不鏽鋼板翅結構真空釺焊工藝的製作方法
2023-06-12 15:25:16
專利名稱：不鏽鋼板翅結構真空釺焊工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種不鏽鋼板翅結構的真空釺焊工藝，屬於耐高溫不鏽鋼板翅式 換熱器領域。
背景技術：
不鏽鋼板翅結構是不鏽鋼板翅式換熱器的核心部件，由翅片、隔板和封條等 釺焊而成。在翅片上下兩端各放一金屬平板(隔板)，隔板與翅片、封條之間預 置釺料箔片。釺料的熔點比母材低，在釺焊溫度下釺料合金熔化而使翅片、隔板、 封條焊接成一個整體。它具有導熱效率高、體積小、重量輕、耐高溫、強度高等 特點，被運用在高溫高壓環境中，如燃汽輪機以及高溫氣冷堆發電等工業中。
真空釺焊是製造不鏽鋼板翅結構的一種方法。張洪濤等介紹了不鏽鋼板翅式 換熱器釺焊技術，但其並沒有涉及具體的釺焊工藝。凌祥等研製了不鏽鋼板翅式 換熱器的製造工藝，但是發現採用這種工藝所得的結構缺陷較多，強度較低。因 此，不鏽鋼板翅結構的釺焊工藝尚需進行優化。影響釺焊接頭質量的因素很多， 如釺焊溫度、釺縫間隙、保溫時間、冷卻速率等。由於鎳基釺料BNi2具有相對 較低的液相線溫度和較高的耐高溫性能，同時能夠使釺料具有良好的潤溼性與流 動性，因此被用於本發明不鏽鋼板翅結構的真空釺焊。BNi2中含有硼和矽等元 素，在釺焊過程中會生成硼化物、矽化物等脆性的金屬間化合物，使得接頭強度 降低。而此類脆性化合物的形成與釺料厚度、釺焊溫度、保溫時間等因素又密切 相關，它們直接影響釺料與母材的相互作用過程。因此，如何獲得最佳的釺焊工 藝參數，對於控制不鏽鋼板翅結構釺縫中金屬間化物的形成、獲得高質量的產品， 具有十分重要的意義。因此，本發明在大量釺焊試驗、強度和微觀組織觀察等試 驗的基礎上，討論各種工藝參數對強度和組織的影響，優化不鏽鋼板翅結構真空 釺焊工藝，獲得了最優化的釺焊工藝。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術所獲結構缺陷較多、強度不高的 不足，在通過大量真空釺焊、強度、微觀組織觀察等試驗的基礎上，提出了一種
適合不鏽鋼板翅結構的真空釺焊工藝。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為先設計一個釺焊工藝，對不 鏽鋼板翅結構進行真空釺焊，然後進行單軸拉伸試驗和微觀組織觀察。在此基礎 上，改變工藝參數進行釺焊試驗，討論工藝參數的變化對強度和微觀組織的影響， 優化釺焊工藝。
本發明的具體技術方案為 一種不鏽鋼板翅結構真空釺焊工藝，其具體步 驟如下先在隔板(金屬平板)上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之 間放置釺料箔片，然後兩邊以邊緣封條密封而組成一個基本單元；根據設計需要 將多個基本單元層層疊置，再用專用夾具裝夾牢固並施加壓力後，放入真空釺焊 爐中；首先將釺焊爐抽真空；然後分步加熱，先將不鏽鋼板翅結構加熱到850 870°C，保溫，再將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度1070 1100。C再保溫；再從 釺焊溫度1070 U00。C採用真空緩慢自冷到620 640°C，然後向爐中充氮氣， 同時啟動釺焊爐的風機，使結構冷卻到40 60。C後出爐，製成不鏽鋼板翅結構。
