DE60304144T2

DE60304144T2 - Wärmetauscher aus gelötetem Kupfer und Schweissverfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE60304144T2
Application number: DE60304144T
Authority: DE
Inventors: Christian 95650 BONNET; Jean-Marie 95520 FORTAIN; Marc 94100 WAGNER
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: FR2843059A1; JP2004066342A; JP4373149B2; DE60304144D1; CN1476952A; ATE320876T1; US20040222200A1; FR2843059B1; US20070214641A1; EP1422010A1; CN1325222C; EP1422010B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren für Wärmetauscher aus gelötetem Kupfer, ein Schweißverfahren zur Herstellung von Wärmetauschern, die mit einem solchen Verfahren hergestellten Wärmetauscher und ihre Verwendung für die Zerlegung der Gase, insbesondere Luft.
Solche Verfahren, ein solcher Wärmetauscher und eine solche Verwendung sind in dem Dokument FR 2 815 895 A beschrieben.
Die Wärmetauscher oder Thermotauscher aus Kupfer werden üblicherweise durch Stapeln von Platten und Flügel, die zusammengelötet werden, um eine Matrix zu bilden, dann durch Hinzufügen eines oder mehrerer Fluidsammelbehälter, die dazu dienen, die in der Ausrüstung behandelten Fluide zu sammeln und zu verteilen, hergestellt.
Auf bekannte Weise sind der oder die Fluidsammelbehälter, auch Kollektoren genannt, auf die gelötete Matrix des Wärmetauschers aufgesetzt und durch Schweißen an ihr befestigt.
In dem allgemeinen Fall einer Kupfer-/Kupfer-Verbindung durch Schweißen ist es üblich, eine Kupferlegierung (Kupfernickel oder Kupferaluminium, ...) als Beigabeprodukt zu verwenden, da sie einfacher zu verwenden ist als reines Kupfer.
Jedoch in dem besonderen Fall der Verbindung eines oder mehrerer Kollektoren mit einer gelöteten Matrix bei der Herstellung eines Wärmetauschers kreuzt die Verbindungsschweißnaht, die den Fluidkollektor mit der Matrix vereint, notwendigerweise die Zwischenräume, die mit einer Lötfuge gefüllt sind, die die Platten und Flügel, die diesen Teil des Wärmetauschers bilden, verbinden.
Derzeit werden zwei Kategorien von Lötlegierungen verwendet, um das Kupfer zu löten, nämlich die Kupfer-Silber-Legierungen, die sehr teuer sind, und die Kupfer-Phosphor-Legierungen, die kostengünstiger sind, aber im Allgemeinen eine Phosphormenge zwischen ungefähr 5 Gew.-% und ungefähr 8 Gew.-% enthalten. Die Beigabe von Silber oder Phosphor ermöglicht es tatsächlich, die Schmelztemperatur der Legierung im Vergleich mit dem reinen Kupfer signifikant zu senken, typischerweise um mehrere Hunderte Grad Celsius, was unerlässlich ist, um einen Lötvorgang durchführen zu können.
Jedoch es stellen sich mehrere Probleme, wenn die von gelöteten Platten und Flügel gebildete Matrix unter Einsatz eines Lötens mit einer Kupferlegierung, der Phosphor beigemischt wurde, hergestellt wurde.
Beim Schweißen der gelöteten Kupfermatrix mit beispielsweise einem Sammelbehälter aus Kupfer wird das Löten der Matrix, die sich im Bereich der Ebene der zu verschweißenden Verbindung befindet, mit der Schweißlegierung gemischt, die für die Herstellung der Schweißnaht zwischen dieser Lötmatrix und der Wand des Behälters, die an diese geschweißt werden soll, verwendet wird.
Es kann somit zu einer Verdampfung des Phosphors kommen, was zu einer Gefahr der Porosität führt, da die Temperatur des Schweißbades wesentlich höher als die Löttemperatur ist, und vor allem zu einer Brüchigkeit der Schweißnaht führt, die auf diese Weise mit den herkömmlichen Beigabeprodukten hergestellt wurde, da die Löslichkeit des Phosphors in den üblicherweise für das Schweißen verwendeten Legierungen sehr gering ist, was zu starken Abspaltungen des Phosphors bei der Verfestigung der Schweißnaht und folglich zur Bildung von brüchigen Zonen, die sehr reich an Phosphor sind, führt.
