CN111390316A - 一种管壳式换热器的钎焊工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管壳式换热器的钎焊工艺及装置，涉及管壳式换热器制造领域。该管壳式换热器的钎焊工艺，包括以下步骤：放置待焊工件步骤：将待钎焊的管壳式换热器的芯子组件放置于工作台上，使芯子组件的待钎焊部位位于感应线圈下方；芯子组件包括管板和换热管；放置钎料步骤：将钎料放置于管板的安装通孔的端部的沉孔内；感应加热步骤：感应线圈通电，对待钎焊部位进行感应加热；振动步骤：驱动工作台振动，以使芯子组件发生机械振动；该管壳式换热器的钎焊装置包括工作台、感应加热装置和振动装置。本发明不仅能够缩短钎焊时间，还可以提升液态钎料填缝效果，形成钎接情况良好的钎焊接头，可显著地提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及管壳式换热器制造领域，尤其涉及一种管壳式换热器的钎焊工艺及装置。
背景技术
管壳式换热器是工业上应用较早和应用十分广泛的一种换热器，其结构坚固，易于制造，便于清洗，能适应的传热量、流体的种类、压力和温度范围都比较大，故适应性极强，在石油化工、航空航天、汽车轮船、核电和制冷等工业领域中都得到普遍的应用。
管壳式换热器通常包括壳体、设于端部的管板和换热管，管板上设有安装通孔，换热管插设于安装通孔后，一般采用熔焊或钎焊的工艺将换热管与管板进行连接，焊接质量的好坏决定了管壳式换热器的安全可靠性和使用寿命。用于汽车发动机机油冷却的管壳式换热器的主要部件包括换热管、管板、壳体、水室组件和折流板等，其中，换热管选用导热性能优良的紫铜管或铜合金管，而管板为低碳钢板的冲压件，换热管与管板一般通过硬钎焊工艺连接到一起。
钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。目前汽车发动机机油冷却用管壳式换热器所采用的钎焊工艺主要是人工火焰钎焊，工作时先在待焊的管板接头处套上铜磷钎料或银基钎料环等，操作者用火焰钎炬先对整个管板均匀加热，再根据个别接头的填缝情况，有针对性的环烧和人工填加钎料丝。采用人工火焰钎焊的缺点是生产效率低，另外，由于钎焊加热时间长，钎料中的合金元素容易烧损，低碳钢表面镀铜层和紫铜或铜合金管中的铜原子也会向钎缝中过度溶解，这会降低钎焊接头的钎接强度。
采用感应加热的方法，尤其是采用高频感应加热的方法能够大幅缩短钎焊时间；但是在现有技术中，采用感应加热方法对管板与换热管接头处进行钎焊连接时，存在以下缺陷：
熔融的液态钎料流动不均，填缝性能差；如此使得感应加热方法在汽车发动机机油冷却用管壳式换热器产品的制造中难以得到推广应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种可缩短钎焊时间且可提升液态钎料填缝效果的管壳式换热器的钎焊工艺。
本发明的目的之二在于提供一种可缩短钎焊时间且可提升液态钎料填缝效果的管壳式换热器的钎焊装置。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种管壳式换热器的钎焊工艺，包括以下步骤：
放置待焊工件步骤：将待钎焊的管壳式换热器的芯子组件放置于工作台上，使所述芯子组件的待钎焊部位位于感应线圈下方；所述芯子组件包括管板和换热管，所述换热管插设于所述管板上的安装通孔内；
放置钎料步骤：将钎料放置于所述管板的安装通孔的端部的沉孔内；
感应加热步骤：所述感应线圈通电，对待钎焊部位进行感应加热，并使钎料熔化，从而填充管板和换热管之间的缝隙；
