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板翅式换热器下凹问题工艺研究

摘要:板束下凹是大截面板翅式换热器的主要缺陷。产生这种缺陷的因素虽然很多,但真空钎焊时间过长是其主要原因。文中通过改进真空钎焊工艺,利用真空钎焊的温度过冲,有效控制钎焊时间,使板束下凹问题得到彻底解决。

关键词:板束下凹;真空钎焊;均温

0引言

板翅式换热器是一种高效换热设备,它的主要部件板束,由铝合金部件叠加钎焊而成,每层外周为封条,内部由翅片填充,隔板既是钎焊材料,又把通道隔开。板束下凹是大截面板翅式换热器的常见缺陷,下凹一般出现在离封条一段距离开始(图1),这是因为板束四周边界处封条支撑较强,翅片支撑比较薄弱,钎焊后翅片的形状逐步发生了改变。板束下凹深度与板束的截面大小有关,大截面(高和宽均大于1m)的板束更容易下凹,下凹严重时会造成通道封堵,失去换热作用。这种缺陷的存在严重影响了板翅式换热器的使用性能。板束下凹问题研究已经持续了多年,工艺人员从原材料、产品结构、真空环境等各个方面进行分析,采取各种措施进行改善。但这些措施都存在局限性,实施起来比较困难,而且板翅式换热器大型化已是发展的趋势,限制产品的尺寸更是难以实现。因此,改进真空钎焊工艺,突破现有工艺指标的约束,才能根本解决板束下凹问题。

1板束真空钎焊原理

在板束真空钎焊中,覆盖有钎料的隔板(钎料+母材+钎料)表面的氧化膜随着温度升高变得多孔而疏松,钎料中的镁开始挥发迁移,当温度升至530℃时,大量的镁分子通过固体钎料迁移到材料表面,与吸附在基体金属表面的氧气及水蒸气发生反应,净化炉内气氛。当温度继续升高,钎料金属发生共晶熔化,形成Al-Si-Mg低熔点合金,当合金钎料开始流动的时候,随氧化膜的裂纹开始渗入基体金属并在氧化膜下铺展,渗入的作用力将使氧化膜进一步破碎、弥散而被熔融的钎料所吞没。钎料在毛细作用力及重力的作用下顺着缝隙流动,缝隙被钎料所填充和润湿,同时,钎料中的硅也开始向基体金属扩散,使钎料与基体金属熔为一体,最终形成牢固的钎缝。

2板束下凹原因分析

板束钎焊过程包括升温、均温、钎焊3个阶段。钎料熔化温度为559~591℃,钎焊温度590~605℃,板束升温是在真空状态下通过电加热方式进行,热量传递主要是通过热辐射,升温过程中板束的表面和中心产生温差。业内普遍认为,在真空钎焊中,板束内、外温差不宜过大,包括国内外的一些真空钎焊资料也认为,温差过大会导致母材熔化、钎料流失等缺陷。因此,传统的钎焊工艺都是在保证板束表面和中心的小温差下进行的。而大截面板束缩小温差需要很长的时间,强度较弱的翅片长时间处于高温下产生塌陷,导致下凹。因此,钎焊时间过长是板束下凹的主要原因。

3改进措施

如图2~图3,根据钎料的性质,0~559℃升温、均温阶段,温度均匀有利于钎料中镁的均匀释放。钎焊工艺改进主要集中在钎焊阶段。当板束温度达到钎焊阶段(>559℃)时,提高升温速度,加大板束表面与中心温差,增大温度梯度,加速热量传递,缩短钎焊时间。另外,大型板束升温,在停止加热后,会出现一个温度冲高,在传统工艺中,认为温度冲高是有害因素,往往会控制冲高的影响。改进后的真空钎焊工艺合理利用温度冲高,变害为利,大大缩短钎焊时间。具体措施如下:1)当板束表面温度接近钎料熔化温度时,严格控制表面温度,同时延长保温时间,缩短表面与中心的温差,防止次中心部位过早进入钎焊温度,造成底部过度钎焊。2)在控制板束表面温度不超过钎焊最高温度(605℃)的前提下,提高加热温度和加热速率,增大温度梯度,加快表面热量向板束心部的传递。3)控制加热温度,使板束表面温度维持在较高的范围内,为最后的钎焊贮存能量。4)利用温度过冲,提高中心温度。加热系统停止加热后,表面温度降低,由于板束表面与心部存在较大温差,热量会继续往心部传递,板束心部的温度会继续升高,因此停止加热时板束心部温度远低于钎焊温度,之间的差值由板束本身集聚的热量引起的温度冲高弥补。

4产品试验

试验板束外观尺寸为1900mm×1200mm×1250mm,翅片型式为65DK1402,导流片采用65DK4205,通道总层数为163层,结构为双通道单叠布置。本试验板束有以下特点:1)翅片薄,翅片厚度为0.2mm,为目前板翅换热器所用的最薄材料;2)通道层数多,截面尺寸大。5结论本文解决了板翅式换热器板束下凹问题,改进了真空钎焊工艺,缩短了真空钎焊时间,并合理利用温度过冲,改变了不利因素对产品的影响。板束下凹的缺陷是可以通过改进钎焊工艺的方法解决的,操作的关键是在钎焊阶段增大板束内外温差,形成大的温度梯度,加快热量传递,并正确利用中心温度的过冲,缩短钎焊时间,控制翅片变形。

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作者:郝娟红 张洪昌 郑康 孙志云 单位:开封空分集团有限公司

 

  发布时间:2017/5/11 15:42:52  阅读人次