其中翅片和隔板材料均優選為奧氏體不鏽鋼(如304、 316L等)。釺料為鎳 基BNi2，研究發現，釺料既不能太薄，也不能太厚。釺料太薄，生成的釺角面 積小，使得結構強度較低；釺料太厚，會生成較多的脆性化合物，使得接頭強度 降低。經過優化，釺焊時釺料的厚度為95 110pm，使釺焊接頭中間能夠生成完 全的固溶體組織，結構強度較高。
上述分步加熱過程中先以升溫速率為13 15.8。C/分鐘，將不鏽鋼板翅結構 加熱到850 870°C，保溫30 40分鐘；然後以升溫速率為7.3 10°C/分鐘繼續 將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度(1070 1100。C)，在釺焊溫度下保溫25 30 分鐘。第一步此加熱過程不能太快，其原因為緩慢加熱可降低熱應力，避免產生 熱裂紋。加熱到850 870°C,保溫時間不能太短，其目的充分排除爐中板翅結 構在釺焊過程中揮發的雜質和氣體，減少缺陷的產生。第二步加熱過程不能太快， 其原因為緩慢加熱可降低熱應力，避免產生熱裂紋。研究發現，釺焊溫度不能太 低，也不能太高。釺焊溫度太低，硼元素不能充分擴散，生成的脆性化合物較多， 使得結構強度較低；釺焊溫度太高，會引起奧氏體不鏽鋼晶粒粗化'使得強度降 低。優化後的釺焊溫度為1070 U00。C。將不鏽鋼板翅結構在釺焊溫度下保溫 25 30分鐘，使釺料元素充分擴散。釺焊保溫時間不能太長'也不能太短。研
究發現，保溫時間太短，硼元素來不及完全擴散，生成的脆性化合物較多，使得 強度較低；保溫時間太長，使得母材過度溶解於釺縫，導致缺陷增加，同時太長 時間的高溫暴露，使得界面出現溶蝕現象，從而降低結構強度。因此，優化後的 釺焊保溫時間為25 30分鐘。優化的不鏽鋼板翅結構的釺焊加熱工藝曲線如圖 2所示。
使用本發明人設計的專用夾具，釺焊過程中夾具施加的壓力為4 6MPa。 夾具壓力不能太大，也不能太小。壓力太小，板翅結構各組元不能充分接觸，缺 陷增多，強度降低；壓力太大，會使釺料流出釺縫而產生缺焊。經優化後的夾具 壓力為4 6MPa。
研究發現，採用快速冷卻工藝，接頭處會生成較多的裂紋，使得結構強度較 低。本發明採用兩步冷卻法，即從釺焊溫度(扁 1100。C)到620 640°C， 採用真空緩慢自冷，目的是使釺焊接頭在高溫下利用蠕變鬆弛效應而釋放部分殘 餘應力，防止產生裂紋，提高不鏽鋼板翅結構的強度；當溫度達到620 640°C 時，向爐中充氮氣，同時啟動釺焊爐的風機，使結構冷卻到40 60。C後出爐。 採用此兩步冷卻法，接頭處不出現裂紋，結構強度較高。
其中，所使用的夾具為本申請人所發明的不鏽鋼板翅式換熱器芯體高溫釺 焊專用夾具(申請號200810122637.2)。其中板翅結構的基本單元層數根據設 計需要而定。
有益效果
與現有技術相比，本發明的優點在於優化了不鏽鋼板翅結構的真空釺焊工 藝，保證了釺焊質量，獲得了具有較高強度和優良微觀組織的不鏽鋼板翅結構， 提高了產品服役的可靠性。
圖1為不鏽鋼板翅結構基本單元示意圖，其中1為翅片，2為隔板，3為釺 料，4為封條。
圖2為優化的不鏽鋼板翅結構的釺焊加熱工藝曲線圖。
圖3為採用優化的工藝所獲得的不鏽鋼板翅結構釺焊接頭微觀組織的電鏡 照片。
具體實施例方式
以下結合實例對本發明作進一步詳細介紹。
實施例l: 一種不鏽鋼板翅結構，由翅片(1)、隔板(2)和封條(3)等組
