CN112935507B - 一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，包括以下步骤：对组成芯体的上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板进行超声波清洗；将上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板上下堆叠形成芯体叠片；将芯体叠片送入真空扩散焊炉进行温度、压力耦合控制的扩散焊接；对焊接完成后的芯体进行性能测试。本发明印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺在扩散焊接过程中，通过对焊接温度、时间、压力进行优化控制，提高了换热器芯体的焊接接头的质量，同时减少了焊接过程中芯体的变形量，延长了换热器的使用寿命。

Description

一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺
技术领域
本发明属于印刷电路板式换热器技术领域，具体涉及一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺。
背景技术
紧凑高效换热器在石油化工、航空航天等领域广泛使用。在特殊服役环境，如高温气冷堆，换热器的服役温度需要达到600℃、服役压力需要达到7MPa、需要承受循环热应力、需要具有高换热性能，同时换热器的结构还需要紧凑,这些要求均限制了紧凑高效换热器在类似恶劣工况下的使用。
扩散焊的印刷电路板式换热器具有优异的耐高温高压特性，因此利用扩散焊工艺制造耐高温高压的印刷电路板式换热器，能够满足恶劣工况对紧凑高效换热器的要求。其中，印刷电路板式换热器的扩散焊是指对其芯体的扩散焊，如图1所示，印刷电路板式换热器芯体包括上盖板1、下盖板2以及位于上盖板1、下盖板2之间的交替分布的冷侧板3和热侧板4，冷侧板3、热侧板4上设置有通过蚀刻机的化学蚀刻而成的流道5，其中冷侧板3上流道5、热侧板4上流道5相垂直，扩散焊就是将这些上下叠加在一起的板件的接触面进行焊接连接，使其组成一个芯体。
固态扩散焊是在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形扩大待焊表面的物理接触，再经过原子相互扩散使界面间空洞愈合来实现结合的一种焊接方法，主要通过控制焊接温度、扩散时间、压力等工艺参数来实现。其中，扩散焊的工艺参数是相互制约的：焊接时间变长，接头焊合率提高，但是过长的保温时间会使接头区域生成脆性相，从而导致接头力学性能下降；焊接压力变大有利于提高焊接质量，但是过高的压力容易造成芯体变形。
基于此，本申请提出一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，该工艺通过对焊接温度、应力进行耦合控制，以此获得焊合率良好、变形量较小的印刷电路板式换热器芯体。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，包括以下步骤：
步骤1：对组成芯体的上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板进行超声波清洗；
步骤2：将上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板上下堆叠形成芯体叠片；
步骤3：将芯体叠片送入真空扩散焊炉进行温度、压力耦合控制的扩散焊接；
步骤4：对焊接完成后的芯体进行性能测试。
优选的，所述步骤2中，在工装夹具上对上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板进行上下堆叠；
所述工装夹具包括支撑板，所述支撑板的两端设置有限位块。
优选的，所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内进行扩散焊接之前，将真空扩散焊炉内抽真空至0.01Pa之下。
优选的，所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内的扩散焊接包括以下步骤：
步骤31：炉内温度升至550℃，真空扩散焊炉内的上压头向下对芯体叠片施加4Mpa的压力；
步骤32：上压头的压力保持4Mpa不变，炉内温度以5～10℃/min的速率升至900℃；芯体叠片在900℃、4MPa的焊接环境下保温保压20min；
步骤33：炉内温度保持900℃不变，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa，芯体叠片在900℃、10MPa的焊接环境下保温保压90min；
步骤34：上压头对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，同时炉内温度以10～15℃/min的速率升至1100～1120℃；芯体叠片在1100～1120℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压10min；
步骤35：炉内温度以10～15℃/min的速率降至1050℃，同时上压头对芯体叠片的压力增加至8Mpa；芯体叠片在1050℃、8MPa的焊接环境下保温保压20min；
步骤36：炉内温度保持1050℃不变，上压头对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，芯体叠片在1050℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压80min；
步骤37：炉内温度保持1050℃不变，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa；
步骤38：上压头压力保持10Mpa不变，炉内温度降至400℃；
步骤39：卸载上压头对芯体叠片的压力，同时将炉内温度降至室温；
步骤310：芯体的扩散焊完成，从真空扩散焊炉内取出。
优选的，所述步骤37中，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa的过程中用时10min。
优选的，所述步骤4中，性能测试包括对芯体的气密性检测和泄漏检测。
优选的，所述气密性检测包括以下步骤：
