CN102414410B - 具有防扩散结构的板层以及包括至少一个这种板层的金属蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有防扩散结构并由耐高温腐蚀的钢制成的板层（1），该板层具有纵向方向（Q）、上侧（2）、下侧（3）以及0.015至0.1mm的厚度（d），其中，该板层（1）具有大致沿纵向方向（Q）延伸的不连续的微结构（4，5）并具有下列特征：a.所述微结构（4，5）具有结构高度（SH）、结构长度（SL）、结构宽度（SB）、通过中断部（6）形成并且相对于大致沿纵向方向对齐的最靠近的微结构（4，5）的彼此间的距离（LA）以及最接近的侧向相邻的微结构（4，5）之间的侧向距离（SA）；b.所述微结构（4，5）设计成一部分微结构朝向上侧（2）并且一部分朝向下侧（3）从板层（1）伸出。

Description

具有防扩散结构的板层以及包括至少一个这种板层的金属蜂窝体
技术领域
本发明涉及金属蜂窝体的领域，这种金属蜂窝体尤其用在机动车和内燃机的废气净化设备中。典型地，金属蜂窝体通过卷绕或堆叠板层制成，其中，基本上平滑的板层与波状或类似结构化的板层交替。由此形成允许废气穿过的通道，所述通道具有与相应应用相匹配的尺寸和形状。用于废气净化设备的典型蜂窝体每平方英寸横截面积具有50至1000cpsi(cells persquare inch)，即50至1000个通道。特别优选这种蜂窝体设置有涂层，所述涂层具有催化活性特性和/或吸附特性。在排气系统中，用于净化废气的蜂窝体经历高的机械和热交变负荷，因此，板彼此间焊接，大多通过高温真空焊接。现代金属蜂窝体不是在平滑板层与结构化板层之间的全部连接线上彼此焊接，而是根据对弹性和稳定性的要求而定按照确定的焊接方案仅在选定的部位上连接，由此，它们的寿命可极大提高。
背景技术
然而，典型的焊接过程中使用很高的温度，例如1100℃以上的温度，以致在板的接触部位之间形成扩散连接一即使在那里不存在焊接材料，由此，蜂窝体得不到确定的焊接方案所期望的特性，有时过硬且无弹性。因此开发出不同的方法，以便能在完全确定的选定部位上施加焊料并且在未焊接的部位上不允许扩散连接。扩散连接的避免可能需要相对昂贵的附加预氧化过程或其它用于产生钝化层的附加加工步骤和/或需要使用仅确定的材料。
另外，现有技术中已知平滑的和/或波状的板层在金属蜂窝体中设置微结构。这么做的一种可能原因是影响蜂窝体中的流动，因为确定尺寸的微结构会导致废气流产生涡流以及比在层流的情况下更好地混合。这种微结构例如已在EP 0784507B1中描述。
由WO 02/090734也公知了一种结构，所述结构允许板层更好地相互滑动，这在制造过程中可具有优点。该文献还描述了通过明确分界的焊接连接实现的优点。
由WO 97/35683也公知了一种微结构，尤其是作为波状的板的波峰上的压制部，所述微结构在此情况下应允许在连接线上置入期望量的焊料。
例如，根据WO 2005/107992A1或WO 2005/021198A1，可承受高应力的蜂窝体可以完全有目的地在确定的部位印刷上胶或结合剂，这在确定和实施即使复杂的焊接方案中允许所述方法以前还未公知的精度。尽管存在用于在平滑和结构化尤其是波状的板层之间建立更精确确定的小面积的焊接连接的所述可能性，但附加的扩散连接的问题在某些情况下不能令人满意地得到解决。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地解决关于现有技术描述的问题，并且尤其是给出具有微结构的基本上平滑的板层(金属板层)，所述微结构在此也被称为防扩散结构，所述微结构允许在所述板层与邻接的结构化的板层之间按照完全确定的焊接方案建立焊接连接，而不产生附加的延展的扩散连接，即使使用高的焊接温度。本发明还给出一种使用至少一个这样的板制造的蜂窝体。
