一种超大型冷板真空钎焊方法及真空钎焊用工装
阅读说明：本技术 一种超大型冷板真空钎焊方法及真空钎焊用工装 (Ultra-large cold plate vacuum brazing method and tool for vacuum brazing ) 是由 朱单单 冯学文 沈鹏 李祥 姜发有 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超大型冷板真空钎焊方法及真空钎焊用工装,工装从上到下依次为上卡板、上方管、上垫板、弹性装置、中垫板、上石墨纸、下石墨纸、下垫板、下方管和下卡板,弹性装置由多个独立的圆柱弹簧组合而成,工装整体加压。本发明利用现有真空设备焊接超大型冷板,按照炉温→360℃→470℃→530℃→570℃→615℃→608℃→603℃的路线进行钎焊。本发明采用的钎焊工装降低了超大型冷板装配难度、提高了大面积冷板焊接的质量,本发明的成功应用,解决了超大型冷板的焊接技术难题,同时提升了企业的业界形象。(The invention provides an ultra-large cold plate vacuum brazing method and a tool for vacuum brazing. The invention utilizes the existing vacuum equipment to weld the ultra-large cold plate, and the brazing is carried out according to the route of furnace temperature → 360 ℃ → 470 → 530 ℃ → 570 → 615 → 608 → 603 ℃. The brazing tool adopted by the invention reduces the assembly difficulty of the ultra-large cold plate and improves the welding quality of the large-area cold plate.)
技术领域
本发明涉及冷板的钎焊装配工装和真空钎焊方法，特别是超大型冷板的装配方法和工装，该方法能够实现低耗能生产，保证大面积钎焊质量，同时减小该类产品装配的工作强度。
背景技术
作为雷达阵面配套研制生产的冷板，该冷板主要是负责雷达阵面电子元器件的热量传递，雷达系统造价高昂，对冷板的可靠性要求非常高，该冷板(铝合金材质)外形尺寸较大，长度大于2000mm，宽度大于900mm，厚度大于50mm，冷部流道结构复杂，焊接质量要求高，焊后超声检测符合《QJ2844-1996铝及铝合金硬钎焊技术条件》要求，且检测中出现的虚焊区域不能贯穿流道。大面积冷板的钎焊容易出现虚焊，尤其是像这种尺寸的冷板一直是业界的焊接难题。
如图4所示，为普通尺寸的冷板装配方式，通常采用不锈钢板(上、下各一块)作为钎焊卡具，上、下不锈钢板之间为弹簧、单层上垫板、冷板、单层下垫板，最后采用多根螺杆贯穿上、下不锈钢板从上、下两个方向压紧冷板，但雷达阵面电子元器件用冷板尺寸较大，若采用针对普通尺寸冷板的装夹方式将会带来以下几个问题：
(1)整个工装的重量将会大大增加(单是25mm厚的上、下两块整体实心不锈钢板的重量大约就在2.5t左右)；
(2)上、下不锈钢板的重量将会增加装配和进炉的难度，甚至使得生产无法进行；
(3)大面积的不锈钢板平面度难以保证，这将会直接影响超大型冷板的焊接质量；
(4)整块的不锈钢板作为钎焊装配卡具，焊接过程中工装的热耗将会大大增加，直接提高了产品的生产成本。
发明内容
本发明旨在提供一种超大型冷板真空钎焊方法及真空钎焊用工装，以解决现有装配工装和真空钎焊方法中存在的工装重量大、装炉难度大、大面积平面度无法保障、能耗过大等问题。
本发明是通过如下技术方案予以实现的：
一种超大型冷板真空钎焊用工装，包括，
上方管，所述上方管为空心矩形截面的钢管，多根所述上方管依次平行排列在一个平行于超大型冷板上表面的平面内；
上垫板，所述上垫板为一张整体平板，且位于所述上方管下方；
中垫板，所述中垫板为一张整体平板，中垫板的下端面紧贴超大型冷板的上表面；
弹性装置，所述弹性装置的上端紧贴上垫板的下端面，弹性装置的下端紧贴中垫板的上端面，且弹性装置在垂直于超大型冷板的上表面方向产生形变和作用力；
