板翅式换热器芯体脱焊的工艺研究

章晓龙

(杭州制氧机集团股份有限公司，浙江 杭州 311305)

1 前 言

板翅式换热器是一种高效、结构紧凑、适应性强的间壁式换热器，广泛应用于空分、石油化工、航天等各工业领域。板翅式换热器芯体主要由隔板、导流片、翅片及封条等零件部装后进入真空钎焊炉钎接而成。隔板上钎料与导流片、翅片及封条形成的钎焊缝质量是板翅式换热器承压能力和强度的主要影响因素。针对板翅式换热器钎焊缝质量的相关研究较少，朱单单、王冠[1-2]等人在研究铝合金低熔点钎料中阐述了Si元素扩散及其他合金元素对钎焊缝的影响，肖晴[3]在铝合金钎料研究中表明了Cu、Zn等元素对钎料熔点及钎焊缝强度的影响，李伟、王金宏[4-5]等人在铝合金真空钎焊工艺的研究中总结了钎焊工艺对钎焊缝质量影响的关键因素。

2 原因分析

根据板翅式换热器芯体实际制造工程经验，从零件公差、装配工艺及钎焊温度三个方面对板翅式换热器焊缝质量进行分析。

2.1 零件公差

板翅式换热器由翅片、导流片、封条及隔板装配而成，如图1所示。两层隔板与封条、翅片、导流片组成一个换热通道。

图1 板翅式换热器零件组成

芯体高度越高，通道层数越多，拼缝处高度差越会形成较大误差，极端情况下，导流片公差为+0.05 mm，封条公差为0 mm，再经过200层左右的通道叠加装配，累计偏差会达到10 mm以上，使得隔板与封条之间形成较大的空隙，从而导致无法形成钎角，并成为承压时的应力集中位置，最终使得钎焊缝失效脱焊。如图2所示，从底部开始，越往上，高度差t就越大，在顶部时就会形成较大空隙。

图2 拼缝累计误差

据实际产品统计，70%以上产品脱焊位置集中在导流片及翅片的拼缝处、导流片及封条的拼缝处，进一步证明零件公差匹配性问题。

2.2 装配夹具

板翅式换热器芯体部装如图3所示，部装完成后使用压模及弹簧夹紧芯体，保证芯体在钎焊过程中零件处于紧密连接状态。

图3 芯体部装示意图

实际生产中发现，瘦高型高压产品，顶部区域极易脱焊，经分析研究表明是局部压紧力不足所致。

在钎焊过程中芯体隔板钎料层相变后，随着钎料流动填充缝隙形成钎角，隔板厚度会相应减薄，芯体高度因此降低，弹簧压缩弹力减小。由此可见，通道层数越多，芯体高度下降量越大，弹簧压缩弹力越小。弹簧配合压模压紧芯体，压紧力较均衡，但是芯体存在零件公差，不可能达到绝对平整，这样就会造成局部压紧力不足，如图4所示。

图4 压模示意图

因此对于弹簧压紧力的分布是影响钎焊缝成形的重要因素。

2.3 钎焊温度

钎焊是板翅式换热器芯体制造最重要的工艺过程，钎焊温度可以直接影响到钎焊缝形成的质量。板翅式换热器芯体钎焊是通过铝基钎料与铝合金母材相互扩散融合的原理形成钎焊缝，因此钎料及铝合金内的合金元素的扩散及晶核的控制是钎焊工艺制定的理论基础。

如图5所示，当钎焊温度较高时，元素过度扩散，造成母材溶蚀，翅片翅根完全被钎料溶解，而图6所示产品刚好相反，钎焊温度过低，钎料与母材间未形成有效扩散融合。

图5 脱焊产品A

图6 脱焊产品B

对脱焊产品进行金相分析后得出，温度过高时，元素扩散充分，但是偏析严重，形成较大杂质相粗晶，并且产生母材溶蚀，如图7所示，脱焊时沿着粗晶裂开；温度过低时，元素扩散不充分，积聚于焊缝中心形成骨骼状共晶相，如图8所示，脱焊时沿着骨骼状共晶相裂开。

图7 脱焊产品A金相图

图8 脱焊产品B金相图

3 改进措施

根据上述原因分析，针对易脱焊产品，提出以下三条改进措施。

3.1 零件

在保证零件制造质量的前提下，调整零件制造顺序，抽检封条高度公差，重点检验中间横封条高度公差，根据封条公差数据偏高还是偏低，调整翅片及导流片冲制公差。该措施能有效保证零件间公差匹配性，防止高度差过大造成拼接处间隙较大。

3.2 部装

为保证芯体各部分都能有效受压，取消下压板，并重新设计压模，更改为小尺寸栅条结构，最大程度使不平整处都能得到有效受压，部装适用于大截面高压产品。

3.3 钎焊

以上措施，为钎焊提供了良好的基础条件，针对于钎焊缝的质量，钎焊工艺也须适当调整，不同结构的板翅式换热器需要合适的温度停止点，并采取多阶梯式升温操作，在到达高温区前保持合适的钎焊时间，使得元素得到充分扩散融合，并且防止母材溶蚀。缩短高温区时间，防止元素偏析积聚，并在合适的温度点快速破空冷却芯体，使钎焊缝形成较细晶粒，提升钎焊缝强度，如图9所示。

图9 改进后钎焊缝金相图

4 结 论

详细论述了板翅式换热器芯体脱焊的几种影响因素并提出相应改进措施，除以上措施，还需保证零件的清洗质量、烘干质量及真空钎焊炉的真空度等因素，经过一年的统计，脱焊情况有明显好转，统计结果如图10所示。

图10 脱焊产品统计