CN107214411A

CN107214411A - 印刷电路板式换热器焊接系统和方法

Info

Publication number: CN107214411A
Application number: CN201710555367.3A
Authority: CN
Inventors: 梁世强; 姜玉雁
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Hengshui Keheng Power Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2037-07-07
Also published as: CN107214411B

Abstract

本公开提供了一种印刷电路板式换热器(PCHE)焊接系统和方法，将焊件和液态金属放入压力容器，通过系统的循环回路对液态金属进行加热或冷却，实现对焊件的加热、保温以及冷却，并通过供气系统调节压力容器内的气相压力，通过液态金属将压力传递到焊件，能够实现液态金属的循环流动，对焊件均匀加热，从而实现对扩散焊过程的温度精确控制，通过惰性气体调控压力容器内的压力，通过液态金属对焊件均匀加压。并且液态金属导热系数高，传热能力强，流动性好，可深入PCHE内部流体通道对焊接点进行加热或冷却，加热均匀，温度控制精度高，焊接质量高，液态金属可以有效地把焊接面空气排出，避免焊接面氧化或出现气孔，焊接质量高。

Description

印刷电路板式换热器焊接系统和方法

技术领域

本公开涉及换热领域，尤其涉及一种印刷电路板式换热器焊接系统和方法。

背景技术

印刷电路板式换热器(PCHE)是一种扩散焊换热器，其换热板片是应用相片化学的方法在板片上蚀刻流道，其加工方法与印刷电路板类似故得名印刷电路板换热器，蚀刻后的板片采用扩散焊的方法焊接在一起。扩散焊接的工艺包括晶粒生长热浸泡阶段，从而使板片间接缝自由密合。这种方法使得换热器具有很好的耐高压性能。

PCHE通常是采用固态扩散焊方法加工的。固态扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表面粗糙度。在一定范围内焊接温度越高，原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍，一般在0.7倍的时候效果最好。根据材料类型和对接头质量的要求，扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，其中以真空扩散焊应用最广。

瞬间液相扩散焊比固态扩散焊更适合用于PCHE的加工。瞬间液相扩散焊需要焊料，焊料的主要成份与焊件母材相同或相近，重点是在焊料里添加了一种熔点降低元素，通常是将焊料制成非晶相薄带，作为中间层夹在焊件之间，当达到一定温度，焊料首先液化，在略高于该温度的条件下恒温一段时间，焊料中的熔点降低元素扩散进入焊件浅表面，焊件表面将熔化，随着熔点降低元素深入扩散，焊接面熔点降低元素的含量减少到一定程度，接头就会固化，从而实现焊接。瞬间液相扩散焊的优点很多，包括：(1)母材平备要求低；(2)氧化物自动去除(“自钎剂”)；(3)等温固化；(4)焊接效率高；(5)强度、塑性、韧性，无脆性相。

无论是固态扩散焊还是瞬间液相扩散焊，焊接质量都与温度、压力的控制精度有直接关系，而对于大型PCHE(例如：MW级PCHE)，保持焊件整体温度均匀和焊接点压力均匀是关系到其热形变是否一致、局部应力是否消减、各焊点焊接进程是否同步的问题。现有的焊接工艺很难实现在大型PCHE加工工艺中实现对温度和压力的精确控制，因此到目前位置，国内外掌握大型PCHE制造技术的公司非常少。

公开内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开提供一种印刷电路板式换热器焊接系统和方法，可以实现对PCHE扩散焊过程中温度和压力进行精确控制的方法，用以解决上述问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种印刷电路板式换热器焊接系统，包括：压力容器，用于放置焊件和液态金属，液态金属浸没焊件；循环回路，用于将液态金属从压力容器抽出进行加热或冷却后再重新注入压力容器，从而实现对焊件的加热或冷却；以及供气装置，用于为压力容器提供气体并调节压力容器内气体压力，气体压力通过液态金属传递到焊件。

