一种换热器芯体的扩散焊工艺的制作方法

本发明涉及一种适合用于石油化工、航空航天、燃气轮机、高温气冷堆等具有高温高压服役要求领域的不锈钢换热器，具体地说是涉及该换热器芯体的扩散焊工艺方法。

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，换热器服役温度达到了约600℃，压力达到了约7MPa，还需要承受循环热应力，且具有高换热性能、紧凑性，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。板翅式换热器由叠加钎焊而成，高温高压服役能力有限，而扩散焊的印刷电路板换热器表现出来优异的耐高温高压特性，由此增加印刷电路板换热器的耐高温高压能力和提高传热系数，有重要意义。

扩散焊是在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，然后经过较长时间的原子相互扩散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。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，而导致接头力学性能下降。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，因此扩散焊工艺受这些工艺参数影响很大。由于不锈钢扩散焊温度非常高，在该环境下很难得到稳定的夹持压力，扩散焊升降温速度受工装影响较大、装配精度不高，而且不锈钢扩散焊过程中容易出现脆性相，这些都容易产生焊接缺陷，导致成品率降低。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提供一种换热器芯体的扩散焊工艺。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种换热器芯体的扩散焊工艺，包括以下步骤：

(1)焊前预处理：将组装好的换热器芯体送入扩散焊炉，将炉内抽真空至0.01Pa之下；

(2)扩散焊：以15-20℃/min速率升温到800-850℃，保温30min；随后以10-15℃/min速率升温到1100-1150℃，保温3h，前2h保持之前所施加的压力8-9.5MPa，后1h降低到4-6MPa；随后真空冷却至室温；

(3)焊后热处理：将换热器芯体温度升高至1150-2000℃，保温超过20h，随后以水淬火方式降温。

上述步骤(1)中，换热器芯体是由617合金加工而成。

优选的，步骤(1)中：所述换热器芯体包括上金属盖板、下金属盖板和若干个中间金属板，在上金属盖板的底面、下金属盖板的顶面和中间金属板的顶底两面均纵向蚀刻第一半圆孔结构，横向蚀刻第二半圆孔结构，上金属盖板、若干个中间金属板和下金属盖板上下依次叠放组装；组装完成后，上下相邻中间金属板之间、最上方中间金属板与上金属盖板之间以及最下方中间金属板与下金属盖板之间的第一半圆孔结构对应组合成第一圆孔，第二半圆孔结构对应组合成第二圆孔。

优选的，所述上金属盖板、下金属盖板和若干个中间金属板均是由617合金加工制成的。

优选的，所述换热器芯体在焊接工装中进行组装，所述焊接工装包括顶盖、底座、装配夹具和控压质量块，所述装配夹具与底座可拆分连接，在装配夹具内叠放换热器芯体部件，底座与顶盖之间采用螺栓连接，在螺栓的顶部设置有用于提供给换热器芯体部件预紧力的紧固螺母，在顶盖的中部设置有控压孔，在控压孔处设置有活动压板，所述控压质量块放置在活动压板的上方，所述顶盖和底座之间还设置有定位杆，在顶盖和底座的边缘处设置有与定位杆相适配的定位孔，组装过程按以下步骤进行：

a将装配夹具装入底座，并且安装螺栓；

b在装配夹具内从下至上依次叠加下金属盖板、中间金属板和上金属盖板，并且放置定位杆；

c将顶盖对准定位杆和螺栓，运用数显扭力扳手安装螺母；

d取出装配夹具；

e放置活动压板和控压质量块。

优选的，所述上金属盖板、下金属盖板和中间金属板在采用焊接工装组装前用电沉积方法在表面添加3.5μm纯镍层。

优选的，步骤(3)中：所述焊后热处理在高温真空炉中进行。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明提出了一套扩散焊工艺，该工艺包括焊接温度、扩散时间、压力等参数控制，同时加入了扩散焊后热处理，减少了扩散焊中容易出现的脆性相，提高了换热器芯体的焊接接头的质量。

(2)本发明设计了一种紧凑高效换热器芯体，采用该换热器芯体制成的换热器耐高温高压性能优异，同时具有高传热性能，能满足特殊领域的需求。

(3)本发明还设计了针对上述换热器芯体用于扩散焊的组装焊接一体的焊接工装，该工装可以满足装配精度要求，同时在扩散焊的高温焊接温度下提供稳定的压力，减少芯体变形，以满足焊接要求，提高成品率，而且芯体在焊接时能够快速升降温，减小了焊接工装的影响。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明所涉及换热器芯体中间金属板的结构示意图；

