Análisis de las causas de las fugas en la brasería al vacío del intercambiador de calor de placas de aluminio

Resumen:

Este artículo presenta el proceso de soldadura fuerte al vacío para intercambiadores de calor de aletas de placa de aleación de aluminio. Analiza los impactos del espesor de la capa de revestimiento del material, la rugosidad de la superficie, el ensamblaje del intercambiador de calor, la temperatura y el tiempo de mantenimiento de la soldadura fuerte al vacío, el nivel de vacío y los factores ambientales en la calidad de la soldadura fuerte del intercambiador de calor. Se proponen medidas de proceso correspondientes y se han logrado resultados positivos en la práctica.

Palabras clave:

Intercambiador de calor de aletas de placa; Soldadura fuerte al vacío; Proceso

La soldadura fuerte al vacío es un método de soldadura fuerte que se realiza en una atmósfera de vacío sin el uso de fundente. Uno de los principios fundamentales de la soldadura fuerte al vacío implica utilizar la acción capilar para introducir el metal de aporte en las superficies de contacto entre las piezas a unir, formando así una unión entre los metales que se sueldan. En comparación con otros métodos de soldadura, la soldadura fuerte ofrece ventajas como una deformación mínima, la capacidad de unir múltiples componentes simultáneamente y la capacidad de unir metales disímiles. Los intercambiadores de calor de aletas de placa de aleación de aluminio se clasifican como recipientes a presión y deben cumplir los requisitos correspondientes de soporte de presión durante la aplicación. Debido a sus características estructurales, el proceso de unión solo se puede lograr mediante soldadura fuerte.

La estructura central de un intercambiador de calor de aletas de placa de aluminio consta únicamente de barras de sellado largas, barras de sellado cortas, láminas divisorias, aletas exteriores, aletas interiores y placas laterales.

1. Corte de material: Conformación y dimensionamiento de láminas divisorias, aletas, barras de sellado y placas laterales.

2. Tratamiento de superficies: Limpieza ultrasónica.

3. Ensamblaje: Ensamblaje mecánico y conformado de láminas divisorias, aletas, barras de sellado, placas laterales, etc.

4. Soldadura fuerte en horno de vacío: La soldadura fuerte al vacío generalmente emplea un proceso de calentamiento y remojo en tres etapas:

Evacuación preliminar al vacío.

Precalentamiento Etapa 1: Mantenido a 380-470 °C.

Almacenamiento de energía Etapa 2: Mantenido a 560-575 °C.

Soldadura fuerte Etapa 3: Mantenido a 598-603 °C durante 15-25 minutos.

Se detiene el calentamiento; la pieza se retira del horno después de enfriarse a la temperatura especificada.

5. Enderezado del núcleo: Corrección mecánica de la deformación en el núcleo del intercambiador de calor después de la soldadura fuerte al vacío.

6. Soldadura de la cubierta de extremo: Las cubiertas de extremo se sueldan en ambos extremos del núcleo del intercambiador de calor utilizando soldadura TIG (Tungsten Inert Gas).

7. Prueba de presión: Se introduce aire comprimido a 1,6 MPa para verificar fugas en el intercambiador de calor e identificar puntos de fuga. Después de pasar la prueba de hermeticidad, se introduce aire comprimido a 3,0 MPa para una prueba de resistencia a la presión; el producto no debe presentar deformación significativa.

8. Reparación: Los intercambiadores de calor con fugas se cortan, se reparan mediante soldadura y luego se someten a otra prueba de presión.

9. Recubrimiento: El intercambiador de calor se organiza, se recubre y se seca para mejorar la apariencia de la superficie.

