CN101391329B - 不锈钢板翅结构真空钎焊工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢板翅结构真空钎焊工艺，先在隔板上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之间放置钎料箔片，然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元；根据设计需要将多个基本单元层层叠置，再用专用夹具装夹牢固并施加压力后，放入真空钎焊炉中；首先将钎焊炉抽真空；然后将不锈钢板翅结构加热到850～870℃，保温；再将不锈钢板翅结构加热到钎焊温度1070～1100℃再保温；再从钎焊温度1070～1100℃采用真空缓慢自冷到620～640℃，然后向炉中充氮气，启动风机，使结构冷却到40～60℃后出炉，制成不锈钢板翅结构。采用此钎焊工艺，获得的不锈钢板翅结构具有良好微观组织和较高强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢板翅结构的真空钎焊工艺，属于耐高温不锈钢板翅式换热器领域。
背景技术
不锈钢板翅结构是不锈钢板翅式换热器的核心部件，由翅片、隔板和封条等钎焊而成。在翅片上下两端各放一金属平板(隔板)，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。它具有导热效率高、体积小、重量轻、耐高温、强度高等特点，被运用在高温高压环境中，如燃汽轮机以及高温气冷堆发电等工业中。
真空钎焊是制造不锈钢板翅结构的一种方法。张洪涛等介绍了不锈钢板翅式换热器钎焊技术，但其并没有涉及具体的钎焊工艺。凌祥等研制了不锈钢板翅式换热器的制造工艺，但是发现采用这种工艺所得的结构缺陷较多，强度较低。因此，不锈钢板翅结构的钎焊工艺尚需进行优化。影响钎焊接头质量的因素很多，如钎焊温度、钎缝间隙、保温时间、冷却速率等。由于镍基钎料BNi2具有相对较低的液相线温度和较高的耐高温性能，同时能够使钎料具有良好的润湿性与流动性，因此被用于本发明不锈钢板翅结构的真空钎焊。BNi2中含有硼和硅等元素，在钎焊过程中会生成硼化物、硅化物等脆性的金属间化合物，使得接头强度降低。而此类脆性化合物的形成与钎料厚度、钎焊温度、保温时间等因素又密切相关，它们直接影响钎料与母材的相互作用过程。因此，如何获得最佳的钎焊工艺参数，对于控制不锈钢板翅结构钎缝中金属间化物的形成、获得高质量的产品，具有十分重要的意义。因此，本发明在大量钎焊试验、强度和微观组织观察等试验的基础上，讨论各种工艺参数对强度和组织的影响，优化不锈钢板翅结构真空钎焊工艺，获得了最优化的钎焊工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术所获结构缺陷较多、强度不高的不足，在通过大量真空钎焊、强度、微观组织观察等试验的基础上，提出了一种适合不锈钢板翅结构的真空钎焊工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：先设计一个钎焊工艺，对不锈钢板翅结构进行真空钎焊，然后进行单轴拉伸试验和微观组织观察。在此基础上，改变工艺参数进行钎焊试验，讨论工艺参数的变化对强度和微观组织的影响，优化钎焊工艺。
本发明的具体技术方案为：一种不锈钢板翅结构真空钎焊工艺，其具体步骤如下：先在隔板(金属平板)上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之间放置钎料箔片，然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元；根据设计需要将多个基本单元层层叠置，再用专用夹具装夹牢固并施加压力后，放入真空钎焊炉中；首先将钎焊炉抽真空；然后分步加热，先将不锈钢板翅结构加热到850～870℃，保温，再将不锈钢板翅结构加热到钎焊温度1070～1100℃再保温；再从钎焊温度1070～1100℃采用真空缓慢自冷到620～640℃，然后向炉中充氮气，同时启动钎焊炉的风机，使结构冷却到40～60℃后出炉，制成不锈钢板翅结构。
其中翅片和隔板材料均优选为奥氏体不锈钢(如304、316L等)。钎料为镍基BNi2，研究发现，钎料既不能太薄，也不能太厚。钎料太薄，生成的钎角面积小，使得结构强度较低；钎料太厚，会生成较多的脆性化合物，使得接头强度降低。经过优化，钎焊时钎料的厚度为95～110μm，使钎焊接头中间能够生成完全的固溶体组织，结构强度较高。
