ES2322943T5 - Método de soldadura de placas termocambiadoras finas e intercambiador de calor de placas soldadas producido de acuerdo con el método - Google Patents

Método de soldadura de placas termocambiadoras finas e intercambiador de calor de placas soldadas producido de acuerdo con el método Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Metodo de soldadura de placas termocambiadoras finas e intercambiador de calor de placas soldadas producido de acuerdo con el metodo
La presente invencion se refiere a un metodo para unir placas termocambiadoras finas de un material a base de hierro provistas de orificios de acceso y un patron de compresion de elevaciones y depresiones sobre el area de intercambio de calor de las placas y, cuando esta presente, sobre el area de distribucion, a un intercambiador de calor de placas. Antes de soldarlas, las placas se recubren con un material de soldadura. Las placas se disponen de manera que se obtienen contactos entre las elevaciones y depresiones en placas las adyacentes. El paquete de placas obtenido se calienta de manera que el material de soldadura se funde, y las placas se sueldan juntas en los puntos de contacto. La invencion comprende tambien un intercambiador de calor de placas soldadas, que se construye de placas termocambiadoras finas de un material a base de hierro provistas de orificios de acceso y un patron de compresion de elevaciones y depresiones sobre el area de intercambio de calor de las placas y, si estuviera presente, sobre el area de distribucion y se suelda junto de acuerdo con el metodo de la invencion.
Cuando se producen intercambiadores de calor de placas generalmente se usan laminas finas de un material de soldadura adecuado, situandose dichas laminas entre las placas termocambiadoras finas que tienen que soldarse juntas. Las placas termocambiadoras finas con las laminas localizadas entre ellas forman un paquete de placas que comprenden el numero deseado de pasajes para los medios que intercambiaran calor. El paquete de placas se situa en un horno y se calienta a la temperatura a la que el material de soldadura se funde. La soldadura puede tener lugar al vaclo o en presencia de un gas protector inerte o activo tal como nitrogeno, hidrogeno, helio o argon o combinaciones de los mismos.
Para obtener una junta por soldadura se requiere que el material de soldadura humedezca la superficie de los objetos que tienen que soldarse juntos y que el material de soldadura tenga un punto de fusion que esta por debajo del punto de fusion de los objetos que tienen que unirse juntos.
Si se usa un material de soldadura en forma de polvo este puede mezclarse con un aglutinante o, como alternativa, puede anadirse a las placas en dos etapas.
El material de soldadura puede dispersarse tambien en una mezcla de aglutinante y llquido y pintarse y pulverizarse sobre la superficie del material base. Otra manera es aplicar un aglutinante en primer lugar y el material de soldadura pulverizado posteriormente. En el caso de usar un aglutinante, el paquete de placas se calienta adecuadamente en etapas de manera que el aglutinante se vaporiza antes de que el material alcance la temperatura de soldadura.
Dichos metodos de soldadura convencionales se describen, por ejemplo, en los documentos WO-A-00/53989 y WO- A-01/16544.
Para asegurar una resistencia suficiente del intercambiador de calor se pretende obtener unas juntas de soldadura perfectas que no contengan fases quebradizas o grietas. Las fases quebradizas y grietas constituyen sitios de inicio de grieta para fallo por fatiga y pueden formar condiciones para formacion de celulas de corrosion que pueden provocar fallos graves en un intercambiador de calor. Los sitios de inicio de grieta resultantes pueden dar lugar tambien a un lixiviado de elementos de aleacion a los medios de intercambio de calor que es inadecuado en construcciones soldadas para aplicaciones alimentarias.
Cuando se usa un material de soldadura activo, es decir, un material de soldadura que contiene elementos con menor punto de fusion, aumenta el riesgo de que se formen fases quebradizas. Esto depende de los procesos que afectan a la velocidad de difusion de los elementos que reducen el punto de fusion en y alrededor de la junta de soldadura. Si la fuerza motriz para difusion y las condiciones cineticas son las adecuadas, lo que se denomina holgura de junta crltica aumenta, la holgura de la junta donde no se desarrollan fases quebradizas en la junta.