10. Embalaje y entrega

El rendimiento de soldadura fuerte de la lámina divisoria se refleja en su fluidez, mojabilidad, capacidad de relleno de huecos, características de erosión y resistencia de la junta. El contenido de silicio (Si) en la capa de revestimiento no solo determina el punto de fusión de la aleación, sino que también afecta su fluidez, mojabilidad y comportamiento de erosión hacia la aleación base. Un mayor contenido de Si conduce a una mejor fluidez y capacidad de relleno de huecos. Sin embargo, si el Si se difunde a la interfaz del metal base y hace que la composición en fase sólida alcance la composición de soldadura fuerte, puede provocar la fusión de la fase sólida y causar erosión. El magnesio (Mg) en la aleación de revestimiento es un activador y eliminador de metales esencial para garantizar la calidad de la soldadura fuerte al vacío. El magnesio en el metal de aporte comienza a evaporarse significativamente por encima de los 550 °C, creando una atmósfera de magnesio dentro de la cámara de soldadura fuerte. Este vapor de magnesio se combina con el oxígeno residual o el oxígeno del vapor de agua en la atmósfera de soldadura fuerte, protegiendo las superficies de las piezas calentadas de la reoxidación, y también puede penetrar y consumir cualquier película de óxido restante que no se haya eliminado por completo de las superficies de las piezas. El espesor no uniforme de la capa de revestimiento de la lámina divisoria puede provocar defectos como soldadura fuerte insuficiente, quemaduras, soldadura fuerte discontinua y fugas. Por lo tanto, el contenido de magnesio en el metal de aporte generalmente se controla entre el 1,0% y el 2,0%. Además, es necesario garantizar el espesor efectivo del metal de aporte para obtener filetes de soldadura fuerte completos y mejorar la capacidad de soporte de presión del producto. Típicamente, el espesor de la capa de revestimiento en cada lado de la lámina divisoria es de 0,1-0,15 mm, lo que ha demostrado ser muy eficaz en la práctica.

Antes del ensamblaje del intercambiador de calor, las aletas, las láminas divisorias y las barras de sellado requieren limpieza para eliminar suciedad, aceite y capas de óxido superficial. Los residuos de aceite se descomponen durante la soldadura fuerte al vacío, lo que reduce el nivel de vacío dentro del horno y provoca la oxidación de las aletas, las láminas divisorias y las barras de sellado. La capa de óxido en las aleaciones de aluminio es muy densa y tiene un punto de fusión más alto que el del metal base; no se funde fácilmente durante la soldadura fuerte, lo que afecta la calidad de la soldadura fuerte. Para garantizar la calidad de los componentes soldados, es necesario un control estricto del tratamiento superficial previo a la soldadura fuerte de las piezas de trabajo y del metal de aporte, además de minimizar el tiempo de ensamblaje antes de la soldadura fuerte.

La rugosidad de la superficie de los componentes estructurales afecta la fuerza capilar. En general, una superficie demasiado lisa dificulta la distribución uniforme del metal de aporte en toda el área de contacto, y los huecos resultantes pueden reducir la resistencia de la soldadura fuerte. Esto es particularmente cierto para la rugosidad de la superficie de las barras de sellado. Para garantizar una distribución uniforme del metal de aporte a lo largo de la junta de contacto, las superficies de soldadura fuerte de las barras de sellado deben tener un rugosidad adecuada.

La calidad del ensamblaje de los componentes está estrechamente relacionada con la calidad final de soldadura fuerte del producto y merece una atención significativa. En primer lugar, se deben controlar las tolerancias de altura de los componentes. Según las normas nacionales, la tolerancia de altura para las aletas es de -0,02 mm a +0,05 mm, y para las barras de sellado es de -0,03 mm a +0,03 mm. En la práctica, se deben evitar los ensamblajes con aletas de tolerancia negativa combinadas con barras de sellado de tolerancia positiva; generalmente se considera óptimo un ajuste de espacio cero entre las tolerancias de las aletas y las barras de sellado. El intercambiador de calor se sujeta con utillajes después del ensamblaje. Debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre los utillajes de aluminio y acero inoxidable, una fuerza de sujeción excesiva puede causar fácilmente la flexión o el colapso de las aletas después de la soldadura fuerte, mientras que una fuerza de sujeción insuficiente puede provocar una soldadura fuerte insuficiente o el aflojamiento de las aletas.