图2为本发明所涉及换热器芯体上金属盖板的结构示意图；

图3为本发明所涉及换热器芯体下金属盖板的结构示意图；

图4为本发明所涉及换热器芯体组合后的结构示意图；

图5为本发明所涉及焊接工装的整体结构示意图，图中示出未加入芯体的情形；

图6为本发明所涉及焊接工装的整体结构示意图，图中示出加入芯体的情形；

图7为本发明所涉及焊接工装中顶盖的结构示意图；

图8为本发明所涉及焊接工装中底座的结构示意图；

图9为本发明所涉及焊接工装中装配夹具的结构示意图；

图10为本发明所涉及焊接工装中控压质量块的结构示意图；

图11为本发明所涉及焊接工装中采用的螺栓的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种不锈钢换热器芯体的扩散焊工艺方法，通过该工艺方法并结合自制焊接工装可以很好的提高焊接接头的质量，减少焊接缺陷，提高成品率。同时，本发明还对换热器芯体的结构进行了独特设计，采用该换热器芯体制备的换热器具有很高的换热效率和紧凑性，可以在高温高压下服役，适合特殊场合下使用。

在进行扩散焊工艺的说明之前，有必要先对换热器芯体及自制焊接工装的结构进行详细介绍。

如图1-4所示，一种紧凑高效换热器芯体，包括上金属盖板1、下金属盖板2和若干个中间金属板3。在上金属盖板1的底面、下金属盖板2的顶面和中间金属板3的顶底两面均纵向蚀刻第一半圆孔结构4，横向蚀刻第二半圆孔结构5。上金属盖板1、若干个中间金属板3和下金属盖板2上下依次叠放。叠放组合后，如图4所示，上下相邻中间金属板之间、最上方中间金属板与上金属盖板之间以及最下方中间金属板与下金属盖板之间的第一半圆孔结构对应组合成第一圆孔，第二半圆孔结构对应组合成第二圆孔。第一圆孔的孔径大于第二圆孔的孔径。

上述第一半圆孔结构4在上金属盖板1的底面、下金属盖板2的顶面和中间金属板3的顶底两面等间隔布设，相邻第一半圆孔结构4之间形成分隔脊梁6，所述第二半圆孔结构5在分隔脊梁6上等间隔布设。

上述上金属盖板1、下金属盖板2和若干个中间金属板3均是由617合金加工制成的。

617合金的各元素含量如下表1所示。

表1

本发明所设计的换热器芯体各部件(上金属盖板1、下金属盖板2和中间金属板3)采用横向与纵向均化学蚀刻的半圆孔结构，因而有很强的破坏边界层的能力，可增强流体的扰动，提高换热性能。同时换热器芯体组合后，第一半圆孔结构可组合成第一圆孔孔结构，第二半圆孔结构可组合成第二圆孔孔结构，由于光滑的圆孔孔结构，有利于减小应力集中，因而具有很好的耐高温高压的能力。

由于焊接温度在1120℃左右，只有螺栓预紧或者弹簧预紧不能满足扩散焊中稳定的压力要求，同时由于第二半圆孔结构5等的微通道结构，对装配精度要求较高，因而需要新型的焊接工装。

如图5-11所示，一种焊接工装，用于上述紧凑高效换热器芯体的组装焊接，包括顶盖7、底座8、装配夹具9和控压质量块10。所述装配夹具9与底座8为可拆分连接，在装配夹具9内叠放换热器芯体各部件(从下至上依次放置下金属盖板2、中间金属板3和上金属盖板1)，底座8与顶盖7之间采用螺栓11连接，在螺栓11的顶部设置有用于提供给换热器芯体部件预紧力的紧固螺母。在顶盖7的中部设置有控压孔，在控压孔处设置有活动压板12，用于放置控压质量块10。所述控压质量块10放置在活动压板12的上方。控压质量块10用于调节压力，因为在焊接高温下螺栓的预紧力容易松弛，这时需要利用控压质量块来调节压力，在焊接后期也可以减小控压质量块施加的压力，这样有利于减小芯体变形，提高焊接质量。

作为对本发明的进一步设计，所述顶盖7和底座8之间还设置有定位杆13，在顶盖7和底座8的边缘处设置有与定位杆13相适配的定位孔14。定位杆13从定位孔14中穿过，可以防止顶盖7和底座8在水平方向错位。

