CN1507379A - 钎焊热交换薄板的方法和按此法制得的焊接薄板热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将基于铁的基体材料的热交换薄板钎焊在一起的方法，该板备有进出口并在热交换区有压制的凸凹结构，若薄板热交换器有分配区则也有压制的凸凹结构。以钎焊料敷涂该板并这样安放该板，以使得在钎焊到一起之前，相邻薄板的隆起部位和凹陷部位接触。然后于所产生的接触点处将该板钎焊到一起。钎焊前以钎焊料仅敷涂热交换区和分配区的5－40％，最好为10－30％。本发明还包括由基于铁的基体材料热交换薄板所构成的一种焊接薄板热交换器，该薄板备有进出口并在热交换区，而且如存在也在分配区有压制的凸凹结构，它根据本发明的方法而制得。在此焊接的热交换器中，用于钎焊的钎焊料主要存在于钎焊缝内。

Description

钎焊热交换薄板的方法 和按此法制得的焊接薄板热交换器

本发明涉及一种接合基于铁之材料的热交换薄板的方法，该板备有进出口并在其热交换区有凸凹的压制结构，若薄板热交换器存在分配区则其上也有压制的凸凹结构。在钎焊前，以钎焊料敷涂该薄板。这样安放该薄板以使相邻薄板的隆起部位和凹陷部位相接触。对所得到的薄板束加热以使钎焊料熔化，这样该薄板便在接触点处被焊接在一起。本发明还包括一焊接的薄板热交换器，它由铁基材料热交换薄板构成，该薄板备有进出口并在其热交换区以及如果存在的分配区上有压制的凸凹结构，而且按照本发明的方法焊接到一起。

在生产薄板热交换器时，一般使用适合钎焊料的薄箔，此薄箔乃置于待焊接在一起的两块热交换薄板之间。其间放有薄箔的热交换薄板形成一薄板束，它具有所希望的交换热量的介质通道数。把此薄板束放入炉中并加热至钎焊料熔化的温度。此钎焊可在真空中进行或在惰性或活性保护气体存在下进行，诸如氮、氢、氦或氩或其组合。

为了通过钎焊得到焊接，钎焊料必须润湿待焊接到一起之物件的表面，并且钎焊料必须具有低于待焊接物件熔点的熔点。

如果使用粉末状钎焊料，可使之同粘结剂混合，或者可分两步把它加至薄板。

也可以把钎焊料分散于粘结剂和液体的混合物中，并敷涂或喷涂在基体材料的表面上。另一种方法是先敷粘结剂，而后再敷磨成粉末的钎焊料。在使用粘结剂的情况下，要以这样一种方式分步对薄板束适当地加热，使得该粘结剂在钎焊料达到钎焊温度之前便蒸发掉。

为了保证热交换器有足够的强度，人们力求得到完美的钎焊焊缝，它们不合有脆化相或裂纹。脆化相和裂纹构成疲劳断裂的开裂产生部位，并可产生形成腐蚀微孔的条件，这可能导致热交换器严重的损坏。所得到的开裂产生部位也可引起合金成分浸出至热交换介质，这在食品应用的焊接装配中是不合适的。

若使用活性钎焊料，即含有降低熔点之成分的钎焊料，则形成脆化相的风险便增加。这取决于影响熔点降低成分在焊缝中及其周围扩散速率的过程。如果扩散的驱动力和动力学条件合适，那么所谓的临界焊缝间隙，即焊缝中不显现脆化相的焊缝间隙便增加。

当今使用的钎焊料，往往具有优良的可流动性和润湿特性，以便渗入裂隙中而实现对基体材料坚固的焊接。在薄板热交换器中，待焊接到一起的薄板有凸凹的压制结构，焊缝通常为点状。人们一般使用均匀厚度的箔形钎焊料，它覆盖除了进出口外的整块薄板。这意味着为了在焊缝中有足量的钎焊料，人们使用过剩的钎焊料。由于难以控制焊缝中钎焊料的总量，所以在某些焊缝中钎焊料总量会过大的风险便增加。在钎焊料总量过大处，脆化相的风险增加。

A.S.McDonald在1957年3月号“焊接杂志”中的论文“钎焊薄不锈钢部件的合金”中论述了用于将比如薄钢部件钎焊至热交换器的合适合金。根据该文作者，理想的合金是在保护气氛中的钎焊过程中，能润湿并在不锈钢表面流动，无需任何的助熔焊剂。它不会通过溶解或渗入该材料而损坏基体材料，而所得到的焊缝应具有好的机械强度并且抗耐氧化。

该文继续叙述：含有硼并在其它连接中很有用的通用镍基合金，由于其溶解和渗入特性而不能加以使用。

根据本发明已令人惊奇地发现，通过使用完全被看作为较小用量的钎焊料，人们可在焊接的薄板热交换器中得到增加的强度，不论是使用上面提到的钎焊料还是其它适用的钎焊料。

本发明的方法其主要特征在于，在钎焊前以钎焊料敷涂5-40％、最好为10-30％的热交换区以及如果存在的分配区。环绕着进出口和周边将薄板钎焊到一起按常规的方式进行，并且不受本发明的影响。焊接薄板热交换器中所用的薄板具有最高达0.8mm的厚度。若使用较厚的板材则其热交换能力便在很大程度上受损。在加压的焊接薄板热交换器中，唯有薄板间的钎焊缝承受该压力。仅钎焊缝中存在的钎焊料的总量影响抗耐该焊缝所受到之应力的能力。

利用本发明方法的好处在于，分别地把钎焊料敷在所有点状和线状的接触面上。另一方面，可把钎焊料选择地只敷在若干点状或线状的接触面上。人们通常从这两种方法中选择一种，视压纹的设计、薄板的厚度以及薄板热交换器所受的压力条件而定。压力可依照应用在1-40巴间变动。

为了得到具有最大强度的薄板热交换器，只加入这样多的钎焊料以便获得主要是弹性的钎焊缝。这样的钎焊缝不含或仅含少量的脆化相。钎焊缝中的脆化相可能意味着该钎焊缝由于疲劳而较早地断裂(其寿命时间减少)，并且还形成腐蚀攻击的裂隙。当钎焊料的用量仅稍为超出其接触点的面积时便获得有弹性的钎焊缝。

在本发明的方法中，钎焊料最好包括活性钎焊料，即一种含有扩散进入铁基板材中并改变钎焊缝中材料的熔化区间之成分的钎焊料。这样的钎焊料可以是有Cr和熔点降低添加剂的Ni合金，或是有熔点降低添加剂的不锈钢。还有Co-或Ag-基钎焊料。

所用的钎焊料可包括同热交换板中的基体材料起作用的一种材料，其好处在于该基体材料的成分转移进入钎焊填料中，并因此产生具有更高强度的钎焊缝，正如已知的Cu-和Ag-钎焊料那样。

根据本发明，钎焊料可含有非活性填料，像比如纤维素基粘结剂之类。

本发明还包括由铁基材料热交换薄板构成的焊接热交换器，该板备有进出口，并且在其热交换区以及如果存在的分配区有压制的凸凹结构，按本发明的主要权利要求制成。用于钎焊的钎焊料在钎焊后大抵存在于钎焊缝中。

本发明的焊接薄板热交换器最好通过以活性钎焊料焊接薄板来制造，即含有熔点降低成分的钎焊料，它在钎焊过程中能扩散进入基体材料。焊接后，除了已扩散进入铁基板材的熔点降低成分外，钎焊料主要存在于钎焊缝中。

根据本发明的方法，可以不同的方式施加钎焊料，人们可借助挤压它通过喷嘴而施加一串或成滴的钎焊料。人们也可以一滴一滴地或成串地施加一种粘结剂，然后在其表面撒上钎焊粉末。此外，在钎焊前必须把过剩的钎焊料除去。借助某种印刷例如网板印刷也可将钎焊料敷到热交换器薄板上。用这种方法可迅速地把钎焊料敷到该薄板上。

粘结剂的选择和用量，取决于对配料后形状稳定性的要求，还取决于像加料、压力以及配料喷嘴尺寸等参数。一般基于纤维素的胶质粘结剂被用来配料，因为它们阻止钎焊剂颗粒在贮存过程中和配料后沉淀。此软膏以像牙膏一样的方式工作。通常使用9-15％的粘结剂。其用量视钎焊粉末中颗粒的粒度分布而定。细粒的份额越大，为得到调匀软膏所需的粘结剂越多。

对于网板印刷即通过丝幕印刷，使用薄的粉末颗粒稀浆。粘结剂几乎不必具有特别高的粘度，最大约为2000cps，并且可以使用最高达20％的较高用量的粘结剂。

对于模板印刷即通过开孔印刷，钎焊粉末和粘结剂的混合物必须如同细粒粘土那样粘。此软膏在刮刀前能“像香肠一般”滚动并被压通过模板中的孔眼。这类粘结剂和粉末软膏有代表性的粘度值为＞50.000cps。

借助把在钎焊过程中不熔化的细分基体材料或颗粒，加入一种本身已知的钎焊料中，可以提高该钎焊料的粘度。

在任一上述方法或其它的方法中，将要求用量的钎焊料供给待焊到一起的接触点。而且该钎焊料覆盖比该接触点稍大的面积。此接触点的直径可为2mm。毛细作用力将钎焊料吸入两块待焊热交换薄板间的裂隙。如果这样是所希望的，那么便可如此敷涂该钎焊料以使它在钎焊前具有围绕接触点之环的形状。

