CN1325222C - 钎焊铜热交换器和通过焊接制造它们的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将至少一个金属工件(1)弧焊到一个包括至少一个钎焊区(3)的基体(2)上的方法，该钎焊区的钎焊包括铜和磷，其中(a)在至少部分钎焊区(3)上沉积有至少一层包括铜和其重量多于1%的锡和重量少于1%的磷的合金焊层(5，6，7)；和(b)将金属工件(1)焊接到步骤(a)中沉积的所述至少一层铜/锡合金焊层(5，6，7)上。本发明也涉及使用所述焊接方法的用于制造一个钎焊铜热交换器的方法。本发明还涉及这样获得的交换器和该交换器在一个低温分离单元中低温分离气体尤其是空气的应用。

Description

钎焊铜热交换器和通过焊接制造它们的方法
技术领域
本发明涉及一种焊接钎焊铜热交换器的方法，一种通过焊接制造热交换器的方法，通过这样的一种方法获得的交换器，和该交换器用于分离气体尤其是空气的应用。
背景技术
通常通过首先将堆垛板和堆垛翅片钎焊在一起以形成一个基体，然后增加一个或多个用于收集和分布设备中处理的流体的流体收集容器而制成铜热交换器。
所述(这些)流体收集容器，也称为收集器(header)，通过焊接以一种已知的方式附着并固定在交换器的钎焊基体上。
在利用焊接形成铜/铜焊合的一般情况下，常见的作法是使用一种铜合金(铜/镍合金或铜/铝合金等)作为填料，因为它比纯铜更易于使用。
然而，在于制造热交换器的过程中使一个或多个收集器结合到一个钎焊基体上的特殊情况下，使流体收集器结合到基体上的焊缝必然会穿过将交换器这部分的组件板和组件翅片连结到一起的钎料填充焊缝。
当前，有两种用于钎焊铜的钎焊合金，即非常昂贵的铜/银合金，和便宜得多但通常包括许多其重量占合金重量的大约5％到大约8％之间的磷的铜/磷合金。和纯铜相比，加银或磷实际上大幅度地降低了合金的熔点，降低程度通常是几百摄氏度，这对于能够完成钎焊操作是重要的。
然而，当利用加磷的铜合金进行钎焊以制造由钎焊板和翅片形成的基体时，将出现几个问题。
这是因为，当将钎焊铜基体焊接到例如一个铜质收集容器上时，应被焊接的位于结合平面上的基体钎焊区将与用于产生该钎焊基体和应被焊接在那里的容器壁之间的焊接接头的焊接合金混合。
于是，这可能因为焊接熔池的温度远远高于钎焊温度而导致磷蒸发，并有产生气孔的危险，并且，最重要的是，因为通常用于焊接的合金中的磷的溶解度是非常低的，所以可能因使用传统填料而导致焊接接头产生脆化。这样，在结合处固化期间，将导致大量的磷的偏析，并且因而形成含相当大量磷的脆化区。
因而，这可能产生焊接接头裂纹的现象，并且，这样制造的交换器可能发生泄漏或其它密封问题。
发明内容
因此，本发明的目的是推荐一种适用于制造钎焊铜热交换器的改良的可以减轻所述问题的焊接方法，和通过该方法获得的改良的不存在泄漏问题或密封不好的问题的交换器。
换句话说，提出的问题将适用于有效地焊接热交换器的铜部分，而不会形成富含磷的脆化区，并因而提供了一种焊接热交换器的方法，该方法产生的交换器产品比通过使用传统方法焊接基本组件部分而形成的热交换器具有更高的强度。
因此，本发明涉及一种用于将至少一个金属工件弧焊到一个包括至少一个钎焊区的基体上的方法，该钎焊区的钎焊焊料包括铜和磷，其中：
(a)将至少一层包括铜和其重量多于1％的锡的合金焊层沉积在至少部分钎焊区上；和
(b)将金属工件焊接到步骤(a)中沉积的所述至少一层铜/锡合金焊层上；
在本发明的范围以内，百分比(％)是有关重量的百分比。
根据情况不同，本发明的方法可以包括下面技术特征中的一个或多个：
—铜/锡合金包括至少1.05％的锡，优选地，至少1.2％的锡；
