СПОСОБ ПАЙКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗОГНУТЫХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B23K1/00 B23K1/20 B23K31/02 

Изобретение относится к способу пайки металлического элемента с сотовой структурой, который свернут, уложен слоями или свит из, по меньшей мере, частично структурированных слоев металлических листов и должен быть спаян, по меньшей мере, на отдельных участках, а также к устройству для осуществления способа.

Металлические элементы с сотовой структурой применяются во все большем объеме в качестве корпусов-носителей для каталитически активного материала в системах для отработанных газов транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания. Стойкость таких корпусов-носителей катализатора, а также свойства аналогичных элементов с сотовой структурой в других областях применения зависят от того, что отдельные слои металлических листов, из которых состоят эти корпуса, соединены друг с другом, по меньшей мере, на отдельных участках высококачественной пайкой. Обычно такие элементы с сотовой структурой состоит из коррозионно-стойких при высоких температурах стальных листов и подвергаются высокотемпературной вакуумной пайке.

Такие спаянные элементы с сотовой структурой описаны, например, в DE A 23 02 746 или DE A 2924592. В этих публикациях уже упоминаются способы пайки, которые, однако, в общем требуют большого количества припоя, вследствие чего способ, с одной стороны, не экономичен, а с другой стороны, свойства металлических листов ухудшаются вследствие легирования припоем.

В EP-B 0049489 описан способ склеивания и пайки таких элементов с сотовой структурой, в котором требуется нанесение уже меньшего количества припоя. И в DE-A 3818512 описаны способы склеивания и пайки таких корпусов-носителей. Эта публикация содержит также обзор до сих пор известных способов пайки.

Ранее применяющиеся способы всегда имели в каком-либо месте создающую проблему операцию, вызывающую трудности в процессе изготовления или приводящую к неэкономичным результатам. В некоторых способах металлические листы сначала обезжиривают травлением, что является дорогостоящей операцией и вызывает необходимость удаления отходов. Применение клея или адгезионной клейковины также ведет, в общем, к применению органических растворителей, что в свою очередь, вызывает необходимость дополнительных мероприятий по охране окружающей среды и тем самым является неэкономичным. Вещества, испаряющиеся в вакуумных печах, могут создавать трудности также при обеспечении вакуума.

Задача изобретения создание особенно простого способа пайки без применения химической обработки прокатанных металлических листов и органических растворителей и при этом осуществляемого настолько быстро, что его можно применять в массовом производстве. Задачей изобретения является также создание соответствующего устройства для осуществления способа.

Эта задача решается с помощью пайки металлического элемента с сотовой структурой, который свернут, уложен слоями или свит из, по меньшей мере, частично структурированных слоев металлических листов и должен быть спаян, по меньшей мере, на отдельных участках, включающего следующие стадии:
а) по меньшей мере, структурированные металлические листы снабжают тонким слоем прокатного масла, если его нет уже в процессе изготовления;
б) слой прокатного масла термически обрабатывают для удаления легколетучих компонентов;
в) участки слоев металлических листов, на которые должен наноситься припой, вводят в контакт с водным раствором поверхностно-активного вещества;
г) элементы с сотовой структурой, изготовленные из металлических листов, вводят в контакт с порошкообразным припоем, который прилипает в местах, где расположены вместе жир и поверхностно-активное вещество.

Основная операция настоящего изобретения состоит в том, что слой масла, в общем уже имеющийся на металлических листах в результате процесса прокатки, не только не требует трудоемкого полного удаления, но он может служить, по меньшей мере частично, после термической обработки уже в качестве основы для последующего процесса нанесения припоя. Если в процессе прокатки имеется недостаточно масла или неподходящее масло, то хотя это прокатное масло и может наноситься на металлические листы позже, например, перед приданием листам определенной структуры, однако, естественно, наиболее благоприятно применять непосредственно в процессе прокатки пригодное масло и оставлять на металлических листах его тонкий слой в течение всего процесса. При термической обработке удаляются легколетучие компоненты, другие подвергаются превращениям, но, тем не менее, имеются остатки прокатного масла. Если они контактируют с сильно разбавленным водным раствором поверхностно-активного вещества, то образуется слой, который после удаления воды посредством сушки образует оптимальные условия для нанесения порошкообразного припоя. Этот слой оттягивается, в частности в зоне небольшого зазора вблизи спаиваемых мест контакта между слоями металлических листов, и является не таким клейким, что на нем везде налипают порошкообразный припой. Лишь в месте узких зазоров вблизи от припаиваемых мест порошкообразный припой может оставаться прилипшим. Как более подробно описано с помощью чертежа, именно это является предпосылкой для оптимальной пайки. Этим способ также отличается от способа сухой пайки элементов с сотовой структурой, описанного в EP-B-0136514. Результаты являются более воспроизводимыми и достигаются с помощью меньших затрат на аппаратурные средства.