用于焊接热交换器的薄板，在其热交换区往往具有鲱鱼骨型压制结构。加入钎焊料的总量在某种程度上依该结构的形状而变化，不过作为可加以一提的例子，当在所有的接触点完全敷上钎焊料时，该热交换区的13-15％就被钎焊料覆盖。若成串地施加钎焊料，则钎焊料便覆盖同类压制结构之热交换区的约30％。如果薄板没有交叉凸凹结构，但有某种其它种类的板间接触，那么稍大于10％的该区便为钎焊料所覆盖。在每一钎焊缝施加1-30mg的钎焊料。

根据本发明，人们试图实现钎焊缝将仅含有少量的脆化相。我们知道脆化相的总量对疲劳强度有负面影响。此脆化相总量取决于焊缝的间隙、薄板的厚度、钎焊料的用量、怎样施加钎焊料以及在钎焊过程中的时间-温度关系。

附图的图1显示有弹性钎焊缝的拉力曲线图，以及图2显示有大量脆化相钎焊缝的拉力曲线图。图3显示钎焊料的用量如何影响钎焊缝以及因而如何影响焊接热交换器的基本曲线图。

为了测定我们使用某种厚度的圆形板坯，它们被按预定的方法以不同用量钎焊料焊接在一起。测定所得到的钎焊缝(4组)的拉力。该焊接的板坯以某种固定的应变率彼此牵拉。

图1显示在逐点敷上钎焊料后已被焊接到一块的试验板坯的拉力测定曲线图，如图1中所见，有弹性的钎焊缝以一连贯的曲线伸张直至第一组钎焊缝在最大拉力时断裂。然后其它的钎焊缝一组接一组地断裂。

图2为整个表面已用钎焊料覆盖之试验板坯的拉力测定曲线图，可以看出，这一曲线在最大拉力之前，就已呈现表明脆化相以及裂纹产生的豁口。此等豁口代表预断裂，对于例如疲劳性能极为关键。

图3为焊接薄板热交换器的各种特性怎样随着在基热交换表面区包括其如果存在的分配区上钎焊填料总量的变化而变化的基本示意图。对基于Co、Ni或Fe合金的活性钎焊料可得到具有类似特性变化的曲线图。正如从该曲线图可以看到的，脆化相的总量随着以总表面积之百分率表示的钎焊填料总量的增加而增加。当脆化相总量增加时可延性便减小。作为表面上钎焊填料百分数之函数的至断裂的循环时间(寿命)开头增加至一最高点，而后该寿命便减少至一近乎恒定的值。

权衡利弊表明，以钎焊料敷加在5-40％区间的表面，所产生的焊接热交换器，具有改善的静态和动态强度、长的寿命以及有弹性的钎焊缝。

在10-30％区间之内达到最大的效果。

Claims (9)

1.焊接热交换铁基材料板的方法，该板备有进出口，并在其热交换区以及如果存在的板式热交换器分配区上，有凸凹的压制结构，用钎焊料敷涂该板的凸凹结构处，在焊接前所述板的排列方式要使相邻的隆起部位和凹陷部位间达到接触，此后在所形成的接触点将该板钎焊到一起，其特征在于，钎焊之前以钎焊料敷涂其热交换区和分配区的5-40％，最好为10-30％。

2.权利要求1的方法，其特征在于分别地把钎焊料敷涂于所有的点状接触区或线状接触区。

3.权利要求1的方法，其特征在于把钎焊料选择地只敷于一定数目的点状接触区或线状接触区。

4.任一项前述权利要求的方法，其特征在于钎焊料的总量少到能得到主要是有弹性的钎焊缝。

5.任一项前述权利要求的方法，其特征在于钎焊料由活性钎焊料组成，即含有熔点降低成分的钎焊料，这些成分在钎焊过程中扩散进入铁基板材中，它改变钎焊缝中之材料的熔化区间。

6.任一项前述权利要求的方法，其特征在于钎焊料不含有熔点降低成分，但它包括一种能同热交换薄板中的基体材料起作用的材料，这样该薄板基体材料的成分便转移入该钎焊料中，并产生较硬的钎焊缝。

7.任一项前述权利要求的方法，其特征在于钎焊料含有一种非活性填料。

8.根据权利要求1所生产的铁基材料的热交换薄板构成的焊接板式热交换器，该薄板备有进出口，并在其热交换表面以及如果存在的分配区上有凸凹的压制结构，其特征在于用来钎焊的钎焊料在钎焊后主要存在于钎焊缝中。

9.权利要求8的焊接热交换器，其特征在于钎焊所用的钎焊料由活性钎焊料组成，这样在钎焊后，除了已扩散入该薄板的铁基材料中之熔点降低成分外，钎焊料主要存在于钎焊缝中。

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