钎焊工艺分析.doc

铜钎焊板式换热器的钎焊工艺分析摘 要：本文从生产设备、材料选择以及钎焊工艺参数上对铜钎焊板式换热器的钎焊工艺进行了简单的介绍，并对其钎焊工艺参数进行了理论上的探讨，为生产厂家及用户提供了一定的理论知识。关键词：板式换热器 工艺参数 钎焊 Copper brazed plate heat exchangers brazing process analysis East-Alliance Thermal Equipment co.,Ltd Ren Zhihong Cai ZhixiangAbstract: This article introduce the soldering of copper brazed plate heat exchangers brazing process from the production equipment, materials selection and process parameters, and also discussed the brazing process parameters of the theory for manufacturers .Keywords: plate heat exchanger; process parameters; brazing0 前言目前板式换热器已成为高效、紧凑的换热设备，并大量地应用于工业中。它的发展，已经历了100多年的历史。1878年德国就发明了板式换热器，并获得专利。至到1923年APV公司的Richard Seligman博士成功地设计了可以成批生产的板式换热器，开始时是用很多铸造的青铜板片组合在一起，很像板框式压滤机。1930年以后，才有不锈钢或铜薄板压制的波纹板片板式换热器，板片的周边用垫圈密封，为板式换热器的发展奠定了基础。到了上世纪七十末期，阿法拉伐发明了铜钎焊板式换热器，在那以后，铜钎焊板式换热器大行其道，以其高效、紧凑和密封的特性迅速占领了许多传统换热器的领地。钎焊板式换热器是密封垫式热交换器的升级,它是由首、尾挡板及人字形波纹状板片组合而成，相邻板片的波纹板角朝向相反，板组件间的波峰彼此交叉形成大量的接触点，通过真空钎焊，将钎焊材料熔化与基材形成合金，使板片间的每一个接触点都变成焊接点，这样既增强了换热器的强度，又提高了换热器的换热效率。其内部结构和焊接点如图1所示：图1 钎焊板式换热器的内部结构和焊接点本文将从生产设备、材料选择以及钎焊工艺参数上对铜钎焊板式换热器的钎焊工艺进行简单的介绍，并从理论上对其钎焊工艺参数进行探讨。1 真空钎焊炉 设备真空系统主要由真空室、泵系统和各控制阀组成。其中泵系统由机械泵、维持泵、罗茨泵、扩散泵构成。阀门包括前级阀（碟阀）、旁路阀（碟阀）、维持泵阀（碟阀）和高阀（板阀）组成，各阀门均为气动阀，由PLC控制气动阀进行控制。真空炉加热室主要由不锈钢加热室壳体、不锈钢反射屏、石墨加热器加热器、陶瓷绝缘件、水冷电极、炉床等组成。采用多温区闭环独立加热控温方案。共设前门、后门、顶面、底面、左侧、右侧六个大区，共18个小区。电路与炉体绝缘性能良好，所采用的绝缘元件能防金属化，又便于拆卸清理更换。炉胆设有冷却气体循环，均匀冷却工件，炉胆便于清理。真空系统工作时，首先启动机械泵、维持泵和扩散泵（加热），同时打开前级阀和维持泵阀，对扩散泵内进行抽真空。当真空度达到系统某一设定值时，罗茨泵启动，同时旁路阀打开，前级阀关闭，此时对真空室进行抽低真空当扩散泵加热到一定温度，并且真空度高于一定值时，高阀打开，旁路阀关闭，前级阀打开。此时对真空室抽高真空，达到工艺要求的真空度以后，方可进行加热工作。加热过程完成后，对真空室充入高纯氮气进行强制冷却，完成整个工艺过程。2 钎焊用材料材料是产品之本，要生产高性能、高质量的产品，必须选好材、管好材、用好材，并使所选用的材料的品种、规格，满足用户、设计图样和相关材料标准的要求。板式换热器主要零部件用的材料应不低于国家标准板式换热器（GB 16409）或行业标准制冷用板式换热器（JB8701）的规定。现在主要介绍铜钎焊板式换热器用的板片、钎料等材料的质量要求和适用范围。 21 板片目前铜钎焊板式换热器用的板片材料为奥氏体不锈钢冷轧薄板,它具有很好的可加工性、焊接性、机械性能（强度、韧性及延伸性）及防腐蚀性能。常用的奥氏体不锈钢是300系列，其品种有：304、304L、316、316L、321、347和348。