成。翅片和隔板材料均為304不鏽鋼，翅片厚度為0.2mm，隔板厚度為0.4mm。 釺料採用鎳基釺料BNi2，釺料厚度為105^m。先在隔板(金屬平板)上放一翅 片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之間預置釺料箔片，然後兩邊以邊緣封條密 封而組成一個基本單元(如圖1所示)。將許多基本單元層層疊置，用本發明人 設計的專用釺焊夾具裝夾牢固後，施加的壓力為5MPa，放入真空釺焊爐，採用 真空釺焊的方法製成不鏽鋼板翅結構。 . 真空釺焊加熱工藝由以下六個步驟組成
第一步為抽真空階段真空度為lxl(T3Pa。其目的是有效去除金屬表面氧化 膜，提高表面潤溼性；減少接頭氣孔、夾雜等缺陷。
第二步為加熱階段為減小熱應力，將不鏽鋼板翅結構緩慢加熱到S50。C， 時間為60分鐘，升溫速率為14.1°C /分鐘。
第三步為保溫階段在850。C下，將不鏽鋼板翅結構保溫30分鐘，其目的 充分排除爐中板翅結構在釺焊過程中揮發的雜質和氣體。
第四步為加熱階段繼續將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度G100。C)，時 間為25分鐘，升溫速率為10°C /分鐘。
第五步為保溫階段將不鏽鋼板翅結構在釺焊溫度下保溫25分鐘，使釺料 元素充分擴散。
第六步為冷卻階段採用兩步法冷卻，即從釺焊溫度(UOO。C)到620。C， 採用真空緩慢自冷，目的是使釺焊接頭在高溫下利用蠕變鬆弛效應而釋放部分殘 餘應力，防止裂紋的產生，提高不鏽鋼板翅結構的強度。當溫度達到620。C時， 向爐中充氮氣，同時啟動釺焊爐的風機，使結構冷卻到40。C後出爐。採用此兩 步冷卻法，接頭處不出現裂紋，結構強度較高。
使用此優化後的工藝釺焊後，釺焊率為100%，釺焊接頭微觀如圖3所示。 由圖可知，接頭中間生成了完全的固溶體組織，無裂紋無脆性化合物產生。不鏽 鋼板翅結構常溫抗拉強度為81.7MPa， 600°C下高溫抗拉強度為35.6MPa。
實施例2: —種不鏽鋼板翅結構，由翅片(1)、隔板(2)和封條(3)等組
成。翅片和隔板材料均為304不鏽鋼，翅片厚度為0.2mm，隔板厚度為0.4mm。 釺料採用鎳基釺料BNi2，釺料厚度為110|nm。先在隔板(金屬平板)上放一翅 片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之間預置釺料箔片，然後兩邊以邊緣封條密 封而組成一個基本單元(如圖1所示)。將許多基本單元層層疊置，用本發明人 設計的專用釺焊夾具裝夾牢固後，施加的壓力為5MPa，放入真空釺焊爐，採用 真空釺焊的方法製成不鏽鋼板翅結構。
真空釺焊加熱工藝由以下六個步驟組成
第一步為抽真空階段真空度為lxlO—3Pa。其目的是有效去除金屬表面氧化 膜，提高表面潤溼性；減少接頭氣孔、夾雜等缺陷。
第二步為加熱階段為減小熱應力，將不鏽鋼板翅結構緩慢加熱到870。C， 時間為55分鐘，升溫速率為15.8。C/分鐘。
第三步為保溫階段在870。C下，將不鏽鋼板翅結構保溫30分鐘，其目的 充分排除爐中板翅結構在釺焊過程中揮發的雜質和氣體。
第四步為加熱階段繼續將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度U070。C)，時 間為30分鐘，升溫速率為8.3。C/分鐘。
