СПОСОБ ПАЙКИ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2015 года по МПК B23K1/19 B23K101/14 B23K103/10 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разделу изготовления паяного теплообменника из алюминия или его сплавов путем получения расплава припоя при контактно-реакционном плавлении покрытий, нанесенных на детали теплообменника, состоящего из чередующихся между собой пластин и гофр.

Известна технология пайки теплообменников из алюминия и его сплавов погружением в соляные ванны. Для удаления окисной пленки используют составы расплавленных солей. Основную роль в них играют фтористые соли эвтектического состава (AlF₃+KF), оптимальное содержание эвтектики не должно превышать 12%. Для пайки погружением в расплавы требуется предварительный подогрев деталей. Осуществляют его в рециркуляционных печах аэродинамического подогрева, которые работают по принципу нагрева без применения электрических нагревателей. Тепловая энергия образуется в результате вращения ротора центробежного вентилятора в закрытом теплоизолированном объеме. Температура регулируется изменением поперечного сечения всасывающего отверстия (см. Горбатский Ю.В., Сторчай Е.И., Соколова А.В., Лактушенко Л.С., Журнал Химическое и нефтяное машиностроение, 1999, №9, с.6-11). К недостатку способа следует отнести сложность процесса, большую трудоемкость и, соответственно, большие затраты на изготовление теплообменника. При погружении в соляные ванны в узких каналах гофр остаются растворы, которые в дальнейшем при эксплуатации теплообменников вызывают коррозию гофр в замкнутых объемах.

Из авторского свидетельства SU 92834 известен способ пайки алюминия и алюминиевых сплавов со сталью, медью и другими металлами, при котором на металлы, подлежащие пайке с алюминием или его сплавами, наносят промежуточный слой из никеля или серебра, а в качестве соединительных средств для спайки алюминия и алюминиевого сплава с промежуточным слоем используют твердые припои на алюминиевой основе и флюсы.

В авторском свидетельстве SU 411970 раскрыт способ бесфлюсовой пайки алюминиевых сплавов с предварительным нанесением покрытия и последующей пайкой твердыми припоями. Для защиты паяемой поверхности от окисления и повышения прочности паяного соединения в качестве покрытия наносят фосфатную пленку металла, выбранного из группы алюминий, никель, натрий.

Способ пайки деталей из алюминиевых сплавов раскрыт также в авторском свидетельстве SU 258012. Согласно этому способу для протекания процесса без солевых флюсов, повышения прочности и коррозионной стойкости паяного соединения на припой предварительно наносится медное или никелевое покрытие. Металл покрытия образует с основой припоя сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления припоя.

В авторском свидетельстве SU 1657311 раскрыт способ пайки корпусов СВЧ-модулей, выполненных из алюминиевых сплавов, включающий нанесение двухслойного покрытия с легированным подслоем на основе никеля. Компоненты внешнего слоя покрытия выбирают с меньшим сродством к кислороду, чем наиболее активный компонент легированного подслоя. Соотношение толщин слоев составляет 0,02-0,2. После нанесения внешнего слоя детали отжигают в интервале температур, при которых преобладает зернограничная диффузия легирующего компонента.

Однако в вышеприведенных документах не раскрывается возможность использования раскрытых в них способов пайки для деталей теплообменников, подвергающихся в процессе эксплуатации повышенным тепловым нагрузкам.

Предлагается способ пайки теплообменника, изготовленного из алюминиевых сплавов, включающий нанесение покрытий, служащих припоем, сборку и пайку. На детали теплообменника - пластины и гофры - наносят химическое никелевое покрытие, затем на пластины наносят гальваническое покрытие оловом толщиной 25-30 мкм, а на гофры - гальваническое покрытие медью толщиной 12-15 мкм, далее осуществляют сборку пластин и гофр с их чередованием и поджатие собранного пакета со стороны пластин и проводят пайку в вакууме при 10^-2 мм рт.ст. и температуре 290-300°C, выдержка при указанной температуре составляет 5-7 мин, скорость нагрева и охлаждения - 10-15°C в минуту.

Задачей изобретения является создание технологии пайки теплообменников из алюминиевых сплавов.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении качества паяного соединения деталей из алюминиевых сплавов и улучшении однородности структуры материала паяного шва. При этом также отмечается сокращение трудоемкости и предотвращение коррозии металла теплообменника в процессе его эксплуатации.

Указанный выше технический результат обеспечивается однородностью элементов образующегося припоя. Появление последнего связано с контактно-реакционным плавлением химических элементов при их сближении путем поджатия пластин к гофре. В качестве элементов, образующих припой, были выбраны олово и медь.

Нанесенное на пластины и гофры, выполненные из алюминиевых сплавов, никелевое покрытие обеспечивает смачивание появляющегося припоя при контактно-реакционном плавлении металлических покрытий, нанесенных поверх никеля. В процессе работы паяного теплообменника никелевое покрытие защищает конструктивные элементы (пластину и гофру) от коррозии. Подобранные металлические покрытия, образующие расплав припоя при пайке (за счет контактно-реакционного плавления), имеют также сродство с никелем. Олово (Sn) наносили на пластину поверх никеля. Толщина Sn составляла 25-30 мкм. Медь (Cu) наносили на гофру также поверх никеля. Толщина ее составляла 12-15 мкм. Покрытие наносили кругом.