Los materiales de soldadura, que se usan hoy en dla, tienen a menudo buenas propiedades de fluidez y humectacion para penetrar en grietas y conseguir un buen enlace al material base. En los intercambiadores de calor de placas, donde las placas que tienen que soldarse juntas tienen un patron de compresion con elevaciones y depresiones, es habitual que las juntas de soldadura tengan la forma de un punto. Generalmente se usa un material de soldadura en forma de lamina de espesor uniforme, que cubre toda la placa separada de los orificios de acceso. Esto significa que se usa un exceso de material de soldadura para tener una cantidad suficiente de material de soldadura en las juntas de soldadura. Como es diflcil controlar la cantidad de material de soldadura en la junta de soldadura, aumenta el riesgo de que la cantidad del material de soldadura sea demasiado grande en ciertas juntas de soldadura. Con ello aumenta el riesgo de aparicion de fases quebradizas.
El artlculo "Alloys for brazing thin sections of stainless steel" de A. S. McDonald en Welding Journal Mar 1957 analiza que aleaciones pueden considerarse adecuadas para soldar elementos de acero finos, por ejemplo para intercambiadores de calor. Una aleacion ideal de acuerdo con el autor del artlculo deberla ser capaz de
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humedecerse y fluir sobre una superficie de acero inoxidable sin ningun agente de flujo durante la soldadura en una atmosfera protectora. No deberia danar el material base disolviendo el mismo o penetrando en el material y la junta de soldadura obtenida deberia tener una buena resistencia mecanica y ser resistente a oxidacion.
El articulo continua con la afirmacion de que las aleaciones basadas en niquel generalizadas que contienen boro y que en otros casos son muy utiles, no pueden usarse dependiendo de sus propiedades de disolucion y penetracion.
De acuerdo con la invencion, se ha encontrado sorprendentemente que usando una cantidad menor total de material de soldadura podria obtenerse una mayor resistencia en el intercambiador de calor de placas soldadas tanto cuando se usan los materiales de soldadura mencionados anteriormente como otros para la aplicacion de los materiales de soldadura adecuados.
El metodo de acuerdo con la invencion se caracteriza principalmente porque el 5-40 %, preferiblemente el 10-30 % del area de intercambio de calor y, cuando esta presente, el area de distribucion, se recubre con material de soldadura antes de la soldadura. Soldar juntas las placas alrededor de orificios de acceso y alrededor de los bordes se realiza por la manera habitual y no se ve afectado por la presente invencion. Las placas, que se usan en intercambiadores de calor de placas soldadas tienen un espesor de hasta 0,8 mm. Cuando se usa un material de placa mas grueso la capacidad de intercambio de calor se ve afectada en gran medida. En un intercambiador de calor de placas soldadas presurizado, solo son las juntas soldadas entre las placas las que soportan la carga. Unicamente la cantidad de material de soldadura encontrado en las juntas de soldadura influye en la capacidad de soportar la tension a la que se exponen las juntas.
El metodo de acuerdo con la invencion se utiliza ventajosamente en que el material de soldadura se aplica selectivamente en superficies de contacto con forma de punto y forma de linea. Como alternativa, el material de soldadura puede aplicarse selectivamente unicamente a un cierto numero de superficies de contacto con forma de punto o forma de linea. Normalmente, se elige uno de estos dos metodos dependiendo del diseno del patron de compresion, el espesor de las placas y las condiciones de presion a las que se somete el intercambiador de calor de placas. Dependiendo de la aplicacion, la presion puede variar entre 1-40 bar.
