SE514078C2 - Fordonskylare samt sätt att framställa sådan - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 514 078 2 och magnesium (Mg). Detta material kan nämligen efter lödningen genom varmåldring härdas till hög hállfasthet mot statisk belastning. I allmänhet tillverkas kylaren genom s k vakuumlödning. Aggregatet av sammanförda detal- jer förs in i en vakuumugn och upphettas så, att lodmate- rialet smälter och genom kapillärverkan bildar lödfogar mellan detaljernas inbördes kontaktytor. Efter lödningen kyls aggregatet snabbt ned till rumstemperatur, varpå det genom s k kall- eller varmåldring härdas till hög håll- fasthet.

Det är dock önskvärt att gå över från vakuumlödning till s k flusslödning, eftersom den sistnämnda tekniken ställer lägre krav på ingående detaljers toleranser och ger betydligt lägre kassation. Vid flusslödning applice- ras ett flussmedel före själva lödningen på de ytor som skall lödas ihop. Flussmedlet är ofta en eutektisk före- ning omfattande K, Al och F som blandas till en suspen- sion i vatten av en bestämd koncentration. Efter torkning av flussmedlet placeras aggregatet av sammanförda kom- ponenter i en lödugn med kontrollerad atmosfär med låg syrehalt. Aggregatet upphettas därvid så att lodmateria- let smälter och genom kapillärverkan bildar lödfogar mellan detaljernas inbördes kontaktytor. Även i detta fall bör utsatta detaljer, för att möjliggöra efterföl- jande kall- eller varmåldring, vara utformade av ett ämne vars kärna består av ett aluminiummaterial med relativt höga andelar av Si och Mg. Ett problem i sammanhanget är att Mg under lödningen tenderar att diffundera till ämnets yta och där reagera med flussmedlet, vilket där- igenom inaktiveras med dåliga lödfogar som resultat. En lösning på detta problem ges i den franska patentansökan nr 96 10573 med avseende på tillverkning av vattenkylare.

För att erhålla bättre lödfogar mellan vattentransportrör och öppningar som är stansade i en bottenplatta till en vattentank, är bottenplattan utformad av ett ämne som på sin ena sida, mellan kärnan och lodmaterialet, har ett barriärskikt som förhindrar diffusion av Mg. 10 15 20 25 30 35 514 078 3 Förutom hög statisk belastning utsätts också en oljekylare för hög dynamisk belastning under drift, fram- förallt genom de tryckpulsationer som uppkommer i den genom oljekylaren cirkulerande oljan, speciellt när oljan är kall vid uppstarten av ett motorfordon. Dessa pulsa- tioner kan uppgå till ca 7-10 bar och ställer ytterligare krav på utsatta detaljer av oljekylaren.

Som exempel kan nämnas den inledningsvis nämnda oljekylaren, vilken omfattar ett antal rör som är utfor- made för genomströmning av olja och omströmning av vatten och som är placerade på varandra flatsida mot flatsida mellan två ändplattor. I detta utförande utsätts den nedre ändplattan för stora påfrestningar vid pulserande tryck i oljekylaren med åtföljande risk för sprickbild- ning och läckage till följd av utmattning. För att komma till rätta med sådan utmattning är en extra förstärk- ningsplatta fäst på den nedre ändplattans in mot rören vända sida.

I många fall har man, trots ovanstående åtgärder, funnit en otillräcklig hållfasthet gentemot utmattning, i synnerhet hos den nedre ändplattan, i denna typ av olje- kylare. Användningen av extra förstärkningsplattor leder dessutom till extra monteringsarbete, förhöjda material- kostnader och en oönskat tung oljekylare.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att helt eller åtminstone delvis övervinna ovannämnda problem med känd teknik. Närmare bestämt är det ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma en fordonskylare som uppvisar hög hållfasthet mot både statisk belastning och utmatt- ning, och som företrädesvis är tillverkad genom flusslöd- ning.

Det är också ett ändamål att åstadkomma en vikt- minskning gentemot känd teknik för en fordonskylare med en given hållfasthet.