304是基本不锈钢，含铬18%，它具有适中的强度、优异的韧性、适中的搞腐蚀性。如果在304中加入钼元素，则变成316和317不锈钢。与304相比，它们具有较好的抗氯离子点蚀性能。低碳不锈钢304L和316L能够防止碳化物在426871下析出，这样能有效的防止奥氏体不锈的晶间腐蚀，提高换热器的抗腐蚀能力。当在不锈钢中加入钛和铌，可稳定不锈钢的各个化学成化，防止铬及铬化物的析出，使不锈钢的性能保持稳定，这种不锈钢有321（含Ti）和347（含Nb）。常用轧制奥氏体不锈钢化学组成见表1：表1 轧制奥氏体不锈钢化学组成由于使用材料的不同，铜钎焊板式换热器的应用场所也不同。304不锈钢适用于一般的有机和无机介质，如一般条件下的硝酸、碳酸、氨水和醇类，不适合于硫酸、盐酸及含氯介质的溶液中；而316型不锈钢具有最大抗点蚀能力，由于含2%左右的钼，比304的蠕变强度大了数倍，在海水和其它含氯介质中的耐蚀性比304型好，316不锈钢设备一般用于造纸厂、化工厂、食品厂等。为了防止不锈钢板片在高温下渗碳,所以厂家所使用的板片大部份为304L和316L。钎焊板式换热器用的板片除了对材料有要求外，对其厚度也有一定的要求。GB16409-1996规定钎焊板片厚度0.4mm，国外板片厚度=0.4mm。板片厚度的选择主要受以下几个因素的约束：a) 板片厚度与承压能力和制造成本有关。越大，承压能力增大，但制造成本增大，但与腐蚀性能无关。b) 板片厚度与板式换热器传热系数有关。由于板片厚度与板片的热阻有关，越大，热阻越大，传热系数也随之降低。2.2 钎料由于纯铜塑性极好，耐腐蚀，作真空钎焊用料时,既便宜,又实用,而且对钢、高温合金、硬质合金等都有较好的润温性,所以在钎焊板式换热器中，纯铜钎料应用比较广泛。其缺点是熔点较高，抗氧化性能较差，如在250550之间极易氧化，容易产生裂纹，所以不适合用于工作温度高于200以上的工程中。另外，纯铜蒸气压较高，用纯铜钎料进行真空钎料，要在钎焊温度下控制炉内压力应大于25pa，这样才能防止铜的大量挥发。不仅如此，由于铜大量蒸发会污染炉壁，导致炉内绝缘失效，热偶控温失灵，清理工作也很麻烦。3 钎焊工艺参数真空钎焊的工艺参数主要有：真空度、加热速率、稳定温度及时间、钎焊温度、钎焊保温时间、冷却速率、出炉温度等。它们都直接影响钎料和纤料与母材的相互作用。因此，钎焊必须进行这些工艺参数进行正确的选定。3.1 真空度真空度根据加热情况分为冷态真空和热态真空度，它的选择根据有：母材种类、钎料类型 、钎焊面积大小等。冷态真空度，是为了防止被钎焊件及炉内元件（加热钼丝、辐射屏等）的氧化，避免热气流直接通过机械泵以获得高的抽气效率，在加热之前应欲先把炉腔抽到所要求的真空度，冷态真空度的选择主要根据母材种类来确定。热态真空度又称工作真空度，是指从开始加热到填气冷却这段时间的炉内真空度，这是由于加热时，零件、夹具要析出气体，这些因素都会不同程度地引起冷态真空度的降低。但是在钎焊温度下，要求炉内真空度基本恢复到冷态真空度，通常是采用适当延长稳定时间的方法来实现的。但是，如果钎料中含有蒸气压较高的合金元素，为了防止合金元素挥发而污染炉膛，这时热态真空度与冷态真空度相差较大。 如纯铜钎料，因为铜在940时的蒸气压为1Pa，所以在940以上不允许把炉内压力降到1Pa以下，否则随着温度继升高并保持一定时间，会出现铜大量蒸发，引起下列各种恶果：a) 蒸发出的元素会污染焊件表面，并会像钎料一样将相互紧靠面不需要连接的零件或夹具结合起来；b) 过量蒸发会使工件表面粗糙，或使钎缝出现空穴缺陷，并改变金属原有性能；c) 蒸发物附着、沉积在炉内元件上，会造成炉内电气绝缘降低或短路等事故。为了克服这种现象，降低热态真空度，可向炉内通入纯度高、露点低的惰性气体，如氩、氮等，将炉内压力调节到安全程度。所以，当以纯铜钎焊不锈钢时，一般先把炉内真空抽到，然后升温到940以前，向真空炉内充入高纯度的氮气，保证真空室内的工作真空度应高于25Pa。3.2 加热速率钎焊加热速率应能保证零件析出的气体被充分抽出，同时要使组件受热均匀，以减少或防止组件骤热产生的应力而引起变形。确定加热速率应考虑的主要因素有：a) 组件的材料、形状、结构和尺寸。对于纯铜钎料，要在250500之间以较快的速率加热；对于奥氏体不锈钢，要在其碳化物析出危险温度区（427876）内迅速加热；对于形状复杂及装配欲应力较大的构件，要缓慢加热；对于厚大的零件，加热速率也不宜过快。