Способ пайки теплообменника

17 мар 2014

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 твёрдыми припоями. Для защиты паяемой поверхности от окисления и повышения прочности паяного соединения в качестве покрытиия 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° С 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.

Нанесённое 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 1. Пластины и гофры, изготовленные из алюминиевого сплава АМц, в отожжённом 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, рН 7-8. Режим осаждения: температура 55-65 °С, 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 °С, 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° С 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. 

Авторы: Семенов В.Н., Костычев В.И.

Персона для контакта

Виктор Никонорович Семенов
Заместитель генерального директора по науке

ООО "МК ИНВЕСТ"

1210549, г. Москва, Бережковская наб., 6

О компании