—铜/锡合金包括少于10％的锡，优选地，少于6％的锡；
—铜/锡合金在重量方面包括至少80％的铜，优选地，至少90％的铜；
—铜/锡合金在重量方面包括少于1％的磷；
—铜/锡合金在重量方面包括2％到8％的锡，优选地，大约3％到6％的锡；
—在步骤(a)中，沉积有以铜/锡合金为基底的几层焊层，它们至少部分地一层相对于另一层叠置；
—通过(i)局部预热待被涂敷的合金区和(ii)在步骤(i)的预热区提供和沉积由电弧熔化的铜/锡合金，以进行步骤(a)中的至少一层铜/锡合金焊层的沉积；
—通过使用一个或多个电弧完成步骤(i)的预热，优选地，至少一个(焊)弧由一个TIG或等离子焊炬产生。
-在步骤(ii)中，所提供的合金的形式是铜/锡合金金属焊丝；
-在步骤(ii)中，用于熔化可熔金属焊丝的电弧由至少一个MIG或TIG焊炬产生；
-钎焊基体还包括从Sn，Ag和Zn中选择的至少一种钎焊元素；
-构成步骤(a)中沉积的一层或多层焊层的铜/锡合金选择性地包括从硅、锰、铁和镍之中选择的至少一种附加元素；
-钎焊区的钎焊料包括3％到10％的磷，0到15％的银和0到1％的镍；
-在步骤(a)中沉积的一层或多层焊层包括少于0.5％的锰，少于0.5％的硅和少于0.05％的铁；
-在步骤(b)中，通过一个MIG、TIG或等离子方法，或这些方法的组合焊接工件，优选的是使用一个脉冲MIG方法；
-钎焊基体由几个板构成的(板)束支持，这些板由在该板之间形成为隔离件的翅片隔开，该翅片和所述板被相互钎焊以形成所述钎焊基体；
—工件是形成热交换器的一部分的流体收集和/或分布容器的一个组件，该工件优选由铜或不锈钢造成。
—在基体上沉积的焊层有足够的宽度以允许在工件和该焊层之间产生一个焊接接头，而不会将基体钎焊区的所述附加元素引入该结合处。
本发明也涉及一种用于制造一个钎焊铜热交换器的方法，其中，根据本发明的焊接方法被用于将交换器的至少一个优选的由铜造成的流体收集和分布容器焊接到一板束上，这些板由在该板之间形成为隔离件的翅片隔开并且支持至少一个钎焊基体。
本发明还涉及一种铜热交换器，它包括至少一个被焊接到一个由几个板构成的(板)束支持的钎焊基体上的流体收集和分布容器，其中，所述板由在其间形成隔离件的翅片隔开，所述铜热交换器的特征在于，所述容器被焊接到至少一层包括铜和其重量多于1％的锡的合金焊层上，所述至少一层铜/锡焊层沉积在所述钎焊基体上。
根据另一方面，本发明还涉及一种用于分离流体，尤其是气体混合物的设备，它包括至少一个根据本发明的交换器，优选地，所述设备是一个低温空气分离单元。
也是根据另一个方面，本发明涉及一种用于分离流体尤其是气体混合物的方法，其中，使用至少一个根据本发明的热交换器，流体优选的是空气。
在附图中对本发明进行图示说明。
附图说明
图1说明适用于将一个例如用于热交换器的流体收集和分布容器的工件1焊接到有钎焊区3的基体2上的本发明的原理；
图2和图3分别表示一个通过钎焊由形成为隔离件的翅片隔开的板束11形成的热交换器的钎焊基体2。
具体实施方式
为了避免所述焊接部位4裂纹的问题，工件1没有象在在先技术里通常所作的那样直接被焊接到有钎焊区3的基体2上，其中，该钎焊区由一种通常包括少于10％的磷和选择的其它成分的铜合金组成。
这是因为，已经发现如果采用在先技术里的操作，在将收集器焊接到一个交换器的钎焊基体上的期间，钎焊交换器(基体)的小厚度被熔化的焊接材料熔化，然后该钎焊焊料与金属沉积物(焊接接头)混合，但是并没有均匀地遍及该沉积物。
在钎焊区附近的熔化金属中，将局部富含钎焊焊料所包含的元素。在这些元素中，本发明的发明者已经证实，如果局部的磷的浓度超过在“局部合金”中的溶解度，磷正是在先技术中产生裂纹问题的根源，其中，“局部合金”产生于沉积金属、交换器的铜和钎焊焊料的不均匀混合。
