RU2032511C1

RU2032511C1 - Method of diffusion welding of aluminium alloys through and intermediate interlayer

Info

Publication number: RU2032511C1
Application number: RU92003762A
Authority: RU
Inventors: Ольга Алексеевна Барабанова; Валерий Васильевич Притула
Original assignee: Одесский институт низкотемпературной техники и энергетики; Ольга Алексеевна Барабанова
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 1995-04-10

Abstract

FIELD: welding. SUBSTANCE: low-melting glass on the base of oxides is used as intermediate interlayer during the diffusion welding of aluminium alloys. An intermediate interlayer made of low-melting glass is used during the welding of aluminium alloys. Besides the stated ones, the glass includes four components in the form of oxides in a definite relationship. EFFECT: enhanced strength and air-tightness of channels of the matrix heat-exchanger made of aluminium alloy plates, improved method of heat-exchanger production. 2 tbl

Description

Изобретение относится к технологии диффузионной сварки и может быть использовано при изготовлении высокоэффективных компактных теплообменных аппаратов, например, матричных, для различных областей машиностроения и теплоэнергетики. The invention relates to diffusion welding technology and can be used in the manufacture of highly efficient compact heat exchangers, for example, matrix, for various fields of engineering and power engineering.

Известен способ диффузионной сварки однородных материалов с использованием промежуточной прокладки. A known method of diffusion welding of homogeneous materials using an intermediate strip.

Недостатком этого способа при изготовлении теплообменников с использованием промежуточной прокладки из стекла следующего состава, мас. PbO 64-83; B₂O₃ 4-15; ZnO 4-11,5; SiO₂ 0,1-2,0; Al₂O₃ 0,1-4; Bi₂O₃ 1-4; CuO 0,5-2,5; MgO 0,1-2; Sb₂O₃ 0,1-3; MnO₂ 0,1-0,5 (а.с. N 604836, С 03 С 3/00, 1976) является то, что герметичность каналов теплообменников нарушается раньше, чем происходит падение его прочности при термоциклировании, что связано с образованием в зоне соединения температурных напряжений предельной величины. Появление температурных напряжений объясняется следующими факторами.The disadvantage of this method in the manufacture of heat exchangers using an intermediate strip of glass of the following composition, wt. PbO 64-83; B ₂ O ₃ 4-15; ZnO 4-11.5; SiO ₂ 0.1-2.0; Al ₂ O ₃ 0.1-4; Bi ₂ O ₃ 1-4; CuO 0.5-2.5; MgO 0.1-2; Sb ₂ O ₃ 0.1-3; MnO ₂ 0.1-0.5 (a.s. N 604836, C 03 C 3/00, 1976) is that the tightness of the channels of the heat exchangers is broken before there is a decrease in its strength during thermal cycling, which is associated with the formation in the zone connections of temperature stresses of the limiting value. The appearance of temperature stresses is explained by the following factors.

Зона соединения алюминия со стеклом неоднородна по составу. Большая часть зоны соединения состоит из продуктов взаимодействия стекла с чистым алюминием, одним из которых являются дисперсии меди коллоидного типа. В зоне соединения также образуются участки твердого раствора оксида алюминия с оксидами стекла. Эти участки и являются слабым местом соединения. Значительная разница ТКЛР стекла (86˙10^-7 град^-1) и алюминия (200˙10^-7 град^-1) приводит к тому, что в местах образования твердого раствора оксида алюминия с оксидами стекла возникают напряжения опасной величины, которые приводят к локальным трещинам и потере герметичности при термоциклировании теплообменника.The junction zone between aluminum and glass is heterogeneous in composition. Most of the compound zone consists of the interaction products of glass with pure aluminum, one of which is colloidal type copper dispersion. Sections of the solid solution of alumina with glass oxides also form in the junction zone. These areas are the weak point of connection. A significant difference in the thermal expansion coefficient of glass (86˙10 ^-7 deg ^-1 ) and aluminum (200˙10 ^-7 deg ^-1 ) leads to the formation of dangerous voltages in the places of the formation of a solid solution of aluminum oxide with glass oxides, which lead to local cracks and loss of tightness during thermal cycling of the heat exchanger.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что релаксация температурных напряжений в зоне соединения происходит на пластичных дисперсиях меди коллоидного типа, образовавшихся в зоне соединения в процессе диффузионной сварки. The experimental studies showed that the relaxation of temperature stresses in the joint zone occurs on plastic colloidal dispersions of copper formed in the joint zone during diffusion welding.