下方管，所述下方管为空心矩形截面的钢管，多根所述下方管依次平行排列在一个平行于超大型冷板下表面的平面内；
下垫板，所述下垫板为一张整体平板，且位于所述下方管上方，下垫板的上端面与超大型冷板的下表面紧贴。
作为一种选择，超大型冷板真空钎焊用工装还包括上石墨纸，所述上石墨纸位于中垫板下端面和超大型冷板上表面之间。
作为一种选择，超大型冷板真空钎焊用工装还包括下石墨纸，所述下石墨纸位于下垫板上端面和超大型冷板下表面之间。
作为一种选择，超大型冷板在上方管下端面的垂直投影位于上方管下端面区域内；超大型冷板在下方管上端面的垂直投影位于下方管上端面区域内。
作为一种选择，所述弹性装置为多根相互独立且完全相同的圆柱弹簧，多根圆柱弹簧平行、等间隔排列且轴线垂直于超大型冷板上表面。
作为一种选择，超大型冷板真空钎焊用工装还包括螺杆、上卡板和下卡板，其中，
多块所述上卡板间隔布置在上方管上方；
多块所述下卡板间隔布置在下方管下方；
多根所述螺杆贯穿上卡板和下卡板，螺杆的两端分别设置有锁紧螺母。
作为一种选择，超大型冷板真空钎焊用工装中，
所述中垫板有多块，多块中垫板依次拼接在一个平行于超大型冷板上表面的平面内，即通过多块小尺寸的中垫板逐一拼接组合成一个大平面用于与超大型冷板上表面接触；
所述中垫板也可以有多层，当中垫板厚度较薄时，为避免在超大型冷板上表面压出痕迹，可以在垂直于超大型冷板上表面方向堆叠多层中垫板，每一层中垫板由多块小尺寸的中垫板拼接而成，层与层之间可以错开拼接缝；
所述上垫板有多块，多块上垫板依次拼接在一个平行于超大型冷板上表面的平面内，即通过多块小尺寸的上垫板逐一拼接组合成一个大平面；
所述上垫板可以有多层，多层上垫板沿着垂直于超大型冷板上表面方向堆叠；
所述下垫板有多块，多块下垫板依次拼接在一个平行于超大型冷板下表面的平面内，即通过多块小尺寸的下垫板逐一拼接组合成一个大平面；
所述下垫板可以有多层，多层下垫板沿着垂直于超大型冷板下表面方向堆叠。
作为一种选择，超大型冷板真空钎焊用工装中，
多根所述上方管平行于超大型冷板的长度或宽度方向，相邻两根上方管之间有间隔间隙或相互紧贴；
多根所述下方管平行于超大型冷板的长度或宽度方向，相邻两根下方管之间有间隔间隙或相互紧贴。
作为一种选择，上方管和下方管为截面尺寸和空腔尺寸完全一致的钢管，但当超大型冷板的温度场均匀性较差时(例如超大型冷板中间位置的温度超出两端位置温度过大)，可以改变中间位置处对应上方管和下方管的截面大小(通常是改变上方管和下方管的宽度或长度，但保持高度不变)或空腔大小(空腔截面的形状或尺寸)，从而缩小超大型冷板中间位置和两端位置的温度差值，其原理是改变上方管(下方管)截面中金属材料和空气(空腔)的分布密度，从而改变导热效率。例如，超大型冷板两端的散热较快，温度相对中间位置更低，此时可以考虑降低上方管(下方管)两端位置的金属材料密度，增大空气(空腔)密度，从而改变超大型冷板的温度均匀性。
一种超大型冷板真空钎焊方法，包括超大型冷板的装夹和真空炉中的升温、降温，
所述超大型冷板的装夹采用前述的真空钎焊用工装装夹后整体放入真空炉；
所述真空炉中的升温、降温按照以下方式进行，炉温→360℃→470℃→530℃→570℃→615℃→608℃→603℃。
作为一种选择，各升温、降温阶段的要求包括：
(1)炉温→360℃阶段，升温30min；在360℃保温时间：60～90min、真空度：＞2.0×10-2；
(2)360℃→470℃阶段，升温20min；在470℃保温时间：120～150min、真空度：＞7.5×10-3；
(3)470℃→530℃阶段，升温20min；在530℃保温时间：120～150min、真空度：＞6.7×10-3；
(4)530℃→570℃阶段，升温20min；在570℃保温时间：170～190min、真空度：＞5.7×10-3；超大型冷板最低温度不低于555℃；
(5)570℃→615℃阶段，升温30min；在615℃保温时间：35～40min；超大型冷板最低温度达到582℃，最高温度不超过600℃；
(6)615℃→608℃阶段，降温5min；在608℃保温时间：25～30min；超大型冷板最低温度达到590℃，最高温度不超过600℃；
(7)608℃→603℃阶段，降温5min；在603℃保温时间：20～25min；超大型冷板最低温度达到593℃时即可断电降温。
本发明成功的实现了雷达阵面电子元器件用大尺寸(长度大于2000mm，宽度大于900mm，厚度大于50mm)冷板的真空钎焊，降低了大型冷板的生产难度，提高了该类产品的焊接质量，实现了超大型冷板的生产。
