专利名称：借助于辐射加热器制造含铝蜂窝体的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造含铝蜂窝体的方法，其中至少局部形成结构的金属薄片(Metallfolie)层叠和/或卷绕以形成具有基本平行于轴线延伸的通道的蜂窝结构，这些金属薄片至少部分地嵌入管状壳套内并至少在分区内利用接合技术相互连接。这种金属蜂窝体例如用作用于净化内燃机排气的催化剂载体。
背景技术：
已知的蜂窝体特别是金属催化剂载体具有带有例如成螺旋形或成S形卷绕的薄壁、光滑的和/或波状金属薄片的蜂窝结构，该蜂窝结构在一圆筒形或椭圆筒形的管状壳套内利用焊接、钎焊、烧结、粘接等接合技术相互连接。
为了提高这种蜂窝体在波动的热应力下的稳定性，已知仅仅在某些分区内例如端侧内将蜂窝结构的金属薄片利用接合技术相互连接，并且如果合适也连接到管状壳套上，使得在出现热应力时管状壳套和蜂窝结构能够无阻碍地膨胀，从而避免造成蜂窝结构毁坏和松脱的蜂窝结构波动的塑性变形。
此外，已知用于设置在管状壳套内的蜂窝结构利用接合技术的端侧连接的方法，其中利用接合技术的连接在高温炉内持续数小时的断续过程中进行。在这种情况下各个蜂窝体成批放入炉内。为了避免化学反应，例如尤其是在金属薄片表面上不期望地形成晶体或氧化物，接合过程在包含例如氩气和/或氢气的保护气体气氛下或在真空中进行。这特别是造成较高的设备费用和相应的高成本。
此外，已知使用感应线圈利用接合技术在金属薄片之间形成连接的连续方法。感应线圈用于加热其中利用接合技术的金属薄片连接最终发生的至少一个分区，使得例如设置在所述分区内的焊料开始流动，并在冷却后形成这种连接。根据利用接合技术的连接的形式，感应线圈必须用不同的交流电频率运行，并且必须靠近蜂窝体相应的分区。这可能导致在各个分区内形成不均匀的利用接合技术的连接。
发明内容
由此出发，本发明的目的是提供一种制造蜂窝体的方法，该方法可以加工含铝的金属薄片，并且特别适合于连续制造，可形成更高质量的利用接合技术的连接。
这些目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。从属权利要求中描述了该方法的其它有利的设计方案。
根据本发明的用于制造金属蜂窝体的方法包括以下步骤-选择至少局部形成结构的铝基金属薄片；-层叠和/或卷绕至少局部形成结构的金属薄片以形成具有通道的蜂窝结构；-借助于至少一个辐射加热器从通道的开口端面起加热金属薄片，蜂窝结构在至少一个分区内这样被加热，即，使得所述至少一个分区在约2秒至约30秒钟后处于约450℃至约600℃的温度；-在所述至少一个分区内利用接合技术使金属薄片相互连接。
在下文中，铝基金属薄片应理解为包含按重量计至少90％的铝的金属薄片。铝含量有利地平均至少约为95％或甚至至少约99％重量百分比。在某些情形下，甚至可能需要选择具有更高铝含量的金属薄片，例如铝含量按重量计为99.9％以上。除非特别说明，下文中术语“金属薄片”总是指这种含铝的金属薄片。
此外，金属薄片可以包括至少一种下列化学成分锰(Mn)、硅(Si)、镁(Mg)、铜(Cu)、钛(Ti)、铁(Fe)。作为示例，可使用以下金属薄片AA3005(Al Mn 1 Mg 0.5)；AA3003(Al Mn 1 Cu)；AA3103(Al Mn 1)；以及AA8001(Al Fe Si)。
令人惊讶的是，试验已经表明使用这种蜂窝体可达到较高的加热速度。例如，如下文所说明的，使用适当的热源可在两秒钟内将金属薄片加热到期望的温度。由此可以实现特别短的制造周期。但是，如果例如金属薄片之间或与包围金属薄片的管状壳套的接触区的构造不完全均匀，也可能需要加热得稍微慢一些，使得在15至30秒以后才达到所期望的温度范围。此外，只应该在特殊的情况下才这么做，因为这样在金属薄片表面的氧化作用加剧，使得进一步均匀地输入热量变得更加困难。
根据本发明，温度约在450℃至600℃之间。在本文中，在适当时采用什么焊料来利用接合技术在金属薄片之间形成连接是至关重要的。例如如果使用锌基焊料，则在某些情形下仅仅约450℃至约530℃的温度便已足够，这时优选地需要较短的加热时间。然而，如果例如使用铝硅基焊料使金属薄片相互连接，则需要设定约560℃至约600℃的温度，这时可能需要较长的加热时间。尤其是在后一种焊料的情况下，需要加热到仅略低于金属薄片本身的熔点的温度。特别地，温度在比将要相互连接的金属薄片的熔点低70℃，特别是50℃，甚至30℃的范围内。
