CN103389000B - 多层铝合金板产品、用于热交换器的管的板产品及其制造方法 - Google Patents

多层铝合金板产品、用于热交换器的管的板产品及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种铝板产品包括：包括3xxx、5xxx和6xxx铝合金中的一种的芯层；以及包括具有0.5‑5.0％的Zn添加剂的3xxx铝合金和7xxx铝合金中的一种的衬层。一种热交换器包括：具有芯层和衬层的管；以及多个与管接触的翅片。衬层或包括具有0.5‑5.0％的Zn添加剂的3xxx铝合金，或包括7xxx铝合金。在一些实施例中，芯层包括3xxx、5xxx和6xxx铝合金中的一种。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi。在一些实施例中，热交换器还包括内层，该内层包括3xxx和4xxx铝合金中的一种。

Description

多层铝合金板产品、用于热交换器的管的板产品及其制造 方法
相关申请
本申请要求享有在先提交的申请日为2012年5月10日的美国临时专利申请No.61/645,126的优先权，其通过引用被结合到本申请。
背景技术
机械组装的热交换器被用于家用HVAC应用。过去的热交换器由铜管或单层挤制铝管和铝制板翅片制成。铜管或单层挤制铝管放入铝制翅片内部，接着机械地膨胀，以使得管的外表面与那些翅片紧密接触。换热通过这些管和翅片之间的机械接触而部分地实现。
发明内容
在各个非限制性的示例性实施例中，本发明在这里可被概括为处在以下示例性段落内：
铝合金板产品包括芯层和衬层。该衬层包括具有0.5-5％的Zn添加剂的3xxx铝合金，或7xxx铝合金。该芯层包括3xxx、5xxx以及6xxx铝合金中的一种。板产品为热轧产品，其厚度为从0.006英寸到0.249英寸。
在一些实施例中，该芯层包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为1.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、0.10-0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些实施例中，芯层包括：上限为0.5％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为0.5％的Cu、上限为1.0％的Mn、0.1-3.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些实施例中，芯层包括：0.2-2.0％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、上限为1.0％的Mn、0.25-1.5％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。
在一些实施例中，芯层的完全退火(O temper)硬钎焊前抗拉强度至少为14Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为16Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为18Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi。
在一些实施例中，该衬层包括具有0.7-4％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些实施例中，衬层包括具有1-3％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些实施例中，衬层包括具有0.5-5.0％的Zn添加剂的7xxx铝合金。
在一些实施例中，芯层和衬层之间的腐蚀电位介于30毫伏到200毫伏之间。在一些实施例中，芯层和衬层之间的腐蚀电位至少为30毫伏。
在一些实施例中，铝板还包括内层。在一些实施例中，内层包括3xxx铝合金和4xxx铝合金中的一种。在一些实施例中，内层包括0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。在一些实施例中，内层包括1.0-12.0％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为1.0％的Cu、上限为1.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。
在一些实施例中，铝板的厚度介于0.3毫米到1.5毫米之间。
一种管材包括芯层和衬层。衬层包括具有0.5-5％的Zn添加剂的3xxx铝合金，或者7xxx铝合金。
一种热交换器包括具有高强度芯层的多层铝焊接管，其与铝板翅片机械地组装在一起。焊接管可以具有压印(emboss)到管的内表面上的翅片。
热交换器包括：具有芯层和衬层的管；以及多个与管接触的翅片。衬层或包括具有0.5-5％的Zn添加剂的3xxx铝合金，或包括7xxx铝合金。