使用根据权利要求1的板层和根据权利要求6的蜂窝体可实现所述目的。从属权利要求和说明书中给出了可单独或彼此组合地使用的有利构型。
根据本发明的板层由耐高温腐蚀的钢制成，所述钢尤其具有铬和铝成分，所述板层具有纵向方向，并具有上侧和下侧以及0.015至0.1mm、优选0.02至0.06mm的厚度，其中，该板层具有沿着纵向方向或相对于纵向方向呈锐角延伸的不连续的(中断的)微结构。
所述微结构具有结构高度、在半个结构高度上在外部测量的结构长度和在半个结构高度上在外部测量的结构宽度，所述微结构彼此间到下一个大致在其纵向方向上对齐的微结构具有在半个结构高度上测量的纵向距离(间隔)，该纵向距离通过中断部形成，所述微结构还分别到侧向(横向)相邻的下一个微结构具有在结构中心之间测量的侧向距离。
在此，微结构部分地朝上侧以及部分地朝下侧从板层伸出地构造。
此外，微结构这样间隔开、设置和构造，即，使得每个垂直于纵向方向横跨板层延伸的理论直线与至少两个朝上侧以及两个朝下侧伸出的微结构相交。
存在下列关系：
-结构高度取值为0.02至0.1mm，优选0.06至0.08mm，
-结构长度取值为2至10mm，优选4至6mm，
-结构宽度取值为0.2至1mm，优选大约0.5mm，
-到下一个大致在其纵向方向上对齐的微结构的纵向距离(大致沿纵向方向对齐的两个最接近的微结构之间的纵向距离)大于2mm，优选4至8mm，
-侧向距离取值为1至10mm，优选2至6mm。
尽管存在微结构，这样结构化的板层基本上是平滑的并且由于微结构之间的中断部以及由于结构高度小而对金属的蜂窝体的常规制造过程而言也足够柔性。微结构在交替地堆叠或卷绕根据本发明的具有结构化尤其是波状的板层时使得仅在波状的板层与平滑的板层之间形成精确确定的接触部位。现在可从所述接触部位中选择按照预定的焊接方案通过施加焊料和实施焊接过程而应彼此连接的接触部位。由于微结构避免其它部位之间接触的事实，将不会产生不期望的线形的扩散连接，由此可以更好再现地制造具有精确确定的特性的蜂窝体。
权利要求1中给出的尺寸的组合对于本发明的功能是重要的。虽然存在每个单个数值的一定的变化范围，但需要微结构的确定的最小高度，以便实际上在未结构化的板层中不可接触并且由此不存在扩散连接。另一方面，微结构不允许过高，因为板层的刚度随着微结构的高度增大。微结构之间的中断部也有助于柔性。
在堆叠或卷绕根据本发明的板层与相邻的波状的板层时，需要波峰不直接线形地靠置在板层的上侧或下侧上，因为这恰恰可能导致不期望的延展的扩散连接。因此，防扩散结构必须这样设置，使得每个相邻的波部确定地靠置在至少两个微结构上。为此，微结构必须部分地朝板层的上侧并且部分地朝下侧构造，并且它们必须在纵向方向上如此长并且在不同的列中彼此相对错开地设置，以使得所述条件可得到满足。尽管原则上即使在杂乱地设置微结构的情况下也可考虑所述条件，但实际的制造方法导致在相邻的列中周期性地设置微结构，但其中在列、图案的数量方面以及在微结构的长度和距离方面存在相对大的自由一微结构以所述列和图案朝上侧以及朝下侧来构造。借助于附图还要详细描述典型的实施例。
因此，在一个优选实施形式中，微结构大致相对于纵向方向平行地设置在列中，一个列中的两个微结构之间的纵向距离取值为2至8mm，优选4至6mm。
根据本发明，微结构优选通过压制制造，尤其是以单个压制步骤压制。压制是一种易于集成在蜂窝体的公知制造过程中的相对廉价的方法。
