CN101195134A - 制造用于热交换器的管的方法 - Google Patents

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Abstract

制造用于热交换器的管(2)的方法，其包括以下步骤：a)制造具有矩形横截面的铸锭(板材)；b)热轧所述板材以形成坯件；c)快速冷却所述坯件；d)冷轧所述坯件直到得到制管板(3)；e)由制管板开始形成管(2)，以从该制管板的平面几何形变成管的圆柱几何形，并焊接所述管，其中所述铸锭由可以沉淀硬化的合金开始制成，且所述管通过高频感应焊接进行焊接。

Description

制造用于热交换器的管的方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于热交换器的管的方法，特别是在空调制冷(airconditioning and refrigeration)的领域(sector)中的应用，或更常用于需要高热力学性能的应用。
背景技术
一般，在空调制冷(ACR)领域中使用的管由Cu-DHP(脱氧的高残余磷(deoxidized high-residual phosphorus))合金在无氧条件下开始制备，其中为保证脱氧，要保持相对高含量的残余磷，该含量通常为0.015～0.04wt％。磷的存在可以消除还原环境中的脆性，改善冷塑变形性(cold plasticdeformability)，且上述作用增加了对于进行硬钎焊的适用性。Cu-DHP合金因此被证明特别适合应用于金属板加工，其中接合部(joins)需要保持机械稳定。在硬钎焊的操作中，实际上，经常精确地使用脱氧剂以防止铜表面被氧化物覆盖(氧化物的形成是由热引起的)，这样防止了焊接合金确切地共渗。同样，如果开始时使用已经含有氧的铜，则在任何情况下都会损害接合部的强度。因此，用于制造辗压断面以用于加工罩盖或金属板的铜以及用于制造用于流体分配系统或设备的管的铜是Cu-DHP型的。特别地，已经发现这些合金一般与常用的HFC冷却液一起使用，目前HFC冷却液已经基本完全代替了CFCs。
目前在世界范围内(例如，京都议定书的指示)环境政策的趋势推动市场使用对环境伤害更小的冷却剂，首先是针对温室效应在全球范围的反响。然而，从操作的观点看，所述冷却剂要求较高的操作压力。
在如此高的操作压力下操作的热交换器中使用典型的ACR管必定会导致管厚度大幅增加，而且考虑到这些年原料价格持续增长，从而显著提高成本。管道厚度较大还引起热交换系数降低，因此降低了整体制冷过程的效率。
即使合适地加工管以增加热交换效率，例如在管内表面设置合适的波纹，其外形(profiles)采用相同的复杂几何图形，这样增加了在管内流动的流体湍流并因此导致较高的热交换系数，但是缺点依然存在，仅仅是稍微有所缓解。特别是，可能通过在制管板的平面上用一个或多个脊形辊印压可以得到确保优异热交换效率的外形。以这种方式，还可能得到相交的沟槽。
由这种有沟槽的制管板开始，可以通过进行合适的纵向焊接制得管。
还可以通过使用具有较高机械性能的合金，改善管的机械性能，同时大幅限制了由较高操作压力所要求的厚度的增加。
在具有相对高强度的铜合金中(或在任何情况下都具有高导热性或导电性的合金中)，已知合金可以进行沉淀硬化处理。
通过特定热处理得到沉淀硬化合金，所述热处理为：第一步，加热到使其完全溶解在组分的基质金属中使得合金可硬化(形成固溶体)；第二步，不同程度的快速冷却(淬火)，在该冷却过程中固溶物过饱和，因此进入热力学的亚稳状态；最后一步，时效，该时效过程中沉淀物偏析伴随着基本晶格的畸变，从而导致硬度显著增加。具有这种性质的合金是Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P体系的合金，通过合适的热处理，其机械性能可以显著优于纯铜，其还保持导电性和导热性基本不变。
Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P体系的沉淀硬化合金的机械性能取决于其制备过程中进行的特定的热处理，并且该热处理的目的在于优化强度与导电性和导热性的发展。它们的硬度和强度都取决于淬火步骤和时效以及沉淀处理。而且，导电性在沉淀处理的末尾达到最大。