根据本发明，为了避免磷导致的该裂纹问题，首先将一层或多层相互叠置的铜/锡合金焊层5，6，7(含大于1％重量的锡)沉积在有钎焊区3的基体2的表面上，以构成工件1将被焊接到其上的一基底；这些覆盖钎焊区表面3的叠置的钎焊层5，6，7被称为“隔离(buffering)”层。
这样，在接着的将工件1焊接到隔离层5到7的期间，沉积在基体2的钎焊焊道3终止于其上的表面上的“隔离”层5，6，7构成了一个防止焊接接头4的任何可能的来自于钎焊区3的有害元素的杂质的污染的隔离屏障。
实际上，这样形成的钎焊层5到7可以接受相当大量的杂质以作为稀释物，而不会因此造成实质的损害。
因此，根据本发明，工件1沿着焊接接合部4被焊接到预先沉积在钎焊区3上的隔离层或多个隔离层5到7上，而不会象在先技术中通常所作的那样被直接焊接到钎焊区3上。
然而，因为铜在一个固定温度下而非象大多数合金那样在一个温度范围内熔化和固化，所以在用一种铜填料焊接铜时，出现了困难。因此，对于一个焊接工来说，焊接熔池非常难控制，并且，得到的焊道的“熔湿”通常是不好的，也就是说，焊道的侧面与基体金属连接得不好，而且，它们还表现出焊合方式上的缺陷，也就是说，填充金属被“放”在没有熔化的基体金属上。
可以通过预热交换器来尝试克服这些问题，但是这个操作非常难以控制，因为铜的极高的导热性系数使焊接区提供的热量非常快地扩散到整个交换器，这意味着，整个热交换器不得不被加热到预热温度，例如300℃。因此，应该意识到，以这种方式进行(焊接)是费时且昂贵的，并且可能因为这会引起被打算用于在其上沉积焊接焊道的表面的氧化而导致隔离(作用)方面的缺陷。
为了避免所有这些缺陷，实施本发明的试验显示，如果一个例如不受限(deconfined)等离子或TIG弧的电弧或几个弧相对于焊接方向的横向或纵向位置位于MIG焊炬之前几厘米处，则可以不用预热将被焊接的区域。因为由于利用等离子或TIG弧进行预热到利用MIG焊炬形成的沉积填料之间的时间短，由预热弧这样提供的热量没有时间大量地扩散到大部分交换器里，所以，这提供了非常局部但是有效的预热。
另一个合适的解决方案在于使用一个混合的等离子/MIG焊炬，该焊炬的特征在于一个围绕填充金属焊丝和MIG弧的等离子弧。
当期望将杂质减至最少时，(存在)几个焊接焊道是有利的，因为它们允许获得几个叠置的“隔离”焊层5到7。
当然，“隔离”焊层5到7有足够的宽度且将由包含多于1％的锡，优选的大约3％到6％的锡，的铜合金构成，对于这种合金，磷在固化温度下的溶解度又是足够高，例如0.5％到1％的溶解度，以致钎焊区的和引入隔离焊层5的磷可以被足够地稀释以避免形成裂纹，并且，可以进行额外的焊接4，而不会有使结构的整体性受到破坏的危险。
这个方法特别适合于制造用于分离气体的钎焊热交换器，尤其是在低温蒸馏塔里的低温(分离)。
一个热交换器的具体结构将不会在下文中描述，因为它在工业上是已公知的，并且也可以在网站 www.alpema.org上看到，或在2000年的ALPIMA第二版里的“钎焊铝板翅式热交换器制造商协会的标准”中有所描述。
一个这种类型的铜交换器10的钎焊区的横截面中的具体结构，在图2和图3中示意性地示出，这些图说明，该铜交换器包括一个由金属板或片11构成的板束，其中，该金属板或片由在其间形成为隔离件的翅片12相互隔开。所述翅片12被钎焊到板11的端部，以在那里形成一个有钎焊区3的基体2(也如图1中所见)，而用于收集和分布交换器10里的流体的容器1或一个或多个结构必须被焊接到该基体上。
根据本发明，在所述流体收集和分布容器或结构被焊接到这个或这些“隔离”焊层5到7之前，在该交换器10的基体2的钎焊区3的外表面上形成“隔离”焊层5到7，如上文对图1所述，其中，“隔离”焊层5到7可以包含成合金元素或不可避免的杂质。