在本公开的一些示例性实施例中，循环回路包括：循环泵，用于将液态金属从压力容器抽出；以及温度调控装置，用于将液态金属进行加热或冷却。

在本公开的一些示例性实施例中，温度调控装置包括：并联设置的加热器和冷却器；其中：当液态金属需要加热时，冷却器关闭，加热器用于加热液态金属；当液态金属需要冷却时，加热器关闭，冷却器用于冷却液态金属。

在本公开的一些示例性实施例中，压力容器开口进气口，所述供气装置包括：惰性气体气瓶，用于提供惰性气体；供气管路，连接于所述惰性气体气瓶和所述压力容器进气口之间，用于将惰性气体充入压力容器，提高压力容器内的气体压力；以及放气阀，设置在压力容器进气口处，用于将压力容器内的惰性气体排出，降低压力容器内的气体压力。

在本公开的一些示例性实施例中，压力容器外部包裹有保温层，用于提高压力容器保温效果。

本公开还提供了一种印刷电路板式换热器焊接方法，包括：压紧焊件并放入压力容器；向压力容器内注入液态金属浸没焊件；向压力容器内注入或排放气体调节压力容器内的压力；将液态金属抽出进行加热后重新注入压力容器，液态金属循环流动，对焊件进行加热；以及焊接完成后，对循环液态金属降温从而冷却焊件。

在本公开的一些示例性实施例中，向压力容器内注入气体调节压力容器内的压力，包括：抽除压力容器内的残余空气；以及注入或排放惰性气体调节容器内气相压力。

在本公开的一些示例性实施例中，达到焊接温度后，通过循环的液态金属进行保温，并排放少量气体抵消液态金属热膨胀引起的压力变化。

在本公开的一些示例性实施例中，所述焊件材料为316L不锈钢+Ni-5％Si-3％B；和/或焊接工艺为瞬间液相扩散焊；和/或液态金属为镓铟锡合金；和/或焊接温度为1150～]250℃；和/或焊接面压力控制为400～600N；气体为Ar；和/或保温时间为5～10min。

在本公开的一些示例性实施例中，所述焊件材料为双相不锈钢+Fe-15％B+纯镍+纯铬；和/或焊接工艺为瞬间液相扩散焊；和/或液态金属为镓铟锡合金；和/或焊接温度为1200～1300℃；和/或焊接面压力控制400～600N；和/或气体为N₂保护；和/或保温时间4～8min。

(三)有益效果

通过以上技术方案，本公开印刷电路板式换热器焊接系统和方法具有以下有益效果：

(1)液态金属导热系数高，传热能力强，流动性好，可深入PCHE内部对焊接点进行加热或冷却，加热均匀，温度控制精度高，焊接质量高。

(2)液态金属可以有效地把焊接面空气排出，避免焊接面氧化或出现气孔，焊接质量高。

(3)液态金属沸点高，无毒，可重复使用，效率高，成本低。

附图说明

图1是本公开第一实施例的印刷电路板式换热器焊接系统结构示意图。

图2是本公开第一实施例的PCHE焊件压紧过程示意图。

图3为本公开第二实施例的印刷电路板式换热器焊接方法流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-压力容器；

11-筒体； 12-盖板；

2-循环泵；

3-温度调控装置；

31-加热器； 32-冷却器；

4-供气装置；

5-压力表；

6-放气阀；

7-保温层；

A-换热板片；B-换热芯体；C-夹紧工装；L液态金属

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开第一实施例提供一种印刷电路板式换热器焊接系统，图1为本实施例的印刷电路板式换热器焊接系统结构示意图，如图1所示，该焊接系统包括：压力容器1、循环泵2、温度调控装置3和供气装置4。