Det är likaså ett ändamål med uppfinningen att an- visa ett förenklat sätt att tillverka en fordonskylare 10 15 20 25 30 35 514 078 4 som uppvisar hög hàllfasthet mot både statisk belastning och utmattning.

Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av efterföljande beskrivning, har nu uppnåtts medelst en fordonskylare enligt efterföljande patentkrav 1 resp 19, samt genom ett sätt enligt efterföljande patentkrav 10.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen definieras i de underordande patentkraven.

Tack vare att utsatta detaljer hos fordonskylaren tillverkas av ämne omfattande en kärna av ett första material och ett täckskikt av ett andra material, vilket åtminstone efter härdning har en större seghet än det första materialet, kommer utsatta partier av den färdiga kylaren att uppvisa en hård kärna och ett segare, utanpå- liggande täckskikt. I många fall utsätts kylarens utsida för de största påkänningarna, och därför är utsatta par- tier av den färdiga kylarens utsida lämpligen uppbyggda av en hård kärna och ett utvändigt täckskikt, vilket är segare än kärnan för att motverka sprickbildning. Detta har visat sig ge kylaren en ökad hàllfasthet mot utmatt- ning, utan väsentlig minskning av dess hàllfasthet mot statisk belastning. Därigenom minskas också behovet av extra förstärkningsdetaljer på utsatta partier. Tillverk- ningsprocessen kan således förenklas, och den färdiga kylarens vikt kan reduceras.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen och dess fördelar kommer att beskrivas närmare i det följande under hänvisning till bifogade schematiska ritning, som i exemplifierande syfte illust- rerar en för närvarande föredragen utföringsform.

Fig 1 är en längsgående sektionsvy av en del av en uppfinningsenlig oljekylare.

Pig 2A-2B är sektionsvyer i större skala av det i fig 1 inringade området A respektive B.

Beskrivning av en föredragen utföringsform I fig 1 visas ett tvärsnitt genom en del av ett agg- regat av komponenter som efter lödning bildar en upp- 10 15 20 25 30 35 finningsenlig oljekylare. I aggregatet ingår ett antal rör 1 som är avsedda att genomströmmas av en första fluid, i detta fall olja, och omströmmas av en annan fluid, företrädesvis vatten, för värmeöverföring mellan dessa. Rörens 1 ändpartier 2 är utformade för anliggning mot varandra. I aggregatet är således rören 1 placerade bredvid varandra, flatsida mot flatsida, så att ändpar- tierna 2 senare kan förenas med varandra genom lödning inom mot varandra anliggande ytpartier 3. De mot varandra anliggande ändpartierna 2 har genomströmningshål 4 som möjliggör genomströmning av olja. Rören 1 är så utformade att minst en spalt 5 föreligger mellan angränsande rör 1 för passage av den andra fluiden.

I den visade utföringsformen består varje rör 1 av en yttre 6 och en inre 7 rörhalva, vilka efter lödningen tättslutande är sammanfogade med varandra. Alternativt kan varje rör 1 vara tillverkat i ett stycke. I varje rör 1 är det anordnat första ytförstorare eller lameller 8, och i varje spalt 5 är det på motsvarande vis anordnat andra ytförstorare eller lameller 9. Aggregatet avslutas uppåt av en övre ändplatta 10 och nedåt av en nedre änd- platta 11. En inlopps/utloppsnippel 12 för oljan är mon- terad i en öppning i den övre ändplattan 10, såsom visas i fig 1. Denna nippel 12 är utformad för anslutning till ett motorfordons oljesystem.

Nedan kommer utformningen av ändplattorna 10, 11 att närmare beskrivas i anslutning till fig 2A-2B, vilka i tvärsnitt och större skala schematiskt visar de medelst cirklar indikerade områdena A respektive B i fig 1.

