用于制造钎焊式热交换器的方法和设备与流程
本发明涉及一种用于制造钎焊式热交换器、特别是由铝合金部件制成的热交换器的方法和设备。
背景技术：
由铝合金制品制成的热交换器广泛地用在诸如汽车工业等运输工业中，用于动力系统冷却和hvac&r应用，以及用于家用和工业冷却的用途，例如，用于流体处理和hvac&r应用。钎焊式热交换器通常包括至少一个或多个罐结构以保持冷却介质；与所述罐结构中的至少一个连接的管或集管板(headerplate)，所述集管板或管包括多个孔；以基本上平行的阵列安装的多个流体输送管连接到所述多个孔，各流体输送管从所述集管板或管内的所述孔中的一个孔基本垂直地延伸，并构造成接收所述冷却介质；多个传热翅片，所述翅片与所述多个流体输送管热连通，并构造成将热量从管中传递出去，以便在所述冷却介质在管中流动或循环时冷却所述冷却介质。
在这种钎焊式热交换器的制造过程中，首先制造各个部件(管、翅片和集管等)或子组件，其中这些部件中的至少一些部件由铝合金材料制成、包覆有填充合金(filleralloy)或钎焊材料，这允许通过钎焊来接合热交换器。然后，通过所谓的芯体构建机(corebuildermachine)来对各个热交换器部件进行组装。该过程可以是手动或全自动操作。在组装之后，通常将夹具或固定装置或加载装置放置在所组装的热交换器部件上，以将各种部件保持在一起，接着将固定的热交换器芯体组件传输到钎焊炉。对于需要大量和多种热交换器的汽车工业来说，一个或多个钎焊炉被数个芯体构建机供应，组装不同类型的热交换器并不罕见。
在现有技术的制造过程中，芯体构建和钎焊过程是分开的顺序工艺步骤，在两个单独的机器单元或设备布局中进行，从而在芯体构建机和钎焊炉之间需要许多处理和运输步骤。由于热交换器在钎焊之前仅被松散地组装，所以需要用钎焊夹具或框架对其进行紧固，如在专利文献us6,108,899中所公开的。
在专利文献us6,067,704中公开了示例性的芯体构建机，其通过引用并入本文。
本发明的一个目的是提高钎焊式热交换器制造、特别是钎焊式铝合金热交换器制造的效率和操作效能。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造钎焊式热交换器的方法和设备，其使用较少的工艺步骤、较少的处理操作和较少的半成品库存。
技术实现要素：
本发明通过提供根据权利要求1的钎焊式热交换器的制造方法和根据权利要求9的相应设备而满足或超过了这个和其他目的以及进一步的优点。在这里说明了并且在从属权利要求中阐述了本发明的优选实施方案。
如下文将理解的，除非另有说明，否则铝合金牌号和状态代号(temperdesignations)是指由美国铝业协会(aluminiumassociation)于2016年出版的“aluminiumstandardsanddataandtheregistrationrecords”中的“变形铝和变形铝合金的国际合金牌号和化学成分限值(internationalalloydesignationsandchemicalcompositionlimitsforwroughtaluminumandwroughtaluminumalloys)”，并为本领域技术人员所熟知。
对于合金组成的任何描述，除非另有说明，否则所提到的百分数均为重量百分数。
本发明的基本构思是将传统上分开的芯体构建和中央炉装置连接起来，并且允许具有专用工具的完全连续的热交换器制造单元，其将芯体构建和钎焊操作包含在单个的一体化过程中。这将允许这种单元或制造设备分散并共同定位成更靠近热交换器终端用户，例如，用于汽车应用，原始设备制造商(oem)的组装设施，从而改善了准时交付和对并列式机动车辆构建的支持。