压力容器1包括筒体11和盖板12，筒体内放置待焊接的焊件，并通过顶部开口将液态金属L注入到压力容器内，液态金属将焊件浸没；筒体壁面上开有进液口和出液口；

在压力容器外部，循环泵2和温度调控装置3与压力容器的进液口和出液口连接形成一个循环回路，循环泵将容器内的液态金属从出液口抽出，通过温度调控装置加温或冷却后，从进液口重新注入压力容器，实现液态金属在焊件流道内的循环流动。在本实施例中，温度调控装置包括加热器31和冷却器32，加热器31和冷却器32并联，当焊件焊接过程中需要加热时，将冷却器管路关闭，液态金属通过加热器进行加热，实现对焊件的温度补偿；当焊件焊接完成后需要冷却时，将加热器管路关闭，液态金属通过冷却器进行降温，实现对焊件的冷却，温度降至便于操作且确保液态金属不会凝固的温度。

供气装置4包括惰性气体气瓶、气体管路、压力表5和放气阀6。盖板上开有进气口，惰性气体气瓶通过气体管路连通至进气口，将惰性气体充入压力容器，气体管路上设置有压力表5，进气口处设置有放气阀6，通过注入或排放惰性气体可以调节容器内压力，气相压力可通过液态金属传递到PCHE焊件。

压力容器筒体外部还包裹有保温层7，有很好的外保温效果。

PCHE焊件在放入压力容器前，需要先将PCHE焊件整体用工装固定好，图2为PCHE焊件压紧过程示意图，如图2所示，换热板片A叠置形成换热芯体B，利用夹紧工装C对换热芯体B施加预紧力将板片压紧。

液态金属为液态金属合金，可为镓铟锡合金。

通过上述实施例可以看出，本公开提供的印刷电路板式换热器焊接系统能够实现液态金属的循环流动，对焊件均匀加热，从而实现对扩散焊过程的温度精确控制；通过惰性气体调控压力容器内的压力，通过液态金属对焊件均匀加压。

本公开第二实施例提供一种印刷电路板式换热器焊接方法，图3为本实施例的印刷电路板式换热器焊接方法流程图，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1：压紧焊件并放入压力容器。

首先，需要说明，本公开涉及的PCHE的板片加工方法与现有工艺没有区别，不作为发明内容详述。

其次，PCHE板片焊接方式可以是固态扩散焊，也可以是瞬间液相扩散焊，区别在于板片堆叠过程中是否在板片之间夹入中间层。

将PCHE焊件整体用工装固定好，通过工装施加预紧力将板片压紧，然后将PCHE焊件连同工装一并放置在一个压力容器内。

步骤S2：向压力容器内注入液态金属浸没焊件。

向压力容器内注入预热的低温液态金属合金，例如：镓铟锡合金，液态合金将PCHE焊件浸没。

步骤S3：向压力容器内注入或排放气体调节压力容器内的压力。

将压力容器用盖板封上，抽除残余空气，然后注入惰性气体，通过注入或排放惰性气体可以调节容器内压力，气相压力通过液态金属可以传递到PCHE焊件。

步骤S4：将液态金属抽出进行加热后重新注入压力容器，液态金属循环流动，对焊件进行加热。

通过耐高温的液态金属循环泵将容器内的液态金属从底部抽出，通过外部加热器加温后，从压力容器上部注入，通过控制循环速率和加温速率实现液态金属程序升温。因为液态金属在PCHE焊件的流道内循环流动，对焊件均匀加热，从而实现对扩散焊过程的温度精确控制。达到焊接温度后，因为压力容器有很好的外保温，通过液态金属加热器精确进行温度补偿，可维持焊接温度稳定。排放少量惰性气体可以抵消液态金属热膨胀引起的压力变化。

步骤S5：焊接完成后，对循环液态金属降温从而冷却焊件。

最后，扩散焊接完成后，通过液态金属循环冷却程序降温，温度降至便于操作且确保液态金属不会凝固的时候，打开压力容器，将PCHE焊件取出，沥干液态金属，完成焊接。

在本实施例中，PCHE焊件材料为316L不锈钢。选用焊接工艺为瞬间液相扩散焊，焊料为Ni-5％Si-3％B，其中B为熔点降低元素。液态金属选用镓铟锡合金，熔点40℃。焊接温度为1150～1250℃，焊接面压力控制400～600N，Ar气保护，保温时间5～10min。