Dies kann nun zu Erscheinungen der Rissbildung der Schweißnaht führen, und es kann zu Leckagen oder anderen Dichtungsproblemen bei dem so hergestellten Wärmetauscher kommen.
Ziel der Erfindung ist somit, ein verbessertes Schweißverfahren vorzuschlagen, das für die Herstellung von gelöteten Wärmetauschern aus Kupfer anwendbar ist und es ermöglicht, die oben erwähnten Probleme zu beseitigen, sowie verbesserte Wärmetauscher zu definieren, die durch dieses Verfahren hergestellt werden und kein Leckage- oder Abdichtungsproblem aufweisen.
Mit anderen Worten besteht das zu lösende Problem darin, wirksam Kupferteile von Wärmetauschern ohne Bildung von brüchigen Zonen reich an Phosphor verschweißen zu können und somit ein Schweißverfahren für Wärmetauscher vorzuschlagen, das zum Erhalt von Wärmetauschern führt, die einen größeren Widerstand als jener der Wärmetauscher aufweisen, deren Unterteile, aus denen sie bestehen, durch Einsatz von herkömmlichen Verfahren verschweißt wurden.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mindestens eines metallischen Stücks auf eine Matrix, umfassend mindestens eine gelötete Zone, deren Lötverbindung Kupfer und Phosphor enthält, nach Anspruch 1, bei dem:

(a) auf mindestens einen Teil der gelöteten Zone mindestens eine Schicht einer Legierung aufgetragen wird, die Kupfer und mehr als 1 Gew.-% Zinn enthält, und
(b) ein Schweißen des metallischen Stücks auf die mindestens eine Schicht der Legierung aus Kupfer und Zinn, die in Schritt (a) aufgetragen wurde, vorgenommen wird.

Im Rahmen der Erfindung sind die Prozentsätze (%) gewichtsbezogene Prozentsätze.
Je nach Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren eines oder mehrere der folgenden technischen Merkmale umfassen:

– die Legierung aus Kupfer und Zinn enthält mindestens 1,05 % Zinn, vorzugsweise mindestens 1,2 % Zinn,
– die Legierung aus Kupfer und Zinn enthält weniger als 10 % Zinn, vorzugsweise weniger als 6 % Zinn,
– die Legierung aus Kupfer und Zinn enthält mindestens 80 Gew.-% Kupfer, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% Kupfer,
– die Legierung aus Kupfer und Zinn enthält weniger als 1 Gew.-% Phosphor,
– die Legierung aus Kupfer und Zinn enthält 2 bis 8 Gew.-% Zinn, vorzugsweise 3 bis 6 Gew.-% Zinn,
– in Schritt (a) werden mehrer Schichten auf Basis einer Legierung aus Kupfer und Zinn aufgetragen, die mindestens teilweise übereinander geschichtet werden,
– das Auftragen von mindestens einer Schicht einer Legierung aus Kupfer und Zinn aus Schritt (a) erfolgt durch lokale Vorerhitzung (i) der mit der Legierung zu beschichtenden Zone und Aufbringen und Auftragen (ii) der durch einen Lichtbogen geschmolzenen Legierung aus Kupfer und Zinn auf die in Schritt (i) vorerhitzte Zone,
– die Vorerhitzung aus Schritt (i) erfolgt durch Einsatz eines oder mehrere Lichtbögen, vorzugsweise mindestens eines Lichtbogens, der durch einen TIG- oder Plasmaschweißbrenner erzeugt wird,
– in Schritt (ii) erfolgt das Aufbringen der Legierung in Form eines Drahtes aus einer Legierung aus Kupfer und Zinn,
– in Schritt (ii) wird der Lichtbogen, der das Schmelzen des Drahtes ermöglicht, durch mindestens einen MIG- oder TIG-Schweißbrenner,
– die gelötete Matrix enthält ferner mindestens ein Lötelement, das unter Sn, Ag und Zn ausgewählt wird,
– die Legierung aus Kupfer und Zinn, die die in Schritt (a) aufgetragene(n) Schicht(en) darstellt, enthält eventuell mindestens ein Zusatzelement, das unter Silizium, Mangan, Eisen und Nickel ausgewählt wird,
– die Lötverbindung enthält 3 bis 10 % Phosphor, 0 bis 15 % Silber und 0 bis 1 % Nickel,