Согласно нашему предложению сохранение герметичности каналов теплообменника при длительном термоциклировании достигается путем увеличения реакционной способности стекла. According to our proposal, preservation of the tightness of the heat exchanger channels during prolonged thermal cycling is achieved by increasing the reactivity of the glass.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в процессе диффузионной сварки алюминиевых сплавов в качестве промежуточной прокладки используют стекло следующего состава, мас. PbO 65,5-74; B₂O₃ 10-14; ZnO 5-10; SiO₂ 2,5-6; CuO 5-10; Bi₂O₃ 1-3; MgO 0,5-1; Sb₂O₃ 0,5-3.The essence of the proposed method lies in the fact that in the process of diffusion welding of aluminum alloys, glass of the following composition, wt. PbO 65.5-74; B ₂ O ₃ 10-14; ZnO 5-10; SiO ₂ 2.5-6; CuO 5-10; Bi ₂ O ₃ 1-3; MgO 0.5-1; Sb ₂ O ₃ 0.5-3.

Основными оксидами, входящими в состав этого стекла, являются PbО, B₂O₃, ZnO, SiO₂, CuO, Bi₂O₃, присутствует также комплексная добавка MgO + Sb₂O₃, которая существенно не влияет на реакционную способность стекла, не позволяет создать теплоизоляционный слой вдоль пакета теплообменника матричного (ТМ) в процессе диффузионной сварки.The main oxides that make up this glass are PbO, B ₂ O ₃ , ZnO, SiO ₂ , CuO, Bi ₂ O ₃ , there is also a complex additive MgO + Sb ₂ O ₃ , which does not significantly affect the reactivity of glass, does not allows you to create a heat-insulating layer along the package of the matrix heat exchanger (TM) in the process of diffusion welding.

Выход содержания оксидов за пределы граничных значений дает следующие результаты: при уменьшении количества PbO снижается флюсующее действие стекла; при увеличении снижается его реакционная способность. При уменьшении количества ZnO снижается электризуемость порошка стекла, а при увеличении снижается реакционная способность стекла. Exit of the oxide content beyond the boundary values gives the following results: with a decrease in the amount of PbO, the fluxing effect of the glass decreases; with an increase, its reactivity decreases. With a decrease in the amount of ZnO, the electrification of the glass powder decreases, and with an increase in the reactivity of the glass.

При выборе содержания оксидов B₂O₃, SiO₂, Bi₂O₃ учитывали, что это оксиды-стеклообразователи, и их содержание в стекле в сумме должно быть не менее 16% (Павлушкин Н.М. Журавлева А.К Легкоплавкие стекла. М.Энергия, 1970). При нарушении этой пропорции были получены стекла, которые не обеспечивают необходимой прочности соединения алюминиевых пластин.When choosing the content of oxides B ₂ O ₃ , SiO ₂ , Bi ₂ O ₃ , it was taken into account that these are glass-forming oxides, and their total content in glass should be at least 16% (Pavlushkin N.M. Zhuravleva A.K. Low-melting glasses. M. Energy, 1970). In violation of this proportion, glasses were obtained that do not provide the necessary strength of the connection of aluminum plates.

Основным оксидом, влияющим на эксплуатационные свойства теплообменника, является CuO. Увеличение содержания оксида меди в указанных пределах с 0,5-2,5 до 5-10 мас. во-первых, повышает прочность соединения. Это связано, как показали металлографические и микрорентгеноспектральные исследования, с увеличением степени диспергирования оксидной пленки алюминия и уменьшением площади участков образования твердого раствора оксида алюминия с компонентами стекла. Во-вторых, в зоне соединения увеличивается количество дисперсий меди коллоидного типа, на которых происходит релаксация температурных напряжений, возникающих и накапливающихся в зоне соединения при термоциклировании. Кроме того, улучшается электризуемость порошка стекла, что повышает его адгезию к алюминиевым деталям и увеличивает процент выхода годных теплообменников при их производстве. The main oxide that affects the performance of the heat exchanger is CuO. The increase in the content of copper oxide in the specified range from 0.5-2.5 to 5-10 wt. Firstly, it increases the strength of the connection. This is due, as shown by metallographic and X-ray spectral studies, with an increase in the degree of dispersion of the aluminum oxide film and a decrease in the area of the areas of formation of the aluminum oxide solid solution with glass components. Secondly, the number of colloidal-type copper dispersions in which the relaxation of temperature stresses occur and accumulate in the connection zone during thermal cycling increases in the joint zone. In addition, the electrification of the glass powder is improved, which increases its adhesion to aluminum parts and increases the percentage of usable heat exchangers in their manufacture.

Приведенные ниже примеры экспериментально проведенных режимов сварки подтверждают возможность достижения нужных результатов по прочности и герметичности каналов в теплообменников в условиях предлагаемого способа сварки. The following examples of experimentally conducted welding modes confirm the possibility of achieving the desired results on the strength and tightness of the channels in the heat exchangers in the conditions of the proposed welding method.

П р и м е р 1 (прототип). Перфорированные пластины и проставки для пакета теплообменника из сплава алюминия технической чистоты, например АД1, обезжиривают в ацетоне. На проставки во время сборки пакета с двух сторон методом электростатического напыления наносят равномерный слой толщиной 10-15 мкм стеклопорошка следующего состава, мас. PbO 64-83; B₂O₃ 4-15; ZnO 4-11,5; SiO₂ 0,1-2; Al₂O₃ 0,1-4; Bi₂O₃ 1-4; CuO 0,5-2,5; MgO 0,1-2; Sb₂O₃ 0,1-3; MnO₂ 0,1-0,5. Собранный пакет помещают в вакуумную камеру, где методом диффузионной сварки его нагревают до Т=500^оС с одновременным приложением давления Р=0,35 МПа, выдерживают при этой температуре и давлении 7 мин, после чего давление снимают и проводят изотермическую выдержку при температуре 545^оС, в течение 35 мин. Охлаждают пакет до комнатной температуры вместе с камерой. Готовые пакеты извлекают из камеры и подвергают механическим испытаниям на герметичность и термоциклирование.PRI me R 1 (prototype). Perforated plates and spacers for a heat exchanger package made of aluminum alloy of industrial grade, for example AD1, are degreased in acetone. On the spacers during assembly of the bag on both sides by electrostatic spraying a uniform layer is applied with a thickness of 10-15 μm glass powder of the following composition, wt. PbO 64-83; B ₂ O ₃ 4-15; ZnO 4-11.5; SiO ₂ 0.1-2; Al ₂ O ₃ 0.1-4; Bi ₂ O ₃ 1-4; CuO 0.5-2.5; MgO 0.1-2; Sb ₂ O ₃ 0.1-3; MnO ₂ 0.1-0.5. The assembled package is placed in a vacuum chamber, where its method of diffusion bonding is heated up to T = 500 ^{° C} while applying a pressure P = 0.35 MPa, kept at this temperature and a pressure of 7 minutes after which the pressure is released and is carried out isothermally at a temperature of 545 ^about C for 35 minutes Cool the bag to room temperature with the camera. Finished bags are removed from the chamber and subjected to mechanical tests for leaks and thermal cycling.

В процессе испытаний на герметичность давление в канале пакета ТМ поднимается до 14 ат с выдержкой 10 мин через каждые 2 ат. Термоциклирование проводилось в диапазоне температур 200±100^оС (жидкий азот термостат). Периодичность смены уровня температур составила 10 мин при нагреве образцов и 3 мин при охлаждении. Герметичность стенок каналов теплообменника контролировалась каждые 5 термоциклов.During the leak test, the pressure in the channel of the TM package rises to 14 atm with a shutter speed of 10 minutes every 2 atm. Thermocycling was carried out in the temperature range 200 ± 100 ^о С (liquid nitrogen thermostat). The periodicity of the change in temperature level was 10 min during heating of the samples and 3 min during cooling. The tightness of the walls of the heat exchanger channels was monitored every 5 thermal cycles.

Пакет пластин ТМ с использованием стекла состава примера 1 сохраняет прочность в течение не менее 40 термоциклов, но потеря герметичности происходит уже после 30 термоциклов. Выход годных теплообменников не превышает 80%
П р и м е р ы 2.28. Все по примеру 1, только наносят промежуточную прокладку из стекла, составы которых приведены в табл.1.The TM package of plates using glass of the composition of Example 1 retains its strength for at least 40 thermal cycles, but the loss of tightness occurs after 30 thermal cycles. The yield of suitable heat exchangers does not exceed 80%
EXAMPLES 2.28. All according to example 1, only apply an intermediate gasket of glass, the compositions of which are given in table 1.

В табл. 2 сведены результаты испытаний теплообменников, изготовленных с использованием стекол, составы которых представлены в табл.1. С каждым составом стекла было изготовлено по 5 моделей теплообменников, худший результат испытаний заносился в табл.2. In the table. 2 summarizes the test results of heat exchangers made using glasses, the compositions of which are presented in table 1. With each glass composition, 5 heat exchanger models were manufactured; the worst test result was entered in Table 2.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ сварки алюминиевых сплавов, проверенный экспериментально, обеспечивает возможность изготовления матричных теплообменников с улучшенными эксплуатационными характеристиками. From the foregoing, it follows that the proposed method of welding aluminum alloys, tested experimentally, provides the ability to manufacture matrix heat exchangers with improved performance.

Claims

METHOD FOR DIFFUSION WELDING OF ALUMINUM ALLOYS THROUGH INTERMEDIATE GASKET, characterized in that as a gasket take glass having the following composition, wt.

PbO 65.5 74
B ₂ O ₃ 10.0 14.5
ZnO 5 10
SiO ₂ 2.5 6.0
CuO 6 10
Bi ₂ O ₃ 1 3
MgO 0.5 1.0
Sb ₂ O ₃ 0.5 3.0