本發(fā)明涉及一種適合用于石油化工、航空航天、燃氣輪機、高溫氣冷堆等具有高溫高壓服役要求領(lǐng)域的不銹鋼換熱器,具體地說是涉及該換熱器芯體的擴散焊工藝方法。
背景技術(shù):
緊湊高效換熱器在石油化工、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用。在特殊服役環(huán)境,如高溫氣冷堆,換熱器服役溫度達到了約600℃,壓力達到了約7MPa,還需要承受循環(huán)熱應(yīng)力,且具有高換熱性能、緊湊性,這些要求均限制了緊湊高效換熱器在類似惡劣工況下的使用。板翅式換熱器由疊加釬焊而成,高溫高壓服役能力有限,而擴散焊的印刷電路板換熱器表現(xiàn)出來優(yōu)異的耐高溫高壓特性,由此增加印刷電路板換熱器的耐高溫高壓能力和提高傳熱系數(shù),有重要意義。
擴散焊是在一定的溫度和壓力下使待焊表面相互接觸,通過微觀塑性變形或通過在待焊表面上產(chǎn)生的微量液相而擴大待焊表面的物理接觸,然后經(jīng)過較長時間的原子相互擴散來實現(xiàn)結(jié)合的一種焊接方法,主要通過控制焊接溫度、擴散時間、壓力等工藝參數(shù)來實現(xiàn)。焊接時間變長,接頭焊合率提高,但是過長的保溫時間會使接頭區(qū)域生成脆性相,而導(dǎo)致接頭力學性能下降。壓力變大有利于提高焊接質(zhì)量,但是過高的壓力容易造成芯體變形,因此擴散焊工藝受這些工藝參數(shù)影響很大。由于不銹鋼擴散焊溫度非常高,在該環(huán)境下很難得到穩(wěn)定的夾持壓力,擴散焊升降溫速度受工裝影響較大、裝配精度不高,而且不銹鋼擴散焊過程中容易出現(xiàn)脆性相,這些都容易產(chǎn)生焊接缺陷,導(dǎo)致成品率降低。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
基于上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種換熱器芯體的擴散焊工藝。
本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
一種換熱器芯體的擴散焊工藝,包括以下步驟:
(1)焊前預(yù)處理:將組裝好的換熱器芯體送入擴散焊爐,將爐內(nèi)抽真空至0.01Pa之下;
(2)擴散焊:以15-20℃/min速率升溫到800-850℃,保溫30min;隨后以10-15℃/min速率升溫到1100-1150℃,保溫3h,前2h保持之前所施加的壓力8-9.5MPa,后1h降低到4-6MPa;隨后真空冷卻至室溫;
(3)焊后熱處理:將換熱器芯體溫度升高至1150-2000℃,保溫超過20h,隨后以水淬火方式降溫。
上述步驟(1)中,換熱器芯體是由617合金加工而成。
優(yōu)選的,步驟(1)中:所述換熱器芯體包括上金屬蓋板、下金屬蓋板和若干個中間金屬板,在上金屬蓋板的底面、下金屬蓋板的頂面和中間金屬板的頂?shù)變擅婢v向蝕刻第一半圓孔結(jié)構(gòu),橫向蝕刻第二半圓孔結(jié)構(gòu),上金屬蓋板、若干個中間金屬板和下金屬蓋板上下依次疊放組裝;組裝完成后,上下相鄰中間金屬板之間、最上方中間金屬板與上金屬蓋板之間以及最下方中間金屬板與下金屬蓋板之間的第一半圓孔結(jié)構(gòu)對應(yīng)組合成第一圓孔,第二半圓孔結(jié)構(gòu)對應(yīng)組合成第二圓孔。
優(yōu)選的,所述上金屬蓋板、下金屬蓋板和若干個中間金屬板均是由617合金加工制成的。
優(yōu)選的,所述換熱器芯體在焊接工裝中進行組裝,所述焊接工裝包括頂蓋、底座、裝配夾具和控壓質(zhì)量塊,所述裝配夾具與底座可拆分連接,在裝配夾具內(nèi)疊放換熱器芯體部件,底座與頂蓋之間采用螺栓連接,在螺栓的頂部設(shè)置有用于提供給換熱器芯體部件預(yù)緊力的緊固螺母,在頂蓋的中部設(shè)置有控壓孔,在控壓孔處設(shè)置有活動壓板,所述控壓質(zhì)量塊放置在活動壓板的上方,所述頂蓋和底座之間還設(shè)置有定位桿,在頂蓋和底座的邊緣處設(shè)置有與定位桿相適配的定位孔,組裝過程按以下步驟進行:
