一种热辐射焊接装置及焊接方法

摘要

本发明公开了一种热辐射焊接装置及焊接方法。热辐射焊接装置包括加热原件、焊接夹具、复合盖板、温控系统，焊接夹具连接复合盖板；焊接夹具、多孔端板和复合盖板形成一个恒温室；所述加热原件安装在恒温室内，所述温控系统连接恒温室和加热原件。热辐射焊接方法，将列管穿过多孔端板，在列管内插入焊销，置于安装有加热原件的密闭恒温室中，在热辐射的作用，使多孔端板与列管受热端面自上至下熔融，达到焊接的目的。本发明将管板牢固的焊接为整体，并确保列管焊接口处孔径不变，列管与端板焊接深度达到管壁厚度2倍，焊后产品经1MPa/cm²水压测试，保压30分钟无渗漏。成功地解决了大端板、多管数一次性焊接的工艺难题。

权利要求

1.一种热辐射焊接方法，其特征是，将列管穿过多孔端板，在列管内插入焊销；然后通过焊接夹具将多孔端板和列管需焊接部位放置于安装有加热原件的密闭恒温室中，在热辐射的作用，通过控制焊接温度和保温时间，使多孔端板、列管和焊销受热，并使多孔端板与列管受热端面自上至下熔融；与此同时，安装在焊接夹具内的多孔端板受热膨胀受阻产生径向压力与插入列管内的焊销热膨胀的压力叠加，使熔融状态下的多孔端板与列管在压力的作用下熔为一体；关闭电源降温冷却后，达到焊接的目的；

所述的热辐射焊接方法采用热辐射焊接装置进行焊接，所述热辐射焊接装置包括加热原件、焊接夹具、复合盖板、温控系统，所述焊接夹具连接复合盖板；当焊接夹具内安装好待焊接的多孔端板时，所述焊接夹具、多孔端板和复合盖板形成一个恒温室；所述加热原件安装在恒温室内，所述温控系统连接恒温室和加热原件；

所述热辐射焊接方法包括以下工艺流程：

A、制作焊接夹具和支架：根据换热器规格与结构形式，制作与产品相适应的焊接夹具与支架；在焊接夹具的型面涂覆硅树脂脱模剂，并按工艺要求在310±5℃温度下保温1小时进行烘烤固化处理；

B、装配多孔端板、列管和焊销：PFA管材挤出成型，多孔端板压制成型后，按预定工艺要求进行热处理，并加工成多孔端板；将列管安装到多孔端板上，在列管内配插好焊销，焊销插入深度为55-60mm；

C、安装发热原件：根据多孔端板焊接面积与焊接工艺温度要求，选择相应的发热原件并安装到焊接夹具上，调节好发热原件的高度；

D、密闭恒温室装配：将观察窗、铝质盖板、保温棉组装成复合盖板，再将上述装配好列管和焊销的多孔端板安装到焊接夹具内，并与复合盖板一起组成一个密闭恒温室；将温控系统安装连接好；

E、按预定焊接工艺要求，设定焊接温度与升温速度，焊接温度为400±5℃，升温速度为

10-15℃/分；启动发热原件开始加热，当焊接温度达到设定值时，恒温40-60分钟，观察多孔端板受热端面与列管壁间的熔融状态，当透明深度达到5mm且表面平整时，关闭电源，自然冷却至60-70℃时，按顺序分拆恒温室，取出焊接好列管的多孔端板，拨去焊销；完成焊接。

2.根据权利要求1所述的热辐射焊接方法，其特征是，

所述加热原件包括发热管和用于安装发热管的铝质安装板，所述铝质安装板设置在焊接夹具上面；

所述焊接夹具包括型腔、底柜和支架，所述型腔包括铝质高度调节环和位于铝质高度调节环下面的模框条，所述底柜和支架位于模框条下面，底柜连接支架；所述铝质安装板设置在铝质高度调节环上；