Para obtener un intercambiador de calor de placas con una resistencia maxima solo se anade el material de soldadura necesario para obtener una junta de soldadura esencialmente ductil. Dicha junta de soldadura no contiene o contiene solo una cantidad minoritaria de fases quebradizas. Las fases quebradizas en una junta de soldadura pueden implicar que la junta de soldadura se rompa antes debido a fatiga (el tiempo de vida util es reducido) y forma tambien una grieta para un ataque de corrosion. Una junta de soldadura ductil se obtiene cuando la cantidad de material de soldadura solo supera en una pequena cantidad el area de los puntos de contacto.
En el metodo de la invencion el material de soldadura consiste ventajosamente en un material de soldadura activo que es un material de soldadura que contiene elementos que se difunden en el material de placa a base de hierro y que cambian el intervalo de fusion para el material en la junta de soldadura. Dicho material de soldadura puede ser una aleacion de Ni con Cr y un aditivo para disminuir el punto de fusion o de acero inoxidable con un aditivo para disminuir el punto de fusion. Tambien hay materiales de soldadura basados en Co o Ag.
El material de soldadura usado puede consistir ventajosamente en un material que interacciona con el material base en las placas del intercambiador de calor en que los elementos en el material base migran hacia la carga de soldadura y, de esta manera, dan una junta de soldadura con una mayor resistencia como se sabe para los materiales de soldadura Cu y Ag.
El material de soldadura, de acuerdo con la invencion, puede contener un material de carga no activo como por ejemplo un aglutinante a base de celulosa.
La invencion comprende tambien un intercambiador de calor soldado constituido por placas termocambiadoras finas finas de un material a base de hierro provistas de orificios de acceso y un patron de compresion de elevaciones y depresiones sobre el area de intercambio de calor de las placas y, si estuviera presente, sobre el area de distribucion producido de acuerdo con la reivindicacion principal. El material de soldadura usado para la soldadura esta presente principalmente en la junta de soldadura despues de la soldadura.
Un intercambiador de calor de placas soldadas de acuerdo con la invencion producido uniendo las placas con el material de soldadura activo de una aleacion de Fe o de aleaciones de Fe, es decir, un material de soldadura que contiene elementos que reducen el punto de fusion, que puede difundirse en el material base durante la soldadura. Despues de la union, el material de soldadura esta presente principalmente en la junta de soldadura lejos de los elementos de reduccion del punto de fusion que han difundido hacia el material de placa a base de hierro.
De acuerdo con el metodo de la invencion el material de soldadura puede aplicarse de diferentes maneras, puede aplicarse un cordon o gotas de material de soldadura presionandolo a traves de una boquilla. Puede aplicarse tambien un aglutinante en gotas o cordones y despues dispersar el polvo de soldadura sobre la superficie. El excedente de material de soldadura debe retirarse entonces antes de la soldadura. El material de soldadura puede
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aplicarse tambien a la placa del intercambiador de calor por alguna clase de impresion, por ejemplo por serigrafla. Por este metodo el material de soldadura puede aplicarse rapidamente sobre la placa.
La eleccion de aglutinante y la cantidad usada del mismo depende de las demandas de permanencia de forma despues de la dosificacion y tambien de parametros tales como suministro, presion y dimension de la boquilla dosificadora. Los aglutinantes gelatinosos, normalmente basados en celulosa, se usan para dosificacion ya que impiden a las partlculas de material de soldadura sedimentar durante el almacenamiento y despues de la dosificacion. La pasta se comporta de la misma manera que una pasta de dientes. Habitualmente se usa un 9-15 % de aglutinante. La cantidad depende de la distribucion de tamano de las partlculas en el polvo de soldadura. Cuanto mayor sea la parte de fraccion fina, mas aglutinante se necesita para obtener una pasta suave.
Para serigrafla, impresion a traves de un tamiz de plata, se usa una suspension fina de partlculas en polvo. El aglutinante rara vez necesita tener una viscosidad especialmente alta, como maximo aproximadamente 2000 cps y puede usarse una cantidad mayor de aglutinante, hasta el 20 %.
