專利名稱：將鋁合金翅片連接至鋼管的方法以及由此制造的換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將招合金肋片(rib)或翅片(fin)連接至鋼管(steel tube or pipe)的方法。此外，本發(fā)明涉及包含根據(jù)所述方法生產(chǎn)的單元或模塊的換熱器，尤其是用于工業(yè)設(shè)施和發(fā)電廠的換熱器。
背景技術(shù)：
例如，如同在歐洲專利申請(qǐng)EP-1553379-A1中所述，相關(guān)類型的換熱器通常具有在外表面上至少部分裝備有冷卻肋片的分配管。熱交換在如下情況中進(jìn)行:流經(jīng)管并發(fā)生冷卻的第一介質(zhì)(或流體)將其熱量散逸至該管周圍的冷卻肋片，所述冷卻肋片具有環(huán)繞其流動(dòng)的第二介質(zhì)或流體、例如尤其是冷卻空氣或者冷卻氣體，熱量被排放至第二介質(zhì)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，反向熱交換也是可能的。如果待冷卻的第一介質(zhì)在進(jìn)入換熱器時(shí)處于氣態(tài)，根據(jù)冷卻梯度可實(shí)現(xiàn)將其冷凝。因此，這一類型的換熱器也被用作冷凝器。在發(fā)電廠中，將此類冷凝器用來對(duì)汽輪機(jī)的廢汽加以冷凝。所述管通常為鋼管。鋼管與用以提供熱連通的鋁冷卻肋片或翅片之間的結(jié)合在焊接過程或釬焊過程中產(chǎn)生。為了這一目的，提供具有鋁鍍層的鋼管(例如通過軋制結(jié)合的方式)，并連接至鋁肋片。歐洲專利申請(qǐng)EP-1440759-A公開了用具有鋁外層、并具有連接至該外層(例如通過點(diǎn)焊或鉚接)的鋁肋片的鋼管生產(chǎn)換熱器的方法。將肋片以點(diǎn)支式固定至鋁外層，并通過用導(dǎo)熱材料填充表面與肋片間的空隙來增強(qiáng)二者之間的熱交換。已公開的美國專利申請(qǐng)N0.2008/0099183-A1公開了一種可釬焊、輥壓結(jié)合的復(fù)合金屬板，所述金屬板具有輥壓結(jié)合于至少一層鋁的鋼芯，所述金屬板適于制造換熱器管。所述鋼芯是滲鋁碳鋼、電鍍碳鋼或鋼絲網(wǎng)中的一種，并且外層的鋁是可釬焊的鋁合金，優(yōu)選是3003系列鋁合金。然而，將鋁板輥壓結(jié)合至鋼板是一種復(fù)雜而昂貴的工藝。已公開的美國專利申請(qǐng)N0.2009/0095447公開了一種將鋁肋片結(jié)合至鋼管的方法，所述方法包括如下步驟:提供表面鍍覆鋼管，表面鍍層具有至少20wt%的鋁；提供鋁肋片，所述鋁肋片優(yōu)選由純鋁制成；使所述表面鍍覆鋼管與所述鋁肋片接觸，并將各部件加熱至470°C _590°C的溫度。表面鍍覆鋼管通過具有至少20被％鋁、最優(yōu)選至少55wt%鋁的Al-Zn鍍層制成，并且所述表面鍍層僅施加于鋼管而并不施加至鋁肋片。在焊接過程中，在同時(shí)使用基于銫、優(yōu)選基于銫-鋁-氟化物(CeAlF)的釬劑的情況下，使鋼管與鋁翅片相連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供在釬焊操作期間無需使用釬劑的情況下，通過釬焊使鋁合金肋片或翅片連接至鋼管的方法。本發(fā)明通過提供將鋁肋片連接至鋼管的方法滿足或超出了這一目的和其他目的以及進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，所述方法包括如下步驟:(a)提供鋼管形式的第一部件，所述鋼管具有內(nèi)表面與外表面，其中至少所述外表面具有釬焊促進(jìn)層(braze-promoting layer)的形式的表面鍍層,所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬；(b)提供鋁釬焊板形式的、形成翅片的第二部件，所述鋁釬焊板包含鋁合金芯，在所述招合金芯的至少一側(cè)上包覆有填充合金(filler alloy),其中所述填充合金具有以
計(jì)包含以下元素的組成:Si 5% -15% ；Mg 0.03% -1% ；選自于由如下元素組成的組中的一種或多種元素:(Bi 0.02% -0.5%, Pb0.03%-0.4%和Sb 0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下)；Fe 0-約 1%;Cu 0-約 2%;Mn 0-約 1.5%;Zn 0-1.5% ；Ti 0-0.15% ；Sr 0-0.05% ；余量為鋁和附帶的雜質(zhì)。(c)使所述第一部件與所述第二部件接觸，以形成部件組件(assembly ofcomponents),并且釬焊促進(jìn)層朝向釬焊板的填充合金包覆層；(d)在不施用釬劑的情況下，將所述部件組件加熱，并隨后在550°C _615°C的釬焊溫度下保持在非活性氣體氣氛中，從而在這些部件的至少一個(gè)接觸點(diǎn)處形成永久結(jié)合；以及(e)冷卻經(jīng)釬焊的部件組件。
