通過兩次焊接生產(chǎn)板式熱交換器的方法以及相應(yīng)的板式熱交換器與流程

本發(fā)明涉及生產(chǎn)板式熱交換器的方法及板式熱交換器本身。本發(fā)明特別是涉及釬焊的鋁板式熱交換器。

背景技術(shù)：

在許多設(shè)備中設(shè)置有硬釬焊的鋁板式熱交換器，用于在各種不同的壓力和溫度下傳遞熱量。它們例如用于空氣分離、天然氣液化或者在用于生產(chǎn)乙烯的設(shè)備中。

例如在“thestandardsofthebrazedaluminiumplate-finheatexchangermanufacturers’association”alpema報(bào)告(2000)中描述了此類板式熱交換器。將由此提取的圖顯示在圖1中作為現(xiàn)有技術(shù)，并在下文中加以描述。

通過在圖1中所示的板式熱交換器1，可以在多股不同的工藝流例如所示的工藝流a、b、c、d和e之間實(shí)現(xiàn)熱交換。其具有立方形設(shè)計(jì)，并且設(shè)置有多個(gè)用于輸入和輸出單種工藝介質(zhì)的裝置6。這些裝置6也稱作接管嘴(stutzen)。該熱交換器同樣具有多個(gè)用于分配和收集單種工藝流a、b、c、d和e的連接裝置7(anschlusseinrichtung)，其也稱作集管(header)。

板式熱交換器1主要包括多個(gè)以堆疊狀布置的通道3，它們通過隔板4彼此分離。不同介質(zhì)可以在單個(gè)通道3中流動。通過熱接觸間接地實(shí)施熱交換，該熱接觸是通過蓋板5及通過布置在通道中的波紋狀結(jié)構(gòu)(也稱作翅片)實(shí)現(xiàn)的。將單種介質(zhì)a、b、c、d和e經(jīng)由接管嘴6引入連接裝置或集管7中，并由此在各個(gè)以堆疊狀布置的通道3之間分配。在通道的入口區(qū)域設(shè)置有所謂的分配器翅片2，其用于在單個(gè)通道3中均勻分配介質(zhì)。由此使介質(zhì)在翅片3的波紋方向的橫向上流動通過通道3。翅片3連接至隔板4，由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的導(dǎo)熱接觸。由此能夠在相鄰的通道3中流動的兩種不同的介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。在流動方向上看，在通道的末端具有相似的分配器翅片2，其用于將介質(zhì)由通道引入集管7中，其在此被收集并經(jīng)由接管嘴6排出。單個(gè)通道3通過邊緣條8即所謂的側(cè)條向外封閉。通過蓋板5實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱交換器區(qū)塊的外部定界。

此類板式熱交換器突出地適合于在至少兩種介質(zhì)之間的熱交換。然而，合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1中所示，也允許多于兩種介質(zhì)參與熱交換。這允許非常高效地實(shí)施該過程，并且有效地利用溫差。

板式熱交換器例如由鋁進(jìn)行硬釬焊。具有翅片、分配器翅片、蓋板和邊緣條的單個(gè)通道彼此上下堆疊，設(shè)置有硬釬焊料(lot)，在爐中進(jìn)行硬釬焊。在此也將波紋狀翅片與相鄰的隔板4進(jìn)行釬焊。釬焊的波紋狀翅片傳遞由內(nèi)壓產(chǎn)生的力，并由此決定性地為熱交換器區(qū)塊的強(qiáng)度負(fù)責(zé)。然后將連接裝置7和接管嘴6焊接在所產(chǎn)生的區(qū)塊上。

連接裝置7或集管通常通過焊接連接至熱交換器區(qū)塊1。在此以傳統(tǒng)方式在熱交換器區(qū)塊1在釬焊操作之后產(chǎn)生的表面上焊上所謂的集管，該表面是通過隔板4及位于其間的邊緣條8的外側(cè)形成的。然而，在將連接裝置7焊接在熱交換器區(qū)塊1上時(shí)，存在由各個(gè)連接裝置7包圍的空間發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)原因在于，在熱交換器區(qū)塊1的表面上可能存在的凹陷在焊上操作中沒有被覆蓋；另一原因在于，在熱交換器區(qū)塊1的表面上留有釬焊不均勻性

