СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБ С АЛЮМИНИЕВЫМИ РЕБРАМИ Российский патент 2004 года по МПК B23K1/00 B23K1/19 F16L13/08 B21C37/22 

Согласно уровню техники известно изготовление ребристых труб для воздухоохлаждаемых установок или воздухоохлаждаемых конденсаторов из стальных труб и стальных ребер. Закрепление стальных ребер на стальных трубах осуществляется в ходе цинкования погружением.

Хотя такие трубы с ребрами являются очень коррозионностойкими, им присущ недостаток, заключающийся в том, что ребра выполнены из стали со сравнительно низкой теплопроводностью.

Кроме того, известна навивка на круглые стальные трубы непрерывных алюминиевых ребер по винтовой линии. При этом алюминиевые ребра могут навиваться, плоско прилегая под прижимом узкими сторонами основания к поверхности стальных труб. Другая возможность заключается в том, чтобы использовать поверхности стальных труб и вставлять в канавки алюминиевые ребра.

Недостатки навивки алюминиевых ребер на стальные трубы связаны с тем, что сталь и алюминий имеют разные коэффициенты температурного расширения. При практическом использовании это приводит к тому, что стальные трубы с алюминиевыми ребрами могут применяться только до сравнительно низких температур около 130°С. При более высоких температурах контакт между алюминиевыми ребрами и стальными трубами нарушается вследствие более высокого коэффициента термического расширения алюминия.

Другой известный способ изготовления ребристых труб заключается в том, чтобы соединять плакированные алюминием плоские трубы с помощью алюминиево-кремниевого припоя с алюминиевыми, сложенными волнообразно или меандрообразно или с уголковой формой ребристыми полотнами в термостатической печи.

Соединение алюминиевых ребер с плоскими трубами посредством припаивания алюминиево-кремниевым припоем, который является составной частью алюминиевых ребер или плоской трубы, имеет недостаток, заключающийся в том, что такое припаивание может осуществляться только путем обхода плакированных алюминием плоских труб или плакированных алюминиевых ребер. Наряду со сравнительно высокими расходами на подготовку разных исходных материалов, кроме того, при изготовлении имеется такой недостаток, что плоские трубы, замыкаемые по периметру с помощью по меньшей мере одного продольного сварочного шва, не могут плакироваться алюминием в сварочной зоне. В противном случае невозможно обеспечить безукоризненную сварку. Эти зоны плоских труб должны сначала дополнительно очищаться от побочных продуктов сварки и после этого технологически защищаться от коррозии.

Другим недостатком ребристых труб, состоящих из плоских труб с уложенными в складки алюминиевыми полотнами, является то, что припаивание плакированных алюминием плоских труб с алюминиевыми ребрами должно осуществляться при сравнительно высоких температурах порядка 600°С, то есть близко от температуры размягчения алюминия. Необходимый при этом припой состоит из алюминиево-кремниевой эвтектики, плавящейся при температуре немного ниже температуры размягчения алюминия.

В отношении этого типа конструкции следует также отметить, что вследствие различных коэффициентов температурного расширения алюминия и стали после пайки, приблизительно, при 600°С и охлаждении до температуры окружающей среды (комнатной температуры) оба припаянных материала могут сильно деформироваться друг относительно друга, и при этом легко может возникнуть нарушение места пайки, если алюминий был нанесен не безукоризненно.

Исходя из уровня техники, в основу изобретения положена задача создать способ соединения стальных труб с алюминиевыми ребрами в качестве составных частей воздухоохлаждаемых установок и воздухоохлаждаемых конденсаторов как с невысокими расходами на изготовление и затратами энергии, так и при экономичном расходе применяемых материалов.

Решение этой задачи осуществляется посредством признаков основного пункта 1 формулы изобретения, альтернативно также признаками пункта 2.

Один аспект изобретения состоит в том, что применяется припой из цинко-алюминиевого сплава с алюминием в качестве составной части в количестве от 0,5% до 20%, предпочтительно от 5 до 15%, который может наноситься на поверхности как стальных труб, так и алюминиевых ребер. Нанесение слоя припоя может осуществляться газопламенным способом. При этом является возможным применять ацетилен или также природный газ. Для этого расплавляют проволоку, имеющую состав припоя, и под давлением газа равномерно распределяют на соответствующей поверхности.

