автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии подготовки поверхности деталей крупногабаритных алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников к пайке в среде аргона

Перечень основных обозначений и сокращений

Введение

1. Состояние вопроса

1.1. Способы подготовки поверхности деталей алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников к пайке

1.2. Цель работы и задачи исследований

2. Исследование влияния щелочного и кислотного способов подготовки поверхности деталей пластинчато-ребристых теплообменников к пайке в среде аргона на качество паяных соединений

2.1. Методика и результаты исследований

2.2. Выводы 34 3. Исследование и выбор экологически чистых очистителей для подготовки поверхности деталей пластинчато-ребристых теплообменников к пайке в среде аргона

3.1. Исследование электрохимического поведения алюминиевых сплавов в растворах очистителей

3.1.1. Методика и результаты исследований

3.1.2. Выводы

3.2. Исследование обезжиривающей способности очистителей

3.2.1. Методика и результаты исследований

3.2.2. Выводы

3.3. Исследование работоспособности растворов очистителей

3.3.1. Методика и результаты исследований 5 О

3.3.2. Выводы

3.4. Исследование влияния подготовки поверхности алюминиевых сплавов в растворах очистителей на свойства паяных соединений

3.4.1. Методика и результаты исследований

3.4.2. Выводы

Применение алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ) при аппаратурном оформлении различных технологических процессов в химии, нефтехимии, криогенике и использование ПРТ в авиации, автомобилестроении, компрессоростроении и других отраслях техники существенно повышает технико-экономические показатели установок и изделий.

ПРТ представляют собой пакеты, состоящие из большого числа параллельных пластин, конструктивно связанных с помощью пайки теплообменной насадкой и проставочными брусками (рис. 1). Пространство между каждой парой пластин, заполненное насадкой, является каналом, по которому проходит газ или жидкость.

До недавнего времени крупногабаритные ПРТ, вес которых составляет несколько тонн, а протяженность паяных швов - сотни километров, изготавливались пайкой пофужением в расплавленный флюс. К числу недостатков этого способа пайки наряду с высокой стоимостью флюсов, большой энергоемкостью процесса, сложностью удаления остатков корро-зионно-активного флюса из каналов пакета после пайки и невозможностью изготовления по этой причине ПРТ с максимальной компактностью насадок следует отнести экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, включая утилизацию значительных количеств отработанного флюса, а также коррозию технологического оборудования и оснастки.

В последние годы в промышленно развитых странах крупногабаритные ПРТ изготавливают вакуумной пайкой, которая по сравнению с пайкой во флюсовых ваннах является экологически чистым процессом и лишена недостатков, характерных для флюсовой пайки. Однако производственный опыт по пайке ПРТ в вакууме показал, что этот способ по сравнению с пайкой в солевых расплавах требует более продолжительного нагрева конструкции, а камера пайки и вакуумное оборудование нуждаются в периодической очистке от конденсата паров магния, в присутствии которых осуществляется пайка.

Рис. 1. Пластинчато-ребристый теплообменник: 1 - вход, 2 - выход, 3 - впускное отверстие, 4 - коллектор, 5 - монтажные пластины, 6 - распределительная насадка, 7 - теплопередающая насадка, 8 - монтажные пластины для переноски, 9 - брусок, 10 - проставочный лист,

11 - покрывной лист

Увеличение термического цикла нагрева приводит к растворению (эрозии) тонкостенной насадки в расплаве припоя. Конденсат магния снижает интенсивность теплоизлучения нагревателей и не позволяет получать необходимую для пайки степень разрежения в камере. Внедренные в производство ПРТ специальные металлургические и технологические приемы [1 - 7] по устранению указанных недостатков способствовали в какой-то степени улучшению ситуации, но не изменили ее кардинально. Поэтому, поиск и разработка новых более эффективных технологий пайки ПРТ относятся к числу приоритетных направлений развития науки и техники.