因此，一种制造钎焊式热交换器的方法包括以下步骤：
a.提供用于热交换器装置的部件，特别是管、翅片、集管、侧方支撑件/侧方构件、支架和/或安装部件等；
b.在芯体构建机中对所述热交换器部件进行组装以形成至少一个未经钎焊的热交换器芯体；
c.在不从所述芯体构建机中移除所述至少一个热交换器芯体的情况下，利用钎焊工具装置至少部分地包围所述至少一个热交换器芯体，所述钎焊工具装置适于在所述至少一个热交换器芯体的周围形成完整或部分的腔室并且包括用于加热所述腔室的内部的装置；
d.任选地，至少部分地抽空所述腔室和/或用惰性和/或反应性气体至少部分地填充所述腔室；
e.对所述腔室中的所述至少一个热交换器芯体进行钎焊以形成至少一个钎焊式热交换器。
钎焊通常在530℃～615℃的温度范围内进行，更通常在570℃～610℃的温度范围内(例如，在约580℃或约600℃)进行。此外，钎焊优选进行足够长的时间，以使接合各种热交换器部件的存在于所述热交换器部件上的任何钎焊材料或填充金属熔化、润湿和铺展。
因此，钎焊工艺步骤与热交换器芯体构建工艺步骤相结合。首先，例如，通过本领域已知的方法在芯体构建机中组装热交换器部件。至少一些部件至少部分地覆盖有诸如填充合金等填充金属、产生填充金属的钎剂化合物或其他钎焊材料，其用于在钎焊时熔化、润湿和铺展以将热交换器部件接合在一起。例如，至少一些部件由铝合金钎焊板或由诸如管等挤出制品制成，该铝合金钎焊板在至少一个表面上包覆有由填充合金制成的包覆层或者涂覆有随着温度产生填充金属的物质，该挤出制品也可以包覆有填充合金或者涂覆有随着温度产生填充金属的物质。
由此，组装后但未经钎焊的热交换器芯体在钎焊之前未从芯体构建机中移除。而是，在芯体构建机中或与芯体构建机相邻或在线进行钎焊。在上下文中，“未移除”是指不需要人工干预，但是芯体构建机包含一个部分(其可以一体化到典型的芯体构建机设计中，但是也可以添加到传统或现有的芯体构建机中)，其中对热交换器芯体进行钎焊。
因此，本发明不需要典型的大型钎焊炉，不需要大量的资金投入和维护费用，原因是，作为扩展的芯体构建过程和开发的芯体构建机的一部分，钎焊操作所需的热量局部地传递到的组装的热交换器芯体。因此，仅在钎焊操作完成之后才从新的芯体构建机中去除该至少一个热交换器，这避免了其他元件中的钎焊夹和夹具的需要并且避免了任何相应的处理操作，从而也提供了每单位热交换器产生效率的可能循环时间和每单位热交换器效益的相关人工成本。
本发明的另一个优点是可以生产具有相关联的操作和调度益处的专用生产线。因此，无论何时何地需要钎焊式热交换器，都可以准时地进行生产，而不需要在芯体构建位置和钎焊操作位置之间以及在热交换器制造设施和终端用户设施之间的中间存储或运输。
通过根据本发明的方法，可以远程地定位这些新的热交换器制造单元，即，远离集中式钎焊炉设施，从而更靠近需要钎焊式热交换器来组装或构造最终产品(例如，机动车辆)的生产现场。这也允许热交换器生产与实际线路侧使用相平衡，并减少完整价值流中不同点处的不必要的半成品库存。因此，本发明的方法使在钎焊式热交换器的制造中的处理成本、物流成本和运输损坏损失(由于脆弱的热交换器结构所导致的)减少或最小化了。
根据优选实施方案，一次对一个或多个热交换器顺序地进行步骤(a)～(e)，从而该过程陆续地产生一个或多个钎焊的、接合或粘合的热交换器。
在大多数实施方案中，所述钎焊工具装置适于包围单个热交换器芯体。在不太优选的基础上，芯体构建机可以完成两个(或甚至更多，例如，三个或四个)热交换器芯体的组装，这些热交换器芯体在一个腔室中堆叠和钎焊。因此，一次制造至少一个热交换器。