在本公开其他实施例中，PCHE焊件材料可为双相不锈钢。选用焊接工艺为瞬间液相扩散焊，焊料为双相不锈钢+Fe-15％B+纯镍+纯铬，其中B为熔点降低元素。液态金属选用镓铟锡合金，熔点40℃。焊接温度为1200～1300℃，焊接面压力控制400～600N，N₂保护，保温时间4～8min。

通过以上实施例可以看出，本公开提供的印刷电路板式换热器焊接方法采用循环的液态金属对焊件进行加热，液态金属导热系数高，传热能力强，流动性好，可深入PCHE内部对焊接点进行加热或冷却，加热均匀，温度控制精度高，焊接质量高。此外，液态金属可以有效地把焊接面空气排出，避免焊接面氧化或出现气孔。液态金属沸点高，无毒，可重复使用，效率高，成本低。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种印刷电路板式换热器焊接系统，包括：

压力容器，用于放置焊件和液态金属，液态金属浸没焊件；

循环回路，用于将液态金属从压力容器抽出进行加热或冷却后再重新注入压力容器，从而实现对焊件的加热或冷却；以及

供气装置，用于为压力容器提供气体并调节压力容器内气体压力，气体压力通过液态金属传递到焊件。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板式换热器焊接系统，所述循环回路包括：

循环泵，用于将液态金属从压力容器抽出；以及

温度调控装置，用于将液态金属进行加热或冷却。

3.根据权利要求2所述的印刷电路板式换热器焊接系统，所述温度调控装置包括：并联设置的加热器和冷却器；其中：

当液态金属需要加热时，冷却器关闭，加热器用于加热液态金属；

当液态金属需要冷却时，加热器关闭，冷却器用于冷却液态金属。

4.根据权利要求1至3任一项所述的印刷电路板式换热器焊接系统，其中，所述压力容器开口进气口，所述供气装置包括：

惰性气体气瓶，用于提供惰性气体；

供气管路，连接于所述惰性气体气瓶和所述压力容器进气口之间，用于将惰性气体充入压力容器，提高压力容器内的气体压力；以及

放气阀，设置在压力容器进气口处，用于将压力容器内的惰性气体排出，降低压力容器内的气体压力。

5.根据权利要求1至3任一项所述的印刷电路板式换热器焊接系统，其中，所述压力容器外部包裹有保温层，用于提高压力容器保温效果。

6.一种印刷电路板式换热器焊接方法，包括：

压紧焊件并放入压力容器；

向压力容器内注入液态金属浸没焊件；

向压力容器内注入或排放气体调节压力容器内的压力；

将液态金属抽出进行加热后重新注入压力容器，液态金属循环流动，对焊件进行加热；以及

焊接完成后，对循环液态金属降温从而冷却焊件。

7.根据权利要求6所述的印刷电路板式换热器焊接方法，其中，所述向压力容器内注入气体调节压力容器内的压力，包括：

抽除压力容器内的残余空气；以及

注入或排放惰性气体调节容器内气相压力。

8.根据权利要求6所述的印刷电路板式换热器焊接方法，其中，达到焊接温度后，通过循环的液态金属进行保温，并排放少量气体抵消液态金属热膨胀引起的压力变化。

9.根据权利要求8所述的印刷电路板式换热器焊接方法，其中，

所述焊件材料为316L不锈钢+Ni-5％Si-3％B；和/或

焊接工艺为瞬间液相扩散焊；和/或

液态金属为镓铟锡合金；和/或

焊接温度为1150～1250℃；和/或

焊接面压力控制为400～600N；和/或

气体为Ar；保温时间为5～10min。

10.根据权利要求8所述的印刷电路板式换热器焊接方法，其中：

所述焊件材料为双相不锈钢+Fe-15％B+纯镍+纯铬；和/或

焊接工艺为瞬间液相扩散焊；和/或

液态金属为镓铟锡合金；和/或

焊接温度为1200～1300℃；和/或

焊接面压力控制400～600N；和/或

气体为N₂保护；保温时间4～8min。