更进一步的，上述装配夹具9包括底板901，在底板901的上方周边竖向设置有若干个限位直板902和限位角板903，限位直板902和限位角板903围拢成用于适合放置换热器芯体各部件的空间。在底座8上设置有与限位直板902相适配的直孔801，以及与限位角板903相适配的角孔802。装配夹具与底座采用插接的可拆分方式连接。

进一步的，所述螺栓11包括第一柱体1101和第二柱体1102，第一柱体1101的底端与底座8固定连接，第一柱体1101的顶端与第二柱体1102的底端连接，第二柱体1102上的局部位置设置有与螺母相适配的外螺纹。第一柱体1101的直径大于第二柱体1102的直径，在第一柱体1101和第二柱体1102的连接处形成有限位台。该螺栓11可以给予一定的预紧力，使得组成换热器芯体的各板体紧密连接，同时设置粗细两部分，形成有限位台，可以防止在焊接过程中，组成换热器芯体的各板体在竖直方向的过度变形。

更进一步的，所述底座8和活动压板12均采用镂空设计，在不影响强度的条件下，降低了工装的热容量，提高了升温降温的速度，减少了焊接缺陷。

本发明换热器芯体的扩散焊工艺，包括以下步骤：

(1)焊前预处理：将组装好的换热器芯体送入扩散焊炉，扩散焊前将炉内抽真空至0.01Pa之下。

(2)扩散焊：以15-20℃/min速率升温到800-850℃，保温30min，使得芯体各部位温度均匀；随后以10-15℃/min速率升温到1100-1150℃，以此温度为617合金的最佳焊接温度，保温约3h，前2h保持之前所施加的压力8-9.5MPa，后1h降低到4-6MPa，这样有助于减小芯体变形，提高焊接质量；随后快速真空冷却至室温。

(3)焊后热处理：在高温真空炉中将换热器芯体温度升高至1150-2000℃，保温超过20h，随后以水淬火方式快速降温，以减少接头处脆性相，提高焊接接头力学性能。

下面对本发明换热器芯体的焊接总过程进行说明：

1.对组装成换热器芯体的各金属板(上金属盖板1、下金属盖板2和若干个中间金属板3)表面进行常规的除氧化层、除油、清洗、烘干处理。

2.在上金属盖板1、下金属盖板2和若干个中间金属板3的表面用电沉积方法添加约3.5μm纯镍层。

3.组装：用自行研制的组装焊接一体工装，进行金属板组装后夹持牢固，以防止金属板之间的错位，并且可根据扩散焊工艺要求进行夹紧力的调节，保证焊接的质量。具体步骤如下：

a将装配夹具装入底座，并且安装螺栓。

b在装配夹具内从下至上依次叠加下金属盖板、中间金属板和上金属盖板，并且放置定位杆。

c将顶盖对准定位杆和螺栓，其中螺栓下端较粗、上端较细，在较细部分顶端设置部分螺纹，运用数显扭力扳手安装螺母，给予装配夹具一定夹持力。

d取出装配夹具。

e放置活动压板和控压质量块。

4.扩散焊：

(1)将组装好的换热器芯体送入扩散焊炉，扩散焊前将炉内抽真空至0.01Pa之下。

(2)以15-20℃/min速率升温到800-850℃，保温30min，使得芯体各部位温度均匀；后以10-15℃/min升温到1100-1150℃/min，以此温度为617合金的最佳焊接温度，保温约3h，1100-1150℃保温区，前2h保持之前所施加的压力8-9.5MPa，后1h降低到4-6MPa，这样有助于减小芯体变形，使原子充分扩散，提高焊接质量；前期压力较高，可以使接头界面紧密结合，提高界面接触面积，后期压力降低，有助于减少芯体的整体变形，提高焊接质量。保温完成后，快速真空冷却至室温。

(3)焊后热处理，在1150-2000℃左右，保温20h以上，以水淬火方式快速降温，以减少接头界面处的脆性相，提高焊接接头力学性能。

上述焊后热处理过程在高温真空炉中进行。

上述焊后热处理过程中采用水淬火降温方式与炉冷和空气冷却对最终成品的力学性能影响，数据对比如下表2所示，保持其他条件一致。

表2

根据表2中的对比数据可看出，采用水淬火快速降温的方式相比于炉冷和空气冷却可显著提高最终成品的力学性能。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。