钎焊步骤要求利用钎焊工具装置至少部分地包围所述至少一个热交换器芯体，所述钎焊工具装置适于在至少一个热交换器芯体的周围形成腔室并且包括加热所述腔室的内部的装置。在优选的实施方案中，腔室可以是气密的，以允许对所述腔室进行抽空和/或用惰性气体至少部分地填充所述腔室，可能的是，添加具有氧气获得特性或局部气氛改变特性的反应性气体来至少部分地填充所述腔室。
例如，钎焊工具装置由一个或多个工具元件形成。在优选的实施方案中，腔室由芯体构建工具(其例如是多个工具元件的组合)的一部分形成，该工具元件可以从非操作位置枢转或线性地移动到芯体组装和钎焊位置，腔室包围热交换器芯体并且优选地作为典型的芯体组装操作的一部分发生。
由钎焊工具装置在至少一个热交换器芯体的周围形成的腔室(也称为外壳)可以是敞开的或封闭的，但是优选地允许在热交换器芯体周围产生局部受控气氛和/或局部(部分或全部)真空。优选地，受控气氛应该具有尽可能低的氧含量，优选低于约200ppm，更优选低于约100ppm，例如，20ppm以下。此外，优选地，受控气氛应该是干燥的，这意味着露点低于-40℃，更优选为-45℃以下。在优选的实施方案中，受控气氛含有诸如氩气或氮气等惰性气体。
所述钎焊步骤包括优选地通过感应加热、辐射加热和/或传导加热中的一种来加热所述腔室中的所述至少一个热交换器芯体。也可以使用这些加热方法的组合，例如，钎焊工具装置中的感应线圈与散热器的组合。另外地或可选择地，可以采用多种钎焊和接合方法，例如(但不限于)激光焊接、电子束焊接、红外加热、扩散粘合，和/或使用其他粘合技术(例如(但不限于)使用粘合剂)和/或机械接合技术(诸如过盈配合、铆接、型锻等)。
因此，本发明允许将各种潜在的材料接合技术集成到热交换器芯体组装操作本身中，例如，感应钎焊、激光焊接、红外加热、真空钎焊、粘接等。
优选地，在芯体构建机和芯体构建方法中，在部件组装和尺寸确定阶段期间将热交换器组装、定位和夹紧在工具固定装置中，然后直接进行钎焊。例如，通过使用钎焊工具装置腔室形成局部真空并经由导电加热、辐射加热和/或感应加热来进行钎焊而完成钎焊，或者通过使用适当的材料选择和在局部受控气氛下的钎焊、再使用目标/局部导电加热、辐射加热和/或感应加热来完成钎焊。优选地，使用富含mg的aa4xxx系列填充合金、无钎剂材料和/或低熔点填充金属或类似物。
优选地，在钎焊之前未用钎剂处理所述热交换器芯体，即，使用无钎剂钎焊技术。这可能需要在热交换器部件中使用特殊的铝合金，其可以在不必施加钎焊钎剂来在钎焊期间破坏氧化物层的情况下进行钎焊。在实施方案中，钎焊芯体构建机使用反应性气体，即，包括氧气获得特性的反应性工艺气氛气体。可以加热这种反应性工艺气体。
在另一个实施方案中，但是在不太优选的基础上，芯体构建机包括或允许使用用于将钎焊钎剂材料(如基于
根据优选实施方案，如果需要，在组装热交换器芯体之前利用蒸发性和/或钎剂可溶性润滑剂对所述热交换器部件进行润滑。由此，可以避免或最小化现有技术制造过程中所需的在部件组装之后的脱脂步骤。在一些实施方案中，在钎焊步骤之前在所述腔室中产生至少部分真空，直到足够量的所述蒸发的润滑剂被抽空和过滤。由此，可以在没有单独的脱脂步骤的情况下，简单地通过在钎焊之前形成至少部分真空来去除润滑剂。可选择地，可以通过在局部气氛中预热组件(然后进行抽空和过滤)来实现蒸发性组分润滑剂的去除。
在优选的实施方案中，所述热交换器部件中的至少一些部件由铝合金钎焊板或具有填充合金的挤出管制成，所述铝合金钎焊板包括在一侧或两侧包覆有填充合金的芯层。所述芯层由选自aa1xxx、aa3xxx、aa5xxx、aa6xxx、aa7xxx或aa8xxx系列合金的铝合金制成。优选地，所述填充合金选自aa4xxx系列。
在优选的实施方案中，所述热交换器部件中的至少一些部件由包覆有属于aa4xxx系列的合金的铝合金钎焊板制成。