如上所述，为了实现这个或这些该“隔离”层的形成，首先对将被涂敷的区域进行局部预热，然后将一个熔化的Cu/Sn合金沉积在这个预热区，其中，以一个可熔金属焊丝形式提供的该Cu/Sn合金通过使用一个电弧被熔化，尤其是通过一个MIG焊炬的方式。该MIG方法是优选的，因为这个焊接方法使液体熔池中的熔化金属的运动大于TIG方法产生的运动，所以防止了某些有害元素如磷的任何局部集中，尤其是在穿过钎焊区的“隔离”焊层5的区域。
在实现本发明的试验中，发现一个Cu-Sn6P型合金可以接受较大量的磷作为稀释物，也就是说，选择性地将不可避免的杂质不予考虑之后，该Cu-Sn6P型合金包含大约6％的锡，少于1％的磷和其余部分(在重量方面最高可达100％)的铜。
此外，这个Cu-Sn6P合金的熔点低于纯铜的熔点且因此和钎焊合金(同纯铜的1083℃相比，固线温度为900℃和液线为温度1050℃)的熔点相近。
此外，该合金产生了改良的“湿润性”，并使熔化合金有效地渗透到钎焊接头的缝隙里。
同纯铜的380W/m.k相对照，Cu-Sn6P合金的导热性系数在室温下是57W/m.k。因此，该合金比纯铜更容易焊接，并且可以由一个MIG焊接方法和也可由一个TIG焊接方法通过适度预热被沉积。
此外，该合金允许进行熔敷，而且，它的特性也允许它被用于进行盒子上的封闭焊接。该合金在低温下也有非常好的机械性能。
该合金在AWS(美国焊接学会)里以Er Cu Sn-A的名字、根据C11级第三部分的BS2901被标准化。
然而，为了将工件(收集器容器)焊接到覆盖有铜的钎焊区，也可以使用一个弧焊炬，该弧焊炬例如是一个MIG(金属焊丝惰性气体)焊炬、一个TIG(钨极电弧惰性气体)焊炬或一个等离子焊炬，或者这些焊炬的结合，如一个等离子-MIG焊炬或MIG-TIG焊炬；并且，作为补充，还可以提供一个铜/镍或铜/铝型的填料，或者当期望在铜覆盖区和一个如流体收集器的不锈钢工件之间形成焊合时，可以提供使用镍或镍合金型的其它填料。实际上，在制造一个热交换器的时候，可以选择或者将一个不锈钢流体收集器直接焊接到钎焊层5，6，7上，或者将不锈钢流体收集器21焊接(通过一个焊接接头20)到一个如图3所示的本身被焊接到钎焊层5，6，7上的铜质中间工件1上。
本发明的焊接方法特别适合于制造用于分离空气的钎焊热交换器，尤其是在低温蒸馏塔里低温(分离)，因为这些交换器将比传统的交换器更能防止裂纹问题。

Claims (26)

1.用于将至少一个金属工件(1)弧焊到一个包括至少一个钎焊区(3)的基体(2)上的方法，该钎焊区的钎焊料包括铜和磷，其中：
(a)将至少一层包括铜和其重量多于1％的锡和重量少于1％的磷的合金焊层(5，6，7)沉积在至少部分钎焊区(3)上；和
(b)将金属工件(1)焊接到步骤(a)中沉积的所述至少一层铜/锡合金焊层(5，6，7)上。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金包括至少1.05％的锡和/或所述铜/锡合金包括少于10％的锡。
3.根据权利要求2所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金包括至少1.2％的锡。
4.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金在重量方面包括至少80％的铜。
5.根据权利要求4所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金在重量方面包括至少90％的铜。
