专利名称：钎焊铜制热交换器及其利用焊接的制造方法
技术领域：
本发明涉及铜制热交换器的一种(硬)钎焊/铜焊(braze)工艺、热交换器的一种焊接制造工艺、用这一工艺制造的热交换器以及其用于气体特别是空气的分离的应用。
背景技术：
通常通过首先把叠合的板件和翅片硬钎焊在一起形成一基体，并在此后加上一个或多个用来收集和分配在该设备中处理的流体的流体收集容器来制造铜制热交换器。
也称为集管的该流体收集容器用公知方式通过焊接安装并固定在该热交换器的钎焊基体上。
在利用焊接的铜/铜连接的一般情况下，常见的做法是把铜合金(铜/镍合金或铜/铝合金等)用作填充物(filler product)，因为它比纯铜使用起来方便。
但是，在一热交换器制作过程中把一个或多个集管连接到一钎焊基体的特殊情况下，连接集管与基体的焊缝必然与把组成该热交换器该部分的板件与翅片连接在一起的被焊料-填充的间隙相交。
当前使用两种焊料合金来钎焊铜，即非常昂贵的铜/银合金和便宜得多、但一般含有重量百分比为约5％-8％的磷的铜/磷合金。加银或磷可大大降低合金的熔点，一般比纯铜降低几百摄氏度，这对钎焊来说至关重要。
但是，使用加有磷的铜合金来钎焊以制造由钎焊板件与翅片形成的基体会出现几个问题。
这是因为，在把钎焊基体焊接到比方说一铜制收集容器上时，基体的待焊接的连接平面中的钎焊区会与用来生成该钎焊基体与待焊接到基体上的容器的壁之间的焊接接头的焊接合金混合。
由于焊池的温度远高于钎焊温度，因此这会造成磷的蒸发，从而造成气眼/多孔性，且特别是会造成使用常用填充物如此生成的焊接接头的脆化，因为通常用于焊接的合金中的磷的溶解度极低。在接头凝固过程中这造成磷的大量析出(segregation)，从而形成富含磷的易碎区。
这会造成如此制成的热交换器发生焊接接头开裂、泄漏或其它密封问题。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种能减轻上述问题的用来制作硬钎焊铜制热交换器的改进的焊接工艺，以及由这一工艺获得的、没有泄漏问题或密封不良问题的改进的热交换器。
换句话说，待解决问题是能有效焊接热交换器的各部件而不形成富含磷的易碎区，并从而提供一种用于热交换器的焊接工艺，该工艺使得所生成的热交换器的强度比其基本组成部件用传统工艺焊接的热交换器高。
因此本发明涉及一种将至少一个金属工件电弧焊接到一包括至少一个其中的焊料含有铜和磷的钎焊区的基体上的工艺，在该工艺中，按照下列相继的步骤进行一过程(a)把至少一层纯铜或其中的磷在凝固(solidification)温度下的溶解限度为0.1-3.5％的铜合金沉积在该钎焊区的至少一部分上；以及(b)把该金属工件焊接到步骤(a)中所沉积的所述至少一层铜上。
在本发明中，百分比(％)指重量百分比。
视情况的不同，本发明工艺可包括一个或多个以下技术特征-在步骤(a)中，铜合金中磷在凝固温度下的溶解限度为约0.5-3.5％，最好为约1-3.5％；-在步骤(a)中，沉积几个基于铜的层，所述层的至少部分地互相重叠；
-钎焊基体还含有选自Sn、Ag和Zn的至少一种钎焊元素；-构成步骤(a)中沉积的层的铜或铜合金还含有选自锡、硅、锰、铁和镍的至少一种另其它元素；-该焊料含有3-10％的磷、0-15％的银和0-1％的镍和/或步骤(a)中沉积的层含有低于1％的锡、低于0.5％的锰、低于0.5％的硅和低于0.05％的铁；-如下进行步骤(a)的至少一层铜的沉积(i)局部预热待涂覆铜的区域，以及(ii)向在步骤(i)中预热的区域提供铜并使其沉积，用电弧熔融铜；-用一个或多个电弧，最好是至少一个由TIG或等离子体焊枪生成的电弧对步骤(i)的待涂覆铜的区域进行预热；-在步骤(ii)中所提供的铜为铜丝形式，且用来熔融所述铜丝的电弧由至少一个MIG焊枪产生；-在步骤(b)中，用MIG、TIG或等离子体工艺或这些工艺的组合，最好是脉冲MIG工艺焊接工件(1)；-钎焊基体由用形成所述板件之间的间隔物的翅片隔开的若干叠合板件支承，所述翅片和所述板件互相钎焊在一起而形成所述钎焊基体；-该工件为一形成一热交换器的一部分的流体收集和/或分配容器的一组件，所述工件最好用铜或不锈钢制成；-沉积在该基体上的该层的宽度足以使得在工件与所述层之间生成焊接接头且不会使基体钎焊区中的额外元素进入所述接头中。
本发明还涉及一种用于制造硬钎焊铜制热交换器的工艺，其中，用本发明焊接工艺把热交换器的至少一个最好是由铜制成的流体收集和分配容器焊接到几个由形成所述板件之间的间隔物的翅片隔开的并支承至少一个钎焊基体的板件形成的叠上。
本发明还涉及一铜制热交换器，包括至少一个焊接到一由几个由形成板件之间的间隔物的翅片隔开的板件的叠支承的钎焊基体上的流体收集和分配容器，其特征在于，所述容器焊接到至少一个纯铜层或其中磷在凝固温度下的溶解限度为约0.1-3.5％的铜合金层上，所述至少一个铜层沉积在所述钎焊基体上。该焊接的流体收集和分配容器最好由铜或不锈钢制成。
按照另一方面，本发明还涉及一分离流体特别是气体混合物的装置，该装置包括至少一个本发明交换器，所述装置最好为一低温空气分离装置。
按照另一方面，本发明涉及一种分离流体特别是气体混合物的工艺，其中使用至少一个本发明的热交换器，该流体最好是空气。
更一般地，本发明还涉及一种涂覆一包括至少一个钎焊区的基体的工艺，该钎焊区的焊料含有铜和磷，其中按照以下步骤进行一过程(1)通过施加至少一个第一电弧预热所要涂覆的该区；(2)提供可熔融铜丝形式的铜并用至少一个第二电弧不断熔融所述铜丝，使得用第二电弧熔融的铜沉积在步骤(1)中用第一电弧预热的区域上，所述铜丝由纯铜或其中磷在凝固温度下的溶解限度为约0.1-3.5％的铜合金构成；以及(3)使得熔融的铜凝固成至少一铜层。
本发明示出在附图中。
具体实施例方式
图1示出适用于把一工件1，例如一热交换器的一流体收集和分配容器焊接到一钎焊3的基体2，例如一通过钎焊由形成间隔物的翅片12隔开的板件11叠形成的一热交换器的钎焊基体2上的本发明原理，钎焊基体的详情见图2。
为避免上述焊缝4开裂的问题，工件1不是象现有技术通常所做的那样直接焊接到具有由一般含有低于10％的磷或可选地其它化合物的铜合金形成的钎焊区3的基体2上。
这是因为已经发现，在按现有技术操作中，在把集管焊接到一热交换器的钎焊基体上时，钎焊热交换器(基体)的小厚度被熔融的焊接材料熔融，焊料然后与金属沉积物(焊接接头)混合，但在整个沉积物中并不是均匀的。
在靠近焊料的熔融金属中，出现焊料所含元素的局部富集(enrichment)。在这些元素中，本发明的发明人已经证明，如果在由沉积金属、热交换器的铜和焊料的不均匀混合造成的“局部合金”中磷的局部浓度超过溶解限度，则磷是造成现有技术中开裂问题的根源。
按照本发明，为避免由磷造成的这一开裂问题，首先在有焊料3的基体2的表面上沉积一个或多个纯铜或铜合金的重叠的层5、6、7，以构成然后焊接在其上的工件1的一个基底；盖住钎焊表面3的这些重叠的铜层5、6、7称为“涂膏”层。
这样，沉积在基体2的钎焊接缝3在其上终止的表面上的铜“涂膏”层5、6、7构成一隔断，防止焊接接头4受在接下来将工件1焊接到涂膏层5-7的过程中来自焊料3中有害元素的再生(resurgence)的污染。