– die in Schritt (a) aufgebrachte(n) Schicht(en) enthalten weniger als 0,5 % Mangan, weniger als 0,5 % Silizium und weniger als 0,05 % Eisen,
– in Schritt (b) wird das Stück durch ein MIG-, TIG-, Plasmaschweißverfahren oder eine Kombination dieser Verfahren, vorzugsweise ein impulsförmiges MIG-Schweißverfahren geschweißt,
– die gelötete Matrix wird durch ein Stapeln von mehreren Platten, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden, getragen, wobei die Flügel und die Platten miteinander verlötet sind, um die gelötete Matrix zu bilden,
– das Stück ist ein Bestandteil eines Sammelbehälters und/oder Verteilerbehälters von Fluid, das einen Wärmeaustauschteil bildet, wobei das Stück vorzugsweise aus Kupfer oder rostfreiem Stahl ist,
– die auf die Matrix aufgebrachte Schicht hat eine ausreichende Breite, um die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen dem Stück und der Schicht ohne Eingliederung von Zusatzelementen, die von der gelöteten Zone der Matrix kommen, in die Schweißnaht zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Her stellung eines gelöteten Wärmetauschers aus Kupfer nach Anspruch 14, bei das erfindungsgemäße Schweißverfahren eingesetzt wird, um mindestens einen Sammel- und Verteilerbehälter von Fluid, vorzugsweise aus Kupfer, des Wärmetauschers auf einen Stapel von Platten zu schweißen, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden und mindestens eine gelötete Matrix tragen.
Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher aus Kupfer nach Anspruch 14, umfassend mindestens einen Sammel- und Verteilerbehälter von Fluid, der auf eine gelötete Matrix geschweißt ist, die von einem Stapel von mehreren Platten getragen wird, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter auf mindestens eine Schicht einer Legierung geschweißt ist, die Kupfer und mehr als 1 Gew.-% Zinn enthält, wobei die mindestens eine Schicht aus Kupfer und Zinn auf die gelötete Matrix aufgetragen wird.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Fluidzerlegungsanlage nach Anspruch 16, insbesondere für gasförmige Mischungen, umfassend mindestens einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung, wobei die Anlage vorzugsweise eine kryogene Luftzerlegungsanlage ist.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fluidzerlegungsverfahren nach Anspruch 17, insbesondere für gasförmige Mischungen, bei dem mindestens ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei das Fluid vorzugsweise Luft ist.
Das Prinzip der Erfindung ist für das Schweißen eines Stücks, beispielsweise eines Sammel- und Verteilungsbehälters von Fluid für einen Wärmetauscher, auf eine gelötete Matrix anwendbar, wie beispielsweise die gelötete Matrix eines Wärmetauschers, die durch Löten eines Stapels von Platten, die durch Flügel, die Querstreben bilden, getrennt sind, gebildet ist.
Um die Probleme der Rissbildung der oben erwähnten Schweißverbindung zu vermeiden, wird das Stück nicht direkt auf die Matrix gelötet, die die gelötete Zone umfasst, die von einer Kupferlegierung gebildet ist, die im Allgemeinen weniger als 10 % Phosphor und eventuell weitere Verbindungen enthält, wie im Stand der Technik üblicherweise durchgeführt.
Wenn nämlich wie aus dem Stand der Technik bekannt vorgegangen wird, wurde festgestellt, dass zum Zeitpunkt des Schweißens des Kollektors auf die gelötete Matrix eines Wärmetauschers eine geringe Dicke des gelöteten Wärmetauschers (Matrix) durch das Schmelzschweißen geschmolzen wird, und Lötmasse nun mit der Metallablagerung (Schweißnaht) gemischt wird, allerdings nicht auf homogene Weise in der gesamten aufgetragenen Masse.