所述复合盖板包括观察窗、铝质盖板、保温棉；所述保温棉围合成一个下面设有开口的长方体形方框，该开口处安装焊接夹具，所述铝质盖板设置在该长方体形方框的顶面内侧，所述观察窗设置在长方体形方框的顶面和铝质盖板的中部；所述铝质高度调节环、模框条和支架均与保温棉相接；

所述温控系统包括连接加热原件的热电偶和连接热电偶的数显调节仪；

所述热辐射焊接方法选用数显调节仪与热电偶组成温控系统，实现焊接温度的设定与控制。

3.根据权利要求1所述的热辐射焊接方法，其特征是，对焊接好列管的多孔端板与焊接夹具进行水压测试检验；测试压力为1MPa/cm2，保压30分钟，无滴漏则为合格。

4.根据权利要求1所述的热辐射焊接方法，其特征是，通过调节控制焊接夹具与多孔端板之间的间隙，以间接方式控制焊接夹具内多孔端板的压力； ，其中，E为多孔端板与焊接夹具之间的间隙，X为多孔端板尺寸，单位为mm，1/℃为材料膨胀系数，e为热焊系数值；当X≥500时，e取值≤0.6，X≤500时，e取值≤0.8。

说明书

一种热辐射焊接装置及焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及应用在热电领域的可熔融加工氟塑料聚四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚共聚物（PFA）特大型热交换器管板热熔融焊接技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国加工制造业的迅猛发展，国家大力发展核电、水电、风电等清洁电能，虽然我国拥有较丰富的燃煤、燃气，而热电产生大量的CO、SO2及PM2.5烟尘污染环境与大气层，为降低减排，经广大科技工作者努力，已获得突破。根据降耗减排资料的研究数据显示：热电系统排烟温度每增加10-20℃，热损亦增加20%；烟道内的烟气温度80-85℃时脱硫效果最佳，烟气温度上升脱硫反应率而降低，导致排放烟雾中含硫量增加，通过技术论证，在设备主体烟道内增设低温省煤器，即可降低热电损耗，又能提高烟气排放质量，满足减排达标要求。

[0003] 低温省煤器俗称深度烟气余热利用装置，简称热交换器。采用碳钢焊接制作，但存在易腐蚀、易结垢、常堵塞，换热效果下降，体积庞大，不易维修，凝结水耗量大、浪费严重，使用寿命短。借鉴发达国家的成功经验。选用耐温性能高（使用温度150-200℃），机械性能好（抗拉强度27kg/cm2）,防粘性能优（具有不粘性）的可熔融加工氟塑料系列的四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚共聚物（PFA）制作。可抗腐、无结垢、换热效果好，凝结水回收无浪费，产品质量轻，结构紧凑，安装维修方便，使用寿命长，是一种性能完美的产品。但热电机组功率大，以300MW机组为例，烟气温度135-146℃，烟气量1600000kg/h，须配备换热面积为6000m2模块式组合的换热器（热交换器），端板规格为2000x500mm，因端板面积大，焊接工艺参数控制难度大及不利于安全操作。换热器的大端板、多管数（2000以上管束）一次性焊接工艺存在技术难题。