Оказалось, что пригодным маслом является стандартное прокатное масло, содержащее минеральные, жировые и вспомогательные вещества. Для получения водного раствора поверхностно-активного вещества можно применять, в частности, стандартный концентрат из приблизительно 15-30%-ных неионных поверхностно-активных веществ, лимонной кислоты и агента растворения, содержащегося, например, в промывочных средствах. Этот концентрат разбавляется водой до 85-97% предпочтительно 92-95% и затем может наноситься при температуре около 60-95^oC, предпочтительно около 70-90^oC с помощью губчатого приспособления, в частности с помощью коротковорсовой подушки, на торцевые стороны элемента с сотовой структурой.

Предварительная обработка прокатного масла на элементе с сотовой структурой осуществляется при температуре около 150-250^oC, предпочтительно около 200-230^oC, причем сам процесс может регулироваться таким образом, что нанесение водного раствора осуществляется при остаточной температуре элемента с сотовой структурой около 70-90^oC. Затем элемент снова нагревают для сушки до 100-160^oC, предпочтительно до около 130-150^oC, причем нагрев предпочтительно осуществлять соответственно в воздушном потоке. Металлические элементы с сотовой структурой имеют большую поверхность и хорошую теплопроводность, благодаря чему снижается время нагрева и нагрев в воздушном потоке не создает проблем.

Затем осуществляют пайку элемента с сотовой структурой, при которой элемент с сотовой структурой погружают в псевдоожиженный слой концентрированного порошкообразного припоя. Обычно применяется припой на основе никеля, что, однако, не имеет решающего значения для настоящего изобретения. Важным же является то, что зернистость составляет 1-200 мкм, предпочтительно около 38-125 мкм, причем чаще имеется зернистость нижней половины этого диапазона, чем верхней. Поэтому зерна меньшего размера являются более предпочтительными, так как они могут глубже проникать в зазоры вблизи зон пайки, что важно для качества пайки.

Для того чтобы способствовать этому проникновению в зазор, элемент с сотовой структурой должен еще перемещаться в псевдоожиженном слое, частично возвратно-поступательно, возвратно-вращательно или качательно. Важным является то, что движение осуществляется таким образом, что зерна вдавливаются в зазоры, имеющиеся рядом со спаиваемыми зонами.

Экономически важный аспект изобретения заключается в том, что в описываемом способе пайки требуется значительно меньше припоя для получения высококачественной пайки, чем в обычных способах пайки. Хотя порошкообразный припой со временем обедняется зернами малого размера, поскольку они остаются в зазорах, однако оставшийся крупнозернистый порошкообразный припой может быть через некоторое время заменен и использован для других целей.

Чтобы предотвратить выпадение из элемента с сотовой структурой слабо сцепленного порошкообразного припоя после пайки при манипулировании во время следующих операций, предпочтительно нанести разбрызгиванием адгезионный материал, предпочтительно изо-пропанол (CH₃-CHOH-CH₃).

На чертеже показано устройство для пайки металлического элемента с сотовой структурой.

Оно содержит следующие узлы:
а) станцию 15 нагрева для продувки элемента с сотовой структурой горячим воздухом, в которой может термически обрабатываться слой прокатного масла при температуре около 150-250^oC, предпочтительно 200-230^oC;
б) станцию 16 нанесения слоя, позволяющую наносить водный раствор поверхностно-активного вещества с всасывающим материалом 17 на одну или обе торцевые стороны элемента с сотовой структурой;
в) станцию 18 сушки для последующей сушки в воздушном потоке при температуре 100-160^oC, предпочтительно 130-150^oC;
г) станцию 12, 13, 14 нанесения припоя с концентрацией порошкообразного припоя 14, который продувается снизу газом таким образом, что образуется псевдоожиженный слой.

На фиг. 1 показан частично готовый намотанный элемент с сотовой структурой; на фиг. 2 фрагмент поперечного сечения такого элемента с сотовой структурой при правильной пайке; на фиг. 3 соответствующий фрагмент при недостаточной пайке; на фиг. 4 соответствующий фрагмент при неправильно распределенном припое; на фиг. 5 схематичный разрез через емкость с псевдоожиженным слоем порошкообразного припоя; на фиг. 6 диаграмма характерного распределения зернистости порошкообразного припоя, используемого в устройстве по фиг. 5 для пайки элементов с сотовой структурой; на фиг. 7 - схематическое изображение устройства для пайки.