Второй прием заключается в применении способа электродуговой сварки. В этом случае с помощью двух проволок, имеющих состав припоя, создают электрическую дугу и при этом расплавляют проволоки. Одновременно осуществляют продувку воздухом или инертным газом таким образом, чтобы плавящийся при этом припой равномерно распределялся по поверхностям стальной трубы или алюминиевых ребер.

Является возможной также гальванизация припоем упомянутого состава.

Наконец, представляется возможным нанести слой из припоя, имеющего состав согласно изобретению, на соответствующие поверхности с применением давления, плакирования или спекания.

Особенно важным для способа согласно изобретению является выявление того факта, что посредством применения флюса в форме тетрафторида цезия-алюминия теперь становится возможным снизить температуру припоя относительно прежней, равной, приблизительно, 600°С, до температуры в интервале от 370°С до 470°С. Это снижение температуры плавления связано не только со снижением времени пайки, приблизительно, на 30-40%, но и приводит также к значительной экономии затрат на изготовление и энергию. Дальнейшая экономия связана с тем, что флюсом смачиваются только зоны контакта алюминиевых ребер со стальными трубами. Это может осуществляться погружением или разбрызгиванием.

Кроме того, в рамках изобретения следует учитывать, что при обычной пайке алюминиевые ребра подвергаются смягчающему отжигу. При этом ребра неизбежно теряют часть своих прочностных свойств. Для плоских труб с полотнами алюминиевых ребер, встраиваемых между плоскими трубами, до сих пор еще устанавливался допуск, поскольку полотна алюминиевых ребер плотно скрепляются после пайки между плоскими сторонами плоских труб. В рамках же способа согласно изобретению в обоих вариантах за счет значительного снижения температуры пайки больше не осуществляется смягчающий отжиг. Алюминиевые ребра при любом расположении всегда сохраняют все свои свойства прочности.

Например, в случае изготовления эллиптических алюминиевых труб путем накладывания отштампованных алюминиевых ребер на стальные трубы и нанесения флюса везде там, где алюминиевые ребра занимают свое конечное положение, теперь алюминиевые ребра, хорошо проводящие тепло в течение длительного срока и защищенные от коррозии, могут оставаться хорошо зафиксированными в своем положении на стальных трубах вплоть до температур свыше 350°С.

При размещении алюминиевых ребер путем навивки по винтовой линии на стальные трубы флюс целесообразно наносить на накладываемые участки ребристого полотна непосредственно перед наложением ребристого полотна на поверхность стальной трубы. Это позволяет разместить стальные трубы с навитыми на них алюминиевыми ребрами в проходной печи или, но только позже, в отжигательную печь для фазообразного нагрева до требуемой температуры пайки между 370°С и 470°С.

Однако является также возможным, после нанесения слоя флюса на полотна алюминиевых ребер, навить их на стальную трубу, нагретую до температуры пайки от 370°С до 470°С, и использовать скрытую теплоту для пайки. У этого типа ребристых труб можно достичь того, что стальные трубы за счет поступающего припоя также становятся коррозионностойкими. Кроме того, обеспечивается прочное металлическое теплопроводящее соединение между алюминиевыми ребрами и стальными трубами. Изготовленные таким образом ребристые трубы подходят для применения при температуре около 350°С.

При наложении волнистообразно, или меандрообразно, или углообразно (с треугольной или прямоугольной формой) образующих складки алюминиевых ребер на стальные плоские трубы последние или также алюминиевые ребра после нанесения припоя снабжаются специальным флюсом в форме тетрафторида цезия-алюминия на всей зоне поверхности, и после этого попеременно наносится слой на алюминиевое ребристое полотно, плоскую трубу и снова алюминиевое ребристое полотно и т.д. одно за другим. Полученный при этом стапель ребристых труб (Cake) размещают в печи для пайки (проходной печи или отжигательной печи) и там доводят до требуемой температуры от 370°С до 470°С. Припой разжижается, благодаря чему полотна алюминиевых ребер соединяются металлически и теплопроводяще со стальными трубами. Кроме того, вся плоская труба получает коррозионную защиту на наружной поверхности.

Альтернативно является также возможным перемещать плоские трубы через отжигательную печь и при этом доводить их до требующейся температуры пайки. В заключение плоские трубы соединяют с применением припоя и использованием флюса с полотнами алюминиевых ребер.

Затем, независимо от того, как протекает процесс изготовления, соответствующим образом собранные между собой стальные трубы и алюминиевые ребра доводят до температуры окружающей среды (комнатной температуры) и охлаждают, в результате чего алюминиевые ребра безукоризненно теплопроводяще соединяют со стальными трубами.

Специальный припой из алюминиево-цинкового сплава с содержанием алюминия от 0,5% до 20%, предпочтительно от 5% до 15% в комбинации с также специальным флюсом в форме тетрафторида цезия-алюминия позволяет таким образом расплавлять слой припоя при соответствующих предпочтительных температурах от 370°С до 470°С, что при этом никоим образом не плавятся алюминиевые ребра. В этой связи существенное влияние оказывает эвтектика цинк/алюминий, причем флюс легирует алюминий для того, чтобы жидкий цинк не растворял алюминиевые ребра.

Особый флюс в форме тетрафторида цезия-алюминия может готовиться на основной, кислой или нейтральной основе.

Соответствующая температура пайки зависит от содержания алюминия в припое. Чем выше содержание алюминия, тем также более высокой является температура пайки. Согласно предпочтительной форме выполнения припой содержит 15% алюминия, причем тогда температура пайки лежит около 430°С.

Изобретение может быть использовано при изготовлениии ребристых труб, например, для воздухоохлаждаемых установок из стальных труб и алюминиевых ребер. На поверхность стальных труб или алюминиевых ребер наносят слой алюминиево-цинкового сплава с содержанием алюминия от 0,5% до 20% и затем перед или при механическом контакте алюминиевых ребер со стальными трубами между ними при комнатной температуре вводят флюс в форме тетрафторида цезия-алюминия. Стальные трубы, снабженные алюминиевыми ребрами, нагревают в печи до температуры пайки от 370°С до 470°С и в заключение охлаждают при комнатной температуре. По другому варианту сначала наносят на поверхность стальных труб или алюминиевых ребер слой из упомянутого выше сплава, а затем при комнатной температуре наносят флюс в форме тетрафторида цезия-алюминия по меньшей мере в зоны контакта на алюминиевые ребра. После этого алюминиевые ребра приводят в контакт с нагретыми до температуры пайки от 370°С до 470°С стальными трубами и в заключение охлаждают при комнатной температуре. Изобретение позволяет с невысокими затратами на изготовление получить оребренные трубы при экономичном расходе применяемых материалов. 2 с.п. ф-лы.

1. Способ соединения стальных труб с алюминиевыми ребрами, при котором сначала на поверхность стальных труб или алюминиевых ребер наносят слой из алюминиево-цинкового сплава с содержанием алюминия 0,5-20%, а затем перед или при механическом контакте алюминиевых ребер со стальными трубами между стальными трубами и алюминиевыми ребрами при комнатной температуре вводят флюс в форме тетрафторида цезия-алюминия, после чего стальные трубы, снабженные алюминиевыми ребрами, нагревают в печи до температуры пайки 370-470°С и затем охлаждают при комнатной температуре.2. Способ соединения стальных труб с алюминиевыми ребрами, при котором сначала на поверхность стальных труб или алюминиевых ребер наносят слой алюминиево-цинкового сплава с содержанием алюминия 0,5-20%, а затем при комнатной температуре в зоны контакта вводят флюс в форме тетрафторида цезия-алюминия, по меньшей мере, в зоны контакта на алюминиевые ребра, после чего алюминиевые ребра приводят в механический контакт со стальными трубами, нагретыми до температуры пайки 370-470°С и затем охлаждают при комнатной температуре.