焊接温度

焊接温度（精选6篇）

焊接温度 篇1

铆焊被大量应用机械产品的制作, 它包括钳工、车工、焊工、铆工等工作分类, 主要工作就是根据设计方提供的图纸和制作要求, 利用优质原料和适用工具, 把各种板材、型材制作成符合相关标准的合格产品的过程。铆焊技术被广泛应用于航空航天、桥梁、船舶和石油化工等行业, 基本上涉及所有的应用领域。

1 铆焊件温度控制的热力学分析

本文重点从技术角度进行研究, 在铆焊件焊接的工作当中, 主要是通过加热加压来实现, 也可以填加一定的填充材料, 从而实现由图纸向产品转化的过程。

1.1 焊接传热的基本形式

焊接的受热过程是局部的, 在整体上存在较大的温差, 在焊件内部或者与周围的介质之间都可能发生热传递。根据热力学原理, 其传递过程一般有传导、辐射和对流。大量的学者通过实践研究证明:在特定条件下, 通过热源传递到焊件上的能量, 以对流和辐射为主;焊条和基材获得热能量后, 以传导的方式进行传播。所以, 在铆焊件的焊接过程中, 要充分考虑到焊件整体上的温度分布情况以及随时间的消耗性, 这是我们在研究铆焊件温控时不得不思考的问题。

1.2 焊接的接着分类

在铆焊件的焊接过程, 接触细节部分大致分为焊缝、热熔区和影响区三个部分。焊缝指的是依靠母材的热传导作用, 金属结晶凝固的方式, 使液态金属结晶呈现柱状, 其成长方向与焊接熔池壁相垂直, 交汇于熔池中呈固态结晶状;熔合区指的是母材与焊缝连接的过渡区域, 从微观状态来看, 熔合线呈现半熔化状态。在焊接时, 所谓的熔合线指的是固态母材与液态焊接金属的线状交界。熔合区的温度介于固液两态相交线的温度之间, 该区域晶粒十分粗大, 固态组织与化学成分呈现出不均匀分布状态, 成型后为过热组织;所谓的热影响区域, 在整个切割和焊接的过程当中, 材料在未熔化的前提下, 因为受热而发生机械性和金相组织变化的部分区域。

2 温度控制对铆焊件的影响

2.1 焊接的热过程

要想充分了解温控的作用方式, 必须要了解热过程的主要特点。一是焊接温度高。普通的焊接加热温度最高可达AC3以上, 在熔合线区域的温度最高可达1400℃左右;二是升温速度快。由于焊接热源相对集中, 导致加热速度很快, 比热处理要快上几百倍;三是高温持续时间短。由于焊接具有热循环的理论特点, 往往在AC3以上的温度保持相对较短;四是自然连续冷却。铆焊件的焊接过程, 往往都是在自然条件下, 采取连续冷却方式进行成型, 只有在特殊情况下, 才会进行保温处理及其他相关的程序。

2.2 铆焊件制作的焊接缺陷

常见的焊接缺陷种类很多, 一般分为内部和外部两种。其中内部缺陷主要出现熔合区域, 具备一定的隐蔽性, 只有通过破坏性的试验或者无损检验法, 才能够发现。比如未熔合和焊透、气孔、夹渣、裂缝等;外部缺陷指的是内眼可视或者采用简单工具可以发现的问题。如焊瘤、咬边、弧坑、裂纹或者表面气孔等现象。

2.3 产生铆焊件缺陷的温控原因

铆焊件的焊接过程是一个很复杂的流程, 任何一个环节的疏忽和技术失误都会造成焊件制作的失败。通过对温控原因分析来看, 主要有以下几点:一是质量意识不强。没有相应的技能, 没有按照规定的流程进行焊接, 缺乏对温度的控制导致失败;二是焊口表面清理不好。主要表面在存在水锈或者油渍, 没有清理干净, 影响焊接温度的传递, 导致失败;三是生产器材质量问题。主要表现在CO2不纯净和焊机或者其他焊接器材质量不过关, 导致升温时间过长或者达不到温度要求, 影响焊接效果;四是温度控制不良。主要表现焊接人员对加热时间和温度掌握不好, 导致传递时间过长, 破坏内部结构;五是环境要求不达标。主要表现在焊接场所温度过高或者污染严重, 即使有再严格的焊接流程, 也难免在焊件上产生缺陷。

3 加强焊接温度控制的措施及对策

通过以上分析, 我们可以看到, 温度会影响铆焊件的金属晶粒的熔化和成长过程, 这种影响往往体现在型材的相变, 我们统称为热影响区域。产生热影响区域, 会使相关区域晶粒粗大, 焊接质量低, 为了避免此类问题的发生, 必须要采取相应的对策及办法。

3.1 做好准备工作

充分的准备工作是实现铆焊件成功焊接的必要条件, 要采用热切割的方式对坡口进行处理, 防止母材边缘形成淬硬层, 淬硬层往往以其低塑性而造成冷加工的开裂, 进行这种处理可以有效的保证金属的热传递;必须要及时消除和清理焊接区域存在污渍问题, 比如水分、锈迹、氧化膜及其他污物等, 以确保能够实现既定温度, 必要时要对焊接材料进行除湿处理, 以保证实现应有的技术效果;对于技术要求较高的复杂件或者精密件, 在开始加工前, 必须要进行缓慢的预热, 以防止快速加温而导致的变形和缺陷。

3.2 焊接操作方法

对电弧燃烧的时间控制可以实现对温度的控制, 如果熔池温度过高, 可以相应减少燃烧时间, 降低温度;反之, 则升温;在焊接的方法运用上, 采取特定的摆幅和坡口两侧的停顿, 来控制熔池的问题, 使熔孔基本上一致, 避免形成焊瘤;在焊接时, 必须要高度重视焊接的角度, 角度对温度的影响绝对是决定性的, 当夹角垂直时, 会使电弧相对集中, 熔池温度高;反之, 则温度低。另外, 角度控制在90°-95°之间时, 可以使背面较为平整, 防止和控制接头内凹现象;在起弧时, 一定要先进行试验, 在高度板上调整好电流强度, 对温度进行检测, 合格后再划擦引弧, 利用反馈电路加强对温度的控制, 避免因升温过高过快而导致的烧伤, 最好采取直线运条方式进行焊接;焊接后的热处理过程非常重要, 如果处理不当, 会导致前功尽弃。进行热处理的主要目的是消除残余应力的影响, 改善焊接区域的性能, 对焊接区域及就近部位, 使用金属相变温度点以下的热量进行均匀加热, 而后采用均匀冷却的方式, 消除应力和退火。

