章曉龍

(杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311305)

1 前 言

板翅式換熱器是一種高效、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)的間壁式換熱器，廣泛應(yīng)用于空分、石油化工、航天等各工業(yè)領(lǐng)域。板翅式換熱器芯體主要由隔板、導(dǎo)流片、翅片及封條等零件部裝后進(jìn)入真空釬焊爐釬接而成。隔板上釬料與導(dǎo)流片、翅片及封條形成的釬焊縫質(zhì)量是板翅式換熱器承壓能力和強(qiáng)度的主要影響因素。針對(duì)板翅式換熱器釬焊縫質(zhì)量的相關(guān)研究較少，朱單單、王冠[1-2]等人在研究鋁合金低熔點(diǎn)釬料中闡述了Si元素?cái)U(kuò)散及其他合金元素對(duì)釬焊縫的影響，肖晴[3]在鋁合金釬料研究中表明了Cu、Zn等元素對(duì)釬料熔點(diǎn)及釬焊縫強(qiáng)度的影響，李偉、王金宏[4-5]等人在鋁合金真空釬焊工藝的研究中總結(jié)了釬焊工藝對(duì)釬焊縫質(zhì)量影響的關(guān)鍵因素。

2 原因分析

根據(jù)板翅式換熱器芯體實(shí)際制造工程經(jīng)驗(yàn)，從零件公差、裝配工藝及釬焊溫度三個(gè)方面對(duì)板翅式換熱器焊縫質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.1 零件公差

板翅式換熱器由翅片、導(dǎo)流片、封條及隔板裝配而成，如圖1所示。兩層隔板與封條、翅片、導(dǎo)流片組成一個(gè)換熱通道。

圖1 板翅式換熱器零件組成

芯體高度越高，通道層數(shù)越多，拼縫處高度差越會(huì)形成較大誤差，極端情況下，導(dǎo)流片公差為+0.05 mm，封條公差為0 mm，再經(jīng)過(guò)200層左右的通道疊加裝配，累計(jì)偏差會(huì)達(dá)到10 mm以上，使得隔板與封條之間形成較大的空隙，從而導(dǎo)致無(wú)法形成釬角，并成為承壓時(shí)的應(yīng)力集中位置，最終使得釬焊縫失效脫焊。如圖2所示，從底部開(kāi)始，越往上，高度差t就越大，在頂部時(shí)就會(huì)形成較大空隙。

圖2 拼縫累計(jì)誤差

據(jù)實(shí)際產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)，70%以上產(chǎn)品脫焊位置集中在導(dǎo)流片及翅片的拼縫處、導(dǎo)流片及封條的拼縫處，進(jìn)一步證明零件公差匹配性問(wèn)題。

2.2 裝配夾具

板翅式換熱器芯體部裝如圖3所示，部裝完成后使用壓模及彈簧夾緊芯體，保證芯體在釬焊過(guò)程中零件處于緊密連接狀態(tài)。

圖3 芯體部裝示意圖

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，瘦高型高壓產(chǎn)品，頂部區(qū)域極易脫焊，經(jīng)分析研究表明是局部壓緊力不足所致。

在釬焊過(guò)程中芯體隔板釬料層相變后，隨著釬料流動(dòng)填充縫隙形成釬角，隔板厚度會(huì)相應(yīng)減薄，芯體高度因此降低，彈簧壓縮彈力減小。由此可見(jiàn)，通道層數(shù)越多，芯體高度下降量越大，彈簧壓縮彈力越小。彈簧配合壓模壓緊芯體，壓緊力較均衡，但是芯體存在零件公差，不可能達(dá)到絕對(duì)平整，這樣就會(huì)造成局部壓緊力不足，如圖4所示。

圖4 壓模示意圖

因此對(duì)于彈簧壓緊力的分布是影響釬焊縫成形的重要因素。

2.3 釬焊溫度

釬焊是板翅式換熱器芯體制造最重要的工藝過(guò)程，釬焊溫度可以直接影響到釬焊縫形成的質(zhì)量。板翅式換熱器芯體釬焊是通過(guò)鋁基釬料與鋁合金母材相互擴(kuò)散融合的原理形成釬焊縫，因此釬料及鋁合金內(nèi)的合金元素的擴(kuò)散及晶核的控制是釬焊工藝制定的理論基礎(chǔ)。

如圖5所示，當(dāng)釬焊溫度較高時(shí)，元素過(guò)度擴(kuò)散，造成母材溶蝕，翅片翅根完全被釬料溶解，而圖6所示產(chǎn)品剛好相反，釬焊溫度過(guò)低，釬料與母材間未形成有效擴(kuò)散融合。

圖5 脫焊產(chǎn)品A

圖6 脫焊產(chǎn)品B

對(duì)脫焊產(chǎn)品進(jìn)行金相分析后得出，溫度過(guò)高時(shí)，元素?cái)U(kuò)散充分，但是偏析嚴(yán)重，形成較大雜質(zhì)相粗晶，并且產(chǎn)生母材溶蝕，如圖7所示，脫焊時(shí)沿著粗晶裂開(kāi)；溫度過(guò)低時(shí)，元素?cái)U(kuò)散不充分，積聚于焊縫中心形成骨骼狀共晶相，如圖8所示，脫焊時(shí)沿著骨骼狀共晶相裂開(kāi)。

圖7 脫焊產(chǎn)品A金相圖

圖8 脫焊產(chǎn)品B金相圖

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述原因分析，針對(duì)易脫焊產(chǎn)品，提出以下三條改進(jìn)措施。

3.1 零件

在保證零件制造質(zhì)量的前提下，調(diào)整零件制造順序，抽檢封條高度公差，重點(diǎn)檢驗(yàn)中間橫封條高度公差，根據(jù)封條公差數(shù)據(jù)偏高還是偏低，調(diào)整翅片及導(dǎo)流片沖制公差。該措施能有效保證零件間公差匹配性，防止高度差過(guò)大造成拼接處間隙較大。

3.2 部裝

為保證芯體各部分都能有效受壓，取消下壓板，并重新設(shè)計(jì)壓模，更改為小尺寸柵條結(jié)構(gòu)，最大程度使不平整處都能得到有效受壓，部裝適用于大截面高壓產(chǎn)品。

3.3 釬焊

以上措施，為釬焊提供了良好的基礎(chǔ)條件，針對(duì)于釬焊縫的質(zhì)量，釬焊工藝也須適當(dāng)調(diào)整，不同結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器需要合適的溫度停止點(diǎn)，并采取多階梯式升溫操作，在到達(dá)高溫區(qū)前保持合適的釬焊時(shí)間，使得元素得到充分?jǐn)U散融合，并且防止母材溶蝕?？s短高溫區(qū)時(shí)間，防止元素偏析積聚，并在合適的溫度點(diǎn)快速破空冷卻芯體，使釬焊縫形成較細(xì)晶粒，提升釬焊縫強(qiáng)度，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后釬焊縫金相圖

4 結(jié) 論

詳細(xì)論述了板翅式換熱器芯體脫焊的幾種影響因素并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，除以上措施，還需保證零件的清洗質(zhì)量、烘干質(zhì)量及真空釬焊爐的真空度等因素，經(jīng)過(guò)一年的統(tǒng)計(jì)，脫焊情況有明顯好轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 脫焊產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)