Способ соединения покрытых цинком алюминиевых элементов и теплообменник, изготовленный данным способом - RU2094189C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу соединения (конструкционных) A1 - элементов, в частности к пайке конструкционных элементов теплообменников и к конечным теплообменникам, получаемым таким способом. Способ является пригодным для производства, например, автомобильных радиаторов, конденсаторов, испарителей и других устройств.

Пайка алюминиевых деталей в настоящее время проводится либо как пайка припоем, использующая флюс и материал (лист) припоя (AlSi), вводимый между деталями, либо в вакуумных печах, с использованием Al -сплава в качестве плакировочного слоя или покрытия на поверхности сочленяемых деталей.

Проблемой, наблюдающейся у теплообменников, выполненных из алюминия, является точечная коррозия. Поэтому цинковое покрытие, наносимое в качестве тонкого поверхностного слоя обычно 5 мкм (35 г/м²) на Al-подложки с последующей диффузионной термообработкой, используется для того, чтобы улучшить коррозионную стойкость, теплообменников. Различные припои, например, AlSi или AlZnSi наносятся на элементы в виде поверхностных слоев с введением наплавочного материала до операции пайки.

Основным недостатком вышеуказанных способов пайки является необходимость применять припой в количествах, которые значительно увеличивают массу и стоимость конструкций, например, при использовании плакированных AlSi-сплавом Al-заготовок ребер в теплообменниках, где толщина AlSi-слоя обычно составляет 10% общей толщины листа. В процессе пайки Si, будет диффундировать в сердцевину, обедняя слой Si и повышая таким образом температуру ликвидуса. Это явление усложняет процесс пайки и требует точного контроля температуры.

Кроме того, существующие способы являются довольно сложными, требующими нескольких отдельных стадий, и может потребоваться неадекватная коррозионная защита подложек, не имеющих цинковой обработки до стадии сочленения.

Поэтому предметом изобретения является новый и простой способ соединения алюминиевых элементов, не требующий специального толстослойного покрытия наплавочного материала для образования спаев, и в то же самое время дающий лучшую коррозионную защиту сочлененных элементов.

Другим предметом изобретения является способ соединения, который может использовать существующие плавильные печи и оборудование.

Еще одним предметом изобретения являются теплообменники меньшей массы и меньшей стоимости, которые позволяют избежать необходимости точного контроля температуры в процессе пайки.

Эти и другие цели изобретения достигаются новым способом соединения, как описано ниже, и изобретение, кроме того, определяется и описывается в приложенной формуле изобретения.

Согласно этому способу алюминиевые элементы соединяются при использовании, по крайней мере, одного из элементов с адгезионным поверхностным слоем (покрытием) металла. Флюс наносится на поверхности состыкованных для соединения элементов. Состыкованные элементы быстро нагреваются до определенной температуры соединения и выдерживаются при такой повышенной температуре в течение определенного периода времени, после чего охлаждаются с образованием застывших спаев. Материалом покрытия является цинк или цинковый сплав. Наплавочный материал образуется между элементами на месте в результате диффузии, по крайней мере, части цинка из поверхностного слоя в элементы и плавления граничных цинк-алюминиевых сплавов, образующихся с увеличением температуры. Слой начального покрытия имеет толщину 2 20 мкм, наиболее предпочтительно, 4 6 мкм. Температура сочленения находится в интервале 382 630^oC, предпочтительно 500 620^oC.

На фиг. 1 представлена фазовая диаграмма бинарного сплава; на фиг. 2 - взаимно-диффузионный способ пайки, используемой скоростью нагревания и временем выдержки; на фиг. 3, 4 спаи между непокрытыми Al-ребрами и оцинкованными Al-трубками, полученные при различных циклах термообработки, как показано на фиг. 2.

Изобретение основано на новом и уникальном использовании диффузионного процесса, имеющего место при соединении пайкой алюминиевых элементов или элементов из алюминиевых сплавов, обозначаемых далее алюминиевыми элементами, проводимой в плавильных печах.

Цинковое покрытие толщиной 1 2 мкм обычно наносится на Al-тюбинг для коррозионной защиты только подложки и не является само по себе достаточным для обеспечения достаточного материала припоя (наплавочного материала) для получения адекватных спаев (швов) простым плавлением слоя покрытия. В традиционном способе низкотемпературной пайки (пайка мягким припоем) слой цинкового покрытия, превышающий 20 мкм (предпочтительно составляющий 30 50 мкм), требуется для того, чтобы обеспечить достаточный объем наплавочного материала. Однако, неожиданно было установлено, что Al-элементы, покрытые тонкими слоями цинка (цинкового сплава до 2 мкм толщиной) и специально термообработанные согласно настоящему изобретению, будут образовывать при данной температуре сочленения в результате диффузии цинка граничный Zn-Al-сплав) достаточного объема, и образующаяся на месте композиция расплавленного наплавочного материала приведет к получению спаев (швов) адекватного качества между соединенными Al-элементами.