De övre och nedre ändplattorna 10, 11 är utformade av ett ämne som har en kärna 20 av ett aluminiummaterial med hög hållfasthet. Det är därför föredraget att kärnan 20 är utformad i en aluminiumlegering, företrädesvis en härdbar legering innehållande en kombination av magnesium (Mg) och kisel (Si), och helst med en Mg-halt av minst 0.4 vikt%. Sådana legeringar ingår i 6000-serien enligt amerikansk (AA) standard. Av hållfasthetsskäl är det 10 15 20 25 30 35 514 078 6 föredraget att kärnan 20 efter härdning har en sträck- gräns (omg) om minst ca 50 MPa. Enligt en föredragen ut- föringsform är kärnan 20 utformad av legeringen AA 6060, vilken efter härdning vid väsentligen rumstemperatur, s k kallàldring, uppvisar en sträckgräns (OQ2) om upp till ca 100 MPa. Efter härdning vid högre temperatur, s k varm- àldring, kan materialets sträckgräns (omz) uppgå till ca 200 MPa.

Av fig 2A-2B framgår att ämnet dessutom har ett utanpåliggande täckskikt 21. Detta genom valsning på kärnan 20 anbringade täckskikt 21 är utformat av ett alu- miniummaterial som efter härdning är segare än materialet Efter härdning bör detta täckskikt 21 upp- (ömz) Det är föredraget att täckskiktet 21 är utformat av ett i kärnan 20. visa en sträckgräns som inte överstiger ca 50 MPa. icke härdbart aluminiummaterial, och företrädesvis är täckskiktet 21 utformat av ett aluminiummaterial som är väsentligen fritt från Mg eller som innehåller maximalt 0.2 vikt% Mg. Materialet kan vara olegerat aluminium, eller en lämplig aluminiumlegering, t ex ingående i 3000- serien enligt amerikansk standard. Enligt en föredragen utföringsform är täckskiktet 21 utformat av legeringen AA 3003, vilken efter lödning uppvisar en sträckgräns (omg) på ca 35 MPa. Andra lämpliga material är legeringar med litet eller inget innehåll av koppar (Cu) och åter- finns i 7000-serien enligt amerikansk standard. Tack vare denna uppfinningsenliga kombination av en kärna 20 av ett första material som efter härdning är hårt men sprött, och ett täckskikt 21 av ett andra material som efter härdning är mjukare och segare är det första materialet, uppnås en förhöjd hållfasthet mot utmattning.

För att medge tillverkning genom flusslödning har ämnet vidare ett utanpå kärnan 20 anbringat barriärskikt 22, vilket är utformat att förhindra diffusion av Mg fràn kärnan 20 till ämnets yta under lödningen. Det har över- raskande visat sig att de material som är lämpliga för täckskiktet 21 också är lämpliga för barriärskiktet 22. lO 15 20 25 30 35 514 078 7 Lämpliga material till barriärskiktet 22 återfinns bland olegerat aluminium samt aluminiumlegeringar i 3000- och 7000-serierna enligt amerikansk standard. Barriärskiktet 22 bör vara utformat av ett material som är väsentligen fritt från Mg eller som åtminstone inte innehåller mer än 0.2 vikt% Mg. Enligt en föredragen utföringsform är barriärskiktet 22 utformat av legeringen AA 3003.

Av fig 2A-2B framgår också att ett gängse lodskikt 23 är anbringat utanpå barriärskiktet 22. Lodskiktet 23 är utformat av ett material vars smältpunkt är lägre än materialen i kärnan 20, täckskiktet 21 och barriärskiktet 22. Barriärskiktet 22 och lodskiktet 23 är lämpligen an- bringade på den sida av kärnan 20 som vid lödningen skall förbindas med andra komponenter i oljekylaren. Enligt fig 2A är den nedre ändplattans ll insida täckt med ett lod- skikt 23, vilket är bringat till anliggning mot ytförsto- rarna 8. Enligt fig 2B har den övre ändplattans 10 insida ett motsvarande lodskikt 23 som anligger mot ytförsto- rarna 8. Lodskiktet 23 är företrädesvis utformat av en legering ingående i 4000-serien enligt amerikansk stan- dard, t ex AA 4343 eller AA 4045.

Det har visat sig vara föredraget att utforma täck- skiktet 21 med en tjocklek som är ca 2-10%, företrädesvis ca 4-7%,och allra helst ca 5%, av ämnets totala gods- tjocklek. Andra skikttjocklekar har visat sig leda till oönskat låg hållfasthet hos den färdiga oljekylaren. Det har också visat sig att barriärskiktets 22 tjocklek bör vara minst ca 2% av ämnets totala godstjocklek, för att uppnå den àstundade barriärverkan mot Mg.

Vid tillverkningen av en uppfinningsenlig oljekylare appliceras ett flussmedel (ej visat) på de ingående kom- ponenterna före eller efter sammanföringen till ett agg- regat. När flussmedlet har torkat förs det i fig 1 visade aggregatet i en uppvärmd lödugn under så lång tid att lodmaterialet smälter och bildar lödfogar mellan kompo- nenternas inbördes kontaktytor. Efter lödningen kyls agg- 10 15 20 25 30 35 5í4 078 8 regatet snabbt ned till rumstemperatur, varpå det härdas genom kall- eller varmåldring.

Det må påpekas att lämpligen endast de komponenter som utsätts för stora kraft- och/eller tryckpåkänningar är utformade av ovanstående ämne. I många fall utsätts kylarens utsida för de största påkänningarna, antingen på grund av tryckpåkänningar i form av dragkrafter som upp- står på ytan av dessa komponenter vid en intermittent tryckökning i kylaren, eller kraftpàkänningar i form av vibrationer som överförs från fordonet till kylaren.

Därför är det föredraget att minst ett parti av den upp- finningsenliga kylarens utsida har en hård kärna och ett segt täckskikt utanpå kärnan. I det på ritningen visade exemplet utgör ändplattorna 10, ll sådana partier av kylarens utsida. I många fall omfattar kylarens utsida också utsatta komponenter i form av fästorgan och skydds- plåtar, vilka idag, för hög hållfasthet, tillverkas genom vakuumlödning och efterföljande härdning. Det är föredra- get att dessa utsatta detaljer också utformas av ett ämne enligt ovan och införlivas i aggregatet. Därmed kan hela kylaren, inklusive externa detaljer, såsom fästorgan och skyddsplåtar, tillverkas i ett enda steg genom hårdlöd- ning. Övriga detaljer i oljekylaren är företrädevis till- verkade av standardämnen med lämplig hållfasthet och korrosionsbeständighet. Exempelvis är rören 1 i fig 1 lämpligen utformade av ett standardämne bestående av en kärna av legeringen AA 3003 och ett direkt utanpå kärnan anbringat lodmaterial av legeringen AA 4343.

Jämförande försök har gjorts mellan två oljekylare av den allmänna typ som visas i fig l. Den ena oljekyla- ren var försedd med en extra förstärkningsplatta ovanpå den nedre ändplattan och var på konventionellt vis till- verkad genom vakuumlödning och efterföljande varmåldring.

Den andra, uppfinningsenliga oljekylaren var tillverkad genom flusslödning och efterföljande varmåldring och dess ändplattor var utformade av ett ämne med en kärna av 10 15 20 25 30 514 078 9 legeringen AA 6060, ett på en sida av kärnan anbringat täckskikt av legeringen AA 3003, ett på motstående sida av kärnan anbringat barriärskikt av legeringen AA 3003 och ett utanpå barriärskiktet anbringat lodmaterial av legeringen AA 4343. I båda dessa oljekylare användes ämnen med en total godstjocklek av 1,2 mm. Efter en tids användning under driftsliknande förhållanden uppvisade den uppfinningsenliga oljekylaren, till skillnad från den konventionella oljekylaren, ingen tendens till korngräns- sprickor utan endast små sprickor på ytan av materialet i täckskiktet. Försöken indikerade en avsevärt förbättrad hàllfasthet mot utmattning hos den uppfinningsenliga oljekylaren, och detta utan användning av extra förstärk- ningsplattor.

Fackmannen inser att uppfinningen inte är begränsad till den speciella typ av oljekylare som beskrivs ovan, utan är tillämplig vid alla olika utföranden av fordons- kylare där det finns behov av att öka hållfastheten mot utmattning.

Det inses också att flera täckskikt av olika mate- rial kan kombineras i ett och samma ämne för att ytterli- gare förhöja hållfastheten mot utmattning. Vidare inses att barriär- och täckskikten inte behöver vara utformade av ett och samma material, eftersom valet av material styrs av olika villkor, d v s dess barriärverkan mot diffusion av magnesium respektive dess seghet. Det bör ¿dock påpekas att, om de valda materialen till barriär- / 'och täckskikten uppvisar både erforderlig barriärverkan och seghet, ett lodskikt kan vara anbringat utvändigt täckskiktet. Detta täckskikt kommer följaktligen att både förhindra diffusion av magnesium från kärnan till lod- materialet och ge detaljens yta den önskade segheten.

Slutligen bör påpekas att barriärskiktet kan undva- - ras om materialet i kärnan inte innehåller magnesium.

Claims (25)

10 15 20 25 30 35 514 078 10 PATENTKRAV

1. Fordonskylare som är tillverkad genom hårdlödning och efterföljande härdning och som omfattar minst en av ett ämne utformad detalj (10, ll), varvid nämnda ämne har en kärna (20) av ett första aluminiummaterial, ett utvän- digt nämnda kärna (20) anbringat lodmaterial (23) samt ett mellanliggande barriärskikt (22) , k ä n n e t e c k n a d a\r att ämnet vidare innefattar ett utvändigt nämnda kärna (20) anbringat täckskikt (21) av ett andra alumi- niummaterial, vilket åtminstone efter härdning har större seghet än det första materialet.

2. Fordonskylare enligt krav 1, varvid de första och andra materialen har högre smälttemperatur än lodmateria- let.

3. Fordonskylare enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda täckskikt (21) och barriärskikt (22) på var sin sida om kärnan (20).

4. Fordonskylare enligt något av föregående krav, är anbringade varvid det andra materialets innehåll av magnesium under- stiger ca 0.2 vikt%.

5. Fordonskylare enligt något av föregående krav, varvid nämnda detalj (10, ll) är förbunden med övriga i fordonskylaren ingående detaljer genom flusslödning.

6. Fordonskylare enligt något av föregående krav, varvid nämnda täckskikt (21) har en tjocklek som utgör ca 2-10%, företrädesvis ca 4-7%, och allra helst ca 5%, av ämnets totala godstjocklek.

7. Fordonskylare enligt något av föregående krav, varvid nämnda detalj (10, ll) är en tryckbärande och/- eller kraftupptagande del av fordonskylaren.

8. Fordonskylare enligt något av föregående krav, varvid nämnda detalj (10, ll) är så införlivad i fordons- kylaren att nämnda täckskikt (21) är vänt mot dess utsida. 10 15 20 25 30 35 ll

9. Fordonskylare enligt något av föregående krav, omfattande ett antal rör (1) som är avsedda att genom- strömmas av en första fluid och omströmmas av en andra fluid för värmeöverföring mellan fluiderna, varvid rören (1) är placerade på varandra flatsida mot flatsida mellan två ändplattor (10, 11) varvid åtminstone den ena ändplattan (10, ll) och är förenade genom lödning, är utformad av nämnda ämne så, att nämnda täckskikt (21) är vänt bort från rören (1).

10. Sätt att tillverka fordonskylare, omfattande stegen: att utforma i fordonskylaren ingående detaljer av ett eller flera aluminiummaterial, att sammanföra detaljerna med varandra för bildande av ett aggregat, och att sammanfoga nämnda aggregat genom hàrdlödning och härda detsamma, företrädesvis genom varmàldring, J<ä nrxe teac krua t a*v att utforma minst en detalj (10, 11) stegen av ett ämne omfattande en kärna (20) av ett första aluminiummaterial, ett utvändigt nämnda kärna (20) anbringat lodmaterial och ett utvän- (21) vilket åtminstone efter härdning (23), ett mellanliggande barriärskikt (22) (20) andra aluminiummaterial, digt nämnda kärna anbringat täckskikt av ett har större seghet än det första materialet, och att införliva nämnda minst en detalj (10, 11) i agg- regatet före nämnda hårdlödning.

11. ll. Sätt enligt krav 10, materialen har högre smälttemperatur än lodmaterialet.

12. Sätt enligt krav 11 eller 12, täckskikt (21) och barriärskikt (22) sin sida om kärnan (20).

13. Sätt enligt något av kraven 10-12, första och andra materialen väljs och härdas så, varvid de första och andra varvid nämnda är anbringade på var varvid de att det första materialet efter härdningen uppvisar en sträck- gräns över ca 50 MPa, och det andra materialet efter härdningen uppvisar en sträckgräns under ca 50 MPa. 10 15 20 25 30 35 12

14. Sätt enligt något av kraven 10-13, varvid det andra materialet väljs så, att dess innehåll av magnesium understiger ca 0.2 vikt%.

15. Sätt enligt något av kraven 10-14, omfattande stegen att före eller efter nämnda sammanföring applicera flussmedel på i fordonskylaren ingående detaljer, och att därefter värmebehandla nämnda aggregat för lödning av detsamma.

16. Sätt enligt något av kraven 10-15, varvid nämnda täckskikt (21) har en tjocklek som utgör ca 2-10%, före- trädesvis ca 4-7%, och allra helst ca 5%, av ämnets totala godstjocklek.

17. Sätt enligt något av kraven 10-16, varvid nämnda minst en detalj (10, 11) är en tryckbärande och/eller kraftupptagande del av fordonskylaren.

18. Sätt enligt något av kraven 10-17, varvid nämnda minst en detalj (10, 11) införlivas i fordonskylaren så, att nämnda täckskikt (21) är vänt mot fordonskylarens utsida.

19. Fordonskylare som är tillverkad genom hårdlöd- ning och efterföljande härdning, k ä n n e t e c k n a d a v att minst ett parti (10, 11) av fordonskylarens utsida har en kärna (20) av ett första aluminiummaterial och ett utvändigt kärnan (20) anbringat täckskikt (21) av ett andra aluminiummaterial med större seghet än det första materialet.

20. Fordonskylare enligt krav 19, varvid det första materialet efter nämnda härdning uppvisar en sträckgräns över ca 50 MPa, och det andra materialet efter nämnda härdning uppvisar en sträckgräns under ca 50 MPa.

21. Fordonskylare enligt krav 19 eller 20, varvid det andra materialets innehåll av magnesium understiger ca 0.2 vikt%.

22. Fordonskylare enligt något av kraven 19-21, vilken är tillverkad genom flusslödning.

23. Fordonskylare enligt något av kraven 19-22, varvid nämnda täckskikt (21) har en tjocklek som utgör ca .W 10 15 514 078 13 2-10%, företrädesvis ca 4-7%, och allra helst ca 5%, av den totala godstjockleken av nämnda minst ett parti (10, ll) av fordonskylarens utsida.

24. Fordonskylare enligt något av kraven 19-23, varvid nämnda minst ett parti (10, 11) är en tryckbärande och/eller kraftupptagande del av fordonskylaren.

25. Fordonskylare enligt något av kraven 19-24, omfattande ett antal rör (l) som är avsedda att genom- strömmas av en första fluid och omströmmas av en andra fluid för värmeöverföring mellan fluiderna, varvid rören (1) är placerade på varandra flatsida mot flatsida mellan tvà ändplattor (10, ll) och är förenade genom lödning, varvid åtminstone den ena ändplattan (10, ll) har en kärna (20) av nämnda första matrial och, på sin bort från rören (1) vända sida, ett täckskikt (21) av nämnda andra material.