Analyse der Leckageursachen beim Vakuumbrazen von Aluminiumplatten-Finnen-Wärmetauscher

Zusammenfassung:

Dieser Artikel stellt das Vakuumlötverfahren für Aluminiumlegierungs-Plattenwärmetauscher vor. Er analysiert die Auswirkungen der Dicke der Materialplattierung, der Oberflächenrauheit, der Wärmetauscherbaugruppe, der Vakuumlöttemperatur und Haltezeit, des Vakuumniveaus und der Umgebungsfaktoren auf die Lötqualität des Wärmetauschers. Entsprechende Prozessmaßnahmen werden vorgeschlagen und positive Ergebnisse wurden in der Praxis erzielt.

Schlüsselwörter:

Plattenwärmetauscher; Vakuumlöten; Prozess

Vakuumlöten ist ein Lötverfahren, das in Vakuumatmosphäre ohne Flussmittel durchgeführt wird. Eines der Grundprinzipien des Vakuumlötens beruht auf der Kapillarwirkung, um das Füllmetall in die Kontaktflächen zwischen den zu verbindenden Teilen zu ziehen und so eine Verbindung zwischen den zu lötenden Metallen herzustellen. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren bietet das Löten Vorteile wie minimale Verformung, die Möglichkeit, mehrere Komponenten gleichzeitig zu verbinden, und die Fähigkeit, unterschiedliche Metalle zu verbinden. Aluminiumlegierungs-Plattenwärmetauscher werden als Druckbehälter klassifiziert und müssen während der Anwendung entsprechende drucktragende Anforderungen erfüllen. Aufgrund ihrer strukturellen Merkmale kann der Verbindungsprozess nur durch Löten erreicht werden.

Die Kernstruktur eines Aluminium-Plattenwärmetauschers besteht ausschließlich aus langen Dichtleisten, kurzen Dichtleisten, Trennblechen, Außenlamellen, Innenlamellen und Seitenplatten.

1. Materialzuschnitt: Formgebung und Kalibrierung von Trennblechen, Lamellen, Dichtleisten und Seitenplatten.

2. Oberflächenbehandlung: Ultraschallreinigung.

3. Montage: Mechanische Montage und Formgebung von Trennblechen, Lamellen, Dichtleisten, Seitenplatten usw.

4. Vakuumofenlöten: Beim Vakuumlöten wird im Allgemeinen ein dreistufiges Heiz- und Halteverfahren angewendet:

Vorläufige Vakuumabsaugung.

Stufe 1 Vorwärmen: Halten bei 380–470 °C.

Stufe 2 Energiespeicherung: Halten bei 560–575 °C.

Stufe 3 Löten: Halten bei 598–603 °C für 15–25 Minuten.

Die Heizung stoppt; das Werkstück wird nach dem Abkühlen auf die angegebene Temperatur aus dem Ofen genommen.

5. Kernrichtverfahren: Mechanische Korrektur von Verformungen im Wärmetauscherkern nach dem Vakuumlöten.

6. Schweißen der Endkappen: An beiden Enden des Wärmetauscherkerns werden Endkappen mittels WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas) angeschweißt.

7. Druckprüfung: Druckluft mit 1,6 MPa wird eingeführt, um Leckagen im Wärmetauscher zu prüfen und Leckstellen zu identifizieren. Nach bestandener Dichtheitsprüfung wird Druckluft mit 3,0 MPa für eine Druckfestigkeitsprüfung eingeführt; das Produkt darf keine signifikante Verformung aufweisen.

8. Reparatur: Undichte Wärmetauscher werden aufgeschnitten, durch Schweißen repariert und dann einer weiteren Druckprüfung unterzogen.