4 结束语

本文通过对相关热学理论、焊接过程存在的问题及解决问题的对策进行了研究和探讨, 取得了一定的理论成果。随着焊接技术的发展, 越来越多的智能化系统被应用致焊接体系, 对于温度的控制将会越来越精确, 但对于铆焊件的焊接仍然要大量依赖于手工, 不可能批量进行, 所以加强对铆焊件焊接温控技术的研究仍然有其重要意义。

摘要：铆焊件被广泛应用于工程机械和机械产品的制作当中, 涉及到的工艺流程较多, 经过多年努力, 相关企业正在由数量型向质量型转变, 由产业密集型向技术创新型转变, 其关键技术已经逐渐成熟和发展起来。随着工人劳动条件的改善、生产技术的革新、智能化生产线的应用, 生产工艺和流程越来越简化、越来越经济、也越来越灵活, 大大提高了生产效率。但无论怎样改变, 焊接时温度控制始终是铆焊件制作的关键环节, 文章就如何加强温控, 提高产品的合格率进行分析, 力求为行业发展提供有益的理论尝试。

关键词：铆焊件,焊接温度,温控

参考文献

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[4]胡芳, 谢冰, 张志谊.热压焊机焊接温度控制的仿真与实验[J].武汉理工大学学报 (信息与管理工程版) , 2008 (04) .

[5]张君彩.焊接温度对焊管焊缝质量的影响[J].焊接, 2009 (04) .

焊接温度 篇2

关键词：ABAQUS,强化散热,温度场,残余应力

0 引言

焊接过程是一个局部热量急剧输入, 随后连续冷却的过程。焊接过程中不均匀的加热和冷却是造成焊件内部热应力和变形的主要原因, 其中, 薄板焊接试件变形尤为严重。对于控制薄板焊接变形, 国外主要应用专门的焊接工装及装配夹具[1], 同时采用先进的焊接方法并开发新的焊接变形控制工艺。对减少焊接应力, 常采用预热缓冷的方法, 但有时会起到反作用。北京航空工艺研究所学者关桥开发了动态控制的低应力无变形 (DC-LSDN) 焊接方法来控制薄板焊接变形[2], 而王者昌提出了局部快冷的方法来控制高温应力、应变发展过程[3], 这2种方法均能有效降低焊接应力, 减少残余变形, 并取得了明显的试验效果。

强化散热焊接采用跟随焊炬移动的冷却气体喷嘴对焊缝金属进行强冷, 在焊缝区域产生畸变温度场, 藉此改变焊接应力场, 以达到减小焊接变形的目的。对该焊接方法形成温度场与常规焊接温度场的比较研究, 有助于得到应用该方法减小焊接变形的控制机理。本文采用大型有限元分析软件ABAQUS, 应用三维实体单元对Q235平板对接焊的温度场进行数值模拟, 以获得常规焊接及强化散热焊接条件下焊件的温度场, 为进一步研究该方法, 控制焊接变形提供参考。

1 强化散热焊接装置

为实现对焊缝区域的强化散热, 对焊炬进行改造, 在焊炬后方加装冷却气体喷嘴。喷嘴与焊炬保持一定距离并同步移动, 通过低温CO2气体对焊缝进行射流冲击强化散热, 以达到降低焊接热输入、改变焊接温度场的目的。该焊接装置的简易示意图如图1所示。

2 温度场基本方程

焊接温度场分析为非线性瞬态热传导问题, 根据傅立叶定律和能量守恒定律可得其控制方程为:

式中, ρ为材料密度;c为材料比热容;T为温度;t为时间;λ为材料热导率;为内热源强度。

温度场控制方程的边界条件为:

(1) 对流换热产生的边界热流:

qc=hc (T-T0)

式中, hc为对流换热系数;T0为零对流时参考温度。

(2) 辐射换热产生的边界热流:

qr=εσ (T4-T04)

式中, ε为发射率;σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量;T0为零辐射时参考温度。

3 有限元计算模型的建立

3.1 物理模型

试件为200 mm×50 mm×2 mm的Q235冷轧钢板, 计算模型如图2所示。焊接采用手工CO2保护焊。考虑到结构的对称性, 取其一半进行三维数值模拟。在焊接温度场分析中考虑材料的热物理性能随温度变化, 假设材料为各向同性的, 热物理性能参数引自文献[4]。

3.2 焊接热源及强化散热模型

焊接热源采用GOLDAK热源模型, 距加热中心任意一点的热流密度可表示为下列形式[5]:

式中, η为焊接过程中的功率有效系数, 一般为0.7~0.9, 本文中取0.85;U为焊接电压, U=20 V;I为焊接电流, I=50 A。

冷却气体与试件间的换热采用圆形射流冲击传热模型[6]:

Nu=0.726 3× (D/x) 0.24×Re0.5×Pr0.3

式中, Nu为努赛尔数;D为冷却气体喷嘴直径;x为冷却范围半径;Re为雷诺数;Pr为普朗特数。

在数值模拟中, 焊炬和冷却装置以一定的焊接速度 (v=5 mm/s) 移动, 在ABAQUS中分别通过子程序DFLUX和FILM实现。

3.3 网格划分

焊接是一个温度随时间和空间急剧变化的过程, 温度梯度很大。模型网格如图3所示, 为提高模拟精确度及计算效率, 在焊缝附近网格划分得比较细密, 在远离焊缝区域网格划分较稀疏。计算初始步长取0.01, 最小步长取0.000 01, 最大步长为10。计算收敛时按照收敛步长进行计算, 当计算不收敛时自动减小增量步进行计算。温度场模拟采用DC3D20[7]单元。

4 计算结果及分析

温度场的数值模拟是应力、应变场数值模拟的前提和基础, 同时温度场的分布对应力、应变场的分布规律有极大的影响。图4为焊接到板长1/4时的温度分布。

为获得对2种不同焊接方法温度场的总体认知, 对常规焊和强化散热焊焊接过程中到达准稳态后某一时刻的温度场进行分析。文中选取焊接进行至10 s, 焊炬行走至y=50 mm时的温度场进行研究。图5、图6为t=10 s时常规焊和强化散热情况下温度场等温线的比较。