在另一个实施方案中，但是在不太优选的基础上，芯体构建钎焊机包括或允许使用含有、携带钎剂材料或与钎剂材料合金化的铝材料，例如，氟铝酸钾(potassiumfluoroaluminate)。
在实施方案中，在530℃～595℃、更优选550℃～585℃的较低温度下进行钎焊操作。这可以通过选择用于包覆钎焊板或挤出管的填充合金来实现。例如，具有5％～15％的si并且有目的地添加至多约10％的锌和/或铜以降低填充合金的熔点的aa4xxx系列铝合金可以用作包覆合金或接合材料。
循环时间，即完成组装和钎焊一个(或在一些实施方案中为数个)热交换器的一个循环所需的时间通常为1～45分钟，更通常为5～25分钟。
本发明还涉及一种用于制造至少一个钎焊式热交换器的设备，所述设备包括用于组装热交换器部件以形成至少一个未经钎焊的热交换器芯体的芯体构建机。所述芯体构建机包括：适于形成至少部分地包围至少一个热交换器芯体的腔室的钎焊工具装置；和用于将所述腔室的内部加热到所述至少一个热交换器芯体的钎焊温度并保持足够长的时间以使接合所述各种热交换器部件的填充金属或任何钎焊材料熔化和润湿的装置。
在优选实施方案中，在钎焊工具装置中包括加热装置。例如，钎焊工具装置可以包括至少一个元件或腔室壁，其例如包括一个或多个感应加热器，或者诸如通过电阻加热来加热的元件或腔室壁等其他加热装置，或者可以用对流加热器对腔室进行加热。
在优选实施方案中，钎焊工具装置或腔室外壳可以由高耐磨、耐温的工具和/或涂层构成，或者需要使用高耐磨、耐温的工具和/或涂层，例如，陶瓷工具元件。
根据另一个实施方案，所述设备可以包括与所述腔室互连以在所述腔室内形成减压或真空的真空泵。这种减压或真空优选适用于真空钎焊过程。在腔室内形成的减压或真空优选为中到高真空，对应于10～10-6pa。
此外，可以存在用于从腔室中抽取任何钎焊废气或烟雾的抽取系统，其符合相关的职业健康抽取要求。
可选择地或除此之外，所述设备可以包括配置成用惰性气体至少部分地填充腔室(并且在一些实施方案中，添加有反应性气体，即，受控气氛，)的惰性气体和/或反应性气体供应源或输送系统，和/或用惰性和可能的反应性气体包围热交换器芯体。因此，该设备适合于在受控气氛条件下进行钎焊过程，称为cab(controlledatmospherebrazing：受控气氛钎焊)过程。惰性气体优选为氮气，但是也可以是氩气或类似气体。少量添加的具有氧气获得特性的反应性气体可以用于降低局部含氧量并避免材料再氧化的风险。因此，优选地，由钎焊工具装置形成/限定的腔室是充分气密的，并且气体输送系统优选地包括用于实现和保持轻微过压的压力调节器。优选地，受控气体气氛应该具有尽可能低的氧含量，优选低于约200ppm，更优选低于约100ppm，例如，在20ppm以下。此外，优选地，受控气体气氛应该是干燥的，这意味着露点低于-40℃，更优选为-45℃以下。
在实施方案中，所述方法包括在钎焊之后特别是通过强制空气冷却来将钎焊式热交换器快速冷却到低于80℃的温度的进一步的步骤。这可以通过在芯体构建机上安装与冷却空气供应源或保护气体供应源连接的喷嘴来实现。
优选地，所述设备适于实施根据本发明的方法。因此，这里讨论的所有实施方案都适用于根据本发明的方法和设备。
附图说明
还参照附图对本发明进行说明，其中：
图1示出了根据现有技术的热交换器的制造过程的流程图；
图2示出了根据本发明实施方案的用于制造钎焊式热交换器的方法。
图3示意性地示出了由芯体构建机构成的示例性芯体构建过程；
图4是芯体构建机的示意性俯视图；
图5是根据本发明第一实施方案的芯体构建机的在热交换器芯体周围形成腔室的钎焊工具装置的示意性断面图。
图6是根据本发明第二实施方案的芯体构建机的在热交换器芯体周围形成腔室的钎焊工具装置的示意性断面图。