此外，特別是在釬焊的熱交換器區(qū)塊1的情況下，硬釬焊料通常由含硅和/或含鎂的鋁合金組成。在連接隔板4和分配器翅片2的硬釬焊料中臨界的硅或鎂濃度的范圍內(nèi)，在過焊期間存在著在焊接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生焊接金屬的硅或鎂含量約為1％的范圍的風(fēng)險(xiǎn)。以區(qū)域方式存在的該合金導(dǎo)致該材料強(qiáng)烈的破裂敏感性，由此可能導(dǎo)致連接裝置7和/或熱交換器區(qū)塊1發(fā)生泄漏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于以下目的，提供生產(chǎn)板式熱交換器的方法及提供板式熱交換器本身，其中該方法允許以簡單、成本低廉且節(jié)約時(shí)間的方式生產(chǎn)板式熱交換器，并且所述板式熱交換器具有低的破裂敏感性及長的壽命。

該目的是通過如權(quán)利要求1所述的根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)板式熱交換器的方法及通過如權(quán)利要求4所述的根據(jù)本發(fā)明的板式熱交換器實(shí)現(xiàn)的。

優(yōu)選借助如權(quán)利要求1所述的根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)板式熱交換器的方法生產(chǎn)如獨(dú)立權(quán)利要求4所述的板式熱交換器。

在從屬權(quán)利要求2和3中給出根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)板式熱交換器的方法的有利的實(shí)施方案。

在從屬權(quán)利要求5至7中給出根據(jù)本發(fā)明的板式熱交換器的有利的實(shí)施方案。

在根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)板式熱交換器的方法中，提供包含多個(gè)隔板及位于其間的邊緣條即所謂的側(cè)條的熱交換器區(qū)塊。此外提供安裝固定在熱交換器區(qū)塊上的連接裝置，即所謂的集管。借助第一焊接過程使得用于將連接裝置固定至熱交換器區(qū)塊的平面區(qū)域設(shè)置有至少一個(gè)焊珠(schweiβraupe)，也稱作緩沖珠(pufferraupe)。然后借助第二焊接過程將連接裝置焊接在通過第一焊接過程產(chǎn)生的焊珠上。在此，實(shí)施第一焊接過程的焊接法是攪拌摩擦焊接法(rührreibschweiβen)。

在攪拌摩擦焊接法中，旋轉(zhuǎn)針沿著預(yù)定路徑在工件中及因此在隔板和邊緣條的材料中引導(dǎo)，其中實(shí)施攪拌運(yùn)動。與傳統(tǒng)電弧焊不同，攪拌摩擦焊接的材料在此并不熔化成液態(tài)，而是軟似面團(tuán)。其效果是降低冶金導(dǎo)致的破裂敏感性。此外，與傳統(tǒng)電弧焊相比將明顯更少的熱量引入材料中，從而也避免了由熱應(yīng)力誘發(fā)的破裂。

該攪拌摩擦焊接法可以在添加或不添加焊接添加料的情況下實(shí)施。若沒有使用添加料，則攪拌摩擦焊接法僅通過重新熔化平面區(qū)域的表面產(chǎn)生焊珠，不會增大焊接的區(qū)域的體積。

為了最優(yōu)地將通常具有矩形截面的連接裝置連接至焊珠，其應(yīng)當(dāng)對應(yīng)于框架形式的連接裝置的輪廓和尺寸實(shí)現(xiàn)。借助第一焊接過程產(chǎn)生的焊珠的寬度優(yōu)選至少以如下方式設(shè)定尺寸，可以通過第二焊接過程借助角焊縫將連接裝置焊接在焊珠上，其中借助角焊縫僅使板式熱交換器的表面具有焊珠的區(qū)域熔化。焊珠的寬度例如可以是在待焊接的區(qū)域內(nèi)連接裝置的壁厚度的2至3倍。