如图所见, 与常规焊相比, 强化散热焊接温度场的等温线范围减小, 说明由于冷却气体的存在, 试件温度大大降低。在焊接方向, 冷却气体作用区域温度出现明显低谷, 随着焊接进行, 由于周围高温金属作用, 温度又有所回升, 但仍低于常规焊接的相应值。强化散热装置在焊缝区域作用效果比远离焊缝区域效果明显, 对温度场产生压缩效应。

焊接过程是一个不均匀加热的过程, 试件上不同点经历的热循环过程有很大不同, 为比较常规焊接和强化散热焊接过程中相同点的温度变化, 本文选取了距焊缝不同距离点进行比较。所选取的点为焊接进行至10 s时, y=50 mm的横向截面上, 距焊缝中心分别为0 mm、2 mm、5 mm、8.5 mm和13 mm的各点。

图7为常规焊接距焊缝不同距离点的温度变化过程, 各点随时间变化趋势相同。在焊炬未到来时, 各点温度基本不变;随着焊炬临近, 温度迅速升高并到达最高温度;随着焊炬远离, 进入冷却过程, 温度逐渐降低。其中, 焊缝中心的点升温及冷却速度最大, 且所达到的最高温度最高。随着距焊缝中心距离增加, 各点温度变化速度减小, 且所经历最高温度降低。

图8为强化散热焊接距焊缝不同距离点的温度变化过程, 整体变化趋势与常规焊接相似。但焊缝中心及距离焊缝较近的点由于强化散热装置的影响, 在冷却气体作用时刻, 温度急剧降低, 形成较大的温度梯度。在冷却喷嘴经过之后, 由于周围高温金属的影响, 温度重新上升, 在变化曲线上形成低谷。由于喷嘴尺寸限制, 距焊缝中心较远点的温度变化不大, 与常规焊接温度曲线基本相同。

图9为在不同焊接条件下焊缝中心点温度循环对比图。对比2曲线可以明显看到, 在强化散热焊接下, 焊缝中心点由于冷却气体的强烈冷却作用, 温度迅速下降;随着喷嘴远离, 由于周围高温金属影响, 温度有所回升, 但总体温度低于常规焊接温度。由此可见, 2种不同焊接方法焊缝中心点所经历的热循环不同, 由此产生的热应力和热应变也不同。强化散热焊接中, 焊缝中心熔化金属在冷却气体作用下迅速凝固, 产生急冷收缩, 对近焊缝区域高温金属产生拉伸作用, 减小了焊缝的不协调应变, 从而达到了降低焊接热应力, 减小焊接变形的效果。

5 结论

(1) 通过ABAQUS软件, 运用DFLUX实现电弧移动, FILM实现强化散热, 获得焊接结构的温度场, 为进一步研究应力、应变场提供参考。

(2) 强化散热焊接过程中, 喷嘴的强冷作用导致焊接温度场产生畸变, 在焊炬后形成低温区, 冷却装置作用部位处于温度场低谷。

(3) 在2种焊接方法中, 距焊缝中心距离不同, 所经历的温度循环也不相同。距焊缝中心近的点承受温度最高, 升温及冷却速度最大, 强化散热效果也越明显。

参考文献

[1]王长生, 薛小怀, 楼松年, 等.薄板焊接变形的影响因素及控制[J].焊接质量控制与管理, 2005, 34 (4) :66～68

[2]关桥, 张崇显, 郭德伦.动态控制的低应力无变形焊接新技术[J].焊接学报, 1995, 15 (1) :8～11

[3]王者昌.局部快冷在熔化焊接过程中的应用[J].机械科学与技术, 2000, 19 (6) :970～974

[4]张家荣, 赵廷元.工程常用物质的热物理性质手册[M].北京:新时代出版社, 1987

[5]莫春立, 钱百年, 国旭明, 等.焊接热源计算模式的研究进展[J].焊接学报, 2001, 22 (3) :93～96

[6]马重芳, 陈永昌.自由表面二维平面射流冲击传热的理论分析[J].北京工业大学学报, 2000, 26 (3) :59～62

焊接温度 篇3

焊接过程一般伴随着焊接时的电磁传热、金属的熔化和凝固, 冷却时具有相变、产生焊接应力应变等。掌握焊接热过程的基本规律, 对于控制焊接质量、优化工艺参数、减少或者消除焊接变形和应力具有极其重要的意义。

Wilson和Nickell首次在固体热传导分析计算中成功引入了有限元方法。武传松[1]创建了电弧固定情况下, TIG焊接熔池内部液体流动形态和传热过程的二维数学模型。S.W.Wen[2]等针对埋弧焊利用有限元分析了不同焊接工艺参数和焊接接头形式产生的结果, 预测了温度场的分布。以上研究均得到了一些有用的结论, 但仍需更多的深入研究。

本文以特大型挖掘机铲斗体为研究对象, 运用ABAQUS软件, 对焊接过程进行了数值模拟, 计算得到热循环动态变化过程及温度场的分布规律。

1 模型建立

本文研究对象为特大型液压挖掘机铲斗体, 焊缝长度约为2.3 m, 所建立的几何模型及坡口如图1所示。

由于焊件比较厚, 焊件需要进行开坡口, 焊接时由于单道焊缝无法填满截面内的坡口, 所以采用多层多道焊以填满截面内的坡口, 防止出现焊缝开裂或延迟裂纹的发生。

焊件材料为HG70非调质钢, 具有高强度、高韧性、抗腐蚀、耐磨性、良好的冷成型和焊接性能, 但其热物理性能参数在高温处是有缺失的, 对未知参数采用外推法和插值法来确定, 各项参数如表1所示。

2 数值计算

2.1 控制方程

焊接温度场的计算是典型的非线性瞬态热传导问题。焊接温度场的精确计算, 是焊接残余应力数值模拟的基本条件[2], 非线性瞬态热传导问题的控制方程如下:

式中ρ为材料的密度, kg/m3;c为材料的比热容, k J/ (kg·K) ;T为温度场分布函数;λ为导热系数, W/ (m·K) ;t为传热时间, s;为内热源强度。