a將裝配夾具裝入底座,并且安裝螺栓;
b在裝配夾具內(nèi)從下至上依次疊加下金屬蓋板、中間金屬板和上金屬蓋板,并且放置定位桿;
c將頂蓋對準定位桿和螺栓,運用數(shù)顯扭力扳手安裝螺母;
d取出裝配夾具;
e放置活動壓板和控壓質(zhì)量塊。
優(yōu)選的,所述上金屬蓋板、下金屬蓋板和中間金屬板在采用焊接工裝組裝前用電沉積方法在表面添加3.5μm純鎳層。
優(yōu)選的,步驟(3)中:所述焊后熱處理在高溫真空爐中進行。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
(1)本發(fā)明提出了一套擴散焊工藝,該工藝包括焊接溫度、擴散時間、壓力等參數(shù)控制,同時加入了擴散焊后熱處理,減少了擴散焊中容易出現(xiàn)的脆性相,提高了換熱器芯體的焊接接頭的質(zhì)量。
(2)本發(fā)明設(shè)計了一種緊湊高效換熱器芯體,采用該換熱器芯體制成的換熱器耐高溫高壓性能優(yōu)異,同時具有高傳熱性能,能滿足特殊領(lǐng)域的需求。
(3)本發(fā)明還設(shè)計了針對上述換熱器芯體用于擴散焊的組裝焊接一體的焊接工裝,該工裝可以滿足裝配精度要求,同時在擴散焊的高溫焊接溫度下提供穩(wěn)定的壓力,減少芯體變形,以滿足焊接要求,提高成品率,而且芯體在焊接時能夠快速升降溫,減小了焊接工裝的影響。
附圖說明
下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明所涉及換熱器芯體中間金屬板的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明所涉及換熱器芯體上金屬蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明所涉及換熱器芯體下金屬蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本發(fā)明所涉及換熱器芯體組合后的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為本發(fā)明所涉及焊接工裝的整體結(jié)構(gòu)示意圖,圖中示出未加入芯體的情形;
圖6為本發(fā)明所涉及焊接工裝的整體結(jié)構(gòu)示意圖,圖中示出加入芯體的情形;
圖7為本發(fā)明所涉及焊接工裝中頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8為本發(fā)明所涉及焊接工裝中底座的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9為本發(fā)明所涉及焊接工裝中裝配夾具的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖10為本發(fā)明所涉及焊接工裝中控壓質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖11為本發(fā)明所涉及焊接工裝中采用的螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種不銹鋼換熱器芯體的擴散焊工藝方法,通過該工藝方法并結(jié)合自制焊接工裝可以很好的提高焊接接頭的質(zhì)量,減少焊接缺陷,提高成品率。同時,本發(fā)明還對換熱器芯體的結(jié)構(gòu)進行了獨特設(shè)計,采用該換熱器芯體制備的換熱器具有很高的換熱效率和緊湊性,可以在高溫高壓下服役,適合特殊場合下使用。
在進行擴散焊工藝的說明之前,有必要先對換熱器芯體及自制焊接工裝的結(jié)構(gòu)進行詳細介紹。
如圖1-4所示,一種緊湊高效換熱器芯體,包括上金屬蓋板1、下金屬蓋板2和若干個中間金屬板3。在上金屬蓋板1的底面、下金屬蓋板2的頂面和中間金屬板3的頂?shù)變擅婢v向蝕刻第一半圓孔結(jié)構(gòu)4,橫向蝕刻第二半圓孔結(jié)構(gòu)5。上金屬蓋板1、若干個中間金屬板3和下金屬蓋板2上下依次疊放。疊放組合后,如圖4所示,上下相鄰中間金屬板之間、最上方中間金屬板與上金屬蓋板之間以及最下方中間金屬板與下金屬蓋板之間的第一半圓孔結(jié)構(gòu)對應(yīng)組合成第一圓孔,第二半圓孔結(jié)構(gòu)對應(yīng)組合成第二圓孔。第一圓孔的孔徑大于第二圓孔的孔徑。
上述第一半圓孔結(jié)構(gòu)4在上金屬蓋板1的底面、下金屬蓋板2的頂面和中間金屬板3的頂?shù)變擅娴乳g隔布設(shè),相鄰第一半圓孔結(jié)構(gòu)4之間形成分隔脊梁6,所述第二半圓孔結(jié)構(gòu)5在分隔脊梁6上等間隔布設(shè)。
上述上金屬蓋板1、下金屬蓋板2和若干個中間金屬板3均是由617合金加工制成的。
617合金的各元素含量如下表1所示。
表1
本發(fā)明所設(shè)計的換熱器芯體各部件(上金屬蓋板1、下金屬蓋板2和中間金屬板3)采用橫向與縱向均化學蝕刻的半圓孔結(jié)構(gòu),因而有很強的破壞邊界層的能力,可增強流體的擾動,提高換熱性能。同時換熱器芯體組合后,第一半圓孔結(jié)構(gòu)可組合成第一圓孔孔結(jié)構(gòu),第二半圓孔結(jié)構(gòu)可組合成第二圓孔孔結(jié)構(gòu),由于光滑的圓孔孔結(jié)構(gòu),有利于減小應(yīng)力集中,因而具有很好的耐高溫高壓的能力。
由于焊接溫度在1120℃左右,只有螺栓預(yù)緊或者彈簧預(yù)緊不能滿足擴散焊中穩(wěn)定的壓力要求,同時由于第二半圓孔結(jié)構(gòu)5等的微通道結(jié)構(gòu),對裝配精度要求較高,因而需要新型的焊接工裝。
如圖5-11所示,一種焊接工裝,用于上述緊湊高效換熱器芯體的組裝焊接,包括頂蓋7、底座8、裝配夾具9和控壓質(zhì)量塊10。所述裝配夾具9與底座8為可拆分連接,在裝配夾具9內(nèi)疊放換熱器芯體各部件(從下至上依次放置下金屬蓋板2、中間金屬板3和上金屬蓋板1),底座8與頂蓋7之間采用螺栓11連接,在螺栓11的頂部設(shè)置有用于提供給換熱器芯體部件預(yù)緊力的緊固螺母。在頂蓋7的中部設(shè)置有控壓孔,在控壓孔處設(shè)置有活動壓板12,用于放置控壓質(zhì)量塊10。所述控壓質(zhì)量塊10放置在活動壓板12的上方??貕嘿|(zhì)量塊10用于調(diào)節(jié)壓力,因為在焊接高溫下螺栓的預(yù)緊力容易松弛,這時需要利用控壓質(zhì)量塊來調(diào)節(jié)壓力,在焊接后期也可以減小控壓質(zhì)量塊施加的壓力,這樣有利于減小芯體變形,提高焊接質(zhì)量。
作為對本發(fā)明的進一步設(shè)計,所述頂蓋7和底座8之間還設(shè)置有定位桿13,在頂蓋7和底座8的邊緣處設(shè)置有與定位桿13相適配的定位孔14。定位桿13從定位孔14中穿過,可以防止頂蓋7和底座8在水平方向錯位。
更進一步的,上述裝配夾具9包括底板901,在底板901的上方周邊豎向設(shè)置有若干個限位直板902和限位角板903,限位直板902和限位角板903圍攏成用于適合放置換熱器芯體各部件的空間。在底座8上設(shè)置有與限位直板902相適配的直孔801,以及與限位角板903相適配的角孔802。裝配夾具與底座采用插接的可拆分方式連接。
進一步的,所述螺栓11包括第一柱體1101和第二柱體1102,第一柱體1101的底端與底座8固定連接,第一柱體1101的頂端與第二柱體1102的底端連接,第二柱體1102上的局部位置設(shè)置有與螺母相適配的外螺紋。第一柱體1101的直徑大于第二柱體1102的直徑,在第一柱體1101和第二柱體1102的連接處形成有限位臺。該螺栓11可以給予一定的預(yù)緊力,使得組成換熱器芯體的各板體緊密連接,同時設(shè)置粗細兩部分,形成有限位臺,可以防止在焊接過程中,組成換熱器芯體的各板體在豎直方向的過度變形。