在一些实施例中，芯层包括3xxx、5xxx和6xxx铝合金中的一种。在一些实施例中，芯层包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为1.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、0.10-0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些实施例中，芯层包括：上限为0.5％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为0.5％的Cu、上限为1.0％的Mn、0.1-3.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些实施例中，芯层包括：0.2-2.0％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、上限为0.1％的Mn、0.25-1.5％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。
在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为14Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为16Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为18Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi。
在一些实施例中，衬层包括具有0.7-4.0％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些实施例中，衬层包括具有1-3％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些实施例中，衬层包括具有0.5-5.0％的Zn的7xxx铝合金。
在一些实施例中，芯层和衬层之间的腐蚀电位介于30毫伏到200毫伏之间。在一些实施例中，芯层和衬层之间的腐蚀电位至少为30毫伏。
在一些实施例中，热交换器还包括内层。在一些实施例中，内层包括3xxx铝合金和4xxx铝合金中的一种。在一些实施例中，内层包括0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。在一些实施例中，内层包括1.0-12.0％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为1.0％的Cu、上限为1.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。
在一些实施例中，管包括弯曲成管状的铝板。
在一些实施例中，形成管的材料的厚度介于0.3毫米到1.5毫米之间。在一些实施例中，管的外部直径介于3毫米到30毫米之间。
在一些实施例中，一种制造热交换器的方法包括：采用多层铝板形成管；将管插入多个翅片中，每个翅片具有容纳管的孔；以及使管膨胀。
在一些实施例中，采用多层铝板形成管的步骤包括：弯曲多层铝板以使得多层铝板的相对两边缘彼此接触，并且将所述边缘连接在一起。在一些实施例中，将所述边缘连接到一起的步骤包括如下方式的其中一种：胶合、熔焊、软钎焊以及硬钎焊。
在一些实施例中，使管膨胀的步骤包括加热管。在一些实施例中，使管膨胀的步骤包括使柱状心轴穿过管，其中心轴的外部直径大于管的内部直径。
一些实施例还包括，通过将芯层结合到衬层的方式形成多层铝板。
在一些实施例中，多层铝板包括：芯层，以及衬层。在一些制造热交换器的方法的实施例中，衬层或包括具有0.5-5.0％的Zn添加剂的3xxx铝合金，或包括7xxx铝合金。
在一些制造热交换器的方法的实施例中，芯层包括3xxx、5xxx和6xxx铝合金中的一种。在一些制造热交换器的方法的实施例中，芯层包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为1.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、0.10-0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些制造热交换器的方法的实施例中，芯层包括：上限为0.5％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为0.5％的Cu、上限为1.0％的Mn、0.1-3.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些制造热交换器的方法实施例中，芯层包括：0.2-2.0％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、上限为0.1％的Mn、0.25-1.5％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。