6.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金在重量方面包括2％到8％的锡。
7.根据权利要求6所述的方法，特征在于：所述铜/锡合金在重量方面包括大约3％到6％的锡。
8.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：在步骤(a)中，沉积有基于铜/锡合金的几层焊层(5，6，7)，它们至少部分地一层相对于另一层叠置。
9.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：通过(i)局部预热待被涂敷的合金区和(ii)在步骤(i)的预热区提供和沉积由电弧熔化的所述铜/锡合金，以进行步骤(a)中的所述至少一层铜/锡合金焊层(5，6，7)的沉积。
10.根据权利要求9所述的方法，特征在于：通过使用一个或多个电弧完成步骤(i)的预热。
11.根据权利要求10所述的方法，特征在于：至少一个弧由一个TIG或等离子焊炬产生。
12.根据权利要求9所述的方法，特征在于：在步骤(ii)中，所提供的所述合金的形式是铜/锡合金金属焊丝。
13.根据权利要求9所述的方法，特征在于：在步骤(ii)中，用于熔化所述可熔金属焊丝的所述电弧由至少一个MIG或TIG焊炬产生。
14.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：在固化温度下，步骤(a)中沉积的所述至少一层铜/锡合金焊层(5，6，7)中的磷的溶解度在大约0.1％和3.5％之间。
15.根据权利要求1或2所述的方法，特征在于：所述有钎焊区(3)的基体(2)由几个板(11)构成的板束支持，这些板由其间形成为隔离件的翅片(12)隔开，该翅片(12)和所述板(11)被相互钎焊以形成所述有钎焊区(3)的基体(2)；且/或工件(1)是形成热交换器的一部分的流体收集和/或分布容器的一个组件。
16.根据权利要求15所述的方法，特征在于：该工件(1)由铜或不锈钢制成。
17.用于制造一个钎焊铜热交换器的方法，其中，根据权利要求1至15之一所述的所述焊接方法被用于将热交换器(10)的至少一个流体收集和分布容器(1)焊接到一由板(11)构成的板束上，这些板由在其间形成为隔离件的翅片(12)隔开并且支持至少一个有钎焊区(3)的基体(2)。
18.根据权利要求17所述的方法，特征在于：所述流体收集和分布容器(1)由铜制成。
19.一种热交换器(10)，该热交换器由铜制成并包括至少一个在部位(4)处被焊接到一个由几个板(11)构成的板束支持的有钎焊区(3)的基体(2)上的流体收集和分布容器(1)，其中，所述板由在其间形成为隔离件的翅片(12)隔开，其特征在于，所述容器(1)被焊接到至少一层包括铜和其重量多于1％的锡的合金焊层(5，6，7)上，所述至少一层铜/锡焊层(5，6，7)沉积在所述有钎焊区(3)的基体(2)上。
20.根据权利要求19所述的热交换器，特征在于：所述在部位(4)处被焊接的流体收集和分布容器(1)由铜或不锈钢制成。
21.包括至少一个根据权利要求19或20所述的热交换器(10)的用于分离流体的设备。
22.根据权利要求21所述的设备，特征在于：所述流体为气体混合物。
23.根据权利要求21所述的设备，特征在于：所述设备是一个低温空气分离单元。
24.用于分离流体的方法，其中，使用至少一个根据权利要求19或20所述的热交换器(10)。
25.根据权利要求24所述的方法，特征在于：所述流体为气体混合物。
26.根据权利要求24所述的方法，特征在于：所述流体是空气。
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