На фиг. 1 изображена фазовая диаграмма системы Al-Zn-сплава, где вертикальные оси показывают температуру в^oC, а горизонтальные оси - процентное содержание цинка. Установлено, что в неравновесных условиях, которые имеют место при быстром нагреве, цинковое покрытие образует расплавленный или жидкий поверхностный слой при температурах, выше номинальной точки плавления (например, при 382^oC, в случае эвтектического Zn-5% Al-сплава). Таким образом, на границе между Al-подложкой и покрытием из цинкового сплава имеет место одновременно как растворение алюминия, так и диффузия цинка.

Этот жидкий слой постепенно растворяет граничные Zn-Al-сплавы, постепенно образующиеся на границе раздела жидкость/твердое вещество в результате диффузии цинка, когда увеличивается температура, общего расплавленного наплавочного материала, имеющего достаточный объем для получения шва. При определенной заданной температуре и в равновесных условиях, например, при температуре пайки 600^oC, весь материал, содержащий в избытке до примерно 15% цинка, будет лежать выше линии солидуса и будет, поэтому, жидким или частично жидким и, следовательно, способным к образованию швов.

Расчетом было определено, что зона плавления примерно 15 мкм будет достаточной для образования качественных швов между трубками и ребрами в каркасе темплообменника, имеющего шаг ребер примерно 3 мм. Минимальная начальная толщина покрытия, требуемая для образования зоны плавления желаемой толщины (слой направочного материала), зависит от температуры и времени. Таким образом, на основании AlZn-диаграмма и Zn-5% Al-сплава необходимая теоретическая толщина для обеспечения достаточного количества цинка для получения такого расплавленного слоя варьируется от 2 мкм при 620^oC до 15 мкм при 382^oC.

При более низких температурах соединения, для того, чтобы обеспечить достаточное количество жидкого материала для получения швов, требуется более толстое начальное цинковое покрытие. На практике целесообразно увеличить эту теоретическую начальную толщину в 1,5 2,0 раза для обеспечения образования надежных швов.

Даже если способ соединения согласно настоящему изобретению может быть применен в пределах целого ряда температур от обычной температуры пайки мягким припоем (ниже 450^oC) до температур пайки твердым припоем, наибольший потенциал, с точки зрения материала и экономии массы, имеет место, когда работает при более высоких температурах соединения (выше 500^oC). Фантастическая температура пайки твердым припоем (нижний предел) определяется температурой, при которой применяемый флюс становится активным, и образованный сплав пайки находится в расплавленном состоянии.

ПРИМЕР 1
На алюминиевые трубки было нанесено покрытие толщиной 2-4 мкм цинкового сплава, содержащего 5% Al, погружением трубки в ванну с расплавом цинкового сплава с обработкой ультразвуком. Плоские (непокрытые) Al-ребра и покрытые, как указано выше, Al-трубки были состыкованы для соединения, на поверхности элементов был нанесен флюс фторида калий-алюминия, после чего они были помещены в плавильную печь в атмосфере азота. Нагрев производился со скоростью 150^oC/мин, чтобы довести Al-элементы до температуры пайки твердым припоем. Как видно из рис. 2, использовались различные временные выдержки, при температуре пайки твердым припоем с последующим охлаждением.

На фиг. 2 представлена кривая "температура-время" процесса пайки твердым припоем, проводимого по способу изобретения. Кривая A представляет изменение температуры в печи для состыкованных для сочленения Al-элементов, нагретых со скоростью 36^oC/мин, и время выдержки примерно 5 мин при 583^oC. Соответственно, кривая B показывает скорость нагрева примерно 117^oC/мин и время выдержки примерно 3 мин при 585^oC.

Полученные швы, как показано на фиг. 3,4 (фотографии даны с увеличением 160x), представляющие условия пайки твердым припоем, показанные кривой A и кривой B, соответственно, имеют очень хорошее качество, показывающее гибкость способа.