Para estarcido, impresion a traves de orificios abiertos, la mezcla de polvo de soldadura y aglutinantes debe ser tan viscosa como una arcilla granular fina. La pasta debe ser capaz de laminarse "como una salchicha" delante de las cuchillas y empujarse a traves de los orificios en el cliche. Un valor representativo para la viscosidad de esta clase de pasta, aglutinante y polvo es > 50.000 cps.
La viscosidad del material de soldadura puede aumentarse anadiendo un material base finamente dividido o partlculas que no se funden durante la soldadura a un material de soldadura conocido per se.
La cantidad deseada de material de soldadura se suministra a los puntos de contacto que tienen que soldarse juntos de cualquiera de las maneras descritas o de otras maneras. Con ello, el material de soldadura cubre un area que es algo mayor que el punto de contacto. Los puntos de contacto pueden tener un diametro de dos mm. El material de soldadura se aspira por fuerzas capilares hacia la grieta entre las dos placas termocambiadoras finas que se van a unir. Si se desea asl, el material de soldadura puede aplicarse de manera que antes de la soldadura tenga la forma de un anillo que rodea el punto de contacto.
Las placas usadas en los intercambiadores de calor soldados a menudo tienen un patron de compresion de tipo diseno en espiga sobre el area de intercambio de calor. Dependiendo de la forma del patron la cantidad de material de soldadura que se anade varla en algun grado aunque como ejemplo puede mencionarse que el area de intercambio de calor esta cubierta un 13-15 % con material de soldadura, cuando el material de soldadura se aplica en todos los puntos de contacto. Si el material de soldadura se aplica en forma de cordones el material de soldadura cubre aproximadamente el 30 % del area de intercambio de calor para la misma clase de patron de compresion. Si la placa tiene un patron sin elevaciones y depresiones cruzadas pero con otra clase de contacto entre las placas el area se recubre con un material de soldadura en algo mas del 10 %. En cada punto de soldadura se aplican 1-30 mg de material de soldadura.
De acuerdo con la invencion se trata de obtener que la junta de soldadura contenga solo una pequena cantidad de fases quebradizas. Se sabe que la cantidad de fases quebradizas afecta negativamente a la resistencia de fatiga. La cantidad de fases quebradizas depende de la holgura de junta, el espesor de la placa, la cantidad de material de soldadura, como se aplica el material de placa y la relacion tiempo-temperatura durante la soldadura.
Los dibujos adjuntos muestran en la Figura 1 un grafico de la fuerza de traccion para una junta de soldadura ductil y en la Figura 2 un grafico de la fuerza de traccion para una junta de soldadura con una gran cantidad de fases quebradizas. La Figura 3 muestra un grafico principal de como las juntas de soldadura y como las propiedades del intercambiador de calor soldado se ven afectadas por la cantidad de material de soldadura.
Para los ensayos se usan preformas circulares de un cierto espesor de placa que se unen juntas de una manera predeterminada con una cantidad variable de material de soldadura. Se ensaya la fuerza de traccion de las juntas de soldadura obtenidas (4 unidades). Las preformas de placa unidas se separan entre si con una cierta cantidad de tension fija.
Como se observa en la Figura 1, que muestra un grafico de ensayo de traccion para preformas de ensayo que se han soldado juntas despues de aplicacion punto por punto del material de soldadura, el punto de soldadura ductil se estira en una curva uniforme hasta que el primer punto de soldadura se rompe a una fuerza de traccion maxima. Los otros puntos de soldadura se rompen entonces uno despues del otro.
En la Figura 2, que muestra un grafico del ensayo de traccion para las preformas de ensayo que se han cubierto con material de soldadura sobre toda el area superficial, puede observarse que esta curva ya antes de aplicar una fuerza de traccion maxima muestra muescas que indican fases quebradizas e inicio de grietas. Las muescas representan pre-grietas que son crlticas para el rendimiento de fatiga, por ejemplo.