在一些制造热交换器的方法实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为14Ksi。在一些制造热交换器的方法实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为16Ksi。在一些制造热交换器的方法实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为18Ksi。在一些制造热交换器的方法实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi。
在一些制造热交换器的方法实施例中，衬层包括具有0.7-4.0％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些制造热交换器的方法实施例中，衬层包括具有1-3％的Zn添加剂的3xxx铝合金。在一些制造热交换器的方法实施例中，衬层包括具有0.5-5.0％的Zn的7xxx铝合金。
在一些制造热交换器的方法实施例中，管还包括内层。在一些制造热交换器的方法实施例中，内层包括3xxx或4xxx铝合金。在一些制造热交换器的方法实施例中，内层包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。在一些制造热交换器的方法实施例中，内层包括：1.0-12.0％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为1.0％的Cu、上限为1.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。
在一些制造热交换器的方法实施例中，形成管的材料的厚度介于0.3毫米到1.5毫米之间。在一些制造热交换器的方法实施例中，管的外部直径介于3毫米到30毫米之间。
附图说明
本发明将参照附图进一步描述，其中在几幅视图中，相同的结构/元件采用相同的数字表示，用字母表示的结构/元件表示多个不同的结构/元件，并且带有撇号的数字用于标记镜像的结构/元件。所示的附图并非必须按比例绘制，重点则是在于描绘本发明的原理。
图1为本发明的材料结构的一个实施例的示例性示意图；并且
图2为本发明的材料结构的另一个实施例的示例性示意图；
图3为图1的材料结构形成为具有第一边缘和第二边缘的示例管材的示例性透视图；
图4为图3的管结构的示例性透视图，其中第一边缘焊接到第二边缘以形成圆形焊接管；
图5为多个翅片的示例性透视图；并且
图6为图4的圆形焊接管与图5的多个翅片接合或联合在一起的示例性侧视图。
附图后面是本发明的若干例子的实施例，其描述了依照这里描述的过程和设备形成的焊接金属的微观结构和特性的各种实施例。本领域普通技术人员可以理解这些实验并不是对焊接金属的微观结构的限制。
具体实施方式
本发明将参照附图进一步详细说明，其中在几幅附图中相同的数字表示相同的结构。所示的附图并非必须按比例绘制，重点则是在于描绘本发明的原理。此外，某些特征可被放大，以示出特定部件(部分)的细节。
附图构成本说明书的一部分并且包括了本发明的示例性实施例，同时示出本发明的多个目标和特征。此外，附图并非必须按比例绘制，某些特征可被放大以示出特定部件的细节。此外，图中所示的任何尺寸、规格等只是示例性的，而并不是限制性的。因此，这里公开的具体结构和功能性细节都不能认为是限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域普通技术人员不同地应用本发明的表示基础。
在那些公开的益处和改进中，本发明的其它目标和优点将通过后面的描述并结合附图变得更加明显。在这里公开了本发明的详细实施例；然而，可以理解的是这些公开的实施例仅仅是对可以按各种方式体现的本发明进行示例说明。另外，结合本发明的各种实施例给出的每个例子仅仅是示例性的，而不是限制性的。
在整个说明书和权利要求书中，以下术语采用这里明确相关的意思，除非上下文对其另有明确的表示。这里使用的短语“在一个实施例中”以及“在一些实施例中”尽管有可能，但是并不一定指代相同的一个或多个实施例。此外，这里使用的短语“在另一个实施例中”以及“在一些其他实施例中”尽管有可能，但是并不一定指代不同的实施例。因此，如下面所描述的，在不脱离本发明的范围或实质的情况下，本发明的多个实施例可被容易地组合，。
此外，如这里所使用的，术语“或”是一个包容性“或”运算符，并且等同于术语“和/或”，除非上下文另有其它明确的指示。术语“基于”并不是排他性的而是允许基于其它没有描述的因素，除非上下文有其它明确的指示。此外，在整个说明书中，“一种”、“一个”以及“该”包括多个所提及的物。“在……中”的意思包括“在……里面”或“在……上面”。
在一个实施例中，参照图1，示出一种两层的材料100。材料100可以包括至少一个衬层105和一个芯层110。衬层105可以由任何具有0.5-5.0％的Zn添加剂的3xxx系列铝合金制造而成。在一些实施例中，3xxx系列铝合金具有0.7-4％的Zn添加剂。在一些实施例中，3xxx系列铝合金具有1-3％的Zn添加剂。此外，衬层还以包括任意的7xxx系列铝合金。