通过纵向焊接，使用所述合金代替Cu-DHP合金来制造管，例如从具有沟槽的制管板开始，仍存在疑问。由于通常与传统焊接技术相关的局部热量的大量增加，实际上处于对应于焊缝区域的合金的热力学性质会变差，其中会发生沉淀物的新的溶解。另一方面，很明显如果试图由所述合金直接形成管，例如通过挤压，将会遭遇到一系列实际的问题，例如得到带有相交外形的内沟槽，或放弃所述沟槽，结果降低了热交换系数。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种制造用于热交换器的管的方法，所述热交换器适用于在规定使用新的热流体的高压下工作，该方法不存在上述缺点，特别是其相对简单且成本低，利用已有的合金，确保得到相对薄但是机械性能良好的管，该管带有内沟槽以确保使用中的高热交换系数。
根据本发明，制造管的方法，特别是制造用于热交换器的管的方法，由金属合金制成的平面制管板开始，其中将制管板相对的纵向边相对彼此弯曲直到它们相互接触并彼此对接焊接；所述方法的特征在于：
i)用于制造制管板的金属合金选自一组可以进行沉淀硬化的合金；和
ii)通过高频感应焊接工艺进行焊接步骤；
特别是，根据本发明，管由沉淀硬化合金开始制造，但是利用一种焊接工艺可以确保即使在焊缝(weld bead)中也保持强度和热交换效率，例如高频感应焊接。而且，根据本发明的方法，使用该焊接方法得到的焊缝的尺寸与管表面可能的内沟槽尺寸是同一数量级，因此，允许用均匀的方式在增加湍流，并因而增加操作过程中管的热交换系数。
再具体一些，本发明制造用于热交换器的管的方法包括以下步骤：
制造由可以沉淀硬化的合金制成的具有矩形横截面的铸锭(板材)；
热轧所述板材以形成坯件(blank)；
快速冷却所述坯件，例如通过在专门设计的冷却隧道中喷水；
冷轧所述坯件直到得到制管板；
由制管板开始形成管，以从该制管板的平面几何形状变成管的圆柱几何形状；
焊接所述管；和
校准管的直径(精加工)。
如上所述的焊接操作根据高频感应焊接工艺进行：在发生器频率为600kHz，焊接速率约为50m/min～200m/min，吸收功率约为20kW～60kW的条件下操作，将约为50～300千克力的张紧力保持在焊接装置的张紧轧辊(tightening rollers)(其将平面制管板逐渐变成柱状管)之间。此外，在焊接步骤中，进行由平面几何形到圆柱形的逐渐过渡，注意将所谓“焊接V形(welding vee)”的角度保持为后面将会更好地规定的约2°～20°。
在冷轧后，形成管前，可以对制管板进行退火和时效的热处理。
此外，可能正好在管形成和焊接之前，进行压纹操作形成沟槽，这些沟槽用于管的内表面。
附图说明
下面将要通过非限定的实施例和参考附图说明本发明优选的实施方式，其中：
图1是已知类型的装置的四分之三正视图的示意图，其进行由平面制管板开始形成管的高频感应焊接的操作；
图2表示与图1相同的操作，但是为俯视图；
图3是由本发明的方法制得的ACR管的横截面部分的光学显微照片，该照片对应焊缝的区域拍摄；和
图4是图3同一焊接管的内侧表面的光学显微照片，该管的内侧表面具有内沟槽以增加热交换。
具体实施方式
本发明的制造用于热交换器的管的方法首先由可以进行沉淀硬化的合金开始制造具有矩形横截面的铸锭(板材)，在优选的实施方式中，由选自Cu-Fe-Pa和Cu-Fe-Ni-P体系的合金开始。
表1给出在本发明优选的实施方式中用于管高频感应焊接测试的Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P合金的成分的重量百分比数据。
  合金   Fe wt％   P wt％   Ni wt％   Cu wt％
  Cu-Fe-P**   0.101   0.0348   -   剩余部分
  Cu-Fe-P-Ni**   0.0560   0.0362   0.0613   剩余部分
表1-用于高频感应焊接ACR管的合金的成分的重量百分比。
表2给出本发明制造用于热交换器的焊接管的合金的一些机械和电学性能与在已知方法中所用的合金的性质的比较。
  合金   IACS％   Rm(MPa)   Rp0.2(MPa)   A％   HV
  Cu DHP*   85   220   50   48   50
  Cu-Fe-P**   85   340   190   20   100
  Cu-Fe-P-Ni**   85   348   185   18   80
表2-可用于制造热交换器所用的焊接管的合金的机械和电学性质的比较(*退火的；**时效+1/4硬化)
根据本发明的方法，在第一步中，根据已知的技术制备具有矩形横截面的铸锭(板材)，为了简洁，因此这里不再说明。