La Figura 3 muestra un croquis inicial de como las diferentes propiedades de un intercambiador de calor de placas soldadas cambian como consecuencia del cambio en la cantidad de carga de soldadura respecto al area superficial de intercambio de calor incluyendo el area de distribucion, si estuviera presente. Se obtienen graficos con cambios similares en las propiedades para materiales de soldadura activos basados en aleaciones de Co, Ni o Fe. Como 5 puede observarse a partir del grafico, la cantidad de fases quebradizas aumenta con el aumento de la cantidad de carga de soldadura como un porcentaje del area superficial total. Cuando la cantidad de fases quebradizas aumenta, se reduce la ductilidad. El numero de ciclos para fallo (periodo de validez) como una funcion del porcentaje de carga de soldadura en la superficie inicialmente aumenta hasta un vertice, despues del cual el periodo de validez cae hasta un valor casi constante.
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Un equilibrio entre factores positivos y negativos implica que una aplicacion de la superficie con una carga de soldadura en el intervalo 5-40 % da un intercambiador de calor soldado con una resistencia estatica y dinamica mejorada, una larga vida y juntas de soldadura ductiles.
15 Dentro de un intervalo del 10-30 % se consigue un resultado maximo.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para unir placas termocambiadoras finas de un material a base de hierro provistas de orificios de acceso y un patron de compresion de elevaciones y depresiones sobre el area de intercambio de calor de las placas y, si estuviera presente, sobre el area de distribucion, a un intercambiador de calor de placas en el que las placas se recubren con un material de soldadura y, antes de la union, se disponen de manera que se obtiene un contacto entre las elevaciones y las depresiones adyacentes, despues de lo cual las placas se sueldan juntas en los puntos de contacto formados, caracterizado por que el 5-40 %, preferiblemente el 10-30 % del area de intercambio de calor y el area de distribucion se recubren con material de soldadura antes de la soldadura, con lo cual se obtiene una junta de soldadura esencialmente ductil y se evitan sustancialmente fases quebradizas.
  2. 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el material de soldadura se aplica selectivamente a todas las areas de contacto con forma de punto o las areas de contacto con forma de llnea.
  3. 3. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el material de soldadura se aplica selectivamente solo a un cierto numero de areas de contacto con forma de punto o de areas de contacto con forma de llnea.
  4. 4. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material de soldadura consiste en un material de soldadura activo que es un material de soldadura que contiene elementos reductores del punto de fusion, que durante la soldadura se difunden hacia el material de placa a base de hierro, que cambian el intervalo de fusion del material en la junta de soldadura.
  5. 5. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material de soldadura no contiene elementos reductores del punto de fusion y consiste en un material que interacciona con el material base en las placas termocambiadoras finas de modo que los elementos del material base de las placas migran hacia el material de soldadura y dan lugar a una junta de soldadura mas dura.
  6. 6. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el material de soldadura contiene una carga no activa.
  7. 7. Intercambiador de calor de placas soldadas constituido por placas termocambiadoras finas de un material a base de hierro provistas de orificios de acceso y un patron de compresion de elevaciones y depresiones sobre la superficie de intercambio de calor de las placas y, si estuviera presente, sobre el area de distribucion caracterizado por que el intercambiador de calor de placas soldadas se produce por el metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y por que el material de soldadura usado para la soldadura es un material de soldadura activo de una aleacion de Fe o de aleaciones de Fe, comprendiendo dicha aleacion de Fe o aleaciones de Fe elementos reductores del punto de fusion.
  8. 8. Intercambiador de calor de placas soldadas de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el material de soldadura activo es acero inoxidable con un aditivo reductor del punto de fusion.
  9. 9. Intercambiador de calor soldado de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8 en el que los elementos del material de soldadura activo presentes en la junta de soldadura se han difundido hacia el material base a base de hierro de las placas.
  10. 10. iIntercambiador de calor soldado de acuerdo con las reivindicaciones 7, 8 o 9, en el que el material de soldadura activo esta en forma de una pasta antes de la soldadura.
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