Lokal kommt es nun in dem geschmolzenen Metall in der Nähe der Lötverbindung zu einer Anreicherung an in der Lötmasse enthaltenen Elementen. Unter diesen Elementen zeigten die Erfinder der vorliegenden Erfindung auf, dass das Phosphor jenes ist, das den Problemen der Rissbildung, die im Stand der Technik vorhanden sind, zu Grunde liegt, wenn die lokale Konzentration an Phosphor die Löslichkeitsgrenze in der „lokalen Legierung" überschreitet, was durch die nicht homogene Mischung des aufgebrachten Metalls, des Kupfers aus dem Wärmetauscher und der Lötmasse hervorgerufen wird.
Erfindungsgemäß erfolgt zur Vermeidung dieses Problems der Rissbildung auf Grund des Phosphors zuerst ein Aufbringen von einer oder mehreren übereinander angeordneten Schichten einer Kupfer- und Zinnlegierung (mehr als 1 Gew.-%) auf die Seite der Matrix, die die Lötverbindung umfasst, um eine Basis darzustellen, auf die dann das Stück geschweißt wird; diese übereinander angeordneten Schichten von Kupfer, die die gelötete Fläche bedecken, werden „Aufstrich"-Schichten genannt.
Auf diese Weise stellt das Aufbringen von „Aufstrich"-Schichten auf die Fläche, auf der die gelöteten Zwischenräume der Matrix enden, eine Isolierschranke dar, die es ermöglicht, jede möglicht Verschmutzung der Schweißnaht durch das Auftauchen von schädlichen Elementen, die vom Löten stammen, beim folgenden Schweißen des Stücks auf die „Aufstrich"-Schichten zu vermeiden.
Die so gebildeten Kupferschichten können nämliche eine große Menge von Schadstoffen in Lösung aufnehmen, ohne deshalb stark beeinträchtigt zu sein.
Erfindungsgemäß wird das Stück somit entlang der Schweißnaht auf die vorher auf die gelötete Matrix aufgebrachte(n) „Aufstrich"-Schicht(en) und nicht direkt auf die gelötete Zone geschweißt, wie dies im Stand der Technik herkömmlicherweise durchgeführt wurde.
Überdies stammt die Schwierigkeit, das Kupfer mit einem Beigabeprodukt aus Kupfer zu verschweißen, daher, dass das Kupfer schmilzt und sich bei einer festen Temperatur und nicht in einem Temperaturbereich, wie die meisten der Legierungen, verfestigt. Aus diesem Grund ist das Schweißbad für einen Schweißfachmann sehr schwierig zu behandeln, und die erhaltenen Nähte sind im Allgemeinen schlecht „befeuchtet", d.h. weisen einen schlechten Anschluss der Seiten der Naht an das Basismetall auf und besitzen ferner oft Fehler vom Typ Kleben, d.h. dass das Beigabemetall auf das Basismetall ohne Schmelzen dieses letztgenannten „gelegt" wird.
Es kann der Versuch unternommen werden, diese Probleme zu lösen, wobei eine Vorerhitzung des Wärmetauschers vorgenommen wird, aber dieser Vorgang ist schwierig durchzuführen, da auf Grund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers die in die Schweißzone eingeleitete Wärme sehr rasch in den gesamten Wärmetauscher diffundiert, weshalb es notwendig ist, den gesamten Wärmetauscher auf die Vorerhitzungstemperatur von beispielsweise 300 °C zu bringen. Es ist nun verständlich, dass eine derartige Vorgangsweise lang, kostspielig ist und zu Fehlern in der Schichtung führen kann, da dies die Oxydation der Oberfläche hervorruft, auf der die Schweißnähte ausgeführt werden sollen.