优选至少一个列中的全部微结构朝上侧构造，而至少一个相邻的列中的全部微结构朝所述下侧伸出。最有利的是，朝上侧以及朝下侧伸出的微结构的多个这样的列构造在平滑的板层上。
作为替换方案，一个列中的微结构也可交替地朝上侧以及朝下侧伸出，由此，尤其是得到朝上侧以及朝下侧伸出的微结构的棋盘形分布。
如已经描述的那样，微结构之间的中断部对于根据本发明的板层的柔性是有利的，尽管这些中断部使得必须将属于不同列的微结构布置成在纵向方向上彼此相对错开，优选彼此相对错开小于或等于结构长度的值。这样，可避免产生不存在微结构并且相邻板层的波峰在其整个长度上可能与平滑的板层接触的区域。
所提出的目的也通过一种焊接(钎焊，硬钎焊)的蜂窝体来实现，该蜂窝体尤其用于废气催化剂，该蜂窝体通过交替卷绕和/或堆叠基本上平滑的板层和波状的板层形成，其中，平滑的板层中的至少一个构造有如上所述的微结构，其中，在波状的板层与平滑的板层之间基本上仅在波状的板层与微结构的接触部位上存在焊接连接。可按照现有技术由平滑的板层和结构化的板层制造的蜂窝体的全部结构形式也可在使用此处所述的具有防扩散结构的板层的情况下按照公知方法制造。通常也可使用迄今公知的焊接方法，但特别有利的是，使用高精度的选择性的焊接方法，尤其是例如在WO 2005/021198A1或WO 2005/107992A1中描述的方法。在此，由于现有技术中已经实现的高的焊接材料置放精度，可在期望的部位上焊接结构化的板层的结构和/或在期望的部位上焊接根据本发明的具有微结构的平滑的板层的波峰。这样，首先按照预给定的方案分别在小于约1mm2的面积上产生设置有胶的接触部位，所述接触部位接着可被加载粉末焊料(焊剂)并且在常用的焊接过程焊接。与现有技术不同的是，通过根据本发明的板层在蜂窝体中的未焊接的部位上不产生不期望的延展的扩散连接。用于确定的负荷形式和特性的已经存在或将来制定的焊接方案可以由此以高的精度并且在无干扰性附加扩散连接的情况来实现，由此，对于极端负荷的应用也可实现金属的蜂窝体的品质和寿命。一方面，虽然在无焊料的接触部位上可能产生扩散连接，但这可通过使用微结构的合适的图案降低到很小程度。另一方面，非常小的面积的扩散连接对蜂窝体的特性无关紧要，因为所述扩散连接在拉力或剪切力小的情况下破裂，在线形较长连接的情况下并非如此。
优选通过合适的粘结方法实现：产生焊接的接触部位9的多个相邻的对(产生多对相邻的焊接的接触部位)，其间隔的距离小于5mm、优选小于3mm，但是，其中，属于一个对的接触部位沿着一个波峰靠置在不同的微结构上。通过分别与两个或三个相邻连接部位焊接的焊接方案，可靠性得到提高，由此，即使存在各个生产误差，也按照期望的分布形成足够好的连接。
尽管存在防扩散结构，但由于所述防扩散结构的结构高度小，在蜂窝体中在平滑的板层与波状的板层之间不产生在后面涂覆水洗涂层和/或催化活性材料时会产生干扰的间隙。
附图说明
在部分示意性的视图中借助于附图详细描述本发明的实施例以及技术领域，但本发明并不局限于所述实施例。在附图中：
图1示出在制造蜂窝体期间所述蜂窝体的示意性视图，该蜂窝体具有根据本发明的带防扩散结构的板层，
图2示出沿线II-II剖切图1的示意性剖面图，以及
图3示出贯穿微结构的放大的横剖面。
具体实施方式