[0004] 现有技术中，申请号为201210187064.8的中国发明公开了应用于太阳能电池片热辐射式焊接方法和热辐射式焊接装置，包括红外线加热装置、压针装置和预热装置，所述红外线加热装置下方放置压针装置，所述红外线加热装置、所述压针装置置于所述预热装置中部。应用于太阳能电池片热辐射式焊接方法包括如下步骤，采用6块预热板对电池片进行先后预热，该6块预热板的温度设置分别T1、T2、T3、T4、T5和T6，所述温度T3>T2=T4>T1=T5>T6，在第3块预热板上将红外线光源聚光在该电池片的需焊接位置，直到加热成液态的焊锡浸润焊接部位后，停止红外线光源聚光加热。申请号为201210231702.1的中国发明公开了一种远红外热辐射焊接方法，包括：远红外线热辐射板材间的间隙；所述板材为第一所述板材和第二所述板材；所述间隙为板材需要的厚度；其中远红外线热辐射的加热管与所述第一板材和第二板材均不接触。所述第一板材和第二板材均为PP中空板；所述远红外线热辐射的加热管与第一板材和第二板材的距离分别为1-5cm。申请号为201210295363.3的中国发明公开了一种PP中空板远红外热辐射焊接工艺，该工艺包括：在焊接机上安装上、下两根远红外加热并通电加热；远红外热辐射焊接；取出焊接在一起的PP中空板。该焊接工艺包括如下步骤：a、在焊接机上安装上、下两根远红外加热管，上、下两根远红外加热管的轴线呈平行设置，上、下两根远红外加热管之间的距离设置在8~12cm，每根远红外加热管的功率为800~1200W，每根远红外加热管所发射远红外光的波长为4~8μm；b、给焊接机上的上、下两根远红外加热管接通电源；c、顺序将每块PP中空板上需要粘合的部位放入上、下两根远红外加热管之间，加热时间控制在4~6秒；d、将两块需要焊接在一起的PP中空板上需要粘合的部位叠在一起并放在焊接机的压头下方，焊接机的压头向下运动，焊接机的压头压力控制在
0.08~0.12MPa，将两块需要焊接在一起的PP中空板上需要粘合的部位粘合在一起，焊接机的压头加压时间控制在8~12秒；e、取出焊接在一起的PP中空板，PP中空板远红外热辐射焊接工艺结束。以上现有技术，均不能解决换热器的大端板、多管数（2000以上管束）一次性焊接工艺存在技术难题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种热辐射焊接装置及焊接方法，其能解决热交换器的大端板、多管数一次性焊接的工艺难题。

[0006] 本发明的技术方案是：一种热辐射焊接装置，包括加热原件、焊接夹具、复合盖板、温控系统，所述焊接夹具连接复合盖板；当焊接夹具内安装好待焊接的多孔端板时，所述焊接夹具、多孔端板和复合盖板形成一个恒温室；所述加热原件安装在恒温室内，所述温控系统连接恒温室和加热原件。

[0007] 所述加热原件包括发热管和用于安装发热管的铝质安装板，所述铝质安装板设置在焊接夹具上面。

[0008] 所述焊接夹具包括型腔、底柜和支架，所述型腔包括铝质高度调节环和位于铝质高度调节环下面的模框条，所述底柜和支架位于模框条下面，底柜连接支架；所述铝质安装板设置在铝质高度调节环上。

[0009] 所述复合盖板包括观察窗、铝质盖板、保温棉；所述保温棉围合成一个下面设有开口的长方体形方框，该开口处安装焊接夹具，所述铝质盖板设置在该长方体形方框的顶面内侧，所述观察窗设置在长方体形方框的顶面和铝质盖板的中部；所述铝质高度调节环、模框条和支架均与保温棉相接。

[0010] 所述温控系统包括连接加热原件的热电偶和连接热电偶的数显调节仪。

[0011] 一种热辐射焊接方法，将列管穿过多孔端板，在列管内插入焊销；然后通过焊接夹具将多孔端板和列管需焊接部位放置于安装有加热原件的密闭恒温室中，在热辐射的作用，通过控制焊接温度和保温时间，使多孔端板、列管和焊销受热，并使多孔端板与列管受热端面自上至下熔融；与此同时，安装在焊接夹具内的多孔端板受热膨胀受阻产生径向压力与插入列管内的焊销热膨胀的压力叠加，使熔融状态下的多孔端板与列管在压力的作用下熔为一体；关闭电源降温冷却后，达到焊接的目的。

[0012] 选用数显调节仪与热电偶组成温控系统，实现焊接温度的设定与控制。

[0013] 采用上述热辐射焊接装置进行焊接，所述热辐射焊接方法包括以下工艺流程：

[0014] A、制作焊接夹具和支架：根据换热器规格与结构形式，制作与产品相适应的焊接夹具与支架；在焊接夹具的型面涂覆硅树脂脱模剂，并按工艺要求在310±5℃温度下保温1小时进行烘烤固化处理；