Um alle diese Nachteile zu vermeiden, zeigten Einsatztests der Erfindung, dass die Vorerhitzung der zu schweißenden Zone weggelassen werden konnte, wenn einige Zentimeter vor dem MIG-Schweißbrenner ein Lichtbogen, beispielsweise TIG oder Plasma, oder mehrer Lichtbögen vorgesehen sind, die quer oder längs in Bezug auf die Schweißrichtung angeordnet sind, was eine sehr lokale aber wirksame Erhitzung sicher stelle, da die so vom Lichtbogen oder von den Lichtbögen zur Vorerhitzung eingeleitete wärme keine Zeit hat, signifikant in die Masse des Wärmetauschers zu diffundieren, da wenig Zeit zwischen dem Durchgang der Vorerhitzung des oder der TIG- oder Plasmalichtbögen und dem Durchgang des MIG-Schweißbrenners, der das Beigabemetall aufbringt, liegt.
Eine weitere zufrieden stellende Lösung besteht darin, einen MIG-Plasma-Hybridbrenner zu verwenden, der durch einen Plasmalichtbogen, der den Zufuhrdraht und den MIG-Lichtbogen umgibt, gekennzeichnet ist.
Wenn die Verschmutzung minimiert werden soll, sind mehrere Schweißdurchgänge vorteilhaft, da sie es ermöglichen, mehrere übereinander angeordnete „Aufstrich"-Schichten zu erhalten.
Natürliche haben die „Aufstrich"-Schichten eine ausreichende Breite und sind mit einer Legierung aus Kupfer und mehr als 1 % Zinn, vorzugsweise ungefähr 3 bis 6 % Zinn, hergestellt, bei der die Löslichkeitsgrenze des Phosphors bei der Verfestigungstemperatur noch groß genug ist, beispielsweise eine Löslichkeit von 0,5 bis 1 %, damit sich das von der Lötverbindung stammende Phosphor, das in die „Aufstrich"-Schicht eingeleitet wird, ausreichend verdünnen kann, um die Rissbildung zu vermeiden, und damit eine zusätzliche Schweißung ohne Gefahr für die Unversehrtheit der Struktur durchgeführt werden kann.
Dieses Verfahren ist besonders gut an die Herstellung von gelöteten Wärmetauschern angepasst, die für die Zerlegung der Gase, insbesondere auf kryogenem Weg in kryogenen Zerlegungssäulen verwendet werden können.
Die detaillierte Struktur eines Wärmetauschers ist nachstehend nicht beschrieben, da sie in der Industrie gut bekannt ist, und ist insbesondere auf der Internetseite www.alpema.org zu sehen oder in „The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Association", ALPEMA, zweite Ausgabe, 2000 beschrieben.
Die detaillierte Struktur der gelöteten Zone eines Wärmetauschers aus Kupfer dieses Typs umfasst einen Stapel von metallischen Platten oder Folien, die voneinander durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden. Die Flügel sind im Bereich der Enden der Platten angelötet, so dass hier eine gelötete Matrix gebildet wird, auf die eine oder mehrere Strukturen oder Behälter geschweißt werden sollen, die dazu dienen, die Fluide in dem Wärmetauscher zu sammeln und zu verteilen.
Erfindungsgemäß sind die „Aufstrich"-Schichten auf der Außenfläche dieser gelöteten Zone der Matrix des Wärmetauschers hergestellt, wie oben erklärt, und zwar vor dem Schweißen der Struktur oder des Behälters zum Sammeln und Verteilen von Fluid auf diese „Aufstrich"-Schicht(en), die Legierungselemente oder unvermeidliche Verunreinigungen enthalten können.
Wie oben erklärt, wird zur Durchführung der „Aufstrich"-Durchgänge zuerst eine lokale Vorerhitzung der zu überziehenden Zone, dann eine Aufbringung einer geschmolzenen Legierung Cu/Sn auf diese vorerhitzte Zone vorgenommen, wobei die Legierung Cu/Sn in Form eines Schmelzdrahtes zugeführt wird, dessen Schmelzen durch Einsatz eines Lichtbogens, insbesondere eines MIG-Schweißbrenners, erzielt wird. Das MIG-Verfahren wird bevorzugt, da dieses Schweißverfahren stärkere Bewegungen des Flüssigbades des Schmelzmetalls als das TIG-Verfahren hervorruft, was dazu führt, dass eine lokale Konzentration gewisser schädlicher Elemente, wie beispielsweise Phosphor, insbesondere in den Zonen der „Aufstrich"-Naht an der Kreuzung mit der Lötfuge, vermieden wird.