事实上，如此形成的铜层5-7作为稀释物可接受大量污染物，例如对于磷上达约3.5％的重量百分比而不会由此造成严重劣化。3.5％的最大值对应于磷在如此形成的合金的凝固温度下在纯铜中的溶解限度，一种元素(磷)在另一种元素(铜)中的溶解限度在金相学中定义为可与第二元素形成合金而不出现次生相(second phase)的第一元素的最大含量；参见Dr.M.Hansen所著Constitution of binary alloys，McGraw-Hill BookCompany，Inc。
按照本发明，工件1由此沿焊接接头4焊接到预先沉积在钎焊基体3上的铜涂膏层5-7上，而不是象现有技术那样直接焊接到钎焊区3上。
但是，由于与大多数合金不同，铜在一固定温度而不是在一温度范围内熔融、凝固，因此用一种铜填充物焊接铜时会发生困难。因此，对于焊工来说很难处理焊池，且所生成的焊珠通常是不良“润湿的”，即焊珠的的侧部与基底金属的连接不良，焊住常常具有焊接缺陷即焊料“覆盖”在未熔融的基底金属上。
可通过预热热交换器来试图克服这些问题，但由于铜的热传导率很高，这种操作很难控制，供应给焊接区的热量很快扩散到整个热交换器中，这意味着必须把整个热交换器加热到预热温度例如300℃。因此，可以理解，这样做费时又费钱，且可造成涂膏层出现缺陷，因为这造成希望的焊珠沉积在其上的表面氧化。
为避免所有这些缺点，对实施本发明进行的试验表明，如果MIG焊枪位于相对焊接方向的横向或纵向而设置的一电弧、例如不受约束(deconfined)的等离子体或TIG电弧，或几个电弧前方几厘米处可无须对待焊接区进行预热。这可提供非常局部性的但有效的预热，因为由于等离子体或TIG电弧的预热行程/道次(pass)与沉积填充金属的MIG焊枪的行程之间经历的时间很短，由预热电弧如此提供的热量来不及大量扩散到热交换器的质量/体部中。
另一种令人满意的解决办法是使用一等离子体/MIG混合焊枪，其特征在于，具有一围绕填充物丝和MIG电弧的等离子体电弧。
当希望使污染物最少时，采用几个焊接行程是有利的，因为由此可获得几个重叠的纯铜“涂膏”层5-7。
当然，涂膏层5-7具有足够的厚度，涂膏层可由纯铜，适当的情况下也可由其中磷在凝固温度下的溶解限度足够高、例如为0.5-1％的铜合金形成，从而能足够地稀释来自焊料并被引入涂膏层5中的磷，以防止产生裂缝，并可形成另一焊缝4而不会危及该结构的整体性。
这一工艺特别好地适用于制造可用于分离气体特别是低温蒸馏塔中低温气体的钎焊热交换器。
热交换器的详细结构在工业上是公知的，因此在此不作说明，可特别参见互联网网站www.alpema.org或“The Standards of the BrazedAluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Association”，ALPEMA，Second Edition，2000。
图2和3示意性地示出这种铜制热交换器10的钎焊区详细的剖面图，图中示出，该热交换器包括一金属板或片11的叠，所述金属板由形成所述金属板11之间的间隔物的翅片12隔开。所述翅片12钎焊在板11的端部从而形成一钎焊3基体2(也参见图1)，用来收集和分配热交换器10中的流体的一个或多个结构或容器1必须焊接在该基体上。
按照本发明，如上结合图1所说明的那样，在热交换器10的基体2的该钎焊区3的外表面上形成成“涂膏”区5-7之后，把所述流体收集和分配容器或结构焊接到这一或这些可含有合金元素或不可避免的杂质的纯铜“涂膏”层5-7上。
如上所述，为进行“涂膏”行程，首先对待涂覆区进行局部预热，并然后在该经预热区上沉积熔融的铜，可用可熔融基于铜的金属丝的形式供给所述铜，使用一电弧、特别是借助于MIG焊枪熔融所述金属丝。优选使用MIG工艺，因为这一焊接工艺比TIG工艺在熔融金属的液态池中形成更大运动，从而防止某些有害元素如磷特别是在“涂膏”焊珠5的跨过焊料的区域中局部地集中/浓缩。
此外，为把工件(集管容器)焊接到涂覆铜的钎焊区上，使用电弧焊枪如MIG(金属焊条惰性气体保护)焊枪、TIG(钨极惰性气体保护)焊枪或等离子体焊枪或这些焊枪的组合，例如等离子体-MIG焊枪或MIG-TIG焊枪。
为此，可提供铜/镍或铜/铝类填充物作为补充，或者，当希望在铜覆盖的区域与一不锈钢工件如一流体集管之间形成连接时，可提供使用镍或镍合金类的其它填充物。事实上，在制造热交换器时，可选择-把不锈钢流体集管直接焊接到铜层5、6、7上，或者-如图3所示把不锈钢流体集管21(用焊接接头20)焊接到一本身焊接到铜层5、6、7上的铜制中间工件1上。
本发明焊接工艺特别适用于制造可用于分离空气气体、特别是低温蒸馏塔中低温气体的钎焊热交换器，因为这些热交换器比现有热交换器应更能防止开裂问题。
权利要求
1.一种用于将至少一个金属工件(1)电弧焊接到一包括至少一个钎焊区(3)的基体(2)上的工艺，所述钎焊区的焊料含有铜和磷，其中按照下列相继的步骤进行一过程(a)将至少一个纯铜或一种其中磷在凝固温度下的溶解限度为0.1-3.5％的铜合金的层(5、6、7)沉积在该钎焊区(3)的至少一部分上；以及(b)把该金属工件(1)焊接到步骤(a)中所沉积的所述至少一个铜层(5、6、7)上。
2.按权利要求1所述的工艺，其特征在于，在步骤(a)中，所述铜合金中的磷在凝固温度下的溶解限度为约0.5-3.5％，最好为约1-3.5％；
3.按权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，在步骤(a)中，沉积几个基于铜的层(5、6、7)，所述层的至少部分地互相重叠。
4.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，钎焊基体还含有选自Sn、Ag和Zn的至少一种钎焊元素。
5.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，构成步骤(a)中的沉积的层(5、6、7)的铜或铜合金还含有选自锡、硅、锰、铁和镍的至少一种其它元素。
6.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，该焊料含有3-10％的磷、0-15％的银和0-1％的镍和/或步骤(a)中的沉积的层(5、6、7)含有低于1％的锡、低于0.5％的锰、低于0.5％的硅和低于0.05％的铁。
7.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，如下进行步骤(a)的至少一个铜层(5、6、7)的沉积(i)局部预热待涂覆铜的区域，以及(ii)向步骤(i)中预热的区域中提供铜并使其沉积，铜由电弧熔融。
8.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，用一个或多个电弧，最好是至少一个由TIG或等离子体焊枪生成的电弧对步骤(i)的待涂覆铜的区域进行预热。
9.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在步骤(ii)中提供铜丝形式的铜，且用来熔融所述铜丝的电弧由至少一个MIG焊枪生成。
10.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，在步骤(b)中，用MIG、TIG或等离子体工艺或这些工艺的组合、最好是脉冲MIG工艺焊接工件(1)。