2.2 网格划分和单元选取

所建模型为三维模型, 采用DC3D8和DC3D4的单元类型。考虑到焊接过程中加热的不均匀性, 在远离焊缝位置的地方, 采用较疏的网格;在焊缝中心位置和周围, 采用了较密的过渡性网格[3,4,5]。

2.3 热源载荷处理

根据实际情况选用单元内生热的热源模式[6], 通过假定焊缝单元的内部热生成施加在焊缝上, 内生热率等于电弧有效功率除以所作用的单元体积, 通过定义热流密度振幅曲线, 以达到限制加载时间来模拟热源的移动[7]热流密度计算公式下:

式中η为电弧热效率;U为焊接电弧电压, V;I为焊接电流, A;S为焊缝截面积, m2;v为焊接速度, mm/s。

通常假定热量均匀施加到焊缝单元上面, 作内部热源处理, 采用生死单元技术, 随着电弧的移动, 将要填充到的焊缝虚单元就转换为实单元, 并施加载荷。在焊接过程中, 热源也在焊件上不断移动, 运用命令流语言来实现这一焊接模拟动态过程, 具体在inp文件中编辑运行, 运用kill-star语句循环加载热源。

2.4 求解方法与设置

选取室温为初始温度, 设为20°C。焊接过程中焊件局部受热, 热传递形式主要以热对流和热辐射为主, 设置对流系数为10 W/ (m2·K) , 辐射发射率为0.85。考虑到模拟的收敛性, 在计算的时采用牛顿----拉普森法, 设置加热时初始增量步为0.001s, 最小增量步1×10-9 s, 最大增量步2 s;对于冷却时候的初始增量步是0.01 s, 最小增量步是0.00001 s, 最大增量步是5 s。

3 结果分析与讨论

3.1 温度场分布

图2、图3分别为时间t=84.29 s、159.3 s时刻填充焊时的温度分布图, 图4为填充焊结束, 冷却到50 s时候的温度分布图。

从图2、图3中可以看出, 随着焊接热源的移动, 温度场也在不停的变化。熔池伴随着焊接热源一起移动, 焊接热源处最高温度达到1600℃, 沿着焊缝方向, 热源附近的温度场表现为椭圆形, 并向周围扩散开, 温度梯度在热源中心附近表现出最大, 距离热源中心越远, 温度梯度越小, 温度也达到稳态。

图4为填充焊接完成冷却50 s后的温度场分布云图, 热源中心位置温度达到121℃, 以保证层间温度在100~200℃, 远离焊缝的地方温度已经降到25℃左右, 温度梯度很小。

3.2 热循环曲线分析

焊接热循环是指随着热源的移动, 焊接件上的温度由低到高逐渐加热到最高后又变到低的过程。选取的特征点要能够全面表现多道焊过程中铲斗体不同位置温度的动态变化过程, 取点A、B、C、D、E、F位置如图5所示。

图6为各点在填充焊时候的热循环图, 从图6对比可以看出, 沿焊缝方向上节点的温度循环特征表现出相同的规律, 说明三个节点都已经达到了准稳态温度场, 随着热源沿着焊缝方向的移动, 会经历升温和降温两个过程, 当热源到达各点额时候, 节点温度迅速升高到最高温度, 最高温度都超过焊件的熔点, 随着热源离开节点, 温度由高降低, 冷却的速度要比升温的时候小, 慢慢接近于同一个温度, 这种热循环曲线和焊接实际动态情况基本相同。

图7为垂直于焊缝方向的各点热循环曲线图, 从图7中可以看出, 各个节点的曲线规律相似。当热源移动到垂直于焊缝节点D、E、F所在的截面时候, 所有节点的温度都迅速达到最高, 不一样的是节点靠近焊缝中心越近, 所达到的最高温度越高, 反之, 则越低。当热源离开继续移动, 离开截面时各节点的温度变低, 且变化比较缓慢。通过观察可以看出, 各点的升温速度要明显快于降温速度。

4 结论

(1) 建立了大型液压挖掘机铲斗体焊接温度场的有限元模型, 选取内部生热热源模型和单元生死技术的方法实现了焊接金属逐渐填充的过程。

(2) 由温度场分布可知, 热源附近的温度场表现为椭圆形并向周围扩散开, 且在电弧的前面温度梯度表现比较大。

(3) 焊缝附近几个特征点的焊接热循环曲线规律基本一致, 且各点的升温速度要明显快于降温速度, 和实际动态情况相似, 对于预测实际焊接温度场的分布有一定参考价值。

参考文献

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[6]莫春立, 钱百年, 国旭明.焊接热源计算模式的研究进展[J].焊接学报.2001, 22 (3) :93-96.

焊接温度 篇4

铆焊是掘进机机械生产中重要而常见的工艺, 掘进机铆焊件加工包括众多的工种, 如:钳工、铆工、焊工, 是一项复杂的加工工艺和生产过程, 在掘进机大型化、功能和的背景下, 铆焊件制作成为决定掘进机技术性能、煤炭生产安全、企业经济效益的关键环节。温度是掘进机铆焊件制作过程中一个重要的参量, 温度控制不良加工出的掘进机铆焊件将不能发挥出设计的强度和功能, 不但会影响掘进机性能, 还会影响煤炭生产的进程与安全。应该从掘进机铆焊件加工过程的热力学分析入手, 对于影响掘进机铆焊件质量的各要素进行逐一确定, 进而找到提高掘进机铆焊件控制温度, 提升掘进机铆焊件加工质量的措施, 以达到对掘进机技术性能的保障与提高作用。

2 掘进机铆焊件温度的热力学分析

2.1 掘进机铆焊件加工中热传导的主要形式。

掘进机铆焊件制作过程中受热呈现局部化, 导致在铆焊件和掘进机其他部位之间存在一定的温度差异, 这会形成铆焊件与周边结构之间的辐射和传导两种热传递, 如果不对热传递进行全面控制会出现铆焊件温度过低, 或者是铆焊件与其他结构温差, 这些都不利于掘进机铆焊件的加工和制作, 影响掘进机铆焊件的强度和性能, 产生掘进机的质量隐患和通病。

2.2 掘进机铆焊件制作中接触部位的分类。

(1) 铆焊件焊缝, 焊缝是铆焊过程中熔池中成固态的金属结晶, 这是母材金属结晶聚凝的表现, 其成长与熔池的池壁垂直。 (2) 铆焊件热熔区, 焊缝和母材连接的半熔化状态区域是热熔区, 这一区域呈现出化学成分复杂和晶体颗粒较大的特点, 容易产生过热组织。 (3) 焊接影响区, 这是掘进机铆焊件焊接过程中热量能够传导或辐射的部位, 在制作过程中, 这些部位会因热量的影响而出现金相上的部分改变, 进而导致机械性能和强度的变化。