Bei Einsatztests der Erfindung wurde festgestellt, dass eine Legierung vom Typ Cu-Sn6P, d.h. die ungefähr 6 Zinn, weniger als 1 % Phosphor und Kupfer für den Rest (auf 100 Gew.%), eventuell abgesehen von den unvermeidlichen Verunreinigungen, enthält, eine relativ große Menge an Phosphor in Lösung gestatten kann.
Ferner hat diese Legierung Cu-Sn6P eine geringere Schmelztemperatur als reines Kupfer und somit ähnlicher der Lötlegierung (Temperatur solidus 900 °C und liquidus 1050 °C im Vergleich mit 1083 °C für reines Kupfer).
Diese Legierung führt ferner zu einer Verbesserung der „Befeuchtung" sowie zu einer wirksamen Eindringung der geschmolzenen Legierung in die Lücken der Lötverbindungen.
Die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierung Cu-Sn6P beträgt 57 W/m.K bei Raumtemperatur gegen 380 W/m.K für reines Kupfer. Diese Legierung ist somit einfacher zu schweißen als das reine Kupfer und kann somit durch ein MIG-Schweißverfahren, aber auch durch ein TIG-Schweißverfahren mit einer mäßigen Vorerhitzung aufgebracht werden.
Überdies ermöglicht es diese Legierung, das „Aufstreichen" durchzuführen, aber ihre Eigenschaften ermöglichen es auch, sie für die Herstellung der Schweißung zum Verschließen des Gehäuses zu verwenden. Diese Legierung hat sehr gute mechanische Eigenschaften bei kryogener Temperatur.
Diese Legierung ist in AWS unter dem Namen Er Cu Sn-A und gemäß BS2901 Teil 3 Grad C11 genormt.
Allerdings um das Schweißen des Stücks (Sammelbehälter) auf die mit Kupfer überzogene gelötete Zone durchzuführen, kann ein Lichtbogenschweißbrenner, wie beispielsweise ein MIG- (Metal Inert Gas), TIG- (Tungsten Inert Gas), Plasma-Schweißbrenner oder Kombinationen solcher Brenner, beispielsweise ein Plasma-MIG-Brenner oder MIG-TIG-Brenner, verwendet werden und als Ergänzung ein Zufuhrprodukt vom Typ Kupfer/Nickel oder Kupfer/Aluminium zugeführt werden, oder, wenn eine Verbindung zwischen der mit Kupfer überzogenen Zone und einem Stück aus rostfreiem Stahl hergestellt werden soll, wie beispielsweise ein Fluidkollektor, können weitere Zufuhrprodukte vom Typ Nickel oder Nickellegierungen verwendet werden. Im Falle der Herstellung eines Wärmetauschers kann nämlich entweder gewählt werden, den Fluidkollektor aus rostfreiem Stahl direkt auf die Kupferschichten zu schweißen oder den Fluidkollektor aus rostfreiem Stahl (über eine Schweißverbindung) auf ein Zwischenstück aus Kupfer zu schweißen, das selbst auf die Kupferschichten geschweißt ist.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ist besonders gut an die Herstellung von gelöteten Wärmetauschern angepasst, die für die Zerlegung der Gase der Luft insbesondere auf kryogenem Weg in kryogenen Zerlegungssäulen verwendet werden können, da diese Wärmetauscher für die Probleme der Rissbildung weniger empfindlich sind als die herkömmlichen Wärmetauscher.