b) 对于纯铜钎料来说，不论形状如何，加热速率可以快些；但是，在钎料固相线温度以下50100范围内，加热速率不宜过快，以保证钎料熔化时组件内外温度基本一致，使毛细作用能够很好地发挥。在钎焊薄壁零件时，为了防止母材金属被钎料溶蚀，在控制产生变形的前提下，加热速率也应尽可能快些。像铜钎焊板式换热器这样内部均为较薄的不锈钢板片组成的产品，钎焊时加热速率推荐值68/min。3.3 稳定温度 保持时间稳定温度和保持时间是指钎焊时加热到接近钎料固相线附近的温度，并在此时暂停加热，保持这一温度一段时间。其目的是为了减小组件的温度梯度，使组件各部分的温度得以均匀。在钎焊不锈钢、耐热合金等导热性较差的组件时，如果一直把炉温从室温加热到钎焊温度，就会在组件各部位内外层之间造成较大的温度差。此温差的大小与组件材料种类、结构和壁厚等有关。这时，外层钎料熔化后即沿着较高温度带流散；而接缝内由于温度较低，不可能得到良好的填充。虽然随后还要在钎焊温度下保温，但因钎料已有流失，无法继续填充，必然造成未钎透等缺陷，降低钎焊质量。因此，必须根据组件的具体情况，正确地选择稳定温度和保持时间。3.4 钎焊温度 钎焊温度是钎焊过程中最主要的工艺参数之一。在钎焊温度下，一方面要钎料熔化，在毛细力作用下填满钎焊间隙，并与母材进行融合；另一方面能够完成母材的热处理程序中的某一工序，如淬火、固溶处理等，提高钎焊点的性能。 确定钎焊温度的主要依据首先是所选用钎料的熔点。钎焊温度应适当地高于钎料熔点，以减小液态钎料的表面张力，改善润温和填缝，并使钎料与母材能充分相互作用，有利于提高接头强充。但钎焊温度过高却是有害的，它可能引起钎焊中低沸点组元的蒸发，母材晶粒的长大以及钎料与母材过分的相互作用而导致溶蚀、晶间渗入等，使钎焊强度下降。因此，通常将钎焊温度选为高于钎料液相温度线的30100之间效果较好。但不同的钎料，需要高出其熔点的温度范围也不同。像纯铜这样的单元素钎料，只要高出熔点3070,即11001150的钎焊温度之间，其流动性处于最佳状态。因此， 必须全面考虑合理地选择钎焊温度。由于材料、生产条件等不一样，所以具体的温度各个厂都不一样，这里就不详细介绍。3.5 钎焊保温时间钎焊保温时间是钎料填充间隙和控制合金化作用的重要阶段，对于钎焊强度的影响与钎焊温度具有类似的特性。一定的保温时间是钎料同母材相互扩散、形成牢固的结合所必需的。但过长的保温时间同样会导致某些过程的过分发展而走向反面。选择钎焊保温时间主要决定于钎料与母材的相互作用特性，同时与焊件大小、厚度、和钎焊间隙值也有关系。当以铜钎焊钢时，具有溶解作用、生成脆性相、引起晶间渗入等利倾向的相互作用，这时就要尽量缩短钎焊保温时间；大件、厚件的保温时间应比小件、薄件的长，以保证加热均匀。此外，也应当考虑母材的热处理要求。像304、316等这些奥氏体不锈钢，当加热至900以上时，碳化物很快固溶，钎焊保温时间不需要太长。应当指出，对钎焊温度和钎焊保温时间不应孤立地来确定，它们之间存在着一定的互补关系，可以相应地在一定范围内变化。因此选择时要根据上述原则通过试验进行确定。3.6 冷却速率焊件的冷却是在钎焊保温结束之后进行的，但它的冷却速率对焊接点的质量也有很大的影响。过慢的冷却可能引起母材的晶粒长大，强化相析出或出现残余奥氏体。加快冷却速率，有利于细化钎缝组织，减小枝晶偏析，从而提高焊接处的强度。但是过高的冷却速度，可能使组件因形成过大的热应力而产裂纹。3.7 出炉温度焊件在较高的温度下出炉，会引起表面氧化，特别是使用风扇冷却时，组件表面温度较低，停炉后由于组件内部的温度高，会使整个焊件温度回升。因此出炉温度应比额定值低些，确定时要根据母材种类而定。一般来说，不锈钢换热器在150以下出炉比较好。3.8 工艺参数曲线综合考虑3.13.7各个工艺要点，定出如图2所示的铜钎焊板式换热器的钎焊工艺参数曲线： 图2 铜钎焊板式换热器的工艺参数曲线 1 真空度 2 温度A预抽真空时间 B、D、F升温时间 C、E稳定时间 H自然冷却时间 I强制冷却时间如图2所示,铜钎焊板式换热器的钎焊工艺主要过程为:加热前把炉内真空抽到，在加热的过程中，为了使组件受热均匀，必要时可在400和900时保温一段时间，并且在300900之间加热速度要快，而在加热到铜熔点温度前50100范围内要缓慢加热，加热到钎焊温度后,保温时间视组件大小和数量而定，然后保持一定压力自然冷却到870左