具體實(shí)施例方式將會(huì)明了的是，除非另作說明，下文中的合金牌號(hào)是指在2011年由美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)(Aluminum Association)出版的 Aluminum Standards and Data and the RegistrationRecords 中的 Aluminum Association designations。除非另作說明，對(duì)于合金組成或優(yōu)選的合金組成的任何描述而言，所指的百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。本文所使用的術(shù)語“至多”和“至多約”，明確地包括但不限于所述術(shù)語所涉及的特定合金組分的重量百分比為零的可能性。例如，至多約0.15%的Ti可包括不含Ti的合金。對(duì)于本發(fā)明的目的來說，下文中使用的術(shù)語“受控氣氛釬焊”或“CAB”是指將非活性氣氛(例如氮?dú)?、氬氣或氦?用于釬焊鋁合金制品的釬焊方法。其與真空釬焊的不同之處特別在于:對(duì)于CAB而言，釬焊操作期間爐中的釬焊氣氛約為常規(guī)大氣壓，盡管輕微的減壓(例如在0.1bar以上的壓力下作業(yè))或具有輕微的超壓可用于協(xié)助控制非活性氣氛并防止含氧氣體流入釬焊爐中。對(duì)于用作填充物(filler)的鋁合金而言，“芯”意味著作為結(jié)構(gòu)支撐物的鋁合金?！疤畛湮铩币馕吨糜趯⑿净蚱渌X制品釬焊至鋼管上的鋁合金?！鞍病?cladding)用于描述填充物覆蓋于芯的一個(gè)或兩個(gè)表面的用途，任選在芯和包覆層之間使用中間層，以起到擴(kuò)散阻擋物(diffusion barrier)的作用或改善釬焊后產(chǎn)品的抗腐蝕性。然后，該經(jīng)包覆的芯(cladcore)被稱作復(fù)合物或釬焊板?！敖呛缚p” (fillet)是指兩個(gè)表面間凹形的接合部。根據(jù)本發(fā)明所述的方法使得一個(gè)或多個(gè)鋁合金翅片形式的冷卻肋片連接至鋼管。該鋼管至少在其外表面上設(shè)置有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層的鋼管，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀以及它們的合金在內(nèi)的組中的一種或多種金屬。釬焊促進(jìn)層和具有填充合金(具有本文所述組成)的釬焊板的組合使用使得形成非常平滑的角焊縫。盡管仍可將此類鋁層用于作為換熱器管的鋼管的某些應(yīng)用，但是可將釬焊促進(jìn)層施加至鋼管上，而不需要進(jìn)一步將鋁或鋁合金層包覆至鋼管上。在受控氣氛釬焊方法中，本發(fā)明的填充合金還具有若干其它優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明涉及使用無釬劑釬焊方法將鋼管連接至鋁翅片，所述無釬劑釬焊方法不需要真空爐，也不需要釬焊釬劑、例如氟化物釬劑(如N0C0L0K )或基于銫的釬劑，也不需要其它昂貴、獨(dú)特的資本設(shè)備(capital equipment)。在含有非活性氣體的爐中，對(duì)零件(parts)或工件(workpieces)進(jìn)行釬焊。優(yōu)選進(jìn)氣中含有約200ppm以下的氧、更優(yōu)選IOOppm以下的氧、最優(yōu)選25ppm以下的氧。通過仔細(xì)控制填充合金中Mg和Bi的量，將這兩種元素有目的地添加到填充合金中，在無釬劑的受控氣氛釬焊方法中形成了良好的角焊縫。作為將Bi添加到填充合金中的替代方案，可用鉛或銻或它們的組合將Bi部分或全部地取代。然而，次優(yōu)選使用Pb和/或Sb。理想的情況是，僅將Bi以0.03% -約0.35%添加到填充合金中。優(yōu)選的上限是約0.2%。添加Bi的優(yōu)選下限是0.06%。應(yīng)仔細(xì)控制填充合金中的Mg含量，并且不應(yīng)超過I %。