振动步骤：驱动所述工作台振动，以使所述芯子组件发生机械振动。
进一步地，所述钎焊工艺还包括位置调整步骤，所述位置调整步骤为：
调整所述芯子组件的位置，以使所述待钎焊部位，可以在感应线圈的线圈本体的正下方与相邻的线圈本体之间的线圈间隙的正下方运动。
进一步地，进行所述感应加热步骤时，同时进行所述位置调整步骤。
进一步地，所述位置调整步骤为旋转步骤，所述旋转步骤为：
驱动所述工作台绕与所述感应线圈端面垂直的旋转轴线转动，以使所述芯子组件绕所述旋转轴线转动，以使每一所述待钎焊部位可以在感应线圈的线圈本体的正下方与相邻的线圈本体之间的线圈间隙的正下方运动。
进一步地，所述钎焊工艺用于将低碳钢管板与紫铜换热管，或将低碳钢管板与铜合金换热管进行焊接连接。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种管壳式换热器的钎焊装置，所述钎焊装置用于将芯子组件内的换热管与管板钎焊连接；
所述钎焊装置包括工作台、感应加热装置和振动装置；所述工作台用于放置所述芯子组件；所述感应加热装置设于工作台上方，所述感应加热装置通电时，用于对芯子组件进行加热，并使钎料熔化；所述振动装置用于驱动所述工作台振动，以驱动所述芯子组件发生机械振动。
进一步地，所述感应加热装置包括感应线圈，所述感应线圈包括绕中心轴线逐渐向外或逐渐向内绕圈的线圈本体，相邻线圈本体之间具有线圈间隙；
所述钎焊装置还包括位置调整装置，所述位置调整装置用于移动或旋转所述工作台，以使所述芯子组件上的待钎焊部位在所述线圈本体正下方或所述线圈间隙正下方运动。
进一步地，所述位置调整装置为旋转装置，所述钎焊装置还包括升降装置；
所述工作台安装于所述振动装置，所述振动装置安装于所述旋转装置，所述旋转装置安装于所述升降装置。
进一步地，所述感应加热装置包括感应线圈，所述感应线圈包括若干圈线圈，若干所述线圈被配置为处于同一平面内。
进一步地，还包括夹持装置，所述夹持装置用于夹持所述芯子组件，以限制所述芯子组件的轴向移动和/或径向移动。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：不仅能够缩短钎焊时间，还可以提升液态钎料填缝效果，形成钎接情况良好的钎焊接头，可显著地提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的管壳式换热器的钎焊工艺及装置的工作原理图；
图2为本发明的管壳式换热器的钎焊装置的结构图；
图3为本发明钎焊前的芯子组件的剖面图；
图4为本发明的感应线圈的结构示意图；
图中：10、芯子组件；101、管板正面接头部位；102、管板背面接头部位；11、管板；12、换热管；13、钎料；20、感应加热装置；21、感应线圈；211、线圈本体；212、线圈间隙；30、振动装置；40、旋转装置；50、升降装置；60、夹持装置；71、第一紧固件；72、第二紧固件；73、第三紧固件。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1-4所示，本实施例提供了一种管壳式换热器的钎焊工艺，该钎焊工艺用于将管板11与换热管12之间的钎料13熔化，并通过机械振动辅助提升钎料13的流动均匀性，以改善钎料13的填缝效果。
本实施例中的管壳式换热器的钎焊工艺适用于管壳式换热器的芯子组件10进行钎焊，芯子组件10包括管板11和换热管12，管板11上设有安装通孔，安装通孔的端部设有沉孔，沉孔用于放置钎料13；换热管12插设于管板11的安装通孔内，换热管12与管板11的安装通孔内壁之间存在缝隙；熔融态钎料13用于填充缝隙，以实现换热管12与管板11的连接。