下面，热轧所述板材，然后快速冷却所得坯件，优选通过在专门设计的冷却隧道中喷水。这些操作根据广为人知的技术进行，为了简洁，不再详细说明。
在接下来的步骤中，进一步冷轧所述坯件直到得到厚度为0.2～1.0mm的制管板。然后制管板在350℃～600℃进行退火和时效的热处理。在处理步骤中，发生偏析，导致系统平衡。所述偏析是通过中间亚稳态发生的，使得在固溶体中原始形成的区域富含溶质原子，该溶质原子易于移动到更对称的位置，插入到基本晶格的空隙中。这引起网状畸变(reticular distortion)，并伴随着具有特别的机械性能，特别是明显增加的硬度。
如果该工艺的目的在于制造有沟槽的管，则一旦热处理完成，将进行压纹步骤，为此使用专门设计的脊形轧辊，其印压将会成为管内表面的制管板表面。
下一步是形成管，以使平面几何形的制管板变成圆柱几何形的管。然后是焊接步骤，根据本发明的主要方面，其通过高频感应焊接进行。
参考示出整个设备1的图1和图2，所述设备已知是用于由平面制管板3开始形成管2的，以参考上述方式通过轧制坯件获得所述制管板，且对将成为管2的内表面的制管板的顶面4(图2)进行施压，以形成沟槽5(在图4的显微照片中清楚可见)；然后，使所述制管板从一对轧辊6之间穿过，该轧辊以已知的方法将制管板3的相对的纵向边9和10逐渐弯曲靠拢，直到其迎面结合，用预设的且具有受控量的力P(与形成的管的轴线垂直，如图2箭头所示)将两个边相互挤压。在所述制管板3的塑性变形步骤中，优选保持轧辊6(其松散地安装(mounted idle)，且因而自由地绕其自轴线旋转)固定，而使制管板3向轧辊6沿着箭头指出的方向以受控的速率纵向前进(图1)；在所述塑性变形步骤的同时，通过实施例中示出的(相对于制管板3前进的方向)恰好在轧辊6的上游的(已知)感应线圈12，进行极快速的局部加热。
以这样的方法，通过在其上施加热压力和机械压力的组合将弯曲的制管板3的已经相邻的边9和边10焊接起来。使用最佳热量进行有效焊接，一般使材料刚刚到其熔点以下，且同时用一种镦锻方法(a sort ofupsetting)在截面的周围施加压力，使加热的边缘结合在一起。产生的热是材料的电阻对应电流流动的结果。但是，根据本发明，该热量没有导致材料熔化，仅仅是软化，因此，随着沉淀物以均匀的方式分布，保证了其微结构的完整。
焊接电流通过高频感应线圈12传输到材料，该感应线圈12没有直接与正在形成的管2接触。实际上，通过管周围的磁场使材料中感应出电流。
在本发明方法的优选实施方式中，使用频率约为600kHz的发生器(未示出，且其以已知的方式与感应线圈12连接)进行高频感应焊接，操作所用的焊接速率(等于制管板3向轧辊6纵向前进的速率)约50m/min～200m/min，因而得到吸收功率约为20kW～60kW；同时，通过张紧轧辊6，施加约为50～300千克力的垂直力P。
从操作的观点看，已证明将角α保持在控制下并选择合适的角α是非常重要的，所述角α定义为所谓“焊接V形(welding vee)”，即由制管板3(其目前是完全弯曲的)的两个相对的边9和10所定义的角，在前进时，这两条边占据对应于高频感应线圈12(图2)的位置。
从纯粹考虑焊接效率的观点看，“焊接V形”应该尽可能短以降低感应损失并引导大部分感应电流在“焊接V形”内流动，“焊接V形”的长度通过张紧轧辊的尺寸和位置确定，管的厚度会影响其值。如果“焊接V形”太短，则沿着制管板边缘分布的温度分别会不均匀，因此有不完全焊接的风险或引起正在结合的边缘过热，可能损害材料的性质。
因此，当其他参数相同时，由制管板3的两个边9和10形成的角α(还称为接近角或“焊接V形”)会影响焊接的效率。小角需要小功率，因为其中较多功率集中在材料表面，因而邻近的效果较好。使用太小的接近角是不利的，因为会不需要地形成电弧。非常小的角可能会增加制管板机械不稳定性。
根据本发明方法的优选实施例，图1和图2中所示的对应于“焊接V形”的角，即角α必须保持约为2°～20°。
用所述方法操作，在图3和图4(以及图1中)的显微照片中附图标记为20的焊缝是通过边9和10的部分流体化的材料镦锻而得到的，该镦锻是通过由轧辊6产生的力P所施加的压力而进行的，所述焊缝的高度与一般用于沟槽5的高度在同一数量级，且如图4所示，所述焊缝一般定向于与沟槽5横交的方向。因此，焊缝的存在不仅不会产生任何缺陷，而且还增加了使用中的沟槽5的湍流的效果。