3 掘进机铆焊件制作中主要的影响因素

3.1 掘进机铆焊件焊接的热特点。

(1) 掘进机铆焊件焊接的温度高, 普通的焊接件焊接温度可以达到1600K。 (2) 掘进机铆焊件焊接升温快, 与常见的焊接热处理相比, 铆焊的热源非常集中, 这会出现掘进机铆焊件温度升高迅速的特点。 (3) 高温保持时间短, 由于掘进机铆焊件与其他结构和部位紧密连接, 很容易通过辐射和传导将热量迅速传递出去, 这样就会在短时间降低铆焊件的温度。

3.2 掘进机铆焊件焊接的温控因素。

如果在掘进机铆焊件制作中失去了对温度的精确控制, 将会导致掘进机铆焊件加工质量和性能出现问题和隐患, 导致掘进机铆焊件温控出现问题的主要因素有: (1) 没有对掘进机铆焊件制作过程进行温度控制的意识, 导致掘进机铆焊件焊接中没有应用相应的技能和规范, 最终出现掘进机铆焊件加工的质量问题; (2) 掘进机铆焊件焊口没有规范清理, 出现积水、油污, 这会降低焊接件温度的传递, 影响掘进机铆焊件加工的质量。 (3) 焊接材料和器材问题, 二氧化碳纯度不足, 焊条质量不高, 母材技术性能有问题等原因都会造成掘进机铆焊件制造过程中温度控制失去精确性, 导致掘进机铆焊件出现缺陷和隐患。

4 提升掘进机铆焊件的制作中温度控制的方法

4.1 做好掘进机铆焊件制作的准备工作。

要采用热切割的方式对掘进机铆焊件坡口进行处理, 防止母材边缘形成淬硬层, 淬硬层往往以其低塑性而造成冷加工的开裂, 进行这种处理可以有效的保证金属的热传递;必须要及时消除和清理焊接区域存在污渍问题, 比如水分、锈迹、氧化膜及其他污物等, 以确保能够实现既定温度, 必要时要对焊接材料进行除湿处理, 以保证实现应有的技术效果。

4.2 正确应用掘进机铆焊件焊接操作工艺。

在焊接的方法运用上, 采取特定的摆幅和坡口两侧的停顿, 来控制熔池的问题, 使熔孔基本上一致, 避免形成焊瘤;在焊接时, 必须要高度重视焊接的角度, 角度对温度的影响绝对是决定性的, 当夹角垂直时, 会使电弧相对集中, 熔池温度高;反之, 则温度低。在起弧时, 一定要先进行试验, 在高度板上调整好电流强度, 对温度进行检测, 合格后再划擦引弧, 利用反馈电路加强对温度的控制, 避免因升温过高过快而导致的烧伤, 最好采取直线运条方式进行焊接。进行掘进机铆焊件热处理要以消除残余应力为主, 使金属相变温度点以下的热量进行均匀加热, 而后采用均匀冷却的方式, 消除应力和退火。

结语

铆焊件是掘进机的重要结构和功能部件, 在煤炭市场需求旺盛, 能源和资源大量需要增长的背景下, 掘进机的技术性能、开采能力和安全有了更进一步的提升, 作为掘进机生产制造企业应该应对这一行业、市场实际, 以铆焊件质量的提升来确保掘进机技术性能和安全水平。应该对掘进机铆焊件温度展开物理学、结构学和热力学的分析, 确定影响掘进机铆焊件制作的主要因素, 以加强掘进机铆焊件加工中技术的强化、扎实的准备和规范的操作了确保掘进机铆焊件温度的控制, 进而实现掘进机铆焊件质量和性能的保障, 达到对掘进机整体性能发挥和运行安全的保障。

摘要：铆焊件是掘进机制造过程中常见的部件和结构, 要对掘进机铆焊件的加工和控制技术予以高度关注。本研究从掘进机铆焊件制作的实际出发, 在进行掘进机铆焊件温度热力学分析的基础上, 描述了掘进机铆焊件制作中基本形式和分类, 同时对影响掘进机铆焊件制造的各个因素加以研讨和确定, 进而提供了从掘进机铆焊件制作准备和操作方法两个方向, 希望能够提升掘进机铆焊件的制作过程中温度控制水平, 达到提升掘进机铆焊件生产质量目标。

关键词：掘进机铆焊件,制作,焊接温度,热力学分析,准备工作,焊接操作

参考文献

[1]陈黎明.焊接过程中温度控制对焊件合格率的影响[J].中国包装工业, 2012 (13) .

焊接温度 篇5

大唐彬长发电有限责任公司有2台630 MW超临界燃煤机组,锅炉为2084 t/h超临界压力变压螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次再热、平衡通风、配等离子点火装置、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Ⅱ型锅炉。主蒸汽温度571℃、压力25.4MPa、主蒸汽管道材质SA335-P91;再热蒸汽温度326/569℃、压力4.80/4.61 MPa,再热热段管道材质SA335-P91;给水温度291℃、压力35 MPa,管道材质15NiCuMoNb5-6-4;再热冷段温度342℃、压力5.42 MPa,管道材质A672 B70CL32。汽轮机为TC4F-26 (24.2 MPa/566℃/566℃),一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式,铭牌出力630 MW。

1 温度计套管与母管选材配型

1.1 异种钢配型

母管和温度计套管的管道材质分别为SA335-P91和1Cr18Ni9Ti。SA335-P91管道化学成分见表1,由表1可知其化学成分符合标准[1]的要求。

SA335-P91为马氏体耐热钢,最高使用温度650℃,热线膨胀系数α1在500～600℃时为(12.21～12.39)×10-6C-1。元素S易产生赤热脆性;元素P则主要影响回火脆性、冷脆性,V,Nb及N属于强化元素,可提高钢材的强度;Cr,Si等元素可使金属在高温运行时生成的氧化膜致密而牢固,提高钢材的抗氧化性。