9. Beschichtung: Der Wärmetauscher wird organisiert, beschichtet und getrocknet, um das Oberflächenbild zu verbessern.

10. Verpackung und Lieferung

Die Lötleistung des Trennblechs spiegelt sich in seiner Fließfähigkeit, Benetzbarkeit, Spaltfüllfähigkeit, Erosionsverhalten und Verbindungsfestigkeit wider. Der Silizium (Si)-Gehalt in der Plattierung bestimmt nicht nur den Schmelzpunkt der Legierung, sondern beeinflusst auch ihre Fließfähigkeit, Benetzbarkeit und ihr Erosionsverhalten gegenüber der Grundlegierung. Ein höherer Si-Gehalt führt zu besserer Fließfähigkeit und Spaltfüllfähigkeit. Wenn Si jedoch zur Grenzfläche des Grundmetalls diffundiert und die Zusammensetzung der festen Phase die Lötzusammensetzung erreicht, kann dies zum Schmelzen der festen Phase und zu Erosion führen. Magnesium (Mg) in der Plattierungslegierung ist ein wesentliches Metallaktivierungsmittel und Getter zur Gewährleistung der Vakuumlötqualität. Magnesium im Füllmetall beginnt oberhalb von 550 °C signifikant zu verdampfen und erzeugt eine Magnesiumatmosphäre in der Lötkammer. Dieser Magnesiumdampf reagiert mit Rest-Sauerstoff oder Sauerstoff aus Wasserdampf in der Lötatmosphäre, schützt die erhitzten Werkstückoberflächen vor erneuter Oxidation und kann auch verbleibende Oxidfilme, die nicht vollständig von den Werkstückoberflächen entfernt wurden, durchdringen und verbrauchen. Eine ungleichmäßige Dicke der Plattierung des Trennblechs kann zu Defekten wie unzureichendem Löten, Durchbrand, diskontinuierlichem Löten und Leckagen führen. Daher wird der Magnesiumgehalt im Füllmetall im Allgemeinen zwischen 1,0 % und 2,0 % kontrolliert. Darüber hinaus ist die Gewährleistung der effektiven Dicke des Füllmetalls für vollständige Lötkehlen und die Erhöhung der Drucktragfähigkeit des Produkts erforderlich. Typischerweise beträgt die Dicke der Plattierung auf jeder Seite des Trennblechs 0,1–0,15 mm, was sich in der Praxis als sehr effektiv erwiesen hat.

Vor der Montage des Wärmetauschers müssen Lamellen, Trennbleche und Dichtleisten gereinigt werden, um Schmutz, Öl und Oberflächenoxidationsschichten zu entfernen. Ölreste zersetzen sich während des Vakuumlötens, reduzieren das Vakuumniveau im Ofen und verursachen Oxidation der Lamellen, Trennbleche und Dichtleisten. Die Oxidschicht auf Aluminiumlegierungen ist sehr dicht und hat einen höheren Schmelzpunkt als das Grundmetall; sie schmilzt beim Löten nicht leicht und beeinträchtigt dadurch die Lötqualität. Um die Qualität der gelöteten Bauteile zu gewährleisten, ist eine strenge Kontrolle der Oberflächenvorbehandlung der Werkstücke und des Füllmetalls vor dem Löten erforderlich, zusammen mit einer Minimierung der Montagezeit vor dem Löten.

Die Oberflächenrauheit von Strukturkomponenten beeinflusst die Kapillarkraft. Im Allgemeinen erschwert eine zu glatte Oberfläche die gleichmäßige Verteilung des Füllmetalls über die gesamte Kontaktfläche, und die entstehenden Hohlräume können die Lötfestigkeit verringern. Dies gilt insbesondere für die Oberflächenrauheit von Dichtleisten. Um eine gleichmäßige Verteilung des Füllmetalls entlang der Kontaktfuge zu gewährleisten, sollten die Lötflächen der Dichtleisten eine entsprechende Aufrauung aufweisen.