步骤411：芯体与换热器壳体进行组装，将组装好的换热器浸没至水中；
步骤412：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入13MPa压力的氮气，保压10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形；
步骤413：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入13MPa压力的氮气，保压10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形。
优选的，所述泄漏检测包括以下步骤：
步骤421：芯体与换热器壳体进行组装；
步骤422：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测；
步骤423：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测。
本发明的有益效果是：
本发明印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺在扩散焊接过程中，通过对焊接温度、时间、压力进行优化控制，提高了换热器芯体的焊接接头的质量，同时减少了焊接过程中芯体的变形量，延长了换热器的使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是印刷电路板式换热器芯体的结构示意图；
图2是本发明印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺的流程图；
图3是本发明中工装夹具的结构示意图；
图4是本发明中工装夹具、芯体、真空扩散焊炉内上压头之间的配合示意图；
图5是本发明步骤3芯体扩散焊接过程中温度-压力的变化图；
图6是本发明步骤4中气密性检测的示意图；
其中：
0-芯体，1-上盖板，2-下盖板，3-冷侧板，4-热侧板，5-流道，6-支撑板，7-限位块，8-上压头，9-进气管，10-出气管，11-阀门，12-压力表。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图2所示，一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，包括以下步骤：
步骤1：对组成芯体0的上盖板1、冷侧板3、热侧板4、下盖板2进行超声波清洗；
步骤2：将上盖板1、冷侧板3、热侧板4、下盖板2上下堆叠形成芯体叠片；
具体地，所述步骤2中，在工装夹具上对上盖板1、冷侧板3、热侧板4、下盖板2进行上下堆叠；
如图3-4所示，所述工装夹具包括支撑板6，所述支撑板6的两端设置有限位块7，使用时，芯体叠片位于支撑板6上部、两个限位块7之间。
步骤3：将芯体叠片送入真空扩散焊炉进行温度、压力耦合控制的扩散焊接；
具体地，所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内进行扩散焊接之前，将真空扩散焊炉内抽真空至0.01Pa之下。
具体地，所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内的扩散焊接包括以下步骤，其中，芯体扩散焊接过程中温度、压力随时间的变化如图5所示，其中温度对应纵轴Y、压力对应纵轴Z、时间对应横轴X；
步骤31：炉内温度升至550℃，真空扩散焊炉内的上压头8向下对芯体叠片施加4Mpa的压力；
步骤32：上压头8的压力保持4Mpa不变，炉内温度以5～10℃/min的速率升至900℃，由于冷侧板3、热侧板4本身具有粗糙度，板与板之间的焊接界面由于压力作用会形成一些界面空洞；使芯体叠片在900℃、4MPa的焊接环境下保温保压20min；使得芯体各部位温度均匀；
步骤33：炉内温度保持900℃不变，上压头8对芯体叠片的压力增加至10Mpa，使芯体叠片在900℃、10MPa的焊接环境下保温保压90min；在较高压力下，接触界面发生塑性流动和蠕变，界面空洞发生初步愈合；
步骤34：上压头8对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，同时炉内温度以10～15℃/min的速率升至1100～1120℃；使芯体叠片在1100～1120℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压10min；根据焊接材料升温到约0.7倍的熔点温度，可以使原子充分扩散提高焊接质量，与此同时降低焊接压力，这样是为了减小芯体的变形，保证流道形状不发生较大的形变；
步骤35：炉内温度以10～15℃/min的速率降至1050℃，同时上压头8对芯体叠片的压力增加至8Mpa；使芯体叠片在1050℃、8MPa的焊接环境下保温保压20min；
步骤36：炉内温度保持1050℃不变，上压头8对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，使芯体叠片在1050℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压80min；
经过测试，这样可以在保证焊接质量(界面空洞愈合率可达到95％)的同时，保证流道结构不发生较大改变。
步骤37：炉内温度保持1050℃不变，上压头8对芯体叠片的压力增加至10Mpa；此时焊接的界面已结合良好，在高温高压下发生晶界迁移，扩散焊接头接近母材的力学性能；
具体地，所述步骤37中，上压头8对芯体叠片的压力增加至10Mpa的过程中用时10min；
步骤38：上压头8压力保持10Mpa不变，炉内温度降至400℃；
步骤39：卸载上压头8对芯体叠片的压力，同时将炉内温度降至室温；
步骤310：芯体的扩散焊完成，从真空扩散焊炉内取出。
步骤4：对焊接完成后的芯体进行性能测试。
具体地，所述步骤4中，性能测试包括对芯体的气密性检测和泄漏检测。
具体地，所述气密性检测包括以下步骤：
步骤411：芯体与换热器壳体进行组装，将组装好的换热器浸没至水中；
步骤412：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入13MPa压力的氮气，保压10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形；