添加Mg的優(yōu)選上限是0.50%、更優(yōu)選約0.30%、最優(yōu)選約0.20%。通常，以約0.1 %或約0.08%的量加入Mg。目前，生產(chǎn)鋁釬焊板時(shí)的質(zhì)量和控制機(jī)制能夠達(dá)到上述目標(biāo)，并且將Mg控制在±0.01 %以內(nèi)的精確度。填充合金中Mg含量過高導(dǎo)致與受控非活性氣氛中的任何氧發(fā)生不希望的相互作用，并破壞光滑的、可接受的角焊縫的形成。填充合金中的Si含量應(yīng)為約3% -約15%，并優(yōu)選為約6% -約13%。例如，Si含量為約10%或約12.5%。存在于填充合金中的Fe的量主要取決于合金材料的來源，并至多可為約0.6%，優(yōu)選不高于約0.4%。Cu和/或Zn的任選添加使得填充合金的固相線溫度降低，從而填充合金在固相線溫度時(shí)開始溶融。作為晶粒細(xì)化劑(grain refiner)元素，存在于釬焊材料中的Ti至多可為約0.2%、優(yōu)選至多0.15%。存在于填充合金中的Mn可為0-約1.5%。當(dāng)作為雜質(zhì)存在時(shí)，可容許有0.3%的Mn。然而，還可有目的地添加0.3%-1.5%的Mn。更優(yōu)選的添加Mn的上限為1.0%。余量由不可避免的雜質(zhì)或附帶的雜質(zhì)以及鋁組成，通常每種雜質(zhì)最多為0.05%，并且雜質(zhì)總量最多為0.15%。在一個(gè)實(shí)施方式中，填充合金可進(jìn)一步含有0-0.05%的Sr，以改變所述填充合金中的硅，并改善釬焊操作中熔融填充物的流動(dòng)性。翅片材料由釬焊板形式的包覆翅片坯料(fin stock)制成，所述釬焊板包含鋁芯合金，在所述招芯合金的至少一側(cè)上包覆有填充合金。優(yōu)選所述芯合金由來自于lxxx、2xxx、3xxx、5xxx、6xxx 或 7xxx 系列合金(例如 AA1230、AA3003、AA3004、AA3005、AA6060、AA6063、AA8006、或者AA8011型合金)的鋁合金制成?？赏ㄟ^各種技術(shù)制造本發(fā)明使用的釬焊板材料。例如，通過本領(lǐng)域公知的軋制復(fù)合法(roll bonding)?；蛘?可通過熱噴涂技術(shù)將填充合金層施加到芯合金層上。又或者，可通過例如在國際申請(qǐng)W0-2004/112992、W0-2010/000553和W0-2010/114740中各自公開的澆鑄技術(shù)，制造芯合金層以及填充合金包覆材料。在實(shí)施方式中，填充合金形成由單個(gè)包覆層所制成的包覆層，例如在國際申請(qǐng)W0-2010/052231中所公開的內(nèi)容，以引用的方式將其并入本文。在實(shí)施方式中，填充合金形成由兩個(gè)或多個(gè)包覆層所形成的包覆層。兩個(gè)或多個(gè)包覆層在釬焊過程中熔融后，即形成具有本文所述的化學(xué)組成的填充合金。例如，如在國際申請(qǐng)W0-2008/155067、W0-2010/000666和W0-2011/034496中各自所公開的內(nèi)容，以引用的方式將其全部并入本文。在實(shí)施方式中，填充合金包覆層具有內(nèi)表面和外表面，所述內(nèi)表面朝向芯，所述外表面不具有任何包含鎳、鈷、鐵、鈀或其合金的金屬層。由于鋼管已經(jīng)設(shè)置有釬焊促進(jìn)層，因此，不需要將此類層設(shè)于填充合金層上。鋼管上的釬焊促進(jìn)層的厚度通常為0.05-1.0 U m。可將包含選自于由鎳、鈷和鈀以及它們的合金(例如，鎳-鉛合金或鎳-鈷合金)所組成的組中的一種或多種金屬的釬焊促進(jìn)層，施加至形成鋼管的鋼的外表面，施加的方法選自于由如下方法所組成的組:軋制復(fù)合、熱浸鍍、電弧噴鍍、熱噴鍍、低溫動(dòng)能金屬化(low temperature kinetic energy metallization)、高速低壓鍍覆、電鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、和施用粉狀金屬混合物。可將釬焊促進(jìn)層施加于鋼管上?；蛘?，可將所述釬焊促進(jìn)層施加于鋼板上，從而例如形成鎳或鎳合金鍍覆的鋼板，隨后使所述經(jīng)鍍覆鋼板形成例如焊接鋼管，該鋼管至少在其外表面上具有所述釬焊促進(jìn)層。在對(duì)鋼板施加釬焊促進(jìn)層之前，可對(duì)鋼板進(jìn)行鍍鋁，從而將所述釬焊促進(jìn)層施加至鋁層的外表面上。