1Cr18Ni9Ti管道化学成分见表2,由表2可知其化学成分符合标准[2]的要求。

1Cr18Ni9T属奥氏体耐热钢,最高工作温度700℃,热线膨胀系数α1在500～600℃时为(17.9～18.2)×10-6C-1,远远大于同温度下SA335-P91热线性膨胀。

如果采取母管与温度计套管异种钢焊接方案,由于2种材料热线膨胀系数相差较大,在机组启停、运行中焊缝内部会产生较大的内应力,易造成异种钢焊缝产生疲劳开裂,如果焊缝内部还存在裂纹、未焊透漏检缺陷时,则叠加损坏效应会非常明显,短期内就可能导致焊缝开裂失效,故此种材料配套选型方案不合理。

1.2 同种钢配型

同种钢配型有2种方案。方案一为母管和温度计套管的管道材质都采用SA335-P91;方案二为母管、管座和温度计套管的管道材质都为SA335-P91。这2种方案均选用同种钢材料,焊接时由于材料化学成分一致,焊接热处理工艺完全相同,焊缝溶合性好,避免了异种钢焊接、热处理母材化学成分不一致,焊缝融合性差、热胀冷缩不一致等问题,且SA335-P91材料也满足使用要求,故选用此2种同钢材料配型更为合理。

2 温度计套管焊缝失效的典型案例

2.1 焊缝缺陷扩展导致失效的典型案例

图1为渗透检验焊缝表面整圈裂纹;图2为挖除原焊缝时发现的内部裂纹;图3为根部未焊透造成整体脱落失效;图4为管道原始管孔及坡口。分析图1至图4可知,焊缝失效的主要原因是焊接结构设计不合理、焊接工艺执行不力、焊接材料不正确、焊缝内部缺陷扩展最终导致管座失效。

从图2可以看出,此种焊接方式是将温度计套管直接插接式焊接在主蒸汽母管上,图3是温度计套管整体脱落照片,温度计套管材质为1 Cr 18Ni9Ti,母管材料为SA335-P91,可以看出脱落的温度计套管根部所带的熔合焊缝量很少,图4显示主蒸汽母管管孔处焊缝的坡口,形式是V型坡口,坡口开口很浅,结合图3、图4可以看出,此种焊接方案由于根部间隙较小,焊接时焊条或者焊丝摆动困难,焊缝熔合量少,易产生根部未焊透等缺陷,且材料选型为1Cr18Ni9Ti+SA335-P91型异种钢焊接,焊接热处理结束后只进行表面着色检验,导致焊缝内部裂纹根部未熔合等缺陷被漏检,最终造成温度计套管整体脱落的重大事故。

2.2 主蒸汽母管管孔产生裂纹导致管座焊缝失效的典型案例及原因分析

分析图5、图6可以看出主蒸汽母管内壁裂纹长度大于外壁裂纹长度,为贯穿性裂纹,源头位于内壁棱角处,所以在焊接前条件允许时,应将主蒸汽管道管孔内壁直角倒圆,消除应力集中,消除应力源。

从微观角度分析,主蒸汽管道长期在高温高压下运行,母材的金相组织会发生明显弱化倾向,宏观表现为屈服强度、冲击韧性、持久强度下降,蠕变速度加快,加之主蒸汽管道、管座等变形及应力不均,管座长期处于汽水两相流冲击、震动在各种交变应力作用下,加快了母材及焊缝晶界裂纹的产生,最终扩展为宏观贯穿性裂纹导致管座失效。

3 温度计套管焊接结构设计方案的分析

3.1 方案1

温度计套管焊接方案1如图7所示,温度计套管直接插接式焊接在主蒸汽母管上。

从安装结构看,母管管孔为柱孔,温度计套管直接插接式焊接在主蒸汽母管上。温度计套管上部为圆柱下部为圆锥面,下锥面与母管管孔为线接触,锥面与孔壁之间存在约1.5 mm间隙,套管由于受到蒸汽的高速冲刷产生高频振动,焊缝根部易产生疲劳损伤。

从焊接结构看此插接式焊接,为锅炉汽轮机厂温度计套管的经典焊接方案,在母管处开32±2.5°坡口,根部倒R2角间隙很小,由于根部焊接时焊材不易摆动,易造产生未融合等致命缺陷。此方案最大的弊端是,温度计套管直接焊接在主蒸汽母管上,如果运行期间需要更换温度计套管或者焊缝产生泄露,那么再次进行挖补、焊接、热处理的部位均处于主蒸汽管道母材焊缝处,标准[3]9.3条规定返修焊补的焊接接头,一般同一焊口不得超过2次,否则应割掉重新对口焊接,标准[4]5.3.15条规定,同一位置处挖补的次数不得超过3次,耐热钢不得超过2次。频繁在此处进行上述工作不但违反上述规程规定,而且由于SA-335 P91为高合金马氏体耐热钢,频繁在母管处进行上述工作此材料易产生裂纹,如果裂纹进一步扩展有可能造成主蒸汽母管的报废,损失将更为严重,而且由于主蒸汽母管壁很厚,焊接热处理的技术难度大、工期长、费用大。

3.2 方案2

温度计套管焊接方案2如图8所示。温度计套管外部加一管座,管座、母管、温度计套管选同材质,管座长度150～200 mm。管座与母管的焊缝为全焊透型的对接式焊接,管座与温度计套管上部焊缝为插接式焊接。

如图8所示,管座上部焊缝坡口由32.5°改为45°,将温度计套管插接式焊接角焊缝由母管处上移到此处,如果此处角焊缝泄漏或者温度计套管需要更换,切割、打磨、再次焊接热处理位置均在母管处开展工作,避免了频繁在母管处焊接热处理对主蒸汽母管可能造成的二次累计损伤,既减小了工作强度也减小工作难度,更杜绝了母管管孔产生裂纹的风险。管座内上壁倒R3进行圆滑过渡,消除尖端应力。

管座根部外壁下坡口50°,管座与母管焊接时留3 mm间隙,此焊缝为全焊透结构,使得焊缝焊接质量大大提高,但此方案仍存在管座根部焊缝尖角处易产生根部未熔合等危害性缺陷,即使在检验环节被发现,处理起来仍然很麻烦,故此方案仍需进一步改进。

3.3 方案3

温度计套管焊接方案3如图9所示。温度计套管外部加一管座,管座、温度计套管、母管选同材质,管座外径相同,厚度要比设计校核壁厚预留+5mm,管座长度150～200 mm。管座与母管的焊缝为全焊透型的对接式焊接,管座与温度计套管上部焊缝为插接式焊接。