本实施例的钎焊工艺适用于汽车发动机机油冷却用管壳式换热器的钎焊。
本实施例的管壳式换热器的钎焊工艺包括以下步骤：
放置待焊工件步骤：将待钎焊的管壳式换热器的芯子组件10放置于工作台上，并使芯子组件10的待钎焊部位位于感应线圈21的下方；芯子组件10包括管板11和换热管12，换热管12插设于管板11上的安装通孔内；待钎焊部位即管板11与换热管12之间的缝隙；
放置钎料13步骤：将钎料13放置于管板11的安装通孔的端部的沉孔内；
感应加热步骤：所述感应线圈21通电，对待钎焊部位进行感应加热，并使钎料13熔化，从而填充管板11和换热管12之间的待填缝隙；
振动步骤：驱动工作台振动，以使芯子组件10发生机械振动。
优选地，在放置钎料13步骤之后，刷涂适量钎剂，以更好地润湿母材；当钎料13为含磷的自钎剂钎料13环时，也优选配合钎剂使用。
优选地，本实施例中的感应加热步骤中，采用高频感应加热的工艺对待钎焊部位进行加热。
具体地，感应加热步骤中，当观察到大部分钎料13都已熔化或开始熔化以后，立即进行振动步骤，振动一定时间；在实际操作过程中，具体的振动时间根据振动装置30的频率和观察到的液态钎料13的填缝情况而定。
管壳式换热器的管板11与换热管12的材料不同，在汽车发动机机油冷却用管壳式换热器的制造中，换热管12优选地采用导热性能优良的紫铜管或铜合金管，而管板11优选地采用低碳钢板的冲压件。
本实施例由于采用了感应线圈21感应加热的方式对芯子组件10进行加热，加热效率高，可大幅缩短钎焊时间；在采用感应加热方法的基础上，本实施例采用机械振动辅助的感应加热钎焊工艺，可提升液态钎料13的填缝效果，具体原理如下：
采用电磁感应加热方法时，由于管板11与换热管12的材料不同，低碳钢板制造的管板11的升温速度比紫铜管或铜合金管制造的换热管12的升温速度快；另外，由于电磁感应加热时存在集肤效应，管板11在厚度方向上温度分布不均匀，接近感应线圈21的正面表面温度较高，远离感应线圈21的背面表面温度较低。这样，当钎料13的温度超过其固相线后，熔融的液态钎料13趋于在温度较高的管板11表面漫流或积聚在管板正面接头部位101。本实施例的钎焊工艺采用了振动步骤，使得芯子组件10发生机械振动，如此可以降低熔融液态钎料13在管板11接头部位的表面张力，又可以不断改变换热管12外壁与管板11的安装通孔的孔壁之间的间隙，改善毛细作用，有利于熔融钎料13向管板背面接头部位102流动，提高钎料13的填缝效果。
本实施例的钎焊工艺，通过在感应加热时辅以机械振动，不仅能够缩短钎焊时间，还可以提升液态钎料13的填缝效果，形成钎接情况良好的钎焊接头，可显著地提高工作效率。
如图1、2、4所示，由于本实施例中采用感应线圈21通电，为了便于观察钎料13的熔化情况和有利于取放芯子组件10，本实施例中芯子组件10放置于感应线圈21下方，在此基础上，为了保证加热效果，采用将线圈本体211绕中心轴线逐渐向外或逐渐向内绕圈形成的感应线圈21进行感应加热。本实施例中，线圈本体211为铜管，铜管下方的加热温度较高，相邻两圈铜管之间的间隙下方的加热温度相对较低一些。
优选地，为了提升钎接效果，钎焊工艺还包括位置调整步骤，位置调整步骤为：调整芯子组件10的位置，以使待钎焊部位可以在感应线圈21的线圈本体211的正下方与相邻的线圈本体211之间的线圈间隙212的正下方运动；感应线圈21由中心轴线绕圈，如此，可以使得芯子组件10均匀受热。
在上述钎焊工艺的基础上，位置调整步骤可以是移动步骤、旋转步骤或其他步骤。