由于在短时间内加热到这么高的温度并且对可预先规定的分区有目标地加热，因此提供了一种高效且节能的方法。本发明还具有这样的优点，即所提出的方法特别适合于金属蜂窝体的连续生产或批量生产。
此外，建议使用产生定向红外加热辐射的辐射加热器来加热蜂窝结构，在靠近所述至少一个分区的外侧处产生显著的温差。由于基本上平行的红外加热辐射在空间上非常严格地限制热量输入，导致热能分布非常均匀，并由此导致在被加热的分区内形成非常均匀的连接。因此，根据本发明的方法可制造出在金属薄片之间具有利用接合技术形成的高质量连接的金属蜂窝体，其中加热过程只持续很短时间。
根据本方法的另一种设计方案，蜂窝结构具有基本平行于轴线延伸的通道，热辐射以这种方式照在蜂窝结构的端侧上，即，使得蜂窝结构仅在蜂窝体的轴向深度小于通道的轴向长度的分区内被加热。这允许制造其金属薄片例如仅在靠近端侧处相互连接的蜂窝体，尤其可确保金属薄片相互之间由热引起的补偿膨胀。在本文中，术语端侧应理解为通道的端面基本上设置在其中的表面。
根据本方法的另一种设计方案，金属薄片在加热之前至少部分地嵌入一管状壳套内，利用接合技术相互连接，然后完全插入管状壳套内，并利用接合技术将多个金属薄片连接到管状壳套上。在这种情况下可例如使用不同的辐射加热器，这时，至少在金属薄片相互连接期间确保热容量在分区内的分布比较均匀。因此，对于这种连接可以采用能量比随后在管状壳套与蜂窝结构之间形成连接期间的能量小的辐射加热器。
根据本方法的另一种设计方案，在加热之前金属薄片完全嵌入管状壳套内，管状壳套优选地伸出超过蜂窝结构的端侧。这种构造的优点在于，在利用接合技术形成连接后，金属薄片不再需要相对于管状壳套移动。
根据本方法的又一种设计方案，金属薄片在加热前这样设置在一内管外部，即，使得金属薄片形成基本上横向于内管延伸的通道，其中多个金属薄片利用接合技术连接到内管上。由此，本发明还提供了一种例如制造流体可沿径向流过的蜂窝体的方法，在该方法中内管特别地具有开口，在中央具有来流的内管允许气体通过所述开口流进沿径向指向外部的通道，或者反过来。
在适当时借助于感应加热装置同时加热管状壳套或内管的相邻区段尤其有利。用这种方法还可以利用接合技术在多个金属薄片与管状壳套或内管之间形成连接，因此可在一道工序内在金属薄片之间以及金属薄片与管状壳套或内管之间利用接合技术形成连接，由此特别缩短了加工时间。但是，在本文中应该考虑到，如果管状壳套或内管也要加热，则达到规定温度的加热时间必须要延长。这特别是由于金属薄片与管状壳套或内管的热容量不同引起的。
根据本方法的另一种设计方案，蜂窝结构的至少一个端侧被完全加热至可预先规定的深度。这使得金属薄片的端侧充分连接，从而防止例如设置在端侧的金属薄片的端部由于排气流中发生的压力波动而激发振动，因为这种振动可导致利用接合技术形成的邻近的连接由于机械疲劳应力而松脱。因此，在蜂窝结构的整个端侧上利用接合技术在金属薄片之间形成连接可例如提高在排气系统中用作催化剂载体的蜂窝体的寿命。
如果蜂窝结构具有基本平行于轴线延伸的通道，则根据本方法的另一种设计方案，被加热的分区的深度是可变的，其中蜂窝结构设置在径向外部的分区比设置在径向内部的分区优选在更大深度内进行加热。对于介质可沿径向流动的蜂窝体的构造，当然也可以沿蜂窝体的轴向和/或周向相应地具有变化的深度。用这种方法例如可利用接合技术在蜂窝体与管状壳套或内管之间获得比金属薄片之间更牢固的连接。
根据本方法的另一种设计方案，热辐射以10°至80°之间的角度照射在蜂窝结构的至少一个端侧上。这里所选择的角度对蜂窝结构被加热的深度有影响。当角度小于10°时，热辐射在端侧的一个较大的分区内延伸。这使得由辐射加热器产生的热能分布在较大的分区内，由此减小单位面积上能量的输入并使加热过程变慢。同样应避免大于80°的角度，因为这种情况下热辐射或热能的大部分直接穿过蜂窝结构，而没有用来加热金属薄片。此外，在选择角度时应该考虑端侧的外部形状。如果端侧包括例如金属薄片的伸缩式布置，其中相邻的金属薄片相互局部地错开设置，则作为示例应该根据伸缩布置的类型使用较大或较小的角度，而如果端侧基本上为平面，则角度优选在30°至60°的范围内。
根据本方法的又一种设计方案，在加热期间蜂窝体相对于所述至少一个辐射加热器运动，从而借助于一个发射在空间上有限的热辐射的辐射加热器在适当时加热蜂窝结构较大的分区，特别是加热蜂窝结构的整个端侧。根据一种方法的变型，提出至少一个辐射加热器绕蜂窝体的轴线进行相对转动，由此同样确保蜂窝结构较大面积和均匀的加热。
蜂窝体与至少一个辐射加热器之间的相对运动优选地通过蜂窝体围绕其轴线旋转和/或改变所述至少一个辐射加热器的辐射轴线与蜂窝体轴线之间的角度来实现。这样可确保无论待加热的分区是靠近突出的管状壳套还是位于端侧的居中设置的分区内，热辐射都可穿透到蜂窝结构的预期深度。
根据本方法的又一种设计方案，利用接合技术的连接通过钎焊、烧结和/或扩散焊接形成。在这种情况下，在加热以形成利用接合技术的连接之前将焊料、扩散促进剂等设置在分区内尤其有利。利用接合技术的连接优选地通过钎焊形成，其中在加热前将焊料设置在分区内。结果，形成利用接合技术的连接所需要的温度保持在较低的水平，由此可保持较短的形成连接的周期。
如果在形成利用接合技术的连接时出现特别高的温度(特别是高于550℃)，则在保护气体中形成这些连接是有利的。已知的保护气体，特别是具有氩气成分的保护气体，适用于这一目的。
下面结合适于实施本方法的装置详细说明根据本发明的方法。
用于制造金属蜂窝体，特别是用于实施根据本发明的方法的装置包括一个在加热期间用于定位蜂窝体的定位面，以及至少一个具有辐射轴线的辐射加热器。该装置的特征在于，定位面与辐射加热器的辐射轴线之间具有10°至80°的夹角。在这种情况下，尤其以这种方式来设置辐射加热器，即，使辐射加热器相对于固定在定位面上的蜂窝体的端侧以10°至80°的角度辐射。辐射加热器允许蜂窝体的分区迅速加热以形成利用接合技术产生的连接。
为了确保尽可能均匀地加热蜂窝体的分区，定位面优选为可枢转，使得特别是在加热期间角度可调节。这也可以通过装置的另一种设计方案来实现，其中至少一个红外辐射加热器是可枢转的。
在该装置中，可以改变定位面与所述至少一个红外辐射加热器之间的距离。这里尤其有利的是，所述至少一个红外辐射加热器可相对于定位面在预定轨道上运动。这样例如可以确保在被加热端侧的不同分区内在不同的深度形成利用接合技术的连接。考虑到蜂窝体与所述至少一个红外辐射加热器的多个相对运动的叠加，使这些运动相互协调，特别是通过测量装置记录和/或借助于一公共的优选为计算机控制的控制单元来协调各个运动尤其有利。
定位面还具有例如用于固定蜂窝体的保持装置。这可确保蜂窝体相对于所述至少一个红外辐射加热器保持在期望的位置上。如果定位面是装配线的一部分，则这种保持装置尤其重要。这种装配线允许在连续工序中制造蜂窝体，由于利用红外辐射加热器实现了较短的蜂窝体加热时间，这尤其有利。
此外，可以设置镜子使热辐射转向或反射。应当理解，这特别是指热辐射中已经被金属薄片反射的部分。因此，使用这种镜子导致更好地利用由红外辐射加热器产生的热辐射。然而，辐射也可以直接照射到镜子上并折射到待加热的分区，这时例如可以“绕过”蜂窝体端侧附近直接伸入辐射轴线的突起部或肩部。
如果利用接合技术生成的连接是在非常高的温度中形成的，则本装置具有用来产生局部保护气体气氛的元件，特别是壳体。在这种情况下，壳体至少包围蜂窝体的靠近用红外辐射加热器加热的分区的部分，以避免热辐射的直接照射。
现在将根据附图详细说明本方法。但是，本文中给出的说明不构成本发明的任何限制。附图中图1示出所制造的蜂窝体的一个实施例；图2示出制造装置的一个实施例；图3示出制造装置的第二实施例。
具体实施例方式
图1示出具有层叠的被卷绕成S形的金属薄片2的含铝蜂窝体1的示意性透视图。蜂窝体1具有使用光滑并且成波状的金属薄片2形成的通道5。通道5和金属薄片2形成相应的蜂窝结构3。蜂窝结构3被一管状壳套6包围，该管状壳套伸出超过蜂窝体1的端侧7。这里各个通道5的开口端面26基本上设置在蜂窝体1的平的端侧7内。
所示的含铝蜂窝体1的制造包括例如以下步骤-选择至少局部形成结构的铝基金属薄片；-层叠并且成S形卷绕至少局部形成结构的金属薄片，以形成具有基本平行于轴线4(未示出)延伸的通道5的蜂窝结构3；-将金属薄片2完全嵌入管状壳套6内，其中管状壳套伸出超过蜂窝结构3的端侧7；-借助于至少一个辐射加热器8(未示出)充分加热蜂窝结构3的端侧7，热辐射这样照在通道5的开口端面26上，使得蜂窝结构3在具有轴向深度10(小于通道5的轴向长度11)的分区9内被这样加热，即，使该分区9仅在约2秒至约30秒后便处于约450℃至约600℃的温度；-利用接合技术将金属薄片2彼此连接并且将金属薄片2的径向13的外部区域连接到管状壳套6上，利用接合技术形成的连接通过钎焊实现。
图2示出用于制造金属的含铝蜂窝体1的装置的第一实施例的示意性透视图。该装置具有用于在加热期间放置蜂窝体1的定位面16以及具有辐射轴线15的红外辐射加热器8。辐射轴线15与基本平行于定位面16的蜂窝体1的端侧7之间的角度14在某些情况下至少为10°至80°。这里蜂窝体1通过保持装置19固定。这样选择红外辐射加热器8到热辐射照射到蜂窝体1的端侧7上的点的距离17，即，使得确保蜂窝结构3尽可能快地被加热到预定深度10。
这里红外辐射加热器8在轨道18上相对于蜂窝体1运动特别有利，优选地，角度14是变化的。图中示出的轨道18是圆形，但是特别采用计算机控制的运动可以产生任意期望的轨道18。为了更好地利用热辐射，该装置具有一镜子21，它将被任意反射的热辐射重新反射到蜂窝结构3上。由于用这种方法可以非常快地加热蜂窝体1的分区，因此推荐将这种利用接合技术形成的连接用于连续工序。在这种情况下定位面16形成装配线22的一部分。
图3示出用于制造介质可沿径向流过的金属蜂窝体1的装置的第二实施例。这种情况下蜂窝体1具有多层成形的和光滑的金属薄片2，这些金属薄片形成基本上横向于居中设置的内管27延伸或者沿径向向外延伸的通道5。蜂窝体1使用保持装置19相对于定位面16固定，其中蜂窝体穿过定位面16延伸。蜂窝体1被壳体22包围，该壳体特别地用于在内部形成保护气体气氛。为此，借助于一喷嘴22从蜂窝体1的端侧7向中央内管27的内部注入例如含氩的保护气体，该保护气体从通道5的开口端面26重新流出，其中使用红外辐射加热器8在保护气体气氛内形成利用接合技术产生的连接。为此，壳体具有开口24，该开口确保沿辐射轴线15无阻碍地加热蜂窝结构3。本文中箭头25表示，蜂窝体1例如在加热期间旋转，这时辐射加热器8优选以在10°至80°范围内的不同角度14照射在蜂窝体1的端侧7上。这样可确保均匀的加热，并由此确保高质量的利用接合技术的连接。此外，示出的实施例可以对蜂窝体1的两个端侧7两端同时加热。由此可进一步缩短这种含铝蜂窝体1的制造时间。
附图标记1 蜂窝体2 金属薄片3 蜂窝结构4 轴线5 通道6 管状壳套7 端侧8 辐射加热器9 分区10 深度11 长度12 区段13 径向14 角度15 辐射轴线16 定位面17 距离18 轨道19 保持装置20 装配线21 镜子22 壳体23 喷嘴24 开口25 箭头
权利要求
1.一种用于制造含铝蜂窝体(1)的方法，该方法包括以下步骤-选择至少局部形成结构的铝基金属薄片；-层叠和/或卷绕至少局部形成结构的金属薄片(2)以形成带通道(5)的蜂窝结构(3)；-借助于至少一个辐射加热器(8)从通道(5)的开口端面(26)起加热金属薄片(2)，蜂窝结构(3)在至少一个分区(9)内这样被加热，即，使得所述至少一个分区(9)在约2秒至约30秒后处于约450℃至约600℃的温度；-在所述至少一个分区(9)内利用接合技术使金属薄片(2)相互连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用产生定向的红外热辐射的辐射加热器来加热蜂窝结构(3)，从而在靠近所述至少一个分区(9)的外侧处产生显著的温差。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，蜂窝结构(3)具有基本平行于轴线(4)延伸的通道(5)，热辐射以这种方式照在蜂窝结构(3)的端侧(7)上，即，使得蜂窝结构(3)仅在轴向深度(10)小于通道(5)的轴向长度(11)的分区(9)内被加热。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，金属薄片(2)在加热之前至少部分地嵌入一管状壳套(6)内，利用接合技术相互连接，然后完全插入管状壳套(6)内，并利用接合技术将多个金属薄片(2)连接到管状壳套上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，金属薄片(2)完全嵌入管状壳套(6)内，其中管状壳套(6)优选地伸出超过蜂窝结构(3)的端侧(7)。
6.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，金属薄片(2)在加热前这样设置在一内管(27)外部，即，使得金属薄片(2)形成基本上横向于内管(27)延伸的通道(5)，其中多个金属薄片(2)利用接合技术连接到内管(27)上。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，管状壳套(6)的或内管(27)的邻近蜂窝结构(3)的分区(9)的区段(12)通过感应被附加地加热。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，蜂窝结构(3)的至少一个端侧(7)被完全加热至可预先规定的深度(10)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，蜂窝结构(3)具有基本平行于轴线(4)延伸的通道(5)，被加热的分区(9)的深度(10)是可变的，其中优选地蜂窝结构(3)设置在径向(13)外侧的分区(9)比设置在径向(13)内侧的分区(9)在更大深度(10)内进行加热。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，热辐射以10°至80°之间的角度(14)照射在所述至少一个端侧(7)上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在加热期间蜂窝体(1)相对于所述至少一个辐射加热器(8)运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个辐射加热器(8)绕蜂窝体(1)的轴线(4)进行相对转动。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，蜂窝体(1)绕其轴线(4)转动。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，辐射轴线(15)与蜂窝体(1)的轴线(4)之间的角度(14)是可变的。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，通过钎焊、烧结和/或扩散焊接形成利用接合技术的连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在加热以形成利用接合技术的连接之前将焊料、扩散促进剂等设置在分区(9)内。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，在保护气体中形成利用接合技术的连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造含铝蜂窝体(1)的方法，该方法包括以下步骤选择至少局部形成结构的铝基金属薄片；层叠和/或卷绕至少局部形成结构的金属薄片(2)以形成包含通道(5)的蜂窝结构(3)；借助于至少一个辐射加热器(8)从通道(5)的开口端面(26)起加热金属薄片(2)，蜂窝结构(3)在至少一个分区(9)内这样被加热，即，使得所述至少一个分区(9)在约2秒至约30秒后处于约450℃至约600℃的温度范围；在所述至少一个分区(9)内利用接合技术将金属薄片(2)连接在一起。
文档编号B23K1/005GK1871092SQ200480031185
公开日2006年11月29日 申请日期2004年9月17日 优先权日2003年9月19日
发明者S·沙佩尔, A-U·罗勒 申请人:排放技术有限公司