Пример 2
Были повторены условия пайки твердым припоем из примера 1, за исключением того, что атмосферой печи был воздух вместо азота. Надежные швы были получены в области соединения с помощью наплавочного материала взаимодиффузионным способом, даже в отсутствие инертной атмосферы.

Пример 3
Алюминиевые трубки с нанесенным на них покрытием толщиной 20 мкм Zn-Al-сплава согласно примеру 1 были собраны с плоскими алюминиевыми заготовками ребер. После сборки на сочленяемую поверхность была нанесена флюссодержащая смесь хлоридов аммония и цинка и фторида натрия. Элемент был быстро нагрет в печи в атмосфере азота до 400^oC и выдержан при этой температуре в течение 2 мин с последующим охлаждением на воздухе. Надежные спаи были обеспечены, в основном, плавлением покрытия цинк-алюминиевого сплава на трубке.

Пример 4
Алюминиевые трубки с нанесенным на них покрытием толщиной 7,5 мкм Zn-Al-сплава согласно примеру 1 были собраны с плоскими алюминиевыми заготовками ребер. На соединяемые поверхности состыкованных элементов был нанесен флюс, как описано в примере 3, после чего сборка была быстро нагрета в печи в атмосфере азота до 500^oC и выдерживалась при этой температуре примерно 2 мин с последующим охлаждением на воздухе. Между трубкой и ребром были получены надежные спаи, где часть объема шва была обеспечена в результате диффузии цинка в алюминий и последующего плавления образованных граничных Al-Zn-сплавов.

Пример 5
На алюминиевые трубки было нанесено покрытие толщиной 2 4 мкм из цинкового сплава, содержащего 5% алюминия, по технологии напыления металла. Эти трубки были состыкованы с алюминиевыми ребрами, покрытыми флюсом согласно примеру 1, и быстро нагреты до 605^oC в атмосфере азота с последующей выдержкой в течение 1 мин и охлаждением на воздухе. Были получены надежные швы.

Пример 6
На алюминиевые трубки технологией напыления металлов было нанесено покрытие цинка толщиной примерно 4 мкм. Эти трубки были состыкованы с непокрытыми алюминиевыми ребрами, после чего на соединяемые поверхности был нанесен флюс согласно примеру 1. Сборка была нагрета до 580^oC в течение 2 мин в атмосфере азота с временем выдержки 1 мин с последующим охлаждением на воздухе. Были получены надежные швы.

Имеется ряд преимуществ, связанных с вышеуказанным способом соединения и конечной продукцией. Замена AlSi-плакировки, используемой в настоящее время на Al-заготовках ребер, на цинк/цинковый сплав на трубках дает 20% снижение массы каркасов теплообменников. Износ инструмента для формирования заготовок ребер будет снижать эффективность дальнейшей экономии при изготовлении. Одновременно достигается лучшая коррозионная защита в этом способе только за счет диффузии цинка в алюминиевую трубку, с получением расходуемого слоя.

Кроме того, настоящий способ позволяет использовать промышленные плавильные печи и процессы и имеет высокую степень гибкости, с точки зрения оптимальных параметров пайки, таких, как температура пайки и толщина покрытия. Может быть применен любой подходящий выпускаемый промышленностью флюс, обеспечивающий разрушение окисных слоев на поверхности сочленяемых элементов. Флюсы, содержащие галоген-компоненты, и в частности фториды щелочных металлов и алюминий, являются предпочтительными с точки зрения окружающей среды и коррозии. Флюсы могут также составлять часть фактической защитной атмосферы в печах. Способ сочленения может быть осуществлен в различных атмосферах печи, позволяя избежать использования дорогостоящего инертного газа.

Описанное выше изобретение не ограничивается показанными примерами. Другие цинковые сплавы, другие металлы, имеющие точки плавления ниже точки плавления Al-подложки, например, олово вместо цинка, могут быть применены без отступления от сущности настоящего изобретения.

Реферат

Использование: пайка алюминиевых элементов и конструкций с адгезионным покрытием из цинка или его сплава, в частности теплообменников. Сущность изобретения: на поверхность соединяемых элементов наносят флюс. Нагревают в печи до получения расплавленного слоя между соединяемыми элементами. Выдерживают их при данной температуре. Расплавляемый слой получают в виде граничных цинк-алюминиевых сплавов, образованных путем диффузии части материала поверхностного слоя в материал элементов. Толщина поверхностного слоя составляет 2 - 20 мкм, предпочтительно, 4 - 6 мкм. В печи поддерживают инертную или воздушную атмосферу. Температура соединения элементов может быть 450 - 620^oC. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула