專利名稱：：制造用于熱交換器的管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種制造用于熱交換器的管的方法，特別是在空調(diào)制冷(airconditioningandrefrigeration)的領(lǐng)域(sector)中的應(yīng)用，或更常用于需要高熱力學(xué)性能的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：一般，在空調(diào)制冷(ACR)領(lǐng)域中使用的管由Cu-DHP(脫氧的高殘余磷(deoxidizedhigh-residualphosphorus))合金在無(wú)氧條件下開始制備，其中為保證脫氧，要保持相對(duì)高含量的殘余磷，該含量通常為0.0150.04wt°/0。磷的存在可以消除還原環(huán)境中的脆性，改善冷塑變形性(coldplasticdeformability)，且上述作用增加了對(duì)于進(jìn)行硬釬焊的適用性。Cu-DHP合金因此被證明特別適合應(yīng)用于金屬板加工，其中接合部(joins)需要保持機(jī)械穩(wěn)定。在硬釬焊的操作中，實(shí)際上，經(jīng)常精確地使用脫氧劑以防止銅表面被氧化物覆蓋(氧化物的形成是由熱引起的)，這樣防止了焊接合金確切地共滲。同樣，如果開始時(shí)使用已經(jīng)含有氧的銅，則在任何情況下都會(huì)損害接合部的強(qiáng)度。因此，用于制造輾壓斷面以用于加工罩蓋或金屬板的銅以及用于制造用于流體分配系統(tǒng)或設(shè)備的管的銅是Cu-DHP型的。特別地，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些合金一般與常用的HFC冷卻液一起使用，目前HFC冷卻液已經(jīng)基本完全代替了CFCs。目前在世界范圍內(nèi)(例如，京都議定書的指示)環(huán)境政策的趨勢(shì)推動(dòng)市場(chǎng)使用對(duì)環(huán)境傷害更小的冷卻劑，首先是針對(duì)溫室效應(yīng)在全球范圍的反響。然而，從操作的觀點(diǎn)看，所述冷卻劑要求較高的操作壓力。在如此高的操作壓力下操作的熱交換器中使用典型的ACR管必定會(huì)導(dǎo)致管厚度大幅增加，而且考慮到這些年原料價(jià)格持續(xù)增長(zhǎng)，從而顯著提高成本。管道厚度較大還引起熱交換系數(shù)降低，因此降低了整體制冷過程的效率。即使合適地加工管以增加熱交換效率，例如在管內(nèi)表面設(shè)置合適的波紋，其外形(profiles)采用相同的復(fù)雜幾何圖形，這樣增加了在管內(nèi)流動(dòng)的流體湍流并因此導(dǎo)致較高的熱交換系數(shù)，但是缺點(diǎn)依然存在，僅僅是稍微有所緩解。特別是，'可能通過在制管板的平面上用一個(gè)或多個(gè)脊形輥印壓可以得到確保優(yōu)異熱交換效率的外形。以這種方式，還可能得到相交的溝槽。由這種有溝槽的制管板開始，可以通過進(jìn)行合適的縱向焊接制得管。還可以通過使用具有較高機(jī)械性能的合金，改善管的機(jī)械性能，同時(shí)大幅限制了由較高操作壓力所要求的厚度的增加。在具有相對(duì)高強(qiáng)度的銅合金中(或在任何情況下都具有高導(dǎo)熱性或?qū)щ娦缘暮辖鹬?，已知合金可以進(jìn)行沉淀硬化處理。通過特定熱處理得到沉淀硬化合金，所述熱處理為第一步，加熱到使其完全溶解在組分的基質(zhì)金屬中使得合金可硬化(形成固溶體)；第二步，不同程度的快速冷卻(淬火)，在該冷卻過程中固溶物過飽和，因此進(jìn)入熱力學(xué)的亞穩(wěn)狀態(tài)；最后一步，時(shí)效，該時(shí)效過程中沉淀物偏析伴隨著基本晶格的畸變，從而導(dǎo)致硬度顯著增加。具有這種性質(zhì)的合金是Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P體系的合金，通過合適的熱處理，其機(jī)械性能可以顯著優(yōu)于純銅，其還保持導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性基本不變。Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P體系的沉淀硬化合金的機(jī)械性能取決于其制備過程中進(jìn)行的特定的熱處理，并且該熱處理的目的在于優(yōu)化強(qiáng)度與導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的發(fā)展。它們的硬度和強(qiáng)度都取決于淬火步驟和時(shí)效以及沉淀處理。而且，導(dǎo)電性在沉淀處理的末尾達(dá)到最大。通過縱向焊接，使用所述合金代替Cu-DHP合金來制造管，例如從具有溝槽的制管板開始，仍存在疑問。由于通常與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相關(guān)的局部熱量的大量增加，實(shí)際上處于對(duì)應(yīng)于焊縫區(qū)域的合金的熱力學(xué)性質(zhì)會(huì)變差，其中會(huì)發(fā)生沉淀物的新的溶解。另一方面，很明顯如果試圖由所述合金直接形成管，例如通過擠壓，將會(huì)遭遇到一系列實(shí)際的問題，例如得到帶有相交外形的內(nèi)溝槽，或放棄所述溝槽，結(jié)果降低了熱交換系數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是提供一種制造用于熱交換器的管的方法，所述熱交換器適用于在規(guī)定使用新的熱流體的高壓下工作，該方法不存在上述缺點(diǎn)，特別是其相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低，利用己有的合金，確保得到相對(duì)薄但是機(jī)械性能良好的管，該管帶有內(nèi)溝槽以確保使用中的高熱交換系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，制造管的方法，特別是制造用于熱交換器的管的方法，由金屬合金制成的平面制管板開始，其中將制管板相對(duì)的縱向邊相對(duì)彼此彎曲直到它們相互接觸并彼此對(duì)接焊接；所述方法的特征在于i)用于制造制管板的金屬合金選自一組可以進(jìn)行沉淀硬化的合金；和ii)通過高頻感應(yīng)焊接工藝進(jìn)行焊接步驟；特別是，根據(jù)本發(fā)明，管由沉淀硬化合金開始制造，但是利用一種焊接工藝可以確保即使在焊縫(weldbead)中也保持強(qiáng)度和熱交換效率，例如高頻感應(yīng)焊接。而且，根據(jù)本發(fā)明的方法，使用該焊接方法得到的焊縫的尺寸與管表面可能的內(nèi)溝槽尺寸是同一數(shù)量級(jí)，因此，允許用均勻的方式在增加湍流，并因而增加操作過程中管的熱交換系數(shù)。再具體一些，本發(fā)明制造用于熱交換器的管的方法包括以下步驟制造由可以沉淀硬化的合金制成的具有矩形橫截面的鑄錠(板材)；熱軋所述板材以形成坯件(blank);快速冷卻所述坯件，例如通過在專門設(shè)計(jì)的冷卻隧道中噴水；冷軋所述坯件直到得到制管板；由制管板開始形成管，以從該制管板的平面幾何形狀變成管的圓柱幾何形狀；焊接所述管；和校準(zhǔn)管的直徑(精加工)。如上所述的焊接操作根據(jù)高頻感應(yīng)焊接工藝進(jìn)行在發(fā)生器頻率為600kHz，焊接速率約為50m/min200m/min，吸收功率約為20kW60kW的條件下操作，將約為50300千克力的張緊力保持在焊接裝置的張緊軋輥(tighteningrollers)(其將平面制管板逐漸變成柱狀管)之間。此外，在焊接步驟中，進(jìn)行由平面幾何形到圓柱形的逐漸過渡，注意將所謂"焊接V形(weldingvee)"的角度保持為后面將會(huì)更好地規(guī)定的約2°20°。在冷軋后，形成管前，可以對(duì)制管板進(jìn)行退火和時(shí)效的熱處理。此外，可能正好在管形成和焊接之前，進(jìn)行壓紋操作形成溝槽，這些溝槽用于管的內(nèi)表面。下面將要通過非限定的實(shí)施例和參考本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，射圖1是已知類型的裝置的四分之三正視圖的示意圖，其進(jìn)行由平面制管板開始形成管的高頻感應(yīng)焊接的操作；圖2表示與圖l相同的操作，但是為俯視圖3是由本發(fā)明的方法制得的ACR管的橫截面部分的光學(xué)顯微照片，該照片對(duì)應(yīng)焊縫的區(qū)域拍攝；和圖4是圖3同一焊接管的內(nèi)側(cè)表面的光學(xué)顯微照片，該管的內(nèi)側(cè)表面具有內(nèi)溝槽以增加熱交換。具體實(shí)施例方式本發(fā)明的制造用于熱交換器的管的方法首先由可以進(jìn)行沉淀硬化的合金開始制造具有矩形橫截面的鑄錠(板材)，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，由選自Cu-Fe-Pa和Cu-Fe-Ni-P體系的合金開始。