11.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，钎焊(3)基体(2)由一个用形成所述板件(11)之间的间隔物的翅片(12)隔开的几个板件(11)的叠支承，所述翅片(12)和所述板件(11)互相钎焊在一起而形成所述钎焊(3)基体(2)。
12.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，该工件(1)为一形成一热交换器的部件的流体收集和/或分配容器的一组件，所述工件(1)最好用铜或不锈钢制成。
13.按上述任一权利要求所述的工艺，其特征在于，沉积在该基体(2)上的所述层(5)具有一宽度，该宽度足以允许在工件(1)与所述层(5)之间形成一焊接接头(4)且不会使来自基体(2)的钎焊区(3)中的额外元素结合进入到所述接头(4)中。
14.一种用于制造钎焊铜制热交换器的工艺，其中，利用按上述任一权利要求所述的焊接工艺把热交换器(10)的至少一个最好是由铜制成的流体收集和分配容器(1)焊接到一由形成所述板件(11)之间的间隔物的翅片(12)隔开的并支承至少一个钎焊(3)基体(2)的板件(11)的叠上。
15.一铜制热交换器(10)，包括至少一个在(4)焊接到一由一几个板件(11)的叠支承的钎焊(3)基体(2)上的流体收集和分配容器(1)，板件由形成所述板件(11)之间的间隔物的翅片(12)隔开，其特征在于，所述容器(1)焊接到至少一个纯铜或其中磷在凝固温度下的溶解限度为约0.1-3.5％的铜合金的层(5、6、7)上，所述至少一个铜层(5、6、7)沉积在所述钎焊(3)基体(2)上。
16.按权利要求15所述的热交换器，其特征在于，在(4)处焊接的所述流体收集和分配容器(1)由铜或不锈钢制成。
17.用于分离流体特别是气体混合物的装置，包括至少一个按权利要求15或16所述的交换器(10)，所述装置最好为一低温空气分离装置。
18.分离流体特别是气体混合物的工艺，其中使用至少一个按权利要求15或16所述的热交换器，该流体最好是空气。
19.一种用于涂覆一包括至少一个钎焊区(3)的基体(2)的工艺，该钎焊区的焊料含有铜和磷，其中按照以下步骤进行一过程(1)通过对所述区施加至少一个第一电弧预热该待涂覆的区；(2)提供可熔融铜丝形式的铜，并用至少一个第二电弧逐渐熔融所述铜丝，使得用第二电弧熔融的铜沉积在步骤(1)的用第一电弧预热的区上，所述铜丝由纯铜或一种其中磷在凝固温度下的溶解限度为约0.1-3.5％的铜合金构成；以及(3)使得熔融的铜凝固成至少一铜层。
20.按权利要求19所述的工艺，其特征在于，构成填充丝的铜含有重量百分比最多为2％的选自锡、硅、锰、磷、铁和镍的至少一种元素，最好构成丝的铜实际上不含磷。
全文摘要
本发明涉及一种用于至少一个金属工件(1)电弧焊接到一基体(2)上的方法，所述基体包括至少一个钎焊区(3)，所述钎焊区的焊料包含铜和磷，该方法包括以下步骤(a)在所述钎焊区(3)的至少一部分上形成至少一个纯铜或一种其中磷在凝固温度下的溶解限度为0.1－3.5％的铜合金的层(5、6、7)的沉积；和(b)将所述金属工件(1)焊接在步骤(a)中沉积的所述至少一个铜层(5、6、7)上。本发明还涉及一种用于利用这种焊接工艺制造一个钎焊铜制热交换器的方法。本发明还涉及由此形成的热交换器，及其在低温气体分离中特别是在一低温分离装置中的空气分离中的应用。
文档编号B23K101/14GK1607988SQ02825945
公开日2005年4月20日 申请日期2002年10月14日 优先权日2001年11月22日
发明者C·邦尼特, M·瓦格纳, J－M·福尔坦 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司