步骤413：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入13MPa压力的氮气，保压10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形。
气密性检测主要检测的是换热器芯体的承压能力，若观察到换热器四周有气泡溢出或者换热器有裂纹、变形，则表示芯体的承压不符合要求。气密性检测如图6所示，检测芯体热源流道的承压能力时，进气管9连接至换热器的热源进口、出气管10连接至换热器的热源出口；检测芯体冷源流道的承压能力时，进气管9连接至换热器的冷源进口、出气管10连接至换热器的冷源出口。其中，进气管9、出气管10上均设置阀门11，出气管10上设置压力表12。
具体地，所述泄漏检测包括以下步骤：
步骤421：芯体与换热器壳体进行组装；
步骤422：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测；
步骤423：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测。
泄漏检测检测的是换热器芯体的密闭性。
本发明印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺在扩散焊接过程中，通过对焊接温度、时间、压力进行优化控制，提高了换热器芯体的焊接接头的质量，同时减少了焊接过程中芯体的变形量，延长了换热器的使用寿命。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对组成芯体的上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板进行超声波清洗；
步骤2：将上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板上下堆叠形成芯体叠片；
步骤3：将芯体叠片送入真空扩散焊炉进行温度、压力耦合控制的扩散焊接；
步骤4：对焊接完成后的芯体进行性能测试；
所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内的扩散焊接包括以下步骤：
步骤31：炉内温度升至550℃，真空扩散焊炉内的上压头向下对芯体叠片施加4Mpa的压力；
步骤32：上压头的压力保持4Mpa不变，炉内温度以5～10℃/min的速率升至900℃；芯体叠片在900℃、4MPa的焊接环境下保温保压20min；
步骤33：炉内温度保持900℃不变，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa，芯体叠片在900℃、10 MPa的焊接环境下保温保压90min；
步骤34：上压头对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，同时炉内温度以10～15℃/min的速率升至1100～1120℃；芯体叠片在1100～1120℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压10min；
步骤35：炉内温度以10～15℃/min的速率降至1050℃，同时上压头对芯体叠片的压力增加至8Mpa；芯体叠片在1050℃、8MPa的焊接环境下保温保压20min；
步骤36：炉内温度保持1050℃不变，上压头对芯体叠片的压力降低至6.5Mpa，芯体叠片在1050℃、6.5MPa的焊接环境下保温保压80min；
步骤37：炉内温度保持1050℃不变，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa；
步骤38：上压头压力保持10Mpa不变，炉内温度降至400℃；
步骤39：卸载上压头对芯体叠片的压力，同时将炉内温度降至室温；
步骤310：芯体的扩散焊完成，从真空扩散焊炉内取出。
2.如权利要求1所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述步骤2中，在工装夹具上对上盖板、冷侧板、热侧板、下盖板进行上下堆叠；
所述工装夹具包括支撑板，所述支撑板的两端设置有限位块。
3.如权利要求1所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述步骤3中，芯体叠片在真空扩散焊炉内进行扩散焊接之前，将真空扩散焊炉内抽真空至0.01Pa之下。
4.如权利要求1所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述步骤37中，上压头对芯体叠片的压力增加至10Mpa的过程中用时10min。
5.如权利要求1所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述步骤4中，性能测试包括对芯体的气密性检测和泄漏检测。
6.如权利要求5所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述气密性检测包括以下步骤：
步骤411：芯体与换热器壳体进行组装，将组装好的换热器浸没至水中；
步骤412：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入13 MPa 压力的氮气，保压 10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形；
步骤413：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入13 MPa 压力的氮气，保压 10min；观察换热器四周是否有气泡溢出以及换热器有无裂纹或者变形。
7.如权利要求5所述的印刷电路板式换热器芯体的扩散焊接工艺，其特征在于，所述泄漏检测包括以下步骤：
步骤421：芯体与换热器壳体进行组装；
步骤422：将换热器的冷源进、出口封堵，通过换热器的热源进、出口向芯体的热源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测；
步骤423：将换热器的热源进、出口封堵，通过换热器的冷源进、出口向芯体的冷源流道内通入氦气，连接氦质谱捡漏仪进行泄漏检测。
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