Claims

Verfahren zum Lichtbogenschweißen mindestens eines metallischen Stücks auf eine Matrix, umfassend mindestens eine gelötete Zone, deren Lötverbindung Kupfer und Phosphor enthält, dadurch gekennzeichnet, dass: (a) auf mindestens einen Teil der gelöteten Zone mindestens eine Schicht einer Legierung aufgetragen wird, die Kupfer und mehr als 1 Gew.-% Zinn enthält, und (b) ein Schweißen des metallischen Stücks auf die mindestens eine Schicht der Legierung aus Kupfer und Zinn, die in Schritt (a) aufgetragen wurde, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus Kupfer und Zinn mindestens 1,05 % Zinn, vorzugsweise mindestens 1,2 % Zinn, und/oder dass die Legierung aus Kupfer und Zinn weniger als 10 % Zinn enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus Kupfer und Zinn mindestens 80 Gew.-% Kupfer, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% Kupfer, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus Kupfer und Zinn weniger als 1 Gew.-% Phosphor enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus Kupfer und Zinn 2 bis 8 Gew.-% Zinn, vorzugsweise ungefähr 3 bis 6 Gew.-% Zinn enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) mehrere Schichten auf Basis einer Legierung aus Kupfer und Zinn aufgetragen werden, die mindestens teilweise übereinander geschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen von mindestens einer Schicht einer Legierung aus Kupfer und Zinn aus Schritt (a) durch lokale Vorerhitzung (i) der mit der Legierung zu beschichtenden Zone und Aufbringen und Auftragen (ii) der durch einen Lichtbogen geschmolzenen Legierung aus Kupfer und Zinn auf die in Schritt (i) vorerhitzte Zone erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerhitzung aus Schritt (i) durch Einsatz eines oder mehrerer Lichtbögen, vorzugsweise mindestens eines Lichtbogens, der durch einen TIG- oder Plasmaschweißbrenner erzeugt wird, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (ii) das Aufbringen der Legierung in Form eines Drahtes aus einer Legierung aus Kupfer und Zinn erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (ii) der Lichtbogen, der das Schmelzen des Drahtes ermöglicht, durch mindestens einen MIG- oder TIG-Schweißbrenner erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht der Legierung aus Kupfer und Zinn, die in Schritt (a) aufgetragen wird, eine Löslichkeitsgrenze des Phosphors zwischen ungefähr 0,1 und 3,5 % bei der Verfestigungstemperatur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gelötete Matrix durch ein Stapeln von mehreren Platten, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden, getragen wird, wobei die Flügel und die Platten miteinander verlötet sind, um die gelötete Matrix zu bilden, und/oder dass das Stück ein Bestandteil eines Sammelbehälters und/oder Verteilerbehälters von Fluid ist, das einen Wärmeaustauschteil bildet, wobei das Stück vorzugsweise aus Kupfer oder rostfreiem Stahl ist.
Verfahren zur Herstellung eines gelöteten Wärmetauschers aus Kupfer, bei dem das Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingesetzt wird, um mindestens einen Sammel- und Verteilerbehälter von Fluid, vorzugsweise aus Kupfer, des Wärmetauschers auf einen Stapel von Platten zu schweißen, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden und mindestens eine gelötete Matrix tragen.
Wärmetauscher aus Kupfer, umfassend mindestens einen Sammel- und Verteilerbehälter von Fluid, der auf eine gelötete Matrix geschweißt ist, die von einem Stapel von mehreren Platten getragen wird, die durch Flügel getrennt sind, die Querstreben zwischen den Platten bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter auf mindestens eine Schicht einer Legierung geschweißt ist, die Kupfer und mehr als 1 Gew.-% Zinn enthält, wobei die mindestens eine Schicht aus Kupfer und Zinn auf die gelötete Matrix aufgetragen wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der geschweißte Sammel- und Ver teilerbehälter von Fluid aus Kupfer oder rostfreiem Stahl ist.
Fluidzerlegungsanlage, insbesondere für gasförmige Mischungen, umfassend mindestens einen Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Anlage vorzugsweise eine kryogene Luftzerlegungsanlage ist.
Fluidzerlegungsverfahren, insbesondere für gasförmige Mischungen, bei dem mindestens ein Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 14 oder 15 verwendet wird, wobei das Fluid vorzugsweise Luft ist.