上述分步加热过程中先以升温速率为13～15.8℃/分钟，将不锈钢板翅结构加热到850～870℃，保温30～40分钟；然后以升温速率为7.3～10℃/分钟继续将不锈钢板翅结构加热到钎焊温度(1070～1100℃)，在钎焊温度下保温25～30分钟。第一步此加热过程不能太快，其原因为缓慢加热可降低热应力，避免产生热裂纹。加热到850～870℃，保温时间不能太短，其目的充分排除炉中板翅结构在钎焊过程中挥发的杂质和气体，减少缺陷的产生。第二步加热过程不能太快，其原因为缓慢加热可降低热应力，避免产生热裂纹。研究发现，钎焊温度不能太低，也不能太高。钎焊温度太低，硼元素不能充分扩散，生成的脆性化合物较多，使得结构强度较低；钎焊温度太高，会引起奥氏体不锈钢晶粒粗化，使得强度降低。优化后的钎焊温度为1070～1100℃。将不锈钢板翅结构在钎焊温度下保温25～30分钟，使钎料元素充分扩散。钎焊保温时间不能太长，也不能太短。研究发现，保温时间太短，硼元素来不及完全扩散，生成的脆性化合物较多，使得强度较低；保温时间太长，使得母材过度溶解于钎缝，导致缺陷增加，同时太长时间的高温暴露，使得界面出现溶蚀现象，从而降低结构强度。因此，优化后的钎焊保温时间为25～30分钟。优化的不锈钢板翅结构的钎焊加热工艺曲线如图2所示。
使用本发明人设计的专用夹具，钎焊过程中夹具施加的压力为4～6MPa。夹具压力不能太大，也不能太小。压力太小，板翅结构各组元不能充分接触，缺陷增多，强度降低；压力太大，会使钎料流出钎缝而产生缺焊。经优化后的夹具压力为4～6MPa。
研究发现，采用快速冷却工艺，接头处会生成较多的裂纹，使得结构强度较低。本发明采用两步冷却法，即从钎焊温度(1070～1100℃)到620～640℃，采用真空缓慢自冷，目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力，防止产生裂纹，提高不锈钢板翅结构的强度；当温度达到620～640℃时，向炉中充氮气，同时启动钎焊炉的风机，使结构冷却到40～60℃后出炉。采用此两步冷却法，接头处不出现裂纹，结构强度较高。
其中，所使用的夹具为本申请人所发明的不锈钢板翅式换热器芯体高温钎焊专用夹具(申请号：200810122637.2)。其中板翅结构的基本单元层数根据设计需要而定。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的优点在于优化了不锈钢板翅结构的真空钎焊工艺，保证了钎焊质量，获得了具有较高强度和优良微观组织的不锈钢板翅结构，提高了产品服役的可靠性。
附图说明
图1为不锈钢板翅结构基本单元示意图，其中1为翅片，2为隔板，3为钎料，4为封条。
图2为优化的不锈钢板翅结构的钎焊加热工艺曲线图。
图3为采用优化的工艺所获得的不锈钢板翅结构钎焊接头微观组织的电镜照片。
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1：一种不锈钢板翅结构，由翅片(1)、隔板(2)和封条(3)等组成。翅片和隔板材料均为304不锈钢，翅片厚度为0.2mm，隔板厚度为0.4mm。钎料采用镍基钎料BNi2，钎料厚度为105μm。先在隔板(金属平板)上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之间预置钎料箔片，然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元(如图1所示)。将许多基本单元层层叠置，用本发明人设计的专用钎焊夹具装夹牢固后，施加的压力为5MPa，放入真空钎焊炉，采用真空钎焊的方法制成不锈钢板翅结构。
真空钎焊加热工艺由以下六个步骤组成：
第一步为抽真空阶段：真空度为1×10-3Pa。其目的是有效去除金属表面氧化膜，提高表面润湿性；减少接头气孔、夹杂等缺陷。
第二步为加热阶段：为减小热应力，将不锈钢板翅结构缓慢加热到850℃，时间为60分钟，升温速率为14.1℃/分钟。
第三步为保温阶段：在850℃下，将不锈钢板翅结构保温30分钟，其目的充分排除炉中板翅结构在钎焊过程中挥发的杂质和气体。
第四步为加热阶段：继续将不锈钢板翅结构加热到钎焊温度(1100℃)，时间为25分钟，升温速率为10℃/分钟。