图7是根据本发明第三实施方案的芯体构建机的在热交换器芯体周围形成腔室的钎焊工具装置的示意性断面图。
在附图中，类似的部件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的钎焊式热交换器的制造过程的例子。首先，例如，通过从铝合金钎焊板或挤出管折叠或焊接管并由铝合金翅片坯料形成波纹翅片，在步骤52中制造诸如管、翅片和集管等各个热交换器部件。然后，在步骤53中将各个部件送入用于制造子组件的芯体构建机中，例如，将管和翅片交替堆叠在一起以形成热交换器的中间部分或“芯体”。在步骤54中，在芯体构建步骤中完成热交换器的最终组装。由于需要将所组装的、未经钎焊的芯体运输到钎焊炉，所以在步骤55中附接钎焊框架或固定装置以将热交换器芯体保持在一起。在步骤56中，将芯体从芯体构建机中移除、运输到别处并进行脱脂(步骤57)，以去除施加到热交换器部件上的任何润滑剂，从而有助于成形和组装。任选地，在步骤58中将钎剂施加到热交换器芯体上。此外，如果需要，可以在步骤59中使芯体脱水。需要指出的是，步骤57-59以及随后的钎焊和冷却步骤可以分批执行，但也可以连续地执行。
在步骤60中，可能来自于数个芯体构建机的热交换器芯体被运输到传统的集中式大型钎焊炉并进行钎焊，任选地随后在步骤61中(强制)冷却。然后，在步骤62中对钎焊后的热交换器进行分拣，随后进行最终组装(步骤63)、泄漏测试(步骤64)和其他质量控制检查，进一步的最终组装步骤，然后进行包装和运输(步骤65)。
在图2中示出了根据本发明的过程的实施方案。如前所述，在步骤52中制造诸如管、翅片和/或集管等热交换器部件，随后在步骤53中制造子组件。接着是新的步骤66，即，组合热交换器芯体的构建和钎焊步骤。这里，热交换器芯体被组装并且可能被夹紧在适于在热交换器芯体周围形成腔室的钎焊工具装置中。然后，在不移除热交换器芯体的情况下产生局部减压或真空或受控气体气氛并施加热量，从而对其进行钎焊。
钎焊步骤之后是最终组装63，如前所述，随后进行泄漏测试64并进行包装和运输(步骤65)。因此，现在省略或避免了包括附接钎焊框架、将未经钎焊的热交换器芯体从芯体构建机中移除并运输到现有技术中使用的钎焊炉的数个步骤，从而允许完全连续的生产。
图3示出了芯体构建机如何从管2、翅片4和集管6部分地组装热交换器芯体的实施方案。
堆叠多个单独的管2以形成管堆3。作为子组件制造的一部分(步骤53a)，管2被转位，使得管彼此间隔开。然后，提供翅片插入机构以将翅片4插入相邻的间隔开的管2之间。提供翅片/管压缩装置7以压缩翅片，使得管和翅片形成具有受控的几何形状和尺寸公差的中间组件或子组件5(步骤53b)。在步骤54中，附接集管、歧管和侧方支撑件6以形成未经钎焊的热交换器芯体8。在传统的芯体构建机中，将钎焊夹具附接到该芯体8，并将其从芯体构建机中移除并且传输到进一步的加工设备，特别是钎焊炉中。
在此步骤中，也可以通过机械技术(即，通过翅片和集管装置物理地使管扩展)来完成热交换器组装过程，以产生所谓的“机械组装的热交换器”芯体。该构建方式也可以应用于本发明的方法，其中该实施方案利用加热工具(即，感应加热)和受控气氛来(例如，通过钎焊或焊接)接合局部临界表面以用于热量传递和密封。
图4进一步示出了根据本发明的芯体构建机10的实施方案。通常，这种设备安装在工作台12上。管堆3设置在管仓或料仓13中。各管2被分配到工作台12上以进入管子转位装置中，该管子转位装置包括位于细长的工作台12的各侧面上的一对反向旋转的螺旋输送器(auger)、齿轮或皮带装置15。各螺旋输送器具有在其各自的表面中形成的螺旋槽或间隔部16，用于接收从管分配器组件分配的管2，并用于使管2彼此间隔开。这允许插入翅片4。一旦插入翅片4，则翅片/管定位和压缩机构7就开始工作以形成中间组件或子组件。该子组件5被传输到芯体组件或集管附接部18。这里，附接集管6或类似物，并且使集管压力机20沿箭头方向前进，以将集管6或类似物按压在管的端部上的适当位置中。这些压力机20可以通过驱动机构22前进。因此，形成热交换器芯体8。如果需要，也可以手动组合和/或插入管和翅片。