Учитывая исключительно важное значение использования ПРТ в криогенной технике в ОАО "Криогенмаш" в соответствии с Государственной научно-технической программой "Технология, машины и производство буду-ш;его" (проект 0.06.02.004Т), утвержденной Министерством науки и высшей школы Российской федерации 25.05.92 был выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в результате которых была разработана, освоена и внедрена новая экологически чистая технология пайки крупногабаритных ПРТ в среде аргона [10].

Для реализации процесса пайки создан специальный, не имеющий аналогов в мировой практике, паяльный агрегат, в котором в качестве генератора тепла для нагрева аргона применены аэродинамические нагреватели (АДН), встроенные в камеру пайки. Одновременно АДН выполняют функции побудителя расхода газа, являясь источником мощных конвективных потоков в камере. В результате циркуляции и перемешивания газовой фазы в ней практически отсутствует градиент температуры и интенсифицируется процесс теплообмена между газом и поверхностью ПРТ в камере. Перед заполнением камеры аргоном производится его каталитическая очистка от примесей кислорода и паров воды до уровня 0,2 и 0,1 ррт соответственно. Для поглощения газов, выделяющихся при нагреве из конструкционных материалов пакета, камеры и сборочно-паяльного приспособления, пакет экранируют листами пористого титана, который выполняет функции неиспаряемого геттера. Кроме того, в процессе нагрева на различных температурных уровнях производится вакуумирование камеры до 1Т0"л Па с последуюгцим ее заполнением очищенным аргоном. При этом происходит также выравнивание поля температур в пакете. Такая схема процесса обеспечивает нагрев пакетов ПРТ размерами 3000x1000x1000 мм до температуры пайки (610 °С) в практически безокислительной атмосфере.

По сравнению с вакуумной пайкой при сопоставимых показателях качества ПРТ, пайка в среде аргона благодаря сокращению термического цикла (на 20 - 30 %) более производительна, менее энергоемка (на 30 - 40 %), не требует применения сложнолегированных припоев, очистки камеры и вакуумного оборудования от сконденсированных паров магния [9].

Качество паяных соединений ПРТ существенно зависит от полноты удаления жировых загрязнений и оксидных пленок с поверхности деталей. Поэтому операция предварительной подготовки поверхности деталей ПРТ к пайке в технологическом процессе их изготовления (рис. 2) является одной из основных.

В настоящее время в производстве ПРТ детали обрабатывают в щелочных и кислотных растворах или в органических растворителях [11, 12]. Такие способы подготовки поверхности нельзя отнести к экологически чистым. Это обстоятельство послужило основанием для выполнения настоящей работы, тема которой в экологическом аспекте является актуальной, поскольку относится к направлению критических технологий федерального уровня.

При написании диссертации использованы результаты исследований, выполненных совместно с Барановым Н.С., Сторчаем Е.И., Соколовой A.B., Горбатским Ю.В., Лантушенко Ю.Н., Савельевой В.М., Скольцовой М.К., Рослан И.В., которым автор выражает искреннюю благодарность.

Лист

Насадка

Брусок формирование насадки

-1ППП раскрои обрезка раскрой и обрезка травление раскрой и обрезка -О травление сборка и

3яги1лтд,, опрессовка А травление

Теплообменник

Коллектор и ппуцер исходные материагш раскрой и обрезка сварка сборка коллектора

Испытания

Упаковка

Рис. 2. Технологический процесс изготовления ПРТ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С помощью различных независимых методов исследований изучено влияние традиционных способов подготовки поверхности алюминиевых сплавов к пайке на качество соединений пластинчато-ребристых теплообменников, паянных в среде аргона. Показано, что между рекомендуемыми щелочным и кислотным способами подготовки с точки зрения обеспечения качества ПРТ нет существенного различия и при выборе того или иного способа следует руководствоваться критериями экономической и технологической целесообразности. Для подготовки поверхности деталей крупногабаритных ГОРТ щелочной способ является более предпочтительным. Однако как щелочной, так и кислотный способы нельзя отнести к экологически чистым.