第五步为保温阶段：将不锈钢板翅结构在钎焊温度下保温25分钟，使钎料元素充分扩散。
第六步为冷却阶段：采用两步法冷却，即从钎焊温度(1100℃)到620℃，采用真空缓慢自冷，目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力，防止裂纹的产生，提高不锈钢板翅结构的强度。当温度达到620℃时，向炉中充氮气，同时启动钎焊炉的风机，使结构冷却到40℃后出炉。采用此两步冷却法，接头处不出现裂纹，结构强度较高。
使用此优化后的工艺钎焊后，钎焊率为100％，钎焊接头微观如图3所示。由图可知，接头中间生成了完全的固溶体组织，无裂纹无脆性化合物产生。不锈钢板翅结构常温抗拉强度为81.7MPa，600℃下高温抗拉强度为35.6MPa。
实施例2：一种不锈钢板翅结构，由翅片(1)、隔板(2)和封条(3)等组成。翅片和隔板材料均为304不锈钢，翅片厚度为0.2mm，隔板厚度为0.4mm。钎料采用镍基钎料BNi2，钎料厚度为110μm。先在隔板(金属平板)上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之间预置钎料箔片，然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元(如图1所示)。将许多基本单元层层叠置，用本发明人设计的专用钎焊夹具装夹牢固后，施加的压力为5MPa，放入真空钎焊炉，采用真空钎焊的方法制成不锈钢板翅结构。
真空钎焊加热工艺由以下六个步骤组成：
第一步为抽真空阶段：真空度为1×10-3Pa。其目的是有效去除金属表面氧化膜，提高表面润湿性；减少接头气孔、夹杂等缺陷。
第二步为加热阶段：为减小热应力，将不锈钢板翅结构缓慢加热到870℃，时间为55分钟，升温速率为15.8℃/分钟。
第三步为保温阶段：在870℃下，将不锈钢板翅结构保温30分钟，其目的充分排除炉中板翅结构在钎焊过程中挥发的杂质和气体。
第四步为加热阶段：继续将不锈钢板翅结构加热到钎焊温度(1070℃)，时间为30分钟，升温速率为8.3℃/分钟。
第五步为保温阶段：将不锈钢板翅结构在钎焊温度下保温25分钟，使钎料元素充分扩散。
第六步为冷却阶段：采用两步法冷却，即从钎焊温度(1070℃)到620℃，采用真空缓慢自冷，目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力，防止裂纹的产生，提高不锈钢板翅结构的强度。当温度达到620C时，向炉中充氮气，同时启动钎焊炉的风机，使结构冷却到40℃后出炉。采用此两步冷却法，接头处不出现裂纹，结构强度较高。
使用此优化后的工艺钎焊后，钎焊率为100％，接头中间生成了完全的固溶体组织，无裂纹无脆性化合物产生。不锈钢板翅结构常温抗拉强度为81.2MPa，600℃下高温抗拉强度为35.3MPa。
钎焊时，将不锈钢板翅结构组装完毕后放入真空钎焊炉，按照此工艺进行钎焊，可以获得具有良好微观组织和较高强度的不锈钢板翅结构，大大提高了其服役的可靠性与安全性。
Claims (3)
1.一种不锈钢板翅结构真空钎焊工艺，其具体步骤如下：先在隔板上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之间放置厚度为95～110μm的镍基BNi2钎料箔片，然后两边以边缘封条密封而组成一个基本单元；根据设计需要将多个基本单元层层叠置，再用专用夹具装夹牢固并施加4～6Mpa压力后，放入真空钎焊炉中；首先将钎焊炉抽真空；然后分步加热，先以升温速率为13～15.8℃/分钟加热到850～870℃，保温30～40分钟，然后以升温速率为7.3～10℃/分钟加热到钎焊温度1070～1100℃，再保温25～30分钟；再从钎焊温度采用真空自冷到620～640℃，然后向炉中充氮气，同时启动钎焊炉的风机，使结构冷却到40～60°C后出炉，制成不锈钢板翅结构。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于翅片和隔板材料均为奥氏体不锈钢。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于钎焊炉抽真空至1×10-5～1×10-3Pa。
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