[0015] B、装配多孔端板、列管和焊销：PFA管材挤出成型，多孔端板压制成型后，按预定工艺要求进行热处理，并加工成多孔端板；将列管安装到多孔端板上，在列管内配插好焊销，焊销插入深度为55-60mm；

[0016] C、安装发热原件：根据多孔端板焊接面积与焊接工艺温度要求，选择相应的发热原件并安装到焊接夹具上，调节好发热原件的高度；

[0017] D、密闭恒温室装配：将观察窗、铝质盖板、保温棉组装成复合盖板，再将上述装配好列管和焊销的多孔端板安装到焊接夹具内，并与复合盖板一起组成一个密闭恒温室；将温控系统安装连接好；

[0018] E、按预定焊接工艺要求，设定焊接温度与升温速度，焊接温度为400±5℃，升温速度为10-15℃/分；启动发热原件开始加热，当焊接温度达到设定值时，恒温40-60分钟，观察多孔端板受热端面与列管壁间的熔融状态，当透明深度达到5mm且表面平整时，关闭电源，自然冷却至60-70℃时，按顺序分拆恒温室，取出焊接好列管的多孔端板，拨去焊销；完成焊接。

[0019] 对焊接好列管的多孔端板与焊接夹具进行水压测试检验；测试压力为1MPa/cm2，保压30分钟，无滴漏则为合格。

[0020] 通过调节控制焊接夹具与多孔端板之间的间隙，以间接方式控制焊接夹具内多孔端板的压力， ，其中，E为多孔端板与焊接夹具之间的间隙，X为多孔端板尺寸，单位为mm，1/℃为材料膨胀系数，e为热焊系数值；当X≥500时，e取值≤0.6，X≤500时，e取值≤0.8。

[0021] 本发明涉及应用在热电领域的可熔融加工氟塑料聚四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚共聚物（PFA）特大型热交换器管板热熔融焊接，成功地解决了大端板、多管数（2000以上管束）一次性焊接的工艺难题，填补了我国热电行业PFA换热器设备制作空白。本发明采用热辐射焊接法，将管板牢固的焊接为整体，并确保列管焊接口处孔径不变，列管与端板焊接深度达到管壁厚度二倍，焊后产品经1MPa/cm²水压测试，保压30分钟无渗漏，本发明填补了国内端板规格≥2000x500mm超大型换热器管板（列管和多孔端板）焊接工艺空白，处于行业领先水平。

附图说明

[0022] 图1是本发明热辐射焊接装置的结构及焊接原理示意图。

[0023] 图中：1、热电偶，2、观察窗，3、铝质盖板，4、保温棉，5、发热管，6、铝质安装板，7、铝质高度调节环，8、模框条，9-1、底柜，9-2、支架， 10焊销，11、多孔端板，12、列管。

具体实施方式

[0024] 如图1所示，一种热辐射焊接装置，包括加热原件、焊接夹具、复合盖板、温控系统，所述焊接夹具连接复合盖板；当焊接夹具内安装好待焊接的多孔端板时，所述焊接夹具、多孔端板和复合盖板形成一个密闭恒温室；所述加热原件安装在密闭恒温室内，所述温控系统连接密闭恒温室和加热原件。加热原件由发热管5、铝质安装板6组合成，发热管安装在铝质安装板上。铝质高度调节环7与模框条8组合成型腔和底柜9-1及支架9-2组合成焊接夹具，石英玻璃观察窗2、铝质盖板3、保温棉4组合成复合盖板，与安装在夹具内换热器的多孔端板11组合成一个密闭的恒温室。换热器制作过程中，将列管12穿过多孔端板（保持端面平齐），列管内插入由特种材质制作的焊销10（采用膨胀焊销，插入深度约60mm）。选用数显调节仪与热电偶1组成温控系统，实现焊接温度设定与控制。