2. На основании результатов исследований электрохимического поведения алюминиевых сплавов в нескольких десятках растворов очистителей компании "ЕСТОС", являющихся нетоксичными, взрывопожаробезопасными, полностью биоразлатаемыми жидкостями широкого спектра применения в промышленности и быту, предложены критерии для оценки активности очистителей и их классификация на активные и пассивные. Показано, что растворы активных кислотных очистителей выгодно отличаются от щелочных слабым пенообразованием, и при их использовании на поверхности алюминиевых сплавов не образуется шлам. Это обусловлено исключительно малой скоростью травления металла при полном удалении оксидных пленок, обеспечивающем смачивание металлической поверхности расплавленным припоем.

3. Установлено, что работоспособность очистителей и температурно-временные режимы обработки зависят, в первую очередь, от количества масла на поверхности деталей, а снижение активности растворов с ростом величины обработанной поверхности вызвано изменением их химического состава. обусловленное расходованием активных компонентов и в меньшей степени повышением концентрации ионов алюминия при травлении.

4. На основе полученных результатов для осуществления процесса подготовки деталей ПРТ к пайке в среде аргона выбран 10 % раствор кислотного очистителя "ЕС-Очиститель фасадов ФФ", который отличается высокой маслоемкостью и при периодической корректировке состава ванны сохраняет высокую активность при обработке значительно большей величины поверхности, чем в других очистителях. Определены концентрация и темпера-турно-временные параметры процесса удаления жировых загрязнений и оксидных пленок с поверхности алюминиевых сплавов.

5. Разработана экологически чистая технология подготовки поверхности деталей ПРТ в растворе ЕС-ФФ. Исследованы микроструктура и свойства паяных соединений. Показано, что разработанная технология обеспечивает получение прочно-плотных соединений ПРТ, паянных в среде аргона, на уровне расчетных значений и позволяет полностью исключить из технологии изготовления ПРТ операции щелочного и кислотного травления.

6. Показано, что эффективность разработанного процесса может быть существенно улучшена, если в качестве конструкционных материалов ПРТ использовать материалы зарубежной поставки или соответствующие им по качеству изготовления отечественные и формирование насадок производить с использованием масел с пониженной вязкостью.

7. Разработанный процесс подготовки деталей ПРТ к пайке внедрен в ООО ГХТ и на СП Хамильтон Стандарт Наука.

Заключены технические условия с ОАО "СМЗ" на поставку листов отечественного производства, соответствующих листам зарубежной поставки.

1. Кавасэ Хироси "Кэйкиндзоку ёсэцу" J. Light Metal Weld and Constr.", 1985, 23, №9, p. 392 -399.

2. Kanda Kuniaki, Sato Rinzo, Shimoh Yohichi и др. Establishment of Vacuum brazing process of large size ALEX "Кобэ сэйко гихо, Kobe Steel Eng. Repts, 1987, 37, № 4, p. 85 88.

3. Torna Кэй, Мано Масамиссу, Иита Масанао, Такэути Сёдзо: Мицуби-си аруминиуму к.к. Патент 62-54592, Япония. Заявл.02.09.85, № 60-192071, опубл. 10.03.87. МКИ В 23 К 35/00.

4. Tohma Ken, Asano Masami, Takeuchi Y. "Кэйкиндзоку. J. Jap. Inst. Light Metals" 1987, 37, № 2, p. 119 -126.

5. Sharpies P. Aluminium Brazing Problems Due to Grain Size Welding J., 1975, 54, №3, p. 164- 169.

6. Efchells J.V., Roberts P.M. Brazing furnaces. Weld and Metal. Fabr., 1991, 59, №6, с. 300-3 12.

7. Vakuum Kammercfen Zum Hartloten von Aluminium bauteilen. "Aluminium", 1986, 62, № 9, c. 647.

8. Сторчай Е.И., Горбатский Ю.В., Соколова A.B., Лантушенко Л.С. Разработка способа пайки алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников в среде аргона,- Химическое и нефтяное машиностроение., № 9, 1999, с. 6- 10.

9. Горбатский Ю.В., Сторчай Е.И. Новая экологически чистая технология производства алюминиевых пластинчато-ребристых теплообменников.- Химическое и нефтяное машиностроение, № 9, 1999, с. 10 11.