На фиг. 1 показана типичная конструкция элемента 1 с сотовой структурой, применяемого, в частности, в качестве корпуса-носителя катализатора отработанных газов. Гофрированный лист 2 и гладкий лист 3 сворачиваются в виде спирального корпуса, при этом между слоями 2 и 3 металлических листов получаются характерные места 5, 6 контакта. Эти места контакта имеют клинообразную форму. Поверхность гофрированного металлического листа 2 и/или гладкого металлического листа 3 покрыты слоем прокатного масла 4. Готовый свернутый элемент 1 с сотовой структурой подвергают термический обработке прежде, чем он с торцевой стороны будет контактировать с водным раствором поверхностно-активного вещества до глубины t. Показанный на чертеже элемент с сотовой структурой может заменять любые виды свернутых, уложенных слоями или собранных иным образом металлических листов, для которых может равным образом применяться настоящее изобретение, например в теплообменниках или аналогичных устройствах.

На фиг. 2-4 схематически показаны на трех фигурах фрагменты поперечного сечения такого элемента с сотовой структурой относятся к типичным местам контакта между гофрированным листом 2 и гладким листом 3. Аналогичные места контакта возникают также у несколько иначе структурных листов, в частности, также тогда, когда элемент с сотовой структурой выполнен из по-разному гофрированных листов. На фиг. 2 показана правильная концентрация припоя 7 в зоне мест контакта, в то время, как на фиг. 3 показано слишком малое количество припоя 8, а на фиг. 4 неправильно распределенный припой 9. Комбинация по изобретению термической обработки прокатного масла и контактирования с водным раствором поверхностно-активного вещества при правильной сушке приводит непосредственно к правильному распределению припоя 7, в то время, как другие методы приводят к слишком малой концентрации припоя 8, в частности к неправильному распределению припоя 9, как это типично выглядит, если торцевые стороны снабжаются на определенную глубину t клейковиной или связующим и затем подвергаются пайке. При пайке согласно фиг. 4 расходуется неоправданно много припоя без соответствующего улучшения качества паяных соединений. В настоящем изобретении расход припоя при пайке элемента с сотовой структурой составляет, например, около 0,1 на см² для элемента с сотовой структурой, имеющего 100 ячеек на кв.дюйм, приблизительно 0,15 г/см² для 400 ячеек на кв.дюйм и около 0,2/см² для 600 ячеек на кв.дюйм. Это значительно меньше по сравнению с известными из уровня техники способами пайки при хорошем качестве пайки.

На фиг. 5 показана емкость 10, имеющая в своей нижней части впуск 11 для сухого воздуха или сухого инертного газа. Этот воздух, равномерно распределенный посредством газовой камеры 12 с пластиной 13 из металлокерамики, вдувается в сборник 14 для порошкообразного припоя, образующего вследствие этого псевдоожиженный слой, в котором зерна припоя находятся как бы во взвешенном состоянии и очень легко могут осаждаться на элемент с сотовой структурой, погруженный в псевдоожиженный слой.

На фиг. 6 показано типичное пригодное распределение зернистости такого порошкообразного припоя, причем для корпуса-носителя катализатора для отработанных газов предпочтительно применяют припой на основе никеля. На диаграмме указано процентное содержание в зависимости от зернистости (в мкм). Масштаб по оси X нелинейный, и кривая несимметрична, вследствие чего, в общем, превалирует доля зерен от 38 до 75 мкм, что является важным для правильной концентрации припоя по фиг. 2.

На фиг. 7 схематично показан пример выполнения устройства по изобретению. Манипулятор 19 служит для транспортировки элемента 1 с сотовой структурой к отдельным станциям:
станции 15 нагрева для термической обработки прокатного масла на поверхности элемента 1 с сотовой структурой;
станции 16 нанесения слоя, на которой с помощью впитывающего материала, преимущественно коротковолокнистой бархатной подушки 17, наносится водный раствор поверхностно-активного вещества;
станции 18 сушки нанесенного покрытия;
станции 12 нанесения припоя, с продуваемым снизу газом сборником порошкообразного припоя 14, образующего через металлокерамическую пластину 13 псевдоожиженный слой.

Изобретение пригодно для экономической пайки металлических элементов с сотовой структурой в крупносерийном производстве и приводит к экономическому использованию припоя при сохраняющемся высоком качестве пайки.

Особой областью применения является изготовление металлических носителей для катализаторов отработанных газов в транспортных средствах.

Использование: пайка металлических элементов с сотовой структурой, который свернуты, уложены слоями или свиты из, по крайней мере частично, структурированных слоев металлических листов и должны быть спаяны, по крайней мере, на отдельных участках. Сущность изобретения: согласно способу слои металлических листов снабжаются тонким слоем прокатного масла, если они не имеют уже его в результате процесса изготовления. Слой прокатного масла термически обрабатывают для удаления легколетучих компонентов; на участки слоев металлических листов, подлежащие пайке, наносят водный раствор поверхностно-активного вещества; элементы вводят в контакт с порошкообразным припоем, который прилипает в местах, где расположены вместе остатки прокатного масла и поверхностно-активное вещество. Устройство для осуществления способа пайки включает узел нагрева элементов для термической обработки слоя масла, узел нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества, узел сушки элементов в воздушном потоке и узел нанесения припоя, выполненный с возможностью подачи газа для создания псевдоожиженного слоя. Изобретение приводит к экономному расходу припоя и одновременно обеспечивает сохранение высококачественных паяных соединений, в частности, при применении в корпусах-носителях катализатора в транспортных средствах. 2 с. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ пайки металлического элемента с сотовой структурой, который свернут, уложен слоями или свит из по крайней мере частично структурированных слоев металлических листов и спаян по крайней мере на отдельных участках, включающий нанесение на заготовки слоя прокатного масла и введение их в контакт с припоем, отличающийся тем, что слой прокатного масла термически обрабатывают для удаления легколетучих компонентов, на участки, подлежащие пайке, наносят водный раствор поверхностно-активного вещества для обеспечения последующего контакта с припоем, при этом припой используют в порошкообразном виде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатное масло наносят при прокатке металлических листов. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатное масло наносят на по крайней мере частично структурированные слои металлических листов. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прокатное масло содержит минеральные масла, жировые вещества и вспомогательные вещества. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активного вещества получают путем разбавления концентрата, содержащего 15 30% неионных поверхностно-активных веществ, лимонную кислоту и агент растворения до концентрации 85 97%
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что концентрация раствора составляет 92 95%
7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активного вещества наносят с помощью коротковорсистой бархатной подушки, при этом подушку пропитывают раствором и прижимают к торцовым сторонам элемента. 8. Способ по любому из пп.1 7, отличающийся тем, что термическую обработку прокатного масла осуществляют при 150 250^oС. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют при 200 230^oС. 10. Способ по любому из пп.1 9, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активного вещества наносят при температуре элемента 60 - 95^oС. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что водный раствор поверхностно-активного вещества наносят при температуре элемента 70 - 90^oС. 12. Способ по любому из пп.1 11, отличающийся тем, что после нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества элемент сушат при 100 - 160^oС. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что элемент сушат при 130 - 150^oС. 14. Способ по любому из пп.1 13, отличающийся тем, что термическую обработку слоя прокатного масла и/или сушку после нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества осуществляют путем продувания горячим воздухом. 15. Способ по любому из пп.1 14, отличающийся тем, что введение элемента в контакт с припоем производят путем погружения его торцовой стороной в псевдоожиженный слой порошкообразного припоя. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что псевдоожиженный слой представляет собой взвесь мелкозернистого порошкообразного припоя, на который воздействуют посредством подаваемого снизу сухого газа. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что для создания псевдоожиженного слоя используют инертный газ. 18. Способ по п.15, отличающийся тем, что припой имеет зернистость от 1 до 200 мкм. 19. Способ по п.15, отличающийся тем, что припой имеет зернистость 38 - 125 мкм. 20. Способ по любому из пп.15 19, отличающийся тем, что элемент после погружения в псевдоожиженный слой перемещают возвратно-поступательно из условия обеспечения проникновения порошкообразного припоя в зазоры на участках, подлежащих пайке. 21. Способ по любому из пп.1 20, отличающийся тем, что для предотвращения выпадения нанесенного порошкообразного припоя наносят разбрызгиванием пленку из адгезионного материала. 22. Способ по п.21, отличающийся тем, что в качестве адгезионного материала используют изопропанол. 23. Способ по любому из пп.1 22, отличающийся тем, что берут припой в следующем количестве: 0,1 г/см² для элемента с сотовой структурой с 100 ячейками на дюйм², 0,15 г/см² для элемента с сотовой структурой с 400 ячейками на дюйм², 0,2 г/см² для элемента с сотовой структурой с 600 ячейками на дюйм². 24. Устройство для пайки металлического элемента с сотовой структурой, который свернут, уложен слоями или свит из по крайней мере частично структурированных слоев металлических листов и спаян по крайней мере на отдельных участках, содержащее узел нанесения припоя, отличающееся тем, что включает дополнительно узел нагрева элемента путем продувки горячим воздухом для термической обработки слоя масла, обеспечивающий температуру не ниже 250^oС, узел нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества на одну или обе торцовые стороны элемента, узел сушки элемента в воздушном потоке, обеспечивающий температуру нагрева до 160^oС, а узел нанесения припоя выполнен с возможностью подачи снизу газа для создания псевдоожиженного слоя. 25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что узел нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества снабжен пропитываемой раствором коротковорсистой подушкой. 26. Устройство по п.24, отличающееся тем, что узел нанесения припоя выполнен в виде емкости, содержащей промежуточное дно из металлокерамической пластины.