优选地，位置调整步骤为旋转步骤，旋转步骤为：驱动工作台绕与感应线圈21端面垂直的旋转轴线转动，以使芯子组件10绕旋转轴线转动，以使每一待钎焊部位，可以在感应线圈21的线圈本体211的正下方与相邻的线圈本体211之间的线圈间隙212的正下方运动；如此，可改善加热均匀性。
优选地，进行感应加热步骤时，同时进行位置调整步骤。
优选地，钎焊工艺用于将低碳钢管板11与紫铜换热管12，或将低碳钢管板11与铜合金换热管12进行焊接连接；
芯子组件10，包括换热管12和管板11，管板11开设有安装通孔，安装通孔顶端设有沉孔，换热管12插入安装通孔内，换热管12与安装通孔之间的缝隙为待填缝隙，钎料13放置于沉孔内。
如图1-4所示，本实施例还提供了一种管壳式换热器的钎焊装置，该钎焊装置用于将芯子组件10内的换热管12与管板11钎焊连接；钎焊装置包括工作台、感应加热装置20和振动装置30；工作台用于放置芯子组件10；感应加热装置20设于工作台上方，即设于芯子组件10上方，感应线圈21通电时，用于对芯子组件10进行加热，并使钎料13熔化；振动装置30用于驱动工作台振动，以驱动芯子组件10发生机械振动。
优选地，本实施例中，感应加热装置20为高频感应加热装置20，感应加热装置20包括感应线圈21。
本实施例的钎焊装置，通过采用感应线圈21对芯子组件10进行感应加热，可有效缩短钎焊用时，在感应加热时，通过振动装置30驱动芯子组件10发生一定频率的机械振动，可降低熔融液态钎料13在管板11接头部位的表面张力，又可以不断改变换热管12外壁和管板11孔壁之间的间隙，因此会改善毛细作用，有助于液态金属向管板背面接头部位102流动，从而可以形成钎接情况良好的钎焊接头。
优选地，如图4所示，为了使芯子组件10能够受热更加均匀，感应线圈21包括绕中心轴线逐渐向外或逐渐向内绕圈的线圈本体211，相邻线圈本体211之间具有线圈间隙212；钎焊装置还包括位置调整装置，位置调整装置用于移动或旋转工作台，以使芯子组件10上的待钎焊部位在线圈本体211正下方或线圈间隙212正下方运动。
优选地，位置调整装置为旋转装置40，钎焊装置还包括升降装置50；
工作台安装于振动装置30，振动装置30安装于旋转装置40，旋转装置40安装于升降装置50。
优选地，如图4所示，为了提高加热效果，本实施例中的感应线圈21由线圈本体211绕卷而成，感应线圈21包括若干圈线圈，若干线圈被配置为处于同一平面内。本实施例中的感应线圈21由铜管绕卷形成。
优选地，为了使在振动装置30和/或旋转装置40启动时，芯子组件10在工作台上能够保持相对位置，本实施例的钎焊装置还包括夹持装置60，夹持装置60用于夹持芯子组件10，以限制芯子组件10的轴向移动和/或径向移动。
具体地，本实施例中，振动装置30为振动台(电动式，频率范围为2～10kHz)，工作台为振动台的顶端台面，旋转装置40为旋转台，升降装置50为升降台；升降台固定于地面上；旋转台通过第一紧固件71固定于升降台上；振动台通过第二紧固件72固定于旋转台上；夹持装置60通过第三紧固件73固定于振动台上。
本实施例中的钎焊装置的工作过程为：
(1)首先，将待焊管壳式换热器的芯子组件10放置于夹持装置60中并牢固夹紧；
(2)然后，将钎料13环放置在管板11上的沉孔中，并刷涂适量钎剂(为了能更好地润湿母材，含磷的自钎剂钎料13环也最好配合钎剂使用)；