10. Баранов Н.С., Геталов СП., Горбатский Ю.В., Лантушенко Л.С, Соколова A.B., Сторчай Е.И. Способ бесфлюсовой пайки алюминиевых изделий. Патент на изобретение № 2124971, кл В 23 К 1/012, 1999. БИ № 2.

11. Березников Ю.И. Современные процессы пайки алюминиевых конструкций. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. Сер. ХМ-9, Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы. 61с.

12. Schoer Н., Schnitze W. Verfahren zum flubmittelfreien Hartloten von Aluminium unter Schutzgas. Schweis und Schneid, 1974, 26, № 4, p. 149 150.

13. Никитинский A.M. Пайка алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение, 1983, 192 с.

14. Никитинский А.М., Челышев В.Б., Ванюшкина СП. Влияние щелочного травления на качество пайки алюминия и его сплавов.- Сварочное производство, 1976, № 2, с. 36 37.

15. Патент 52-86948 (Япония) Пайка деталей из алюминия и его сплавов = Накагава Кунтиро / Мацусита дэнки санго к.к. Заявл. 14.01.76; Опубл. 20.07.77. МКИ В 23 К 1/20.

16. Schoer П., Schultze W. Verfahren zum flubmittelfreien Hartloten von Aluminium unter Schutzgas und Vergleich mit anderen Lotverfahren. Aluminium (BRD), 1972, 48, № 12, p. 803 807.

17. Schwartz M., Fluxless aluminium brazing schows promise.- Tool and Manufact., 1967,A, № 9, p. 40 42.

18. Капелюшкин К.П., Михалев И.И., Эйдельман В.Д. Технология склеивания деталей в самолетостроении. - Машиностроение, М.: 1972, 217 с.

19. Никитинский А.М., Челышев В.Д., Шилин В.М. Влияние способа подготовки поверхности на свойства паяных соединений алюминиевых сплавов. Сварочное производство, 1979, № 6, с. 27 - 28.

20. Никитинский A.M., Челышев В.Д., Шилин В.М. Влияние технологических факторов на качество пайки в солевой ванне алюминиевых теплообменников. Автоматическая сварка, 1977, № 9, с. 60 - 64.

21. Никитинский A.M., Челышев В.Б., Ванюшкина Н.М. Подготовка поверхности алюминия и его сплавов под пайку и сварку в кислотных растворах.- Сварочное производство, 1967, № 9, с. 33 35.

22. Суслов A.A. Контактно-реакционная пайка алюминиевых сплавов в вакууме. Технология и оборудование высокотемпературной пайки (Материалы научно-технического семинара, январь 1973) М., МДНТП, 1973,

23. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972, 264 с.

24. Суслов A.A. и др. Подготовка поверхности алюминиевых сплавов под пайку. Сб.: Новые материалы и технология пайки в машиностроении. М., 1971, с.

25. Григорьев Г.А., Березников Ю.И., Лоцманов CH. Методы определения качества подготовки поверхности и паяемости изделий под пайку материалов.- В кн.: Технология и оборудование высокотемпературной пайки. М., 1973, с. 53 59.

26. Лоцманов CH., Конопельке Ф.А., Березников Ю.И., Александров Ю.Т., Григорьев Г.А. Способ бесфлюсовой пайки алюминиевых сплавов. A.c. 411970 (СССР) Заявл. 14.07.71, опубл. 12.06.74. МКИ В 23 К 1/20, В 23 К 1/04.

27. Terrill J.R., Cochran C.N., Stokes J.J., Haupin W.E. Understanding the mechanism of aluminium brazing.- Welding J., 1971, 50, № 12, p. 833 839.

28. Werner William. Патент 3697259 (США). Припой для бесфлюсовой высокотемпературной пайки алюминия = Fluxless aluminium brazing cam-pasition / USA. United States Anomie Energy Commision Заявл. 2.10.70, опубл. 10.10.72. ЬЖИ 75-134.

29. Schwartz W.M., Gurtner F.B., Shuts Р.К. Vacuum (or Fluxless) brazing -gas guenching of 6061 Aluminium alloy. Welding J., 1967, 46, № 5, p. 423 431.