表1給出在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中用于管高頻感應(yīng)焊接測(cè)試的Cu-Fe-P和Cu-Fe-Ni-P合金的成分的重量百分比數(shù)據(jù)。<table>complextableseeoriginaldocumentpage15<table>表1—用于高頻感應(yīng)焊接ACR管的合金的成分的重量百分比。表2給出本發(fā)明制造用于熱交換器的焊接管的合金的一些機(jī)械和電學(xué)性能與在已知方法中所用的合金的性質(zhì)的比較。<table>complextableseeoriginaldocumentpage15<table>表2—可用于制造熱交換器所用的焊接管的合金的機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)的比較(*退火的；"時(shí)效+^硬化)根據(jù)本發(fā)明的方法，在第一步中，根據(jù)己知的技術(shù)制備具有矩形橫截面的鑄錠(板材)，為了簡(jiǎn)潔，因此這里不再說明。下面，熱軋所述板材，然后快速冷卻所得坯件，優(yōu)選通過在專門設(shè)計(jì)的冷卻隧道中噴水。這些操作根據(jù)廣為人知的技術(shù)進(jìn)行，為了簡(jiǎn)潔，不再詳細(xì)說明。在接下來的步驟中，進(jìn)一步冷軋所述坯件直到得到厚度為0.21.0mm的制管板。然后制管板在350。C60(TC進(jìn)行退火和時(shí)效的熱處理。在處理步驟中，發(fā)生偏析，導(dǎo)致系統(tǒng)平衡。所述偏析是通過中間亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的，使得在固溶體中原始形成的區(qū)域富含溶質(zhì)原子，該溶質(zhì)原子易于移動(dòng)到更對(duì)稱的位置，插入到基本晶格的空隙中。這引起網(wǎng)狀畸變(reticulardistortion)，并伴隨著具有特別的機(jī)械性能，特別是明顯增加的硬度。如果該工藝的目的在于制造有溝槽的管，則一旦熱處理完成，將進(jìn)行壓紋步驟，為此使用專門設(shè)計(jì)的脊形軋輥，其印壓將會(huì)成為管內(nèi)表面的制管板表面。下一步是形成管，以使平面幾何形的制管板變成圓柱幾何形的管。然后是焊接步驟，根據(jù)本發(fā)明的主要方面，其通過高頻感應(yīng)焊接進(jìn)行。參考示出整個(gè)設(shè)備1的圖1和圖2，所述設(shè)備己知是用于由平面制管板3開始形成管2的，以參考上述方式通過軋制坯件獲得所述制管板，且對(duì)將成為管2的內(nèi)表面的制管板的頂面4(圖2)進(jìn)行施壓，以形成溝槽5(在圖4的顯微照片中清楚可見)；然后，使所述制管板從一對(duì)軋輥6之間穿過，該軋輥以已知的方法將制管板3的相對(duì)的縱向邊9和10逐漸彎曲靠攏，直到其迎面結(jié)合，用預(yù)設(shè)的且具有受控量的力P(與形成的管的軸線垂直，如圖2箭頭所示)將兩個(gè)邊相互擠壓。在所述制管板3的塑性變形步驟中，優(yōu)選保持軋輥6(其松散地安裝(mountedidle)，且因而自由地繞其自軸線旋轉(zhuǎn))固定，而使制管板3向軋輥6沿著箭頭指出的方向以受控的速率縱向前進(jìn)(圖1);在所述塑性變形步驟的同時(shí)，通過實(shí)施例中示出的(相對(duì)于制管板3前進(jìn)的方向)恰好在軋輥6的上游的(已知)感應(yīng)線圈12，進(jìn)行極快速的局部加熱。以這樣的方法，通過在其上施加熱壓力和機(jī)械壓力的組合將彎曲的制管板3的已經(jīng)相鄰的邊9和邊IO焊接起來。使用最佳熱量進(jìn)行有效焊接，一般使材料剛剛到其熔點(diǎn)以下，且同時(shí)用一種鐓鍛方法(asortofupsetting)在截面的周圍施加壓力，使加熱的邊緣結(jié)合在一起。產(chǎn)生的熱是材料的電阻對(duì)應(yīng)電流流動(dòng)的結(jié)果。但是，根據(jù)本發(fā)明，該熱量沒有導(dǎo)致材料熔化，僅僅是軟化，因此，隨著沉淀物以均勻的方式分布，保證了其微結(jié)構(gòu)的完整。焊接電流通過高頻感應(yīng)線圈12.傳輸?shù)讲牧?，該感?yīng)線圈12沒有直接與正在形成的管2接觸。實(shí)際上，通過管周圍的磁場(chǎng)使材料中感應(yīng)出電流。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方式中，使用頻率約為600kHz的發(fā)生器(未示出，且其以已知的方式與感應(yīng)線圈12連接)進(jìn)行高頻感應(yīng)焊接，操作所用的焊接速率(等于制管板3向軋輥6縱向前進(jìn)的速率)約50m/min200m/min，因而得到吸收功率約為20kW60kW;同時(shí)，通過張緊軋輥6，施加約為50300千克力的垂直力P。從操作的觀點(diǎn)看，已證明將角a保持在控制下并選擇合適的角a是非常重要的，所述角a定義為所謂"焊接V形(weldingvee)"，即由制管板3(其目前是完全彎曲的)的兩個(gè)相對(duì)的邊9和IO所定義的角，在前進(jìn)時(shí)，這兩條邊占據(jù)對(duì)應(yīng)于高頻感應(yīng)線圈12(圖2)的位置。從純粹考慮焊接效率的觀點(diǎn)看，"焊接V形"應(yīng)該盡可能短以降低感應(yīng)損失并引導(dǎo)大部分感應(yīng)電流在"焊接V形"內(nèi)流動(dòng)，"焊接V形"的長(zhǎng)度通過張緊軋輥的尺寸和位置確定，管的厚度會(huì)影響其值。如果"焊接V形"太短，則沿著制管板邊緣分布的溫度分別會(huì)不均勻，因此有不完全焊接的風(fēng)險(xiǎn)或引起正在結(jié)合的邊緣過熱，可能損害材料的性質(zhì)。因此，當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，由制管板3的兩個(gè)邊9和IO形成的角a(還稱為接近角或"焊接V形")會(huì)影響焊接的效率。小角需要小功率，因?yàn)槠渲休^多功率集中在材料表面，因而鄰近的效果較好。使用太小的接近角是不利的，因?yàn)闀?huì)不需要地形成電弧。非常小的角可能會(huì)增加制管板機(jī)械不穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例，圖1和圖2中所示的對(duì)應(yīng)于"焊接V形"的角，即角a必須保持約為2°20°。用所述方法操作，在圖3和圖4(以及圖1中)的顯微照片中附圖標(biāo)記為20的焊縫是通過邊9和10的部分流體化的材料鐓鍛而得到的，該鐓鍛是通過由軋輥6產(chǎn)生的力P所施加的壓力而進(jìn)行的，所述焊縫的高度與一般用于溝槽5的高度在同一數(shù)量級(jí)，且如圖4所示，所述焊縫一般定向于與溝槽5橫交的方向。因此，焊縫的存在不僅不會(huì)產(chǎn)生任何缺陷，而且還增加了使用中的溝槽5的湍流的效果。顯然，在焊接過程的末尾，焊縫20在相對(duì)于管2的徑向方向凸出于管2的內(nèi)部(如圖3所示)和外部，其中凸出于管2的內(nèi)部的焊縫具有上述有利的效果，而完全出于審美和實(shí)際的需要將凸出于外部的焊縫除去以得到外部光滑的管2。用本發(fā)明的方法得到的管符合日本標(biāo)準(zhǔn)JISH，該標(biāo)準(zhǔn)與由非鐵材料制成的應(yīng)用于工業(yè)的管相關(guān)。更準(zhǔn)確地說，所述管符合JISH3320標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)特別針對(duì)由銅和銅合金制成的焊接管。實(shí)際上，沒有特別針對(duì)焊接銅管的歐洲或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。特別地，除了確定機(jī)械性能外，為了證實(shí)本發(fā)明所得的焊接的強(qiáng)度，可進(jìn)行氣壓試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)、用角度為60。的圓錐進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)、和壓扁試驗(yàn)，通過這些試驗(yàn)對(duì)所得管橫向擠壓。使用表1的兩種合金，根據(jù)本發(fā)明的方法得到的管都被證實(shí)可以通過上述標(biāo)準(zhǔn)所要求的測(cè)試，且可能將所述管彎曲成U形(以得到用于熱交換器的管組)而沒有任何缺點(diǎn)和故障。權(quán)利要求1.一種制造管的方法，所述管特別是用于熱交換器的管(2)，其中該方法由利用金屬合金制成的平面制管板(3)開始，將制管板相對(duì)的各縱向邊(9，10)彼此相對(duì)彎曲直到所述縱向邊相互接觸，并使所述各縱向邊彼此對(duì)接焊接；所述方法的特征在于i)用于制造制管板(3)的金屬合金從一組能進(jìn)行沉淀硬化的合金中選出；和ii)通過高頻感應(yīng)焊接工藝進(jìn)行焊接步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a)制造具有矩形橫截面的鑄錠(板材)；b)熱軋所述鑄錠以形成坯件；c)快速冷卻所述坯件；d)冷軋所述坯件直到得到制管板(3);和e)由所述制管板(3)開始形成管(2)，以從所述制管板的平面幾何形狀變成管的圓柱幾何形狀，并焊接所述管，所述鑄錠由能進(jìn)行沉淀硬化的合金開始形成，且所述管通過高頻感應(yīng)焊接工藝進(jìn)行焊接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，快速冷卻所述坯件的步驟是通過在專門設(shè)計(jì)的冷卻隧道中噴水進(jìn)行的。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，緊接著步驟d)，在35(TC600'C的溫度下對(duì)所述制管板(3)進(jìn)行退火和時(shí)效的熱處理。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，緊接在步驟e)之前對(duì)所述制管板(3)進(jìn)行印壓操作。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述合金是屬于Cu-Fe-P和/或Cu-Fe-Ni-P體系的合金。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所用合金的成分以重量百分比表示為Fe0.101wt%;P0.0348wt%,其余為Cu;或Fe0.056wt%，P0.0362wt%，Ni0.0613wt%，其余為Cu。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，軋制所述坯件直到其厚度約為0.21.0mm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在約35(TC60(TC的溫度下對(duì)所述制管板(3)進(jìn)行退火和時(shí)效的熱處理。10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，使用頻率為600kHz的發(fā)生器，通過高頻感應(yīng)焊接對(duì)所述管(2)進(jìn)行焊接。11.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，以約為50m/min200m/min的焊接速率操作，執(zhí)行所述高頻感應(yīng)焊接。12.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，通過高頻感應(yīng)焊接對(duì)所述管(2)進(jìn)行焊接，以具有約為20kW60kW的吸收功率。13.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，利用張緊軋輥(6)施加在所述邊(9，10)上的張緊力，通過高頻感應(yīng)焊接對(duì)所述管進(jìn)行悍接，所述張緊力為約50300千克力。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以約為2。20°的"焊接V形"角度進(jìn)行操作，通過高頻感應(yīng)焊接對(duì)所述管進(jìn)行焊接。全文摘要制造用于熱交換器的管(2)的方法，其包括以下步驟a)制造具有矩形橫截面的鑄錠(板材)；b)熱軋所述板材以形成坯件；c)快速冷卻所述坯件；d)冷軋所述坯件直到得到制管板(3)；e)由制管板開始形成管(2)，以從該制管板的平面幾何形變成管的圓柱幾何形，并焊接所述管，其中所述鑄錠由可以沉淀硬化的合金開始制成，且所述管通過高頻感應(yīng)焊接進(jìn)行焊接。文檔編號(hào)B21C37/08GK101195134SQ200710137939公開日2008年6月11日申請(qǐng)日期2007年7月19日優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日發(fā)明者卡洛·安杰利,埃萊娜·馬爾泰盧奇,尼科洛·阿曼納蒂申請(qǐng)人:Kme意大利公開有限公司