(3)操纵升降台，使管壳式换热器待钎焊部位接近感应线圈21的下表面(越近越好，但不能发生接触)；接通旋转台的电源，使待焊管壳式换热器的芯子组件10以4～10r/min的转速旋转；接通高频感应加热装置20的电源，对待钎焊部位进行感应加热；观察到大部分钎料13环都已熔化或开始熔化后，立即开通振动台的电源；振动若干秒钟(具体振动时间根据振动台的频率和液态钎料13填缝情况而定)后，先关闭振动台的电源，再关闭高频感应加热装置20的电源，最后关闭旋转台的电源；操纵升降台，使其恢复原位。至此完成管壳式换热器管板11接头的钎焊过程。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种管壳式换热器的钎焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
放置待焊工件步骤：将待钎焊的管壳式换热器的芯子组件放置于工作台上，使得所述芯子组件的待钎焊部位位于感应线圈下方；所述芯子组件包括管板和换热管，所述换热管插设于所述管板上的安装通孔内；
放置钎料步骤：将钎料放置于所述管板的安装通孔的端部的沉孔内；
感应加热步骤：所述感应线圈通电，对待钎焊部位进行感应加热，并使钎料熔化，从而填充管板和换热管之间的缝隙；
振动步骤：驱动所述工作台振动，以使所述芯子组件发生机械振动。
2.如权利要求1所述的管壳式换热器的钎焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
所述钎焊工艺还包括位置调整步骤，所述位置调整步骤为：
调整所述芯子组件的位置，以使所述待钎焊部位，可以在感应线圈的线圈本体的正下方与相邻的线圈本体之间的线圈间隙的正下方运动。
3.如权利要求2所述的管壳式换热器的钎焊工艺，其特征在于：
进行所述感应加热步骤时，同时进行所述位置调整步骤。
4.如权利要求2所述的管壳式换热器的钎焊工艺，其特征在于：
所述位置调整步骤为旋转步骤，所述旋转步骤为：
驱动所述工作台绕与所述感应线圈端面垂直的旋转轴线转动，以使所述芯子组件绕所述旋转轴线转动，以使每一所述待钎焊部位可以在感应线圈的线圈本体的正下方与相邻的线圈本体之间的线圈间隙的正下方运动。
5.如权利要求1所述的管壳式换热器的钎焊工艺，其特征在于：
所述钎焊工艺用于将低碳钢管板与紫铜换热管，或将低碳钢管板与铜合金换热管进行焊接连接。
6.一种管壳式换热器的钎焊装置，其特征在于：
所述钎焊装置用于将芯子组件内的换热管与管板钎焊连接；
所述钎焊装置包括工作台、感应加热装置和振动装置；所述工作台用于放置所述芯子组件；所述感应加热装置设于工作台上方，所述感应加热装置通电时，用于对芯子组件进行加热，并使钎料熔化；所述振动装置用于驱动所述工作台振动，以驱动所述芯子组件发生机械振动。
7.如权利要求6所述的管壳式换热器的钎焊装置，其特征在于：
所述感应加热装置包括感应线圈，所述感应线圈包括绕中心轴线逐渐向外或逐渐向内绕圈的线圈本体，相邻两圈所述线圈本体之间具有线圈间隙；
所述钎焊装置还包括位置调整装置，所述位置调整装置用于移动或旋转所述工作台，以使所述芯子组件上的待钎焊部位在所述线圈本体正下方或所述线圈间隙正下方运动。
8.如权利要求7所述的管壳式换热器的钎焊装置，其特征在于：
所述位置调整装置为旋转装置，所述钎焊装置还包括升降装置；
所述工作台安装于所述振动装置，所述振动装置安装于所述旋转装置，所述旋转装置安装于所述升降装置。
9.如权利要求6所述的管壳式换热器的钎焊装置，其特征在于：
所述感应加热装置包括感应线圈，所述感应线圈包括若干圈线圈，若干所述线圈被配置为处于同一平面内。
10.如权利要求6-9任一项所述的管壳式换热器的钎焊装置，其特征在于：
还包括夹持装置，所述夹持装置用于夹持所述芯子组件，以限制所述芯子组件的轴向移动和/或径向移动。
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