30. Schwartz W.M. Fluxless aluminum brazing schows promise.- Tool and Manufaction Engineer, 1967,л, № 5, p. 40 42.

31. Schwartz W.M., Vacuum brazing from aluminium alloys up thorough the refractory metals.- Metals Engng. Quart, 1966,6, № 4, p.47 - 51.

32. Byrnes Eduard R., Jr. Vacuum fluxless brazing of aluminium.- Welding J, 1971,50,№ 10, p. 712-716.

33. Singleton O.R., Monamara P. Aluminum vacuum brazing materials and surface effects.- Aluminium, 1974,50, № 6, p. 407 - 409.

34. Кавасэ Xupocu, Ямагути Мотоёси, Танака Такаити. Кэйкиндзоку ёсэцу. J. Lidht Metal Weld and Constr.", 1973, 11, № 123, p. 115 124.

35. HaKumura Katsuro. Исикавадзима Харима Fuxo. Jehikouvasima.- Ha-rima Eng. Rev., 1973,13, № 2, p. 217 220.

36. ТабутиM., Накамура С. Кейкиндзоку ёсэцу.- J. Light Metal Weld and Constr., 1974,12, № 143, p. 401 407.

37. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение): Справочник / Пер. с нем.- М.: Металлургия, 1979, 678 с.

38. Сторчай Е.И. Применение омическо-емкостного метода для исследования процесса флюсования. Сварочное производство, 1975, № 6, с.45 47.

39. Отчет завода "Хепос", Чехословакия, Брно, 1972.

40. Okamoto Jkuo, Takemoto Tadashi, Den Koichi, Sugiyma Yoshika, Jrie Hiroshi. Кейкиндзоку ёсэцу.- J. Light Metal Weld and Constr., 1977,15, № 5, p. 220 226.

41. Патент 3673678 (США). Процесс бесфлюсовой пайки = Fluxless brazing process / Aleo Standard Соф.; Авт. Изобрет. Morcan Glenn Т., Bielefedt Jrvin P.- Заявл. 8.05.70; Опубл. 4.07.72; НКИ 29-494; МКИ В 23 К 31/02.

42. Никифоров Г.Д., Махортова А.Г. Источники водорода, растворяю-ш;егося в металле шва при сварке.-Сварочное производство, 1961, № 4, с.6-10.

43. Сторчай Е.И., Соколова Л.В., Тарасенко (Лантушенко) Л. С, Баранов Н.С, Савельева В.М., Рослан И.В. Пайка алюминия в нейтральных газовых средах. сб. Пайка алюминиевых конструкций, 1990, МДНТЙ, с. 41-43.

44. Соколова A.B., Сторчай Е.И., Баранов Н.С, Скольцова М.К., Тарасен-ко (Лантушенко) Л.С. Исследование паяемости алюминиевых сплавов в нейтральных газовых средах. сб. Пайка алюминиевых конструкций, 1990, МДНТП, с. 43-45.

45. Группа Л21 -"УТВЕРЖДАЮ" —.-.Директор-1. Есто|г"1994г.1. САЛЬНЫЕ1. КИСЛОТНЫЕ1. Тех1шчес1ше услопля1. ТУ 2499-001-27985194-941. Вводятся впсрпые) ;

46. Дата писдсния ". 36 " сс/грвУ)'1994г."СОГЛАСОВАНО" Московский городской Це1ггр Госкомсанэпндпадзора России ГлапныГ» государстосиньп'! саш11. НГФплатов \Г1994г.

47. Компания "ЕСГОС" * Ру1СовоА?елд/рг(А)абА1. ЛЛЛЛЛЛДЛ'Л/Л1. Н.Л.Володин1. ДиреддАрАаЬода /н"ЕСТ0С"

48. Л.Л. Сн11СЛ ыдгпсоо Ч<7(тл<.Г 1994 г.1994

49. Настоящие техншхеаше условия распросграишотся на средства ошццаюпцхе универсальные Ю1сл(угиые. предназначенные для удаленид известковых и окащных (УгложеНий, преобразования рлсавчпш,! и фосфотащш поверхностей.