与现有技术相比较，本发明的真空钎焊方法和真空钎焊用工装具备以下特点：
(1)、长形方钢管(矩形截面的空腔钢管，包括上方管和下方管)代替了传统的整块钢板，大大减轻了工装的重量，减小了装配和进炉的难度；
(2)、多块方钢管(上方管由多根方管拼接组成，下方管由多根方管拼接组成)的拼接使用增加了焊接过程中的应力释放点，使得超大型冷板的焊后变形减小，降低了焊后校正的难度，多根上方管(或多根下方管)之间的拼接面上无连接件约束，面贴面拼接即可；
(3)、多层或多块垫板(上垫板、中垫板和下垫板由多层板材按照垂直于超大型冷板上表面或下表面方向堆叠的方式放置，每一层板材分别由多块小尺寸的板材拼接而成)的使用弥补了大面积平面度问题，如果采用整块的垫板(平面度大)，会造成部分区域压力不均，而单层拼接垫板跨度小，平面度相对比较均匀，每层垫板的拼接增加了焊接过程中超大型冷板及工装的应力释放，当采用多层垫板方式时，层与层之间的间隙能够便于应力释放，层与层之间的表面摩擦力更加均匀，不会集中在某一个特定方向；
(4)、多层石墨纸的使用减小了超大型冷板与垫板之间的摩擦，使得超大型冷板焊接过程中变形应力得以释放，最终减小产品的焊接变形量；
(5)、带有空腔的方钢相对整块实心钢板吸热大大减少，整个过程热量损失减小，减少了钎焊时间，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明中超大型冷板与工装装配时超大型冷板宽度方向的示意图；
图2是本发明中超大型冷板与工装装配时超大型冷板长度方向的示意图；
图3是本发明中钎焊工艺路线图；
图4是现有普通尺寸冷板装配工装示意图；
图中：1.弹性装置，2.上方管，3.上卡板，4.下方管，5.下卡板，6.螺杆，7.下垫板，8.上垫板，9.下石墨纸，10.中垫板，12.上石墨纸。
具体实施方式
下面结合说明书附图进一步描述本发明的实施方式，但本发明的权利要求保护范围并不局限于本实施例中列举的内容。
本实施例中以尺寸为长2489x宽950x高60mm的超大型冷板为例，详细说明本发明的真空钎焊方法和真空钎焊用工装。
本实施例中的真空钎焊用工装钎焊工装从上到下依次为上卡板3、上方管2、1层上垫板8、弹性装置1、2层中垫板10、上石墨纸12、下石墨纸9、1层下垫板7、下方管4和下卡板5，弹性装置1由多个独立的圆柱弹簧组合而成，工装整体加压，中垫板10由2层垫板拼接而成，共计4层垫板，垫板均为不锈钢材质，上垫板8、中垫板10和下垫板7均采用3块小尺寸的垫板拼接为一整个平面的大垫板(即将图2中所示的垫板按照整块长度拆分为3块小垫板，小垫板与小垫板之间没有刚性连接，直接边对边拼接)。超大型冷板上、下表面各放置一层石墨纸。上卡板3和下卡板5的两端采用螺杆6进行连接作为压紧结构，上方管2和下方管4减轻装配重量的同时减小了焊接热量损失，实现超大型冷板的装配。每个独立的圆柱弹簧在整体加压时独立压紧产品的不同区域，多个均匀放置的圆柱弹簧既能保证受压时弹簧处于压紧状态，又能保证超大型冷板在焊接时均匀受压。装配时超大型冷板上、下表面放置石墨纸，在减小超大型冷板焊接变形量的同时降低了校正的难度。装配时，最终必须采用千斤顶独立加压方式进行加压，该方法不仅解决了现有压力机量程问题，还能保证每个圆柱弹簧均处于压紧状态。
如图4所示，为普通尺寸的冷板装配方式，现有的普通冷板装配采用上、下盖板(实心的整块不锈钢板)加弹簧即可，这样的装配方式针对小型冷板是可行的，但是针对超大型冷板基本无法实施，其原因在于：
1、工装极重(仅上、下盖板重量就达2.5t)，装卡困难；
2、工装吸热比重大，耗能高，升温速度慢；
3、上、下盖板面积大，平面度难以保证，加工成本高；
4、弹簧的受压状态不均匀，尤其是工装的中部位置。
图2和图3为本发明的真空钎焊工装设计图，该工装结构采用各部位弹簧独立压紧设计，该工装包括弹性装置1，共计960个小号圆柱弹簧(圆柱弹簧的钢丝直径3mm，有效圈数4圈，外径23mm，高度24mm)，上、下方钢各5根(5根上方管2、5根下方管4)，上、下卡板各8块(8块上卡板3、8块下卡板5)，16根螺杆6，上、下垫板各1块(1块下垫板7、1块上垫板8)，2块中垫板10，一层上石墨纸12和一层下石墨纸9。