Die Qualität der Komponentenmontage steht in engem Zusammenhang mit der endgültigen Lötqualität des Produkts und verdient erhebliche Aufmerksamkeit. Erstens müssen die Höhentoleranzen der Komponenten kontrolliert werden. Gemäß nationalen Normen beträgt die Höhentoleranz für Lamellen -0,02 mm bis +0,05 mm und für Dichtleisten -0,03 mm bis +0,03 mm. In der Praxis sollten Baugruppen mit negativen Lamellentoleranzen, die mit positiven Dichtleistentoleranzen kombiniert werden, vermieden werden; ein Nullspalt zwischen Lamellen- und Dichtleistentoleranzen wird im Allgemeinen als optimal angesehen. Der Wärmetauscher wird nach der Montage mit Vorrichtungen eingespannt. Aufgrund des Unterschieds in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Aluminium und Edelstahlvorrichtungen kann eine übermäßige Klemmkraft leicht zu Lamellenbiegung oder -kollaps nach dem Löten führen, während eine unzureichende Klemmkraft zu unzureichendem Löten oder Lockerung der Lamellen führen kann.

Das Trennblech ist mit Füllmetall plattiert, das eine bestimmte Temperatur zum Schmelzen benötigt. Die Löttemperatur beeinflusst nicht nur die Benetzbarkeit des Füllmetalls, sondern auch die Festigkeit der Lötverbindung. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, wird die erforderliche Löttemperatur nicht erreicht und die Temperaturen in verschiedenen Bereichen sind ungleichmäßig. Dies führt zu schlechter Fließfähigkeit des Füllmetalls, was potenziell zu unzureichendem Löten, diskontinuierlichem Löten, innerer Porosität und Schlackeneinschlüssen führen kann, was zu reduzierter Verbindungsfestigkeit und erhöhtem Leckagerisiko, möglicherweise sogar zu schweren Blasenbildungen oder Rissen führt. Dieses Phänomen wird gelegentlich in der Produktion beobachtet und ist oft mit dem Spaltmaß zwischen den inneren Lamellen oder Kanälen und der Dichtleiste verbunden. Die Praxis hat gezeigt, dass, wenn ein 100 mm langer Abschnitt von inneren Lamellen oder Kanälen nicht gelötet ist, er unter einem Druck von weniger als 2,0 MPa reißen kann. Wenn die Temperatur zu hoch ist, schmilzt das Füllmetall vollständig, was leicht zu Porosität führen kann. Darüber hinaus kann es zu schwerer Oxidation des Füllmetalls kommen, was zu Defekten wie Füllmetall-Auslaufen, Erosion und Verbiegung führt. Während des Erhitzens besteht ein Temperaturgradient zwischen der Werkstückoberfläche und seinem Kern. Wenn die Innen- und Außentemperaturen des Plattenlamellenkerns während des Vakuumlötens konstant gehalten werden können, kann die Lötqualität gut gewährleistet werden. Wenn der Temperaturgradient zu klein ist, wird die erforderliche Heiz- und Haltezeit länger, und übermäßiges Halten kann leicht zu Erosion führen. Umgekehrt, wenn der Temperaturgradient zu groß ist, führt dies zwangsläufig zu Ungleichmäßigkeiten in den Lötverbindungen (d. h. einige Bereiche richtig gelötet, andere nicht) zwischen dem Inneren und Äußeren der Baugruppe. Es sind Fälle von interner Erosion aufgetreten. Post-mortem-Analysen ergaben, dass Erosionsstellen hauptsächlich auf den beiden äußersten Schichten (oben und unten) des Produkts lagen und als Punkte oder Streifen erschienen, meist an den Nähten zwischen den Lamellen. Präventivmaßnahmen umfassen die Kontrolle der Lötofentemperatur, insbesondere die Sicherstellung, dass die maximale Außentemperatur des Produkts nicht zu hoch ist. Nachdem das Füllmetall eine Phasenumwandlung durchlaufen hat, kann die Außentemperatur entsprechend erhöht werden. Das Hauptziel ist es, Erosion durch übermäßige Außentemperatur oder längere Hochtemperaturbelastung zu verhindern. Die Verwendung von Zonensteuerung während des Lötens, bei der Heizzonen sequenziell ausgeschaltet werden, sobald das Produkt in dieser Zone die Löttemperatur erreicht hat (Zonen stoppen, wenn sie die Temperatur erreichen), ist ebenfalls eine wirksame Methode zur Verhinderung von Erosion.