图1示意性地示出还未完全卷绕的蜂窝体10，该蜂窝体包括至少一个根据本发明的基本上平滑的板层1，该板层具有上侧2和下侧3，该板层在纵向方向Q上延伸。纵向方向Q横向于蜂窝体10的后来的穿流方向S。该板层1设置有朝上侧伸出的微结构4和朝下侧伸出的微结构5。如可从下面的图中更详细地看到的，微结构4、5具有结构高度SH、在半个结构高度SH上在外部测量的结构长度SL以及在半个结构高度SH上在外部测量的结构宽度SB，所述微结构以在半个结构高度SH上在外部沿纵向方向Q测量的纵向距离LA彼此间隔开，所述纵向距离通过中断部6形成。在微结构4、5之间存在侧向距离SA，该侧向距离是相对于距离最近的相邻微结构列在结构的中心之间测量的。第一列R1中的微结构4全部朝板层1的上侧2构造，而第二列R2中的微结构5全部朝板层1的下侧3构造。这些列的这种布置以朝上侧2以及朝下侧3交替取向的微结构4、5周期性重复。在此，至少朝相同侧取向的列的微结构4、5在纵向方向Q上彼此相对错开，确切地说，每个任意的相对于纵向方向Q横向地在板层1上延伸的理论直线G与至少两个朝上侧以及两个朝下侧伸出的微结构4、5相交，在此仅示出一条理论直线。这使得相邻的波状的板层8的波峰11在后来不可处于微结构4、5之间。结构长度SL可有利地选择得比相邻的波状的板层8的两个波峰之间的间距大，由此可保证可实现几乎任意期望的焊接方案。
图2示出根据本发明的基本上平滑的板层1中的防扩散结构的设置。朝上侧2构造的微结构4与朝下侧3构造的微结构5交替，其中，微结构4、5设置在列R1、R2、......、Rn中。含有朝一侧伸出的微结构4、5的列在纵向方向上彼此相对偏移，优选相对偏移一比微结构的结构长度SL小的值。
图3中以放大的比例示出微结构4、5的尺寸标注和大致的尺寸比例。因为尤其是在压制时不可能使微结构4、5呈现理想的平行六面体形式，所以尺寸标注以适合的参考点为基础。结构高度SH示出微结构4、5隆起超过板层1的表面的程度。像结构长度SL和相对于最接近的对齐的微结构4、5的纵向距离LA那样，适当地在外部在微结构4、5的半个高度上定义结构宽度SH。可更容易地在微结构4、5的中心之间定义到相邻的下一个微结构4、5的侧向距离SA。
在将粘接剂和焊接材料施加到根据本发明的蜂窝体时，例如，如WO2005/021198A1中所描述的那样，将粘合剂以粘合剂滴的形式施加在波状的板层8上。粘合剂施加在直接与波峰11相邻的区域中。即如果蜂窝体由波状的板层8和基本上平滑的板层1构成，则在卷绕或盘绕层1、8时层1、8彼此相对运动。这使得波状的板层8在基本上平滑的板层1上滑动。如果现在将粘合剂直接施加在波峰11上，则这使得层1、8之间的滑动摩擦提高并且使粘合剂被涂抹。但波状的板层8与根据本发明的蜂窝体的微结构4、5之间的接触部位必须彼此连接。因此必须这样施加粘合剂，使得在蜂窝体卷绕或堆叠之后在波状的板层8的波峰与微结构4、5之间的接触部位附近可获得粘合剂。因此，施加粘合剂的区域沿着波峰11应比两个供接触的微结构4、5的侧向距离SA延展得大，以便至少一个接触部位一优选两个相邻的接触部位一可以被容易地施加焊料并焊接。这通过施加粉末焊料以及随后的焊接来进行。在波状的板层8与微结构4、5之间接触时，绕接触部位9形成稳定的楔形焊接区域。但也可使用具有类似结果的其它粘接和焊接方法。
本发明允许即使用复杂的焊接方案也可精确再现地由波状的和基本上平滑的板制造金属蜂窝体，而不形成干扰性的附加线形扩散连接。由此，蜂窝体可精确地与确定的应用相匹配，这提高了蜂窝体的寿命。
附图标记列表
1   基本上平滑的板层
2   板层1的上侧
3   板层1的下侧
4   朝上侧2伸出的微结构
5   朝下侧3伸出的微结构
6   中断部
7   峰背
8   波状的板层
9   接触部位
10  蜂窝体
11  波峰
d   板厚度
Q   纵向方向
S   蜂窝体10的穿流方向
G   理论直线
SH  结构高度
SL  结构长度
SB  结构宽度
LA  纵向距离
SA  侧向距离。

Claims (10)

1.一种板层（1），由耐高温腐蚀的钢制成，该钢含有铬和铝，所述板层具有纵向方向（Q），并具有上侧（2）和下侧（3）以及0.015mm至0.1mm的厚度（d），其中，所述板层（1）具有沿纵向方向（Q）延伸的不连续的微结构（4，5）或者相对于该纵向方向（Q）呈锐角延伸的不连续的微结构（4，5），其特征在于下列特征：
a.所述微结构（4，5）具有结构高度（SH）、在半个结构高度上在外部测量的结构长度（SL）、在半个结构高度上在外部测量的结构宽度（SB）、通过中断部（6）形成并且相对于大致沿纵向方向对齐的最靠近的微结构（4，5）在半个结构高度上测量的彼此之间的纵向距离（LA）以及相对于最接近的侧向相邻的微结构（4，5）在结构中心之间测量的侧向距离（SA）；
b.所述微结构（4，5）设计成一部分微结构朝向所述上侧（2）从所述板层（1）伸出并且一部分微结构朝向所述下侧（3）从所述板层伸出；
c.所述微结构（4，5）以这样的方式间隔开、布置和构造，即，使得每个垂直于所述纵向方向（Q）横跨所述板层（1）延伸的理论直线（G）与至少两个朝向上侧（2）伸出的微结构（4，5）以及至少两个朝向下侧（3）伸出的微结构（4，5）相交；其中，
d.存在下列关系：
-所述结构高度（SH）取值为0.02mm至0.1mm，
-所述结构长度（SL）取值为2mm至10mm，
-所述结构宽度（SB）取值为0.2mm至1mm，
-相对于大致在纵向方向上对齐的最靠近的微结构的纵向距离（LA）取值为大于2mm，
-到侧向相邻的下一个微结构（4，5）的所述侧向距离（SA）取值为1mm至10mm。
2.根据权利要求1的板层（1），其特征在于：所述微结构（4，5）大致与所述纵向方向（Q）平行地成列（R1，R2，……，Rn）布置；一个列中的两个微结构之间的纵向距离（LA）取值为大于2mm并且小于等于8mm。
3.根据权利要求1或2的板层（1），其特征在于：所述微结构（4，5）是压制的。
4.根据权利要求2的板层（1），其特征在于：至少一个列（R1）中的全部微结构（4）都朝向所述上侧（2）伸出，而至少一个相邻的列（R2）中的全部微结构都朝向所述下侧（3）伸出。
5.根据权利要求3的板层（1），其特征在于：至少一个列（R1）中的全部微结构（4）都朝向所述上侧（2）伸出，而至少一个相邻的列（R2）中的全部微结构都朝向所述下侧（3）伸出。
6.根据权利要求2的板层（1），其特征在于：属于不同列（R1，R2，R3，……，Rn）的微结构（4，5）在纵向方向（Q）上彼此相对错开。
7.根据权利要求3的板层（1），其特征在于：属于不同列（R1，R2，R3，……，Rn）的微结构（4，5）在纵向方向（Q）上彼此相对错开。
8.根据权利要求4的板层（1），其特征在于：属于不同列（R1，R2，R3，……，Rn）的微结构（4，5）在纵向方向（Q）上彼此相对错开。
9.一种焊接的蜂窝体（10），用于机动车的废气净化系统，该蜂窝体由基本上平滑的板层（1）和波状的板层（8）交替卷绕和/或堆叠而成，其中，所述平滑的板层（1）中的至少一个构造成根据上述权利要求中任一项所述的板层，其中，在所述波状的板层（8）与所述平滑的板层（1）之间基本上仅在所述波状的板层（8）与所述微结构（4，5）的接触部位（9）上存在焊接连接。
10.根据权利要求9的焊接的蜂窝体（10），其特征在于：存在焊接的接触部位（9）的多个相邻的对，相邻的对之间的间隔小于5mm，其中，属于一个对的接触部位沿着一个波峰（11）靠置在不同的微结构（4，5）上。
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