[0025] 一种热辐射焊接方法，用于换热器的多孔端板和列管的焊接。热辐射焊接法原理和操作过程是：当发热管充电后加热原件发热，密闭恒温室温度迅速上升，在热辐射的作用下，使安装在夹具中的端板受热，随着时间的延长，温度递增，当达到焊接设定的温度区间，端板（多孔端板）与列管受热端面渐渐透明，自上至下缓慢熔融，通过控制保温时间达到控制熔融深度。与此同时，装入焊接夹具的端板受热膨胀受阻产生径向压力与插入列管内膨胀焊销热膨胀的压力叠加，使熔融状态下的多孔端板与列管在压力的作用下熔为一体，当关闭电源降温冷却后，达到焊接的目的。

[0026] 热辐射焊接法具体工艺过程与工艺控制作要点如下：

[0027] 1、根据换热器规格与结构形式，制作与产品相适应的焊接夹具与定位用支架。

[0028] 2、PFA管材挤出成型，端板压制成型后，按工艺要求进行热处理，并加工成多孔端板。

[0029] 3、焊销准备。

[0030] 4、焊接夹具准备。型面涂覆硅树脂脱模剂，并按工艺要求在310±5℃温度下保温1小时进行烘烤固化处理。

[0031] 5、换热器芯体组装与配插焊销（深度55-60mm,即≥多孔端板厚度5mm）。

[0032] 6、发热原件准备与装配，根据焊接端板面积与焊接工艺温度要求，估算发热管功率。

[0033] 7、密闭恒温室配装。控制原件线路连接，并做好焊接准备。

[0034] 8、按焊接工艺要求，设定焊接温度与升温速度（焊接温度为400±5℃，升温速度为10-15℃/分）。

[0035] 9、当温度达到设定值时，恒温40-60分钟，观察多孔端板受热端面与列管壁间的熔融状态，当透明深度达到约5mm（目测），多孔端板受热端面表面平整，可关闭电源，自然冷却至60-70℃时，按顺序分拆恒温室。

[0036] 10、拨去焊销。

[0037] 11、产品质量检验与安装专用焊接夹具进行水压测试。测试压力1MPa/cm2，保压30分钟无滴漏。

[0038] 热辐射焊接法的技术关键简述如下：

[0039] 1、热辐射焊接法，焊接温度的控制。

[0040] 可熔融加工氟塑料PFA，具有较明显的熔点温度Tf，流动温度Tm及热分解温度Td，而熔融焊接温度应高于Tf低于Td，使管板与列管焊接处充分塑化互融，达到焊接的目的，根据PFA的物理性能，其熔点为302-310℃，分解温度≥430℃，因此，焊接温度控制在400±5℃适宜且安全。

[0041] 2、热辐射焊接法，焊接压力的控制。

[0042] 根据PFA材料特性，其线膨胀系数1/℃为12x10-5。热辐射焊接时，多孔端板安放在特定的焊接夹具中，焊接受热时，其多孔端板，列管、焊销迅速膨胀，导致焊接夹具内多孔端板承受的膨胀压力聚增，严重时，导致多孔端板沿轴线翘曲变形。如何控制焊接过程中焊接夹具内多孔端板的压力与形变，是热辐射焊接法三大工艺要素之一，通过实验，采用调节控制焊接夹具与多孔端板之间的间隙，以间接方式控制焊接夹具内多孔端板的压力，获得极佳的效果，即E=X·1/℃·e (E为多孔端板与夹具间间隙，X为多孔端板尺寸,单位mm，1/℃为材料膨胀系数，e为热焊系数值，注：X≥500时，e取值≤0.6，X≤500时e取值≤0.8)。

[0043] 3、热辐射焊接法，升温速度与保温时间的控制。

[0044] 热辐射焊接法，是通过加热原件热能辐射到多孔端板端面，使其温度上升，而升温速度的快慢，保温时间的长短，可直接影响焊接质量。故称之为热辐射焊接温度、压力、时间三大重要工艺要素。经实验证实，升温速度为10-15℃/分，达到400±5℃，保温40-60分钟（根据多孔端板厚度）在内压力的作用下，即可达到多孔端板与列管充分塑化熔融的目的。

[0045] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。