本發(fā)明進(jìn)一步涉及換熱器管，所述換熱器管由具有內(nèi)表面和外表面的鋼管制成，所述外表面具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬，所述鋼管進(jìn)一步具有一個(gè)或多個(gè)鋁合金翅片，使用本發(fā)明所述的方法將所述鋁合金翅片連接至所述鋼管的外表面。此類換熱器管可具有單行設(shè)計(jì)的冷卻翅片或多行設(shè)計(jì)的冷卻翅片，并可制成零件作為換熱器裝置(尤其是用于工業(yè)設(shè)施與發(fā)電廠中)的模塊。在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明涉及填充合金用于將鋁合金翅片連接至鋼管外表面的用途，該填充合金具有以計(jì)包含如下元素的組成:Si 5% -15% ；Mg 0.03% -1% ；選自于由如下元素組成的組中的一種或多種元素；(Bi 0.02% -0.5%, Pb0.03%-0.4%和Sb 0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下)；Fe 0-約 I % ;Cu 0-約 2%;Mn 0-約 1.5%，Zn 0-1.5% ；Ti 0-0.15% ；Sr 0-0.05% ；余量為鋁和附帶的雜質(zhì)；所述鋼管具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬。優(yōu)選所述連接在550°C _615°C的溫度下通過釬焊進(jìn)行，并且不使用釬劑。更優(yōu)選地，在非活性氣體氣氛中進(jìn)行所述釬焊。提供下述實(shí)施例以進(jìn)一步闡明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。然而，并不打算以任何方式對(duì)本發(fā)明的范圍加以限定。實(shí)施例使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的石英爐，通過CAB方法非常成功地將與W0-2010/000666的實(shí)施例1(以引用的方式將其并入本文)中所公開的材料相同的釬焊板材料連接至可商購的Ni鍍覆碳鋼。在常壓氮?dú)饬飨虑已鹾啃∮?0ppm時(shí)，對(duì)材料進(jìn)行加熱，將材料從室溫加熱至600°C，在600°C下保溫I分鐘，再從600°C冷卻至室溫。通過形成非常平滑的角焊縫而形成了可靠的結(jié)合。在已經(jīng)詳細(xì)描述了本文所述技術(shù)的各種實(shí)施方式的情況下，很明顯本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)想到對(duì)那些實(shí)施方式進(jìn)行改進(jìn)和修改。然而，應(yīng)確切明自的是，這些改進(jìn)和修改均處于本文所公開的技術(shù)的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.使鋁肋片連接至鋼管的方法，所述方法包括如下步驟: (a)提供鋼管形式的第一部件，所述鋼管具有內(nèi)表面和外表面，其中至少所述外表面具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬； (b)提供鋁釬焊板形式的、形成翅片的第二部件，所述鋁釬焊板包含鋁合金芯，在所述鋁合金芯的至少一側(cè)上包覆有填充合金，其中所述填充合金具有以wt%計(jì)包含如下元素的組成: Si 5%-15% ； Mg 0.03%-1% ； 選自于由以下元素組成的組中的一種或多種元素:Bi 0.02%-0.5%、Pb 0.03%-0.4%和Sb 0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下；Fe 0-約 1%;Cu 0-約 2%；Mn 0-約 1.5%:Zn 0-1.5%:Ti 0-0.15%: Si 0-0.05%； 余量為鋁和附帶的雜質(zhì)。