Имеющиеся покрытия никель на пластине и медь на гофре, на поверхностях, не участвующих в пайке, служат защитным барьером от коррозии в процессе эксплуатации паяного теплообменника. Выбранные покрытия, служащие припоем после их контактно-реакционного плавления при 227°C, образуют эвтектику. Растворимость Cu в Sn в твердом состоянии существует за счет перераспределения атомов меди и олова, сходного с образованием сверхструктуры. Температура плавления образующегося жидко-металлического расплава припоя между медью и оловом (эвтектика) ниже, чем температура плавления меди и олова в отдельности.

Скорость нагрева 10-15°C в минуту обеспечивает отсутствие деформации при нагреве и, соответственно, сохранению плотного контакта между паяемыми поверхностями, что важно при контактно-реакционном плавлении и позволяет получить качественный шов. Скорость охлаждения 10-15°C в минуту позволяет обеспечить равномерную кристаллизацию паяного шва без отрыва в местах пайки.

На чертеже представлен общий вид паяного теплообменника, позицией 1 обозначена пластина, позицией 2 - гофра.

Способ иллюстрируется следующим примером.

Пример. Пластины и гофры, изготовленные из алюминиевого сплава АМц, в отожженном виде поступают на нанесение никелевого покрытия химическим методом. Затем на детали поверх никелевого покрытия наносят гальванические покрытия, при этом на пластины наносят олово, а на гофры медь. Толщина слоя олова составляет 25-30 мкм, а меди - 12-15 мкм.

Медное покрытие наносили из электролита следующего состава, г/л:

сульфат меди 45-55, пирофосфат натрия 200-240, нитрат натрия 10-15, pH 7-8. Режим осаждения: температура 55-65°C, катодная плотность тока 0,3-0,8 А/дм³.

Состав электролита для нанесения олова, г/л: хлорид олова 130-160, пирофосфат калия безводный 500-570, хлорид гидразина 15-40, моющее средство «Прогресс» 3-6, клей мездровый 1-2. Режим осаждения: температура 18-65°C, катодная плотность тока 1-10 А/дм³, скорость осаждения 1-5 мкм/мин.

Толщину покрытия оценивали с помощью металлографии на образцах, используемых при покрытии деталей, а также на шлифах (выборочно), вырезанных из натурной пластины и гофры.

Далее осуществляли сборку пакета в последовательности пластина - гофра, количество их в собранном пакете составляло: пластин - 24, гофр - 23. Собранные детали (пластины и гофры с их чередованием до количества 24 пластины + 23 гофры) в приспособлении поджимают со стороны пластин. Поджатие деталей осуществляли в приспособлении механическим путем для выбора зазора между пластинами и гофрами. Контроль осуществляли визуально по величине деформации гофр. Затем собранный пакет из пластин и гофр устанавливали в печь в горизонтальном положении. Защитная среда - вакуум 10^-2 мм ртутного столба. Нагрев проводили до температуры пайки 290-300°C. Выдержка при этой температуре составляла 5-7 мин. Скорость нагрева и охлаждения не превышала 10-15°C в минуту. Температуру контролировали с помощью хромель-алюмелевой термопары. Параметры пайки были заданы программой.

Качество пайки оценивали на прочность гидроиспытанием теплообменника, а также металлографическим способом на шлифах, вырезанных с экспериментального теплообменника. Результаты испытаний и исследований положительны: швы плотные без пор, раковин и непропаев. В углублениях гофр покрытие никелем наблюдается, но оно равномерно распределено и является защитным в процессе эксплуатации теплообменника. Отсюда можно заключить, что способ пайки путем получения припоя контактно-реакционным плавлением покрытий, нанесенных на паяемые поверхности деталей, является оптимальным для пайки теплообменников из алюминиевых сплавов.

Изобретение может быть использовано при изготовлении теплообменника из алюминия или его сплавов, состоящего из чередующихся между собой пластин и гофр. На детали теплообменника наносят покрытие, служащее припоем. Сначала на все детали наносят химическое никелевое покрытие. Затем на пластины наносят гальваническое покрытие оловом толщиной 25-30 мкм, а на гофры - гальваническое покрытие медью толщиной 12-15 мкм. Осуществляют сборку пластин и гофр с их чередованием и поджатие собранного пакета со стороны пластин. Проводят пайку в вакууме при 10^-2 мм рт.ст. при температуре 290-300°C. Выдержка при указанной температуре составляет 5-7 мин, скорость нагрева и охлаждения - 10-15°C в минуту. Технический результат заключается в повышении качества паяного соединения деталей из алюминиевых сплавов и улучшении однородности структуры материала паяного шва, а также предотвращении коррозии металла теплообменника в процессе его эксплуатации. 1 ил., 1 пр.

Способ пайки теплообменника, изготовленного из алюминиевых сплавов, включающий нанесение покрытий, служащих припоем, сборку и пайку, при этом на детали теплообменника в виде пластин и гофр наносят химическое никелевое покрытие, затем на пластины наносят гальваническое покрытие оловом толщиной 25-30 мкм, а на гофры - гальваническое покрытие медью толщиной 12-15 мкм, далее осуществляют сборку пластин и гофр с их чередованием, поджатие собранного пакета со стороны пластин и проводят пайку в вакууме при 10^-2 мм рт.ст. и температуре 290-300°C, при этом выдержка при указанной температуре составляет 5-7 мин, а скорость нагрева и охлаждения - 10-15°C в минуту.