根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)板式熱交換器的方法優(yōu)選用于生產(chǎn)鋁板式熱交換器。也稱作集管的連接裝置在熱交換器區(qū)塊的流動開口或通道的區(qū)域內(nèi)安裝固定在其上，因此覆蓋平行地設(shè)置的隔板以及位于其間的邊緣條即所謂的側(cè)條的邊緣，或位于其間的空隙。用于將連接裝置固定至熱交換器區(qū)塊的平面區(qū)域在此可以略大于以固定狀態(tài)在熱交換器區(qū)塊上被連接裝置覆蓋的實(shí)際表面面積，或者焊珠的邊緣可以位于相對于焊上狀態(tài)的連接裝置的相關(guān)邊緣的特定距離處。

焊珠或所謂的緩沖珠在此是所施加或引入的焊縫，用于使在隔板與邊緣條之間的連接的材料或組織結(jié)構(gòu)均勻化和/或均一化。例如通過重新熔化達(dá)到5mm的深度的表面釬焊不均勻性，從而實(shí)現(xiàn)所述均勻化，同時(shí)伴隨著消除了該釬焊不均勻性。由此顯著地降低了在熱交換器運(yùn)行期間發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。在此可以在引入或不引入焊接添加料的情況下焊接根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的焊珠。

特別是在連接隔板和分配器翅片的硬釬焊料的臨界的硅或鎂含量的情況下，可以采用根據(jù)本發(fā)明的攪拌摩擦焊接法，這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁附臃▋H使待焊接的材料軟化至軟似面團(tuán)狀，并不使其液化，從而顯著地降低了發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在所述方法的一個(gè)有利的實(shí)施方案中，通過在熱交換器區(qū)塊上的第一焊接過程，使得用于將連接裝置固定至熱交換器區(qū)塊的平面區(qū)域的不平度至少部分地平坦化。在此可以使小于5mm的深度或高度或者最大2mm的幅度的不平度平坦化。通過以此方式使表面均勻化，降低在隨后制備用于焊接在連接裝置上的焊縫時(shí)的復(fù)雜性(成本)，并且降低在熱交換器區(qū)塊與連接裝置之間發(fā)生由焊接誘發(fā)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

在生產(chǎn)板式熱交換器的方法的一個(gè)特別的實(shí)施方案中，任選地可以如下方式實(shí)施第一焊接過程，通過該第一焊接過程至少部分地消除在隔板與邊緣條之間的釬焊不均勻性。優(yōu)選完全消除所述釬焊不均勻性。由此可以在后來使在釬焊過程中出現(xiàn)的缺陷平坦化。

此外，為了實(shí)現(xiàn)所述目的，提供根據(jù)本發(fā)明的板式熱交換器，其特別可以是鋁板式熱交換器。該板式熱交換器包含具有多個(gè)隔板和位于其間的邊緣條的熱交換器區(qū)塊以及連接裝置。在熱交換器區(qū)塊與連接裝置之間設(shè)置有至少一個(gè)借助第一焊接過程焊接在熱交換器區(qū)塊上的焊珠。借助第二焊接過程以焊接技術(shù)將連接裝置與焊珠相連接。

換而言之，借助第一焊接過程使得用于將連接裝置固定至熱交換器區(qū)塊的平面區(qū)域設(shè)置有至少一個(gè)焊珠，借助第二焊接過程將連接裝置與焊珠相連接。在此優(yōu)選將連接裝置焊接在借助第一焊接過程產(chǎn)生的焊珠上。

在此借助攪拌摩擦焊接法焊接所述焊珠。在有利的實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的板式熱交換器是釬焊的板式熱交換器。換而言之，該板式熱交換器在隔板之間例如具有波紋狀薄片和翅片，其借助釬焊與隔板相連接。

為了將單個(gè)通道連接至翅片、分配器翅片、蓋板和邊緣條，板式熱交換器可以具有表面區(qū)域狀或離散點(diǎn)形式的釬焊位點(diǎn)。所用的各種硬釬焊料可以是硅合金、鎂合金或包含鎂和硅的合金。為了生產(chǎn)鋁板式熱交換器，這些合金還可以各自具有鋁合金組分。

借助第一焊接過程產(chǎn)生的焊珠的硅或鎂含量優(yōu)選為大于1.5％或小于0.5％。換而言之，應(yīng)當(dāng)努力使得所產(chǎn)生的焊珠的硅或鎂含量在0.5％至1.5％硅或鎂的范圍以外。

在熱交換器區(qū)塊上產(chǎn)生的焊珠在此可以具有焊接添加料，任選地還借此調(diào)節(jié)焊珠中所期望的硅或鎂濃度。

通過借助攪拌摩擦焊接法焊接焊珠以及與此相關(guān)地引入更少的熱量，可以避免在電弧焊時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的增大的發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)。換而言之，可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的釬焊連接和釬焊材料，可以將連接裝置焊接在熱交換器區(qū)塊上，無需承受由于硅濃度或鎂濃度導(dǎo)致發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

下面依照在附圖中所示的實(shí)施例闡述本發(fā)明。

附圖說明

圖1所示為傳統(tǒng)板式熱交換器；

圖2所示為熱交換器區(qū)塊的上部區(qū)域的放大的透視圖。

具體實(shí)施方式

在依照圖1闡述現(xiàn)有技術(shù)時(shí)已經(jīng)討論了傳統(tǒng)板式熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在圖2中顯示的熱交換器區(qū)塊1中也可以看到分配器翅片2、用于引導(dǎo)工藝流a、b、c、d、e的通道3、隔板4以及蓋板5。在也稱作集管的連接裝置7上設(shè)置有用于輸入和輸出6工藝流a、b、c、d、e的裝置作為接管嘴6。此外顯示了布置在單個(gè)隔板4之間的邊緣條8，也稱作側(cè)條。

特別是由于可不避免的制造公差和/或釬焊誘發(fā)的熱變形，可以在隔板4與邊緣條8之間出現(xiàn)空隙9。此外，在邊緣條8和隔板4之間的硬釬焊料可以具有一定的不均勻性。此外無法排除隔板4和邊緣條8的外表面具有不平度的情況。特別是在將連接裝置7自動化焊接在熱交換器區(qū)塊1上的情況下，這些空隙、不均勻性和不平度會導(dǎo)致泄漏。

因此，根據(jù)本發(fā)明，熱交換器區(qū)塊1的表面在用于將連接裝置7固定至熱交換器區(qū)塊1的平面區(qū)域10內(nèi)設(shè)置有在第一焊接過程11中產(chǎn)生的焊珠12。利用該焊珠12，使得平面區(qū)域10均勻化，并且消除在此可能存在的釬焊不均勻性。借助攪拌摩擦焊接法實(shí)施該第一焊接過程11，其中所示的針狀焊接工具20在圍繞其縱軸恒定地旋轉(zhuǎn)的情況下在箭頭所示的平移路徑21上移動通過熱交換器區(qū)塊1，及由此通過彼此平行地設(shè)置的隔板4和邊緣條8。通過在此產(chǎn)生的摩擦熱，使得隔板4和邊緣條8的材料變成軟似面團(tuán)，在這些熱交換器元件之間產(chǎn)生焊接連接。然而，在此優(yōu)選不加熱焊接的材料以致于在焊縫區(qū)域內(nèi)可能存在的0.5％至1.5％的臨界的硅或鎂濃度導(dǎo)致發(fā)生破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

在施加焊珠之后，借助第二焊接過程13產(chǎn)生焊縫14，由此將連接裝置7焊接在焊珠12上，并因此焊接在熱交換器區(qū)塊1上，如圖2中所示，在已經(jīng)布置在熱交換器區(qū)塊1上的連接裝置7的邊緣處。

附圖標(biāo)記

1熱交換器區(qū)塊

2分配器翅片

3通道

4隔板

5蓋板

6用于輸入和輸出的裝置

7連接裝置

8邊緣條

a，b，c，d，e工藝流

9空隙

10平面區(qū)域

11第一焊接過程

12焊珠

13第二焊接過程

14焊縫

20焊接工具

21平移路徑