显然，在焊接过程的末尾，焊缝20在相对于管2的径向方向凸出于管2的内部(如图3所示)和外部，其中凸出于管2的内部的焊缝具有上述有利的效果，而完全出于审美和实际的需要将凸出于外部的焊缝除去以得到外部光滑的管2。
用本发明的方法得到的管符合日本标准JIS H，该标准与由非铁材料制成的应用于工业的管相关。更准确地说，所述管符合JIS H 3320标准，该标准特别针对由铜和铜合金制成的焊接管。实际上，没有特别针对焊接铜管的欧洲或美国标准。特别地，除了确定机械性能外，为了证实本发明所得的焊接的强度，可进行气压试验、水压试验、用角度为60°的圆锥进行扩口试验、和压扁试验，通过这些试验对所得管横向挤压。
使用表1的两种合金，根据本发明的方法得到的管都被证实可以通过上述标准所要求的测试，且可能将所述管弯曲成U形(以得到用于热交换器的管组)而没有任何缺点和故障。

Claims (14)

1.一种制造管的方法，所述管特别是用于热交换器的管(2)，其中该方法由利用金属合金制成的平面制管板(3)开始，将制管板相对的各纵向边(9，10)彼此相对弯曲直到所述纵向边相互接触，并使所述各纵向边彼此对接焊接；所述方法的特征在于：
i)用于制造制管板(3)的金属合金从一组能进行沉淀硬化的合金中选出；和
ii)通过高频感应焊接工艺进行焊接步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a)制造具有矩形横截面的铸锭(板材)；
b)热轧所述铸锭以形成坯件；
c)快速冷却所述坯件；
d)冷轧所述坯件直到得到制管板(3)；和
e)由所述制管板(3)开始形成管(2)，以从所述制管板的平面几何形状变成管的圆柱几何形状，并焊接所述管，
所述铸锭由能进行沉淀硬化的合金开始形成，且所述管通过高频感应焊接工艺进行焊接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，快速冷却所述坯件的步骤是通过在专门设计的冷却隧道中喷水进行的。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，紧接着步骤d)，在350℃～600℃的温度下对所述制管板(3)进行退火和时效的热处理。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，紧接在步骤e)之前对所述制管板(3)进行印压操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金是属于Cu-Fe-P和/或Cu-Fe-Ni-P体系的合金。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所用合金的成分以重量百分比表示为：Fe 0.101wt％；P 0.0348wt％，其余为Cu；或：Fe0.056wt％，P 0.0362wt％，Ni 0.0613wt％，其余为Cu。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，轧制所述坯件直到其厚度约为0.2～1.0mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在约350℃～600℃的温度下对所述制管板(3)进行退火和时效的热处理。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用频率为600kHz的发生器，通过高频感应焊接对所述管(2)进行焊接。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，以约为50m/min～200m/min的焊接速率操作，执行所述高频感应焊接。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过高频感应焊接对所述管(2)进行焊接，以具有约为20kW～60kW的吸收功率。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，利用张紧轧辊(6)施加在所述边(9，10)上的张紧力，通过高频感应焊接对所述管进行焊接，所述张紧力为约50～300千克力。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以约为2°～20°的“焊接V形”角度进行操作，通过高频感应焊接对所述管进行焊接。
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