更進一步的,所述底座8和活動壓板12均采用鏤空設(shè)計,在不影響強度的條件下,降低了工裝的熱容量,提高了升溫降溫的速度,減少了焊接缺陷。
本發(fā)明換熱器芯體的擴散焊工藝,包括以下步驟:
(1)焊前預(yù)處理:將組裝好的換熱器芯體送入擴散焊爐,擴散焊前將爐內(nèi)抽真空至0.01Pa之下。
(2)擴散焊:以15-20℃/min速率升溫到800-850℃,保溫30min,使得芯體各部位溫度均勻;隨后以10-15℃/min速率升溫到1100-1150℃,以此溫度為617合金的最佳焊接溫度,保溫約3h,前2h保持之前所施加的壓力8-9.5MPa,后1h降低到4-6MPa,這樣有助于減小芯體變形,提高焊接質(zhì)量;隨后快速真空冷卻至室溫。
(3)焊后熱處理:在高溫真空爐中將換熱器芯體溫度升高至1150-2000℃,保溫超過20h,隨后以水淬火方式快速降溫,以減少接頭處脆性相,提高焊接接頭力學性能。
下面對本發(fā)明換熱器芯體的焊接總過程進行說明:
1.對組裝成換熱器芯體的各金屬板(上金屬蓋板1、下金屬蓋板2和若干個中間金屬板3)表面進行常規(guī)的除氧化層、除油、清洗、烘干處理。
2.在上金屬蓋板1、下金屬蓋板2和若干個中間金屬板3的表面用電沉積方法添加約3.5μm純鎳層。
3.組裝:用自行研制的組裝焊接一體工裝,進行金屬板組裝后夾持牢固,以防止金屬板之間的錯位,并且可根據(jù)擴散焊工藝要求進行夾緊力的調(diào)節(jié),保證焊接的質(zhì)量。具體步驟如下:
a將裝配夾具裝入底座,并且安裝螺栓。
b在裝配夾具內(nèi)從下至上依次疊加下金屬蓋板、中間金屬板和上金屬蓋板,并且放置定位桿。
c將頂蓋對準定位桿和螺栓,其中螺栓下端較粗、上端較細,在較細部分頂端設(shè)置部分螺紋,運用數(shù)顯扭力扳手安裝螺母,給予裝配夾具一定夾持力。
d取出裝配夾具。
e放置活動壓板和控壓質(zhì)量塊。
4.擴散焊:
(1)將組裝好的換熱器芯體送入擴散焊爐,擴散焊前將爐內(nèi)抽真空至0.01Pa之下。
(2)以15-20℃/min速率升溫到800-850℃,保溫30min,使得芯體各部位溫度均勻;后以10-15℃/min升溫到1100-1150℃/min,以此溫度為617合金的最佳焊接溫度,保溫約3h,1100-1150℃保溫區(qū),前2h保持之前所施加的壓力8-9.5MPa,后1h降低到4-6MPa,這樣有助于減小芯體變形,使原子充分擴散,提高焊接質(zhì)量;前期壓力較高,可以使接頭界面緊密結(jié)合,提高界面接觸面積,后期壓力降低,有助于減少芯體的整體變形,提高焊接質(zhì)量。保溫完成后,快速真空冷卻至室溫。
(3)焊后熱處理,在1150-2000℃左右,保溫20h以上,以水淬火方式快速降溫,以減少接頭界面處的脆性相,提高焊接接頭力學性能。
上述焊后熱處理過程在高溫真空爐中進行。
上述焊后熱處理過程中采用水淬火降溫方式與爐冷和空氣冷卻對最終成品的力學性能影響,數(shù)據(jù)對比如下表2所示,保持其他條件一致。
表2
根據(jù)表2中的對比數(shù)據(jù)可看出,采用水淬火快速降溫的方式相比于爐冷和空氣冷卻可顯著提高最終成品的力學性能。
上述方式中未述及的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容采取或借鑒已有技術(shù)即可實現(xiàn)。
需要說明的是,在本說明書的教導(dǎo)下,本領(lǐng)域技術(shù)人員所作出的任何等同替代方式,或明顯變型方式,均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。