上管座外径不变,管座与母管的焊缝为全焊透型的对接式焊接,管座与温度计套管上部焊缝为插接式焊接。管座壁厚预留+5 mm,待焊接热处理检验合格后对管座内壁进行扩孔处理,使管座内径与母管孔径相同且同心,彻底消除管座根部尖角处焊缝易产生未焊透、裂纹未熔合等缺陷,且如果需要对温度计套管更换,处理方案与方案二相同,故此方案更为合理。

4 管座壁厚校核

按照标准[5]对管座壁厚进行校核。

管座理论计算壁厚δL:

式中:P为计算压力;Dw为管座外径;φb为焊缝减弱系数;[σ]为580℃时SA335-P91材料的许用应力。

考虑钢管腐蚀因素,C1为材料腐蚀的附加厚度,则理论最小壁厚δmin:

式中：C1,为材料腐蚀的附加厚度。

考虑钢管制造存在负偏差，m为管道负偏差百分数，需增加附加壁厚C3:

管座的最终校核壁厚δ:

5 焊接及热处理工艺要点

管座焊接采取全氩弧焊接,先点焊3点用于固定管座,三点之间夹角均为120°,点焊时焊接材料、焊接工艺和预热温度等均应与正式焊接工艺相同,点固后要认真检查每个焊点质量,如有缺陷应立即清除,重新点固。管座焊前、焊后热处理采用远红外电加热,A335P-91材质焊前预热温度为100～150℃,焊丝选用φ2.5 mm,钨极为φ2.5 mm,氩气流量为10～15 L/min。焊接电弧电压为10～14 V,焊接电流为80～110 A,焊接速度为55～60 mm/min。氩弧焊打底的焊层厚度控制在2.8～3.2 mm范围内。层间温度200～300℃,焊后热处理加热温度为760±10℃。焊后热处理的升、降温速度≤150℃/h,当降温至300℃以下时,可不控制,在保温层内冷却至室温。T/P 91焊接热处理工艺热循环图如图11所示,符合标准[3]规定。

6 无损检验

进行光谱复核,坚决杜绝错用材料。角焊缝探伤不能只进行着色渗透探伤,陕西电科院改进检验工艺,采用着色+多探头超声波探伤:着色探伤剂DPT-5、超声波仪汉威HS610、耦合剂甲基纤维素、5P8×12K1.7;5P8×8 K2、K2.5;5P6×6多探头、校准试块CSK-ZB、RB-Ⅲ、灵敏度采用Φ3标准反射体DAC-16dB、检测标准参照标准[6,7]、质量标准参照标准[4],可以有效迅速地发现角焊缝表面及内部各种超标缺陷,检验方法及位置如图12所示。

7 管座改造经济效益

四大管道母管上的套管,按单次泄漏停机停炉抢修10天机组容量630 MW计算。

直接电量损失:600×10×24=144 000 MW=144 000 000 kWh。

1 kWh按0.06元利润计算,利润损失:144 000 000×0.06=864万元。

抢修施工费:6万元

材料费:0.5万元

检验费:0.5万元

单次点炉费:50万。

则共计损失864+6+0.5+0.5+50=921万元。

改造一个套管的费用,材料费0.5万元,施工费2万元,检验费0.5万元。

共计改造费用:0.5+2+0.5=3万元。

通过对比可以看出投入与产出经济效益十分显著。

8 结论

本文从材料选择、焊接方案改造、检验方案改进入手,对2号机组四大管道部分温度、压力套管进行改造,后经第三方全面检验100%合格,从试运投产至今未发生一起漏泄事故,为机组长周期安全稳定运行奠定了坚实的基础,对在建同类型机组具有良好的借鉴作用。

参考文献

[1]ASTM A335 P9 1 2005,高温用无缝铁素体合金钢公称管[S].

[2]GB5310-2008,高压锅炉用无缝钢管[S].

[3]DL 2002,P91/T91焊接焊接工艺导则[S].

[4]DL/T 869-2004,火力发电厂焊接技术规程[S].

[5]GBT9222-2008,水管锅炉受压元件强度计算[S].

[6]DL/T820-2002,管道焊接接头超声波检验规程[S].

焊接温度 篇6

在药品的冷冻干燥过程中,最大的风险是如何保证药品的均一性,许多敏感药品会在同一批生产中出现质量差异,给药品的疗效带来影响。造成质量差异的主要原因是大小不同的冻干机、不同的环境、同一台冻干机不同的板层、同一个板层的不同位置、包材接触的面积大小导致传热不同,以及冷凝器温度传质效果不同。因此,板层温度均匀性对冻干药品的均一性有重要的影响,而板层本身的结构及焊接工艺,均会导致导热油在热传递过程中的影响不一致,在考虑药品冻干工艺时,一定要考虑板层温度的均匀性。因此,企业每年都要对板层温度均匀性进行验证确认。

1板层的结构及焊接工艺

板层上面用来存放托盘或西林瓶,用于传递热量,确保冻干产品顺利完成冻干的过程。由于板层在压塞时要承受一定的压力,故要有足够的强度防止塑性变形的发生,要考虑其强度。同时,板层又要满足一定的平整度要求,一般情况下平整度要达到<0.5 mm/m的要求。此外,板层表面的粗糙度也要达到一定的要求,一般均要达到Ra≤0.4 μm。在板层制作过程中,由于焊接变形,焊接后的热应力去除情况显得非常重要。目前,冻干机的板层结构主要分为塞焊板层、钎焊板层以及钩子内焊板层。

1.1塞焊板层

塞焊板层主要采取上、下2个面板,中间采用加强筋条用于加强和导流,筋条先焊接在下底面板上,筋条的选择非常重要,筋条不能选用太宽,焊接时下面板先与筋条定位焊接好,采用间断焊接的形式,同时上面板采用打孔塞焊的形式盖在筋条上,板层四周边焊也采用筋条,与板层焊接好,形成一张整齐的板层。塞焊式板层结构如图1所示。

塞焊板焊接时,由于焊接工作量非常大,焊接前和焊接时均要做好防止焊接变形的工作,其有很多的焊接塞焊点和边焊的大量焊接工作。因此,塞焊板的板层变形量大,后期必须经过整形,通过去除热应力以及采取龙刨加工的形式,确保板层的平整度。