其中，上方管2和下方管4为外形尺寸相同的矩形截面空腔不锈钢钢管，空腔的外形和尺寸也都相同，5根上方管2平行紧密排列(方管与方管之间接触面紧贴，但二者之间没有刚性连接)，且5根上方管2拼接而成的下端面尺寸(长和宽)大于超大型冷板的尺寸(长和宽)，5根下方管4平行紧密排列，且5根下方管4拼接而成的下端面尺寸(长和宽)大于超大型冷板的尺寸(长和宽)。
装配时，将16根螺杆6用扳手拧紧，并配合千斤顶对下卡板5施压(千斤顶放置在上卡板3和下卡板5之间，通过统一调整千斤顶的顶升行程，使得多个上卡板3和下卡板5之间的距离相等，拧紧螺杆6两端的锁紧螺母时能够受力均匀，确保所有圆柱弹簧均匀压紧后拆除千斤顶)，直至960个等间隔、独立分布的圆柱弹簧压紧。采用多个小号圆柱弹簧独立压紧是为了解决该类超大型冷板工装焊接变形导致钎焊过程各部位受力不均的问题。将传统的整块不锈钢板拆分为多个不锈钢单元，考虑高温热变形，将这些不锈钢单元用上方管2或下方管4代替，并在上方管2或下方管4超大型冷板之间添加垫板(中垫板10和下垫板7)，用垫板减小大面积的平面度问题。上述装配方式存在以下优点：
(1)、长形方钢(矩形截面的空腔钢管，包括上方管2和下方管4)代替了传统的整块钢板，大大减轻了工装的重量，减小了装配和进炉的难度；
(2)、多块方钢(上方管2由多根方管组成，下方管4由多根方管组成)的拼接使用增加了焊接过程中的应力释放点，使得超大型冷板的焊后变形减小，降低了焊后校正的难度；
(3)、多层垫板(中垫板10和下垫板7均由多块整体板材按照垂直于超大型冷板上表面或下表面方向堆叠的方式放置)的使用弥补了大面积平面度问题，每层垫板的拼接也增加了焊接过程超大型冷板及工装的应力释放；
(4)、多层石墨纸的使用减小了超大型冷板与垫板之间的摩擦，使得超大型冷板焊接过程中变形应力得以释放，最终减小产品的焊接变形量；
(5)、带有空腔的方钢相对整块实心钢板吸热大大减少，整个过程热量损失减小，减少了钎焊时间，降低了生产成本。
采用了上述钎焊工装装配超大型冷板后的真空钎焊方法设计如下：
真空焊接工艺升温、降温曲线按照下述路线实施：炉温→360℃→470℃→530℃→570℃→615℃→608℃→603℃(这里的温度均为真空炉的设置炉温)，其中，各升温和降温阶段的要求如下：
(1)炉温(真空炉的初始温度)→360℃阶段，升温30min；在360℃保温时间：60～90min、真空度：＞2.0×10-2；
(2)360℃→470℃阶段，升温20min；在470℃保温时间：120～150min、真空度：＞7.5×10-3；
(3)470℃→530℃阶段，升温20min；在530℃保温时间：120～150min、真空度：＞6.7×10-3；
(4)530℃→570℃阶段，升温20min；在570℃保温时间：170～190min、真空度：＞5.7×10-3；超大型冷板最低温度不低于555℃；
(5)570℃→615℃阶段，升温30min；在615℃保温时间：35～40min；超大型冷板最低温度达到582℃，最高温度不超过600℃；
(6)615℃→608℃阶段，降温5min；在608℃保温时间：25～30min；超大型冷板最低温度达到590℃，最高温度不超过600℃；
(7)608℃→603℃阶段，降温5min；在603℃保温时间：20～25min；超大型冷板最低温度达到593℃时即可断电降温。
需要说明的是，上述(1)～(7)中的升温(降温)时间是指初始温度到目标温度设定时间，例如570℃→615℃阶段，升温30min是指从炉温570℃到615℃耗时30min。
需要说明的是，上述(1)～(7)中的保温时间是指在同时满足真空炉温度设定值和超大型冷板测量温度上(下)限温度值时的保温时间，例如在608℃保温时间：25～30min的意思是，真空炉温度保持在608℃且超大型冷板最低温度达到590℃，最高温度不超过600℃时的保温时间。
采用本发明的工装装配和真空升温、降温路线一次性将超大型冷板(外形尺寸为长2489x宽950x高60mm)焊接成功，且连续焊接3件均通过超声检测及压力检测，成为国内乃至亚洲第一家一尺性成功焊接超大冷板的案例。本发明中将传统的整体钢板和垫板拆分为多块拼接钢管和多块拼接垫板(垫板还可以是多层)，减轻了工装重量，增加了应力释放点，减小了焊接变形。
上述实施例并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案基础上所做出的变形、修饰或等同替换等，均应落入本发明的保护范围内。
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