的主要工装 ,其结构如图 2-2 所示。焊接前 ,用其 将焊接区套住并夹紧 ,将软式感应圈缠绕在其上。 *毕业设计(论文) 8 第 3 章 飞机导管高频感应钎焊技术 3.1 导管高频感应钎焊的工艺特点 3.1.1 不锈钢导管的钎焊特点 表面氧化物的稳定 不锈钢导管由于含有镍、钛、锰等元素,表面形成的氧 化物稳定性较高,钎焊时较难去除,在保护气氛中钎焊,只有在低露点气氛和较 高温度下才能起作用,而且为避免晶粒长大,不锈钢导管的钎焊加热温度应不高 于 1150。 形成脆性化合物 在钎焊不锈钢导管时,钎料中的某些非金属元素在钎焊过 程中会因为钎焊间隙的增大而使钎缝组织中出现连续的脆性相。使焊接接头
23、的强 度和延性剧烈下降。因此不锈钢导管钎焊接头的性能与钎焊间隙密切相关。 3.1.2 钛合金导管的钎焊特点 表面氧化物的稳定 钛合金对氧的亲和力很大,有强烈的氧化倾向。因此钛合 金导管钎焊时必须防止氧化,并去除这层氧化膜。 具有强烈的吸气倾向 钛合金在加热过程中会吸收氢和氮,吸气的结果,使合 金的韧性急剧下降。所以钛合金导管钎焊时要防止加热区的氢化和氮化。 组织及性能的变化 钛合金在高温下发生 转变,在高温 相区的长时 间停留会使基体晶粒快速长大,严重削弱基体性能。 形成脆性化合物 钛合金钎焊时,钎料中的某些金属元素易与钛形成极脆的 金属间化合物,是钎焊接头的强度下降。 3.2 导管高频感应钎
24、焊工艺方案 为适应钎焊导管的结构形式及安装方式的差异结合不锈钢导管和钦合金导管 钎焊的特点经工艺验证确定不锈钢导管和钦合金导管采用氩气保护下的无钎剂高 频感应钎焊并将其分为固定式高频感应钎焊工艺(见图 3-1)和安装式高频感应 *毕业设计(论文) 9 钎焊工艺(见图 3-2)具体工艺流程如下: 图 3-1 固定式高频感应钎焊 图 3-2 安装式高频感应钎焊 3.2.1 固定式高频感应钎焊简明工艺流程 固定式高频感应钎焊是将装配好的导管与连接件置于真空充氢室的感应线圈 中在保持工件与感应线圈有效间隙的情况下进行的钎焊方法。固定式高频感应钎 焊是将高频感应加热器固定于真空充氩箱中。在钎焊前先将真空
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