1.2钎焊板层

采用空心方管的形式,将钎焊料(BNi82CrSiB)用双头端面电焊机点焊在空心方管上,保证焊料两边均比方管多2 mm。再将焊好焊料的方管两头焊在面板上,并使搁条与面板紧密接触,放在真空钎焊炉里,按照真空钎焊的加工工艺,通过真空和高温,使上、下面板和方管连接在一起,焊好以后,再进行板层四周焊接。 真空钎焊式板层结构如图2所示。

真空钎焊板层由于受热变形比较好、热应力小、均匀,对板层的变形影响较小,一般情况下也不需要进行后续的刨加工处理,采用表面抛光处理即可。由于方管布置合理,采用空心管后,受力也比较均匀,强度也足够,特别是对于导热油可以起到很好的导向作用。

1.3钩子内焊式板层

钩子内焊式板层采用筋条内焊的形式,先将加强和导流用的筋条分别焊在板层的上、下2个面上,采用间断焊接的形式,焊接完毕后,先进行整形处理,再通过上、下板块插入式嵌套在起,板层四角边焊也是采用筋条的形式,与塞焊焊接式板层一样进行焊接。钩子内焊式板层结构如图3所示。

钩子内焊式板层由于采用嵌套式连接,强度上不太好,一般尺寸超过1 200 mm以上的层不能采用。同时,由于加强筋采用L形的方式,对导热油的导流以及热传递带来的影响较大,导流、筋条与板层的接触面积比较宽,导致温度的传递不太好[1]。

2板层的结构和焊接工艺对温度均匀性的影响

3种结构的板层,在其他条件同等的情况下,影响板层温度均匀性的主要有加强筋条的宽度、上下面板的厚度、加强筋条与上下面板的贴合性等几个方面。

2.1加强筋条的宽度影响

加强筋条越宽,对均匀性的影响越大。筋条表面的板层与导热油通道的板层,由于热传递的介质不一样, 导致温度的差异比较大。从这个方面考虑,真空钎焊式的板层效果最好,采用宽度比较小的空心方管,热传递效果也比较好;而钩子内焊式板层效果比较差,加强筋条比较宽,采用嵌套式,热传递比较慢,特别是筋条表面的板层与导热油通道的板层表面相差比较大。

2.2上下面板的厚度影响

由于板层表面的温度基本是通过热传导的方式传递到板层表面的,因此,上下表面面板的厚度对传导的速度影响比较大。板层越厚,传导越慢;板层厚度越均匀,板层表面的温度也越均匀。塞焊板由于变形量大, 通过刨加工处理,导致板层厚度不均匀,给板层的表面温度均匀性带来比较大的影响;而真空钎焊式板层和钩子内焊式板层,由于变形量小,板层厚度相对比较均匀,板层均匀性效果较好。

2.3加强筋与上下面板的贴合性影响

加强筋与上下面板越是紧密贴合,板层温度均匀性就越好。真空钎焊式板层可以做到最好,可以全部紧密贴合并密封,而塞焊式板层和钩子内焊式板层均采用间断焊接,有缝隙,钩子板采用嵌入式拼接,也存在缝隙,对板层表面的温度有一定的影响。

根据以上分析,真空钎焊式板层在同等条件下,相比塞焊式板层和钩子内焊式板层有很强的优势。

3板层温度均匀性数据分析

板层温度均匀性验证,一般是采取-40 ℃、0 ℃、40 ℃这3个温度点的形式,在每块板层上至少放置5个探头,在板层上选取有代表性的位置,在板层进口、出口、板层中间位置以及侧边位置等布置探头, 从常温开始,进行一个循环流程:对板层进行-40 ℃ 降温,保温;升温到0 ℃,保温;再升温到40 ℃,保温。按照行业标准,每个温度点保持恒定时间15 min之后,所有探头的温度最大值和最小值在2 ℃以内为合格。一般来说,低温下相对比较难,时间相对较长,所以只要-40 ℃均匀性没有问题,0 ℃以及40 ℃肯定没有问题。 根据对板层温度均匀性的统计分析,不管是什么结构和焊接工艺的板层,基本上都能满足行业标准的要求[2]。

针对塞焊式板层温度均匀性进行验证,图4是塞焊式板层温度均匀性验证曲线,从曲线以及相应报表来看:在板层进行-40 ℃的降温过程中,板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在10 ℃以内。在设定温度-40 ℃保温时,要平衡15 min后可达到(-40±1)℃以内。在-40 ℃到0 ℃的升温过程中,板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在10 ℃ 以内,要平衡10 min后可达到(-0±1)℃以内。在0 ℃ 到40 ℃的升温过程中,板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在10 ℃以内,要平衡10 min后可达到(40±1)℃以内。

针对真空钎焊式板层温度均匀性进行验证,图5是真空钎焊式板层温度均匀性验证曲线,从曲线以及相应报表来看:在板层进行-40 ℃的降温过程中,板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在3 ℃ 以内。在设定温度-40 ℃保温时,要平衡10 min后可达到(-40±1)℃以内。在-40 ℃到0 ℃升温过程中, 板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在3 ℃以内,平衡10 min后可达到(-0±1)℃以内。在0 ℃ 到40 ℃升温过程中,板层上36个测试点最高温度和最低温度均能控制在3 ℃以内,要平衡10 min后可达到(40±1)℃以内。

钩子内焊式板层基本与塞焊式板层一样,只是钩子内焊式板层筋条表面上板层的温度平衡时间要比塞焊焊式式板板层层延延长长55~~1100 mmiinn。 。

4结语

冻干机板层焊接工艺对板层温度均匀性有一定的影响,作为板层固有的特性,在同等条件下,采用真空钎焊式板层是最佳选择,但是考虑到制作成本,以及对于冻干产品本身的热敏感性,板层温度均匀性还与导热油的黏度、循环系统的设计以及循环系统的管道和冻干机的控制系统、精度有关,在选择板层结构时,要综合考虑多种因素的影响,关键是经过产品验证,确保冻干产品的稳定性和均一性。

摘要：通过对冻干机板层结构和焊接工艺的分析,找出了影响板层温度均匀性的因素,并通过对板层温度均匀性数据和曲线的分析,得出了真空钎焊式板层的温度均匀性最好的结论。