第五步為保溫階段將不鏽鋼板翅結構在釺焊溫度下保溫25分鐘，使釺料 元素充分擴散。
第六步為冷卻階段採用兩步法冷卻，即從釺焊溫度(1070°C)到620。C， 釆用真空緩慢自冷，目的是使釺焊接頭在高溫下利用蠕變鬆弛效應而釋放部分殘 餘應力，防止裂紋的產生，提高不鏽鋼板翅結構的強度。當溫度達到620C時， 向爐中充氮氣，同時啟動釺焊爐的風機，使結構冷卻到40。C後出爐。採用此兩 步冷卻法，接頭處不出現裂紋，結構強度較高。'
使用此優化後的工藝釺焊後，釺焊率為100%，接頭中間生成了完全的固溶 體組織，無裂紋無脆性化合物產生。不鏽鋼板翅結構常溫抗拉強度為81.2MPa， 600°C下高溫抗拉強度為35.3MPa。
釺焊時，將不鏽鋼板翅結構組裝完畢後放入真空釺焊爐，按照此工藝進行釺 焊，可以獲得具有良好微觀組織和較高強度的不鏽鋼板翅結構，大大提高了其服 役的可靠性與安全性。
權利要求
1、一種不鏽鋼板翅結構真空釺焊工藝，其具體步驟如下先在隔板上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之間放置釺料箔片，然後兩邊以邊緣封條密封而組成一個基本單元；根據設計需要將多個基本單元層層疊置，再用專用夾具裝夾牢固並施加壓力後，放入真空釺焊爐中；首先將釺焊爐抽真空；然後分步加熱，先加熱到850～870℃，保溫，再加熱到釺焊溫度1070～1100℃再保溫；再從釺焊溫度採用真空自冷到620～640℃，然後向爐中充氮氣，同時啟動釺焊爐的風機，使結構冷卻到40～60℃後出爐，製成不鏽鋼板翅結構。
2、 如權利要求1所述的工藝，其特徵在於翅片和隔板材料均為奧氏體不鏽鋼， 所述的釺料為鎳基BNi2。
3、 如權利要求2所述的工藝，其特徵在於所述釺料的厚度為95 110i^m。
4、 如權利要求1所述的工藝，其特徵在於分步加熱過程中先以升溫速率為13 15.8。C/分鐘，將不鏽鋼板翅結構加熱到850 870°C，保溫30 40分鐘；然 後以升溫速率為7.3 10°C /分鐘繼續將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度 1070 U00。C，在釺焊溫度下保溫25 30分鐘。
5、 如權利要求1所述的工藝，其特徵在於使用本發明人設計的專用夾具，夾具 施加的壓力為4 6Mpa;釺焊爐抽真空至lxlO—5 lxl(T3Pa。
全文摘要
本發明公開了一種不鏽鋼板翅結構真空釺焊工藝，先在隔板上放一翅片，再在其上放一隔板，翅片和隔板之間放置釺料箔片，然後兩邊以邊緣封條密封而組成一個基本單元；根據設計需要將多個基本單元層層疊置，再用專用夾具裝夾牢固並施加壓力後，放入真空釺焊爐中；首先將釺焊爐抽真空；然後將不鏽鋼板翅結構加熱到850～870℃，保溫；再將不鏽鋼板翅結構加熱到釺焊溫度1070～1100℃再保溫；再從釺焊溫度1070～1100℃採用真空緩慢自冷到620～640℃，然後向爐中充氮氣，啟動風機，使結構冷卻到40～60℃後出爐，製成不鏽鋼板翅結構。採用此釺焊工藝，獲得的不鏽鋼板翅結構具有良好微觀組織和較高強度。
文檔編號B23K1/008GK101391329SQ20081019558
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月5日 優先權日2008年11月5日
發明者鞏建鳴, 塗善東, 蔣文春 申請人:南京工業大學