在图5～7所示的下一步骤中，对热交换器芯体8进行钎焊。在图5的断面图所示的实施方案中，压力机20保持在适当位置并且甚至可能与集管6接触。然而，板30形式的钎焊工具装置通过保持机构34(例如，可旋转机构)从上方降低，并且下降至压力机20附近，以在热交换器芯体8周围形成封闭腔室或外壳35。优选地，合适的密封件32供给在形成外壳的钎焊工具装置30,20的不同部分之间。腔室35的前壁可以由钎焊工具装置的另一部分(未示出)形成，并且所有开口可以设有合适的密封件。
由此，通过钎焊工具装置在热交换器芯体8周围形成腔室或外壳35。为了对热交换器芯体进行钎焊，仅将局部加热和可能的局部真空或受控气体气氛施加到腔室35。在图6中示出了其合适的设备的例子。
在该实施方案中，热交换器芯体8周围的腔室35由罩或压盘36形状的单件式钎焊工具装置36形成，该单件式钎焊工具装置36可以从上方下降到工作台12上。罩36和工作台12之间的空间可以适当地密封。为了能够向腔室35施加减压或真空，在罩(或相邻组件)中设有真空阀40，其通过真空管42与真空泵43或泵连接。在一些实施方案中，单独的/附加的泵(未示出)连接到腔室，并且可以用于经由合适的过滤系统从外壳35去除任何钎焊烟雾和/或蒸发的润滑剂。另外地或可选择地，腔室35可以通过阀门45和管46与惰性气体供应系统47连接，和/或与反应性气体供应源(未示出)连接。由此，腔室/外壳35可以填充有包含惰性气体的局部受控气体气氛(至少达到高于局部大气压的部分超压)，以用于钎焊。钎焊操作所需的热量可以由钎焊工具罩36、工作台12和工具20内的感应线圈38产生。可选择地或另外地，可以存在红外加热器或对流加热器或电加热器或其组合。
图7示出了另一个实施方案，其中腔室35未密封而是敞开的。其通过将板30或其他类型的钎焊工具装置下降到热交换器芯体8的顶部上来形成。然而，侧面仍然是敞开的，由此限定了向侧面敞开的空间35(敞开的腔室)，其可以通过管46和喷嘴50从气体供应源47产生受控气流而暂时地填充有惰性气体。未示出抽取。以这种方式，热交换器芯体8的关键元件可以至少部分地浸入诸如氮气或氩气或类似气体等流动的惰性气体中，以产生用于钎焊操作的局部受控气体气氛。另外，可以存在用于去除任何钎焊烟雾的装置(未示出)。钎焊操作所需的热量通过感应线圈38提供，在这种情况下感应线圈既位于钎焊工具板30中也位于工作台12中，并且位于侧方工具20中，由此在腔室35中形成局部加热环境。
本发明不限于前面说明的实施方案，其可以在由所附权利要求书限定的本发明的范围内广泛地变化。
附图标记列表
2管
3管堆
4翅片
5中间芯体组件
6集管或管架或类似物
7翅片/管压缩装置
8热交换器芯体
10芯体构建机
12工作台/机床
13管仓
14中间组件
15一对反向旋转的螺旋输送器、齿轮或皮带装置
16螺旋槽或间隔部
18集管附接部
20集管按压工具
22集管驱动机构
30钎焊工具板
32密封件
34保持机构
35腔室
36钎焊工具装置/罩
38感应线圈
40真空阀
42真空管
43真空泵系统
45惰性气体阀门
46管
50喷嘴装置
47惰性气体供应系统
52-65工艺步骤
66组合热交换器芯体的构建和钎焊步骤
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