Beim Vakuumlöten können Wechselwirkungen zwischen dem Füllmetall und bestimmten Dampfkomponenten die Loteigenschaften erheblich beeinflussen. Wenn das Vakuumniveau im Lötofen niedrig ist, reagieren oxidierende Gase wie Sauerstoff und Wasserdampf chemisch mit Aluminium und bilden harte Aluminiumoxidfilme. Diese Filme sind bei typischen Löttemperaturen schwer zu zersetzen und behindern die Verbindung zwischen dem Füllmetall und dem Grundmetall. Wenn die Löttemperatur unter 400 °C liegt, ist die Schutzwirkung des Oxidfilms weniger anfällig für Umgebungsfaktoren im Ofen. Daher ist die Anwesenheit von etwas Luft während der Vorwärmphase zulässig, und der Prozess in diesem Temperaturbereich wird während des laufenden Vakuumierens durchgeführt. Wenn die Temperatur 400 °C überschreitet, beginnen bestimmte Elemente signifikant zu verdampfen. Zu diesem Zeitpunkt reagieren Verunreinigungen schnell mit der Oberfläche, bilden Oxidschichten und verschlechtern gleichzeitig die Loteigenschaften. Folglich ist ein höheres Vakuumniveau erforderlich, was eine wirksame Begrenzung der Partialdrücke von Sauerstoff und Wasser erfordert. Typischerweise sind die Prozesse des Vakuumierens und Erhitzens miteinander verbunden; die Dauer für jeden variiert je nach Größe und Gewicht des Werkstücks. Im Allgemeinen sollte für Temperaturen unter 450 °C das Vakuumniveau unter 0,05 Pa kontrolliert werden. Während der Lötphase sollte es unter 0,005 Pa liegen. Ein gutes Vakuumniveau hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Lötverbindung.

Während des Vakuumlötens können die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit die Lötqualität von Plattenwärmetauschern erheblich beeinflussen. Die Montage unter hoher Luftfeuchtigkeit führt dazu, dass mehr Feuchtigkeit an den Lamellen, Trennblechen und Dichtleisten haftet. Wenn diese in den Vakuumofen zum Löten eingebracht werden, setzt diese Feuchtigkeit mehr Gas frei, was das Löt-Vakuumniveau senkt. Darüber hinaus erfordert die Verdampfung von Wasserdampf eine erhebliche Wärmemenge, was die Temperatur des Wärmetauscherkerns beeinflussen kann. Die Umgebungstemperatur beeinflusst direkt den Grad der Oberflächenoxidation der dünnen Aluminiumlegierungsplatten und beeinträchtigt somit die Vakuumlötqualität.

Basierend auf der obigen Analyse sollten die folgenden Maßnahmen ergriffen werden, um die Leckrate von Wärmetauschern nach dem Vakuumlöten zu reduzieren oder zu senken:

1. Bei der Bestellung von Rohmaterialien sollten diese von seriösen, spezialisierten Herstellern bezogen werden, um die Materialqualität und -leistung zu gewährleisten.

2. Baugruppen mit negativen Lamellentoleranzen, die mit positiven Dichtleistentoleranzen kombiniert werden, sollten vermieden werden; ein Nullspalt zwischen Lamellen und Dichtleisten ist im Allgemeinen optimal.

3. Halten Sie sich strikt an die Prozessverfahren für Materialvorbereitung, Reinigung und Montage.

4. Optimieren und kontrollieren Sie in der Praxis streng Prozessparameter wie Vakuumlöttemperatur, Haltezeit und Vakuumniveau; passen Sie den Lötprozess an unterschiedliche interne und externe Bedingungen an.

5. Kontrollieren Sie die Umgebungsfeuchtigkeit.