芯层110可以由3xxx、5xxx或6xxx系列铝合金制造而成。可用于芯层的合金成分包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为1.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、0.10-0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr；上限为0.5％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为0.5％的Cu、上限为1.0％的Mn、0.1-3.0％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr；0.2-2.0％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、上限为0.1％的Mn、0.25-1.5％的Mg、上限为0.25％的Cr、上限为0.25％的Zn、上限为0.2％的Ti、上限为0.2％的Zr。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为14Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为16Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为18Ksi。在一些实施例中，芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi。
衬层105和芯层110可以使用多合金铸造技术铸造在一起。另外，衬层105和芯层110还可以使用热轧工艺轧制到一起，以使得衬层105和芯层110冶金结合到一起。申请人目前认为，材料100的衬层105可以在其暴露于腐蚀环境时(例如当材料100形成为管并且用在家用或商用HVAC单元的热交换器内时)提供牺牲性保护，并且芯层110可以提供足够高的强度(例如当材料100形成为管并且用在家用或商用HVAC单元的热交换器内时)。按这种方式，申请人认为，材料100可具有足够的抗腐蚀性以及足够的高强度以用作家用或商用HVAC单元的热交换器内的管。衬层105的厚度可以是材料100的厚度的大约百分之5到百分之20。在各个实施例中，材料100的总厚度可介于大约0.5毫米到1.5毫米之间。
在另一个实施例中，本发明的材料的层数可以大于两层，例如三层，四层或更多层。参照图2，提供的材料200具有三层。材料200包括至少一个衬层205，一个芯层210以及一个内层215。衬层205和芯层210可具有与上面描述的衬层105和芯层110相同的成分。
在一些实施例中，内层215可以包括3xxx或4xxx系列铝合金。在一些实施例中，内层包括：0.05-1.2％的Si、上限为1.0％的Fe、0.10-1.0％的Cu、0.3-2.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。在一些实施例中，内层包括：1.0-12.0％的Si、上限为1.0％的Fe、上限为1.0％的Cu、上限为1.0％的Mn、上限为0.5％的Mg。在一些实施例中，内层具有足够的用于压印的可成形性，以使得表面纹理(texture)能够压印到内层，用于提高冷凝和热传递(例如当材料200形成为管并且用于家用或商用HVAC单元的热交换器内时)。
衬层205、芯层210、以及内层215可以使用多合金铸造技术铸造在一起。另外，衬层205、芯层210、以及内层215也可以采用热轧工艺轧制到一起，以使得衬层205、芯层210、以及内层215冶金结合到一起。申请人认为，材料200的衬层205可以在其暴露于腐蚀环境时(例如当材料200形成为管并且用在家用或商用HVAC单元的热交换器内时)提供牺牲性保护，芯层210可以提供足够高的强度(例如当材料200形成为管并且用在家用或商用HVAC单元的热交换器内时)，并且内层215可以提供良好的可成形性，并且能够用于制造能够提高冷凝和热传递的表面纹理(例如当材料200形成为管并且用于家用或商用HVAC单元的热交换器内时)。按这种方式，申请人认为材料200可以具有足够的抗腐蚀性以及足够的高强度，以用作家用或商用HVAC单元的热交换器内的管。衬层205可以是材料200的厚度的大约百分之5到百分之20。在各个实施例中，材料200的总厚度可介于大约0.3毫米到1.5毫米之间。
在又一实施例中，参照图3-6，材料100或200可以形成为多层管材300。多层管材300可以具有第一边缘305和第二边缘310。第一边缘305和第二边缘310可结合到一起形成圆形结合管400。合适的结合工序包括：胶合、熔焊、软钎焊以及硬钎焊。圆形结合管400、400’的外部直径范围可以从大约3毫米到大约30毫米；替代地，从大约3毫米到大约8毫米；替代地，从大约5毫米到大约7毫米。多个翅片500、500’、500”、500”’彼此结合(联合)在一起。每个翅片500、500’、500”、500”’等可以具有多个孔505A、505B以及可选地505C等。在一个实施例中，每个翅片500、500’、500”、500”’等的长度范围从大约5英寸到大约36英寸(可选地为大约18英寸)，并且宽度范围从大约0.5英寸到大约10英寸(可选地为大约1英寸)。在一个实施例中，孔505A、505B以及可选的505C等阵列布置，该阵列具有大约1列到大约15列并且具有1行到大约5行。
在一个实施例中，一个或多个圆形结合管400、400’可以结合到，或者插入到相应的孔505A、505B、505C中，这些孔的尺寸可适于容纳圆形结合管400、400’。接合、结合或者插入到翅片500、500’、500”、500”’等中的圆形结合管400、400’，可以接着发生膨胀。在一个实施例中，圆形结合管400、400’通过热处理而发生膨胀，以使每个圆形结合管400、400’的尺寸增大从0毫米到大约1毫米不等的量。