(c)使所述第一部件與所述第二部件接觸，以形成部件組件，并且所述釬焊促進(jìn)層朝向所述釬焊板的填充合金包覆層； Cd)在不施用釬劑的情況下，將所述部件組件加熱，并隨后在550°C _615°C的釬焊溫度下保持在非活性氣體氣氛中，從而在這些部件的至少一個(gè)接觸點(diǎn)處形成永久結(jié)合；以及(e)冷卻經(jīng)釬焊的部件組件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述填充合金中，由B1、Pb和Sb的組中僅選擇Bi。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述填充合金形成由單個(gè)包覆層所制成的包覆層。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述填充合金形成由兩個(gè)或多個(gè)包覆層所形成的包覆層。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中，所述填充合金包覆層具有內(nèi)表面和外表面，所述內(nèi)表面朝向所述芯，所述外表面不具有任何包含鎳、鈷或其合金的金屬層。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述釬焊促進(jìn)層包含鎳或鎳合金。
7.由具有內(nèi)表面和外表面的鋼管制成的換熱器管，所述外表面具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬，所述鋼管進(jìn)一步具有一個(gè)或多個(gè)鋁合金翅片，使用權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法將所述鋁合金翅片連接至所述鋼管的外表面。
8.填充合金用于將鋁合金翅片連接至鋼管外表面的用途，所述填充合金具有以wt%計(jì)包含如下元素的組成: Si 5%-15% ； Mg 0.03%-1% ； 選自于由如下元素組成的組中的一種或多種元素:Bi 0.02%-0.5%、Pb 0.03%-0.4%和Sb 0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下；Fe 0-約丨％;Cu 0-約 2%；·Mn 0-約 1.5%；Zn 0-1.5%；Ti 0-0.15%；Sr 0-0.05%: 余量為鋁和附帶的雜質(zhì)； 所述鋼管具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬。
9.填充合金用于使鋁合金翅片連接至鋼管外表面的用途，所述填充合金具有以wt%計(jì)包含如下元素的組成: Si 5%-15% ； Mg 0.03%-1% ； 選自于由如下元素組成的組中的一種或多種元素:Bi 0.02%-0.5%、Pb 0.03%-0.4%和Sb 0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下；Fe 0-約丨％;Cu 0-約 2%;Mn 0-約 1.5%:Zn 0-1.5%；Ti 0-0.15%；Si 0-0.05%； 余量為鋁和附帶的雜質(zhì)； 所述鋼管具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬，其中所述連接在550°C _615°C的溫度下通過釬焊進(jìn)行，并且不使用釬劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及將鋁肋片連接至鋼管的方法，所述方法包括如下步驟(a)提供鋼管形式的第一部件，所述鋼管具有內(nèi)表面和外表面，其中至少所述外表面具有釬焊促進(jìn)層形式的表面鍍層，所述釬焊促進(jìn)層包含選自于包括鎳、鈷和鈀在內(nèi)的組中的一種或多種金屬；(b)提供鋁釬焊板形式的、形成翅片的第二部件，所述鋁釬焊板包含鋁合金芯，在所述鋁合金芯的至少一側(cè)上包覆有填充合金，其中所述填充合金具有以wt%計(jì)包含如下元素的組成Si5-15%；Mg0.03-1%；選自于由如下元素組成的組中的一種或多種元素(Bi0.02%-0.5%、Pb 0.03%-0.4%和Sb0.03%-0.4%，并且這些元素的和為0.5%以下)；余量為鋁；(c)使所述第一部件與所述第二部件接觸，以形成部件組件，釬焊促進(jìn)層朝向釬焊板的填充合金包覆層；(d)在不施用釬劑的情況下，將所述部件的組件加熱，并隨后在550℃-615℃的釬焊溫度下保持在非活性氣體氣氛中，從而在這些部件的至少一個(gè)接觸點(diǎn)處形成永久結(jié)合；以及(e)冷卻經(jīng)釬焊的部件組件。
文檔編號(hào)B23K1/20GK103221212SQ201280001053
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者阿德里安魯斯·雅各布斯·維滕布魯?shù)? 史蒂文·柯卡姆, 阿希姆·畢爾格, 克勞斯·維耶埃格 申請(qǐng)人:愛勵(lì)軋制產(chǎn)品德國有限責(zé)任公司