CN101301714B - 不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊夹具及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊的夹具，其特征在于由上夹板(1)、下夹板(2)、螺栓(3)、螺母(4)和压力容器(5)组成。其中螺栓(3)和螺母(4)用来夹紧上夹板(1)和下夹板(2)，上夹板(1)和下夹板(2)之间放置不锈钢板翅式换热器的芯体；压力容器(5)直接平放在上夹板(1)上；容器内部充氩气，氩气在高温下膨胀将产生均匀的压力，使得芯体的装备元件能够紧密接触，确保板翅式换热器的芯体的焊接质量。本发明能够满足不锈钢板翅式换热器芯体的制造要求，在高温下能够产生均匀的压力，大大提高产品的合格率。

Description

不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊夹具及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种夹具及其制造工艺，尤其涉及一种不锈钢板翅式换热器芯体钎焊专用的高温钎焊夹具及其制造工艺。

背景技术

板翅式换热器是热交换器的一种，它具有导热效率高、体积小、重量轻强度高等特点，在石油化工、原子能、核电等工业上得到越来越广泛的使用。板翅式换热器的芯体都是由翅片、隔板、封条和导流片组成。在翅片上下两端各放一金属平板(隔板)，两边以边缘封条密封就组成了一个基本单元。隔板与翅片、封条之间预置钎料箔片。钎料的熔点比母材低，在钎焊温度下钎料合金熔化而使翅片、隔板、封条焊接成一个整体。

由于板翅式换热器芯体是由多层翅片、隔板、钎料以及封条组合而成，因此钎焊时需要用夹具将产品夹紧，防止钎焊过程中零件的错位，焊后才能够获得具有良好焊接质量、良好产品形状和尺寸的产品，因此，夹具设计是板翅式换热器芯体制造过程中的重要环节。

过去的铝制板翅式换热器芯体制造过程中所使用的夹具，一般由上模、下模和螺栓等零件组成。采用螺栓压紧，使得夹具获得一定的压力。但实际制造过程中发现，仅采用螺柱压紧，钎料熔化后起夹具不到压紧作用。于是在螺柱上安装弹簧，装配时预先给定一定的压紧量，这样在钎焊过程中，弹簧使产品处于压紧状态。1997年，《航空工艺技术》杂志在第三期发表了题为《板翅式换热器芯体焊接夹具设计》，详细介绍了盐浴钎焊铝制板翅式换热器芯体钎焊夹具设计及改进技术。但是这一方法仅适用于铝制板翅式换热器的钎焊(其钎焊温度为590℃～610℃)。对于不锈钢板翅式换热器的芯体，一般采用镍基钎料，钎焊温度高达1100℃。在如此高的温度下，假如采用传统夹具，螺栓和弹簧的预紧力会因高温蠕变松弛而释放，夹具会失去弹性处于“松垮”状态，造成装配元件的错位。钎料熔化后无夹紧力，不能使零件间保持钎焊毛细作用所要求的较小间隙而影响焊接质量，并造成产品“脱焊”，造成产品的报废，使产品的成品率大大降低。因此，人们希望找到一种在高温下仍能够产生均匀的压力，适用于不锈钢板翅式换热器芯体高温封装用的夹具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术在高温下夹具夹紧力松弛的不足，提供一种不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊夹具，本发明的另一目的是提供了上述夹具的制备工艺。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊的夹具，其特征在于由上夹板1、下夹板2、螺栓3、螺母4和压力容器5组成。其中螺栓3和螺母4用来夹紧上夹板1和下夹板2，上夹板1和下夹板2之间放置板翅式换热器的芯体；压力容器5直接平放在上夹板1上；容器内部充氩气，氩气在高温下膨胀将产生均匀的压力，使得芯体的装备元件能够紧密接触，确保板翅式换热器的芯体的焊接质量。

其中所述的压力容器直接平放在上夹板上，底部中心与上夹板上表面中心必须重合。压力容器底部以及上夹板表面须平整光滑，无变形，表面粗糙度为0.02～0.08μm，平面度为0.02～0.08μm，确保容器底部和上夹板充分接触。

上述的压力容器由封头6、底盘7以及接管8组成。压力容器的封头形状为球冠形，承载能力强，安全可靠。

上述的夹具材料为耐高温抗蠕变性能好的合金，如HP40(25Cr-35Ni)，KHR45A(32Cr-43Ni)，KHR SA(30Cr-48Ni-13W)等。

本发明的另一技术方案还提供了上述夹具的制造工艺，其具体步骤如下：

(1)选择耐高温合金加工上下夹板；

(2)选择耐高温合金加工螺栓和螺母；

(3)压力容器的制造：

(a)球冠形压力容器的设计

(b)球冠形压力容器的封头制作

(c)氩气进口接管开孔

(d)球冠形容器底盘制作

(e)封头与底盘的焊接

(f)氩气进口接管焊接

(g)气密试验和压力试验

(4)将压力容器安装在上夹板上。

其中所述的压力容器是用经过焊接制造而成；焊前需进行预热，预热温度为600～640℃；用加热带进行加热，并用智能温控仪进行控制，加热速度为160～220℃/h，加热到600～640℃时恒温；焊完后进行保温暖冷，冷却速度为130～160℃/h。冷却至40～60℃后，在空气中缓慢冷却。焊缝金属热输入不可过高，层间温度控制在20～60℃。

所述的压力容器必须经过焊后消应力处理后方能够使用。

上述压力容器的封头与底盘的焊接坡口采用外坡口，角度为40～60°；氩气进口接管焊接角度为45～60°。

球冠形容器的设计过程中，球冠形压力容器按照《GB150钢制压力容器》标准设计，并用有限元法对球冠形容器进行高温下的应力分析与强度较核，并考虑高温蠕变的影响，确保容器在高温下安全运行。

球冠形压力容器的封头制作：选择耐高温抗蠕变性能好的合金加工球冠形封头，板材最好为一块无缝板，经着色检验、超声波检验合格后，按照《钢制压力容器用封头》(JB/T4746-2002)标准压制。

球冠形容器底盘制作：底盘按照设计图纸加工，底盘表面质量良好，无变形。

封头与底盘的焊接：

(1)坡口：坡口采用外坡口，角度为40～60°，如图2所示，确保全焊透。

(2)焊接方法：钨极氩弧焊。

(3)焊条：采用母材化学成分相当的焊条。

(4)为减少氢、氮、空气、水分对焊缝的影响，氩气纯度为99.99％，并保证氩气流量适合焊接。

(5)焊条使用前要烘干。

(6)焊前必须对坡口及其两侧进行认真清理，并用丙酮进行清洗，去除母材表面的油污、油漆、氧化膜、灰尘等杂质。

(7)加工坡口时，用专用不锈钢砂轮片进行打磨，禁止用碳钢等对母材造成污染的砂轮打磨。

(8)为减小焊接残余应力，焊前需进行预热，预热温度为600～640℃。用加热带进行加热，并用智能温控仪进行控制，加热速度为160～220℃/h，加热到600～640℃时恒温。试件离开加热带后立即焊接，并用温控仪监测其温度。

(9)为防止未熔合、气孔等缺陷，焊接过程中焊条应适当摆动。焊枪的摆动幅度、摆动频率、焊接速度以及边缘停留时间应配合得当，动作协调一致。

(10)打底焊时，应将容器内部充高纯氩气，将容器内部空气置换干净才能进行焊接。

(11)氩弧焊焊接过程中，焊丝不能和钨极接触，焊丝端部不得脱离保护区。

(12)焊接时在整个焊接过程中不停顿，一次连续焊完，焊完后进行保温暖冷，冷却速度为130～160℃/h。冷却至40～60℃后，在空气中缓慢冷却。

(13)焊缝金属热输入不可过高，层间温度控制在20～60℃。

(14)焊缝每一层的引弧处和熄弧处要错开，以免造成接头缺陷重叠，影响焊缝质量。

(15)焊条电弧焊填充盖面时，采用小电流短弧焊接，适当摆动，以搅动粘稠的熔池，防止气孔、夹杂、咬边等缺陷的产生。

(16)焊接质量检验与控制：为确保焊接质量，防止缺陷产生，每道焊缝焊完后需将氧化皮、飞溅等打磨干净，然后进行着色检验，无缺陷才能够进行后续焊缝的焊接。最终焊缝表面需打磨光滑，无焊瘤、咬边、飞溅等缺陷。

氩气进口接管焊接：氩气进口接管焊接角度为45～60°，焊接坡口详图见图3所示，焊接方法与质量控制同上。

气密试验和压力试验：

根据《压力容器安全技术监察规程》进行气密和水压试验。

以上步骤完成后即得成品。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点在于设计了一种高温下仍能够产生均匀压力的夹具，充分保证翅片、钎料、隔板之间紧密配合，使得元素充分扩散，防止产生“脱焊”，提高母材和钎料之间的焊接率。夹具施加的应力，可以使金属表面发生晶格发生变形，促使其固相再结晶。随着压力增加，可使足够的金属粒子发生晶间反应，增加焊缝强度。施加压力时，可有效排挤焊缝中的气体和其他杂质，避免缺陷产生，降低应力。此发明用于不锈钢板翅式换热器芯体的钎焊，保证了焊接质量，提高了产品服役的可靠性。

附图说明

图1为不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊夹具示意图，其中1-上夹板，2-下夹板，3-螺栓，4-螺母，5-压力容器。

图2为球冠封头与底盘焊接坡口示意图。

图3为氩气接管焊接坡口示意图。

图4为压力容器示意图，其中6-球冠形封头，7-底盘，8-氩气接管

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步详细介绍。

实施例：如图1所示，一种不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊用的夹具，由上夹板1、下夹板2、螺栓3、螺母4和球冠形压力容器5组成。上下夹板、螺栓螺母均由高温合金KHR SA制成，下夹板为一整块的并有长方形“田”字骨架结构，增加下夹板的刚性。容器内部充一定压力(0.1～1.0MPa)的氩气，气体在高温下膨胀将产生压力，使得芯体在整个钎焊过程中获得均匀的压力。

不锈钢板翅式换热器芯体高温封装专用夹具可以用以下方法制造，它包括以下几个步骤：

一、选择耐高温合金KHR SA(30Cr-48Ni-13W)加工制作上夹板、下夹板以及螺栓螺母。

二、容器形状设计为球冠形，材料为耐高温抗蠕变性能好的合金KHR SA(30Cr-48Ni-13W)。

三、球冠形压力容器按照《GB150钢制压力容器》标准设计，并用有限元法对球冠形容器进行高温下的应力分析与强度较核，并考虑高温蠕变的影响，确保容器在高温下安全运行。

四、球冠形封头按照《钢制压力容器用封头》(JB/T4746-2002)标准制作。

五、球冠形容器底盘选择耐高温抗蠕变性能好的材料KHR SA制成。

六、球冠形容器由球冠形封头与底盘采用钨极氩弧焊焊接而成，示意图见图4。其中6为球冠形封头，7为底盘，8为氩气接管。

具体焊接要点为：

(1)坡口：坡口采用外坡口，角度为40～60°，如图2所示，确保全焊透。

(2)焊接方法：钨极氩弧焊。

(3)焊条采用母材化学成分相当的焊条。

(4)焊接之前焊条进行烘干处理。

(5)为减少氢、氮、空气、水分对焊缝的影响，氩气纯度为99.99％，并保证氩气流量适合焊接。

(6)加工坡口时，用专用不锈钢砂轮片进行打磨，禁止用碳钢等对母材造成污染的砂轮打磨。

(7)KHR SA钢属于高镍合金，对杂质敏感性高，因此焊前将坡口及其两侧进行认真清理，并用丙酮进行清洗，去除母材表面的油污、油漆、氧化膜、灰尘等杂质。

(8)为减小焊接残余应力，焊前进行预热，预热温度为600～640℃。用加热带进行加热，并用智能温控仪进行控制，加热速度为160～220℃/h，加热到600～640℃时恒温。试件离开加热带后立即焊接，并用温控仪监测其温度。

(9)由于KHR SA钢焊接时熔池金属粘稠，流动性差，为防止未熔合、气孔等缺陷，焊接过程中焊条应适当摆动。焊枪的摆动幅度、摆动频率、焊接速度以及边缘停留时间应配合得当，动作协调一致。

(10)由于KHR SA钢焊接时熔池流动性差，成形不好，容易造成内凹、内咬、正面焊缝凸起，必须采用薄层多道焊接。

(11)打底焊时，应将容器内部充高纯氩气，将容器内部空气置换干净才能进行焊接。

(12)氩弧焊焊接过程中，焊丝不能和钨极接触，焊丝端部不得脱离保护区。

(13)焊接时在整个焊接过程中不停顿，一次连续焊完，焊完后进行保温暖冷，冷却速度为130～160℃/h。冷却至40～60℃后，在空气中缓慢冷却。

(14)焊缝金属热输入不可过高，层间温度控制在20～60℃。

(15)焊缝每一层的引弧处和熄弧处要错开，以免造成接头缺陷重叠，影响焊缝质量。

(16)焊条电弧焊填充盖面时，采用小电流短弧焊接，适当摆动，以搅动粘稠的熔池，防止气孔、夹杂、咬边等缺陷的产生。

(17)为确保焊接质量，防止缺陷产生，每道焊缝焊完后需将氧化皮、飞溅等打磨干净，然后进行着色检验，无缺陷才能够进行后续焊缝的焊接。最终焊缝表面需打磨光滑，无焊瘤、咬边、飞溅等缺陷。

使用时，将不锈钢板翅式换热器芯体置于上下夹板之间，用螺栓螺母夹紧，将充有一定压力(0.1～1.0MPa)氩气的球冠形容器直接平放在上夹板上部，组成一个装配整体，放入真空钎焊炉钎焊。钎焊完毕将装备整体件从钎焊炉取出后，移开容器，拧开螺栓，即将夹具取下，拆装非常方便。

Claims (5)

1.一种不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊的夹具，其特征在于由上夹板(1)、下夹板(2)、螺栓(3)、螺母(4)和压力容器(5)组成；其中螺栓(3)和螺母(4)用来夹紧上夹板(1)和下夹板(2)，上夹板(1)和下夹板(2)之间放置不锈钢板翅式换热器的芯体；压力容器(5)直接平放在上夹板(1)上；容器内部充氩气，氩气在高温下膨胀将产生均匀的压力，使得芯体的装备元件能够紧密接触，确保板翅式换热器的芯体的焊接质量；其中压力容器(5)由封头(6)、底盘(7)以及接管(8)组成，压力容器的封头形状为球冠形；所述的压力容器直接平放在上夹板上，底部中心与上夹板上表面中心重合；所述的夹具材料为HP40(25Cr-35Ni)，KHR45A(32Cr-43Ni)或KHR SA(30Cr-48Ni-13W)。

2.如权利要求1所述的夹具，其特征在于所述的压力容器底部以及夹板表面平整光滑，无变形，表面粗糙度为0.02～0.08μm，平面度为0.02～0.08μm。

3.一种制造如权利要求1所述的夹具的工艺，其具体步骤如下：

(1)选择耐高温合金加工上下夹板；

(2)选择耐高温合金加工螺栓和螺母；

(3)压力容器的制造：

(a)球冠形压力容器的设计

(b)球冠形压力容器的封头制作

(c)氩气进口接管开孔

(d)球冠形容器底盘制作

(e)封头与底盘的焊接

(f)氩气进口接管焊接

(g)气密试验和压力试验

(4)将压力容器安装在上夹板上；其中所述的压力容器是用经过焊接制造而成，焊前需进行预热，预热温度为600～640℃；用加热带进行加热，并用智能温控仪进行控制，加热速度为160～220℃/h，加热到600～640℃时恒温；焊完后进行保温暖冷，冷却速度为130～160℃/h；冷却至40～60℃后，在空气中缓慢冷却；层间温度控制在20～60℃。

4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于所述的压力容器必须经过焊后消应力处理后使用。

5.如权利要求3所述的工艺，其特征在于封头与底盘的焊接坡口采用外坡口，角度为40～60°；氩气进口接管焊接角度为45～60°。

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