为了采用机械膨胀工艺来组装圆形管和板翅式热交换器，将被称为插塞的柱状心轴推入到管中并且施压使其穿过待被膨胀管的整个长度。插塞的外部直径大于管的内部直径，以使得管膨胀到较大的外部直径，由此与板式翅片具有紧密的机械接触。
当插塞被施压穿过管时，在管的内部产生变形应变。如果管的内部具有压印翅片，某些时候被称为增强部，应变将在这些增强部上产生剪切/压缩变形并且在管的剩余部分上产生拉伸变形。对于插塞OD和管的ID之间给定的差值，如果管内部直径上的材料是软的，那么在增强部上产生的变形大于管的剩余部分产生的变形，由于增大的增强部表面区域以及减小的管与翅片之间紧密的接触，这将会产生高的膨胀力。为了获得良好的膨胀性以及热传递性能，期望的是在增强部上具有较少的变形而在管的剩余部分上产生更多的膨胀。
在管的内表面上的第二衬层可以极大地改善管的膨胀性。衬层合金的硬度能够设计成比芯层合金高，以使得在膨胀过程中，在增强部上的变形被减少而管的外部直径膨胀提高。除了考虑机械特性以外，衬层合金还可以设计成具有良好的硬钎焊性。
管400、400’可具有高强度以及良好的抗腐蚀性。申请人认为，由本发明的材料形成的管与用于家用HVAC应用中的挤制铝管产品相比具有更好的性能。下面是对特定实施例的性能数据的总结，其中多层管材的性能为硬钎焊后的性能，其与完全退火条件相类似：
实验室测试材料的成分
样本材料
样本ID 衬层 芯层
B12-0144 样本7xxx合金 样本合金1
B12-0145 样本3xxx合金+Zn 样本合金1
B12-0146 样本7xxx合金 样本合金2
B12-0147 样本3xxx合金+Zn 样本合金2
■上面的表格中示出两层材料的成分。
■全部材料采用完全退火制造(完全再结晶以及软化条件)，在0.5mm大小下具有10％的包覆率。
硬钎焊前后抗拉特性
■2层材料具有比挤制3102更高的强度
实验材料的电化学势能
衬层105与芯层110，或者衬层205与芯层210之间的电化学势能之差，使得衬层能够为芯层提供良好的保护。对于硬钎焊前的材料，该差值的范围为30-200mV；而对于硬钎焊后的材料，该差值的范围为30-150mV。
虽然已经描述了本发明的多个实施例，可以理解的是这些实施例仅仅是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域普通技术人员来说可以具有多种改型和/或替换实施例。在包括权利要求、摘要以及附图的说明书中公开的全部特征，以及在公开的任意方法或过程的全部步骤中，可以以任意的组合方式进行组合，除非组合中的至少某些此类特征和/或步骤是互斥的。例如，任意的步骤可以以期待的顺序执行(并且任意期待的步骤可以被添加和/或任意期待的步骤可以被删除)。因此，可以理解的是，所附的权利要求书用于覆盖全部的落入本发明的实质和范围之内的这些改型和实施例。

Claims (9)

1.一种热交换器，包括：
管，所述管由以下层组成：
芯层；
外衬层，所述外衬层位于所述芯层的外侧，所述外衬层限定了管的外表面并包括如下之一：
具有0.5-5％Zn的添加剂的3xxx铝合金，以及
7xxx铝合金；以及
采用机械膨胀工艺被组装成与所述管的外表面接触的多个翅片，所述机械膨胀工艺使管一体膨胀成与翅片接触而非将翅片硬钎焊到所述管，
其中，所述芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi，所述芯层和外衬层之间的腐蚀电位介于30毫伏到200毫伏之间。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述芯层包括3xxx、5xxx以及6xxx铝合金的其中之一。
3.如权利要求1所述的热交换器，还包括：
从管的内表面延伸的多个压印翅片。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中，其中，芯层和外衬层被热轧制且冶金结合。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中，芯层和外衬层是多合金铸造的。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，管具有沿其长度的焊接接合部。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管用于机械膨胀组装的热交换器设备。
8.一种管，由以下层组成：
芯层；
外衬层，所述外衬层位于所述芯层的外侧，所述外衬层限定了管的外表面并包括如下之一：
具有0.5-5％Zn的添加剂的3xxx铝合金，以及
7xxx铝合金；以及
内层，所述内层位于所述芯层的内侧，所述内层限定了管的内表面并包括3xxx铝合金；以及
其中，所述芯层的完全退火硬钎焊前抗拉强度至少为20Ksi，所述芯层和外衬层之间的腐蚀电位介于30毫伏到200毫伏之间。
9.如权利要求8所述的管，其中所述芯层包括3xxx、5xxx以及6xxx铝合金的其中之一。
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