La lámina divisoria está revestida con metal de aporte, que requiere una temperatura específica para fundirse. La temperatura de soldadura fuerte afecta no solo la mojabilidad del metal de aporte, sino también la resistencia de la junta soldada. Si la temperatura es demasiado baja, no se alcanza la temperatura de soldadura fuerte requerida y las temperaturas en diferentes áreas son desiguales. Esto da como resultado una fluidez deficiente del metal de aporte, lo que puede causar soldadura fuerte insuficiente, soldadura fuerte discontinua, porosidad interna e inclusiones de escoria, lo que lleva a una menor resistencia de la junta y un mayor riesgo de fugas, e incluso ampollas o desgarros graves. Este fenómeno se observa ocasionalmente en la producción y a menudo está relacionado con el ajuste del espacio entre las aletas o pasajes internos y la barra de sellado. La práctica ha demostrado que si una sección de 100 mm de largo de aletas o pasajes internos no se suelda, puede desgarrarse bajo una presión inferior a 2,0 MPa. Si la temperatura es demasiado alta, el metal de aporte se funde por completo, lo que puede provocar fácilmente porosidad. Además, puede ocurrir una grave oxidación del metal de aporte, causando defectos como desbordamiento del metal de aporte, erosión y flexión. Durante el calentamiento, existe un gradiente de temperatura entre la superficie del componente y su núcleo. Si las temperaturas interna y externa del núcleo de aletas de placa se mantienen de manera consistente durante la soldadura fuerte al vacío, la calidad de la soldadura fuerte puede estar bien garantizada. Si el gradiente de temperatura es demasiado pequeño, el tiempo de calentamiento y remojo requerido se alarga, y un remojo excesivo puede causar fácilmente erosión. Por el contrario, si el gradiente de temperatura es demasiado grande, inevitablemente conducirá a irregularidades en las juntas soldadas (es decir, algunas áreas soldadas correctamente, otras no) entre el interior y el exterior del ensamblaje. Han ocurrido casos de erosión interna. El análisis post-mortem reveló que los puntos de erosión se encontraban principalmente en las dos capas más externas (superior e inferior) del producto, apareciendo como puntos o rayas, ocurriendo en su mayoría en las uniones entre las aletas. Las medidas preventivas incluyen controlar la temperatura del horno de soldadura fuerte, especialmente asegurando que la temperatura externa máxima del producto no sea demasiado alta. Después de que el metal de aporte experimenta una transformación de fase, la temperatura externa se puede aumentar apropiadamente. El objetivo principal es prevenir la erosión causada por una temperatura externa excesiva o una exposición prolongada a altas temperaturas. El uso de control por zonas durante la soldadura fuerte, donde las zonas de calentamiento se apagan secuencialmente una vez que el producto en esa zona alcanza la temperatura de soldadura fuerte (deteniendo las zonas a medida que alcanzan la temperatura), también es un método eficaz para prevenir la erosión.

En la soldadura fuerte al vacío, las interacciones entre el metal de aporte y ciertos componentes de vapor pueden afectar significativamente las características de soldadura fuerte. Cuando el nivel de vacío en el horno de soldadura fuerte es bajo, los gases oxidantes como el oxígeno y el vapor de agua reaccionan químicamente con el aluminio, formando películas duras de óxido de aluminio. Estas películas son difíciles de descomponer a las temperaturas de soldadura fuerte típicas, lo que dificulta la unión entre el metal de aporte y el metal base. Cuando la temperatura de soldadura fuerte está por debajo de los 400 °C, la naturaleza protectora de la película de óxido la hace menos susceptible a los factores ambientales dentro del horno. Por lo tanto, la presencia de algo de aire durante la etapa de precalentamiento es permisible, y el proceso dentro de este rango de temperatura se lleva a cabo mientras el bombeo de vacío está en curso. Cuando la temperatura supera los 400 °C, ciertos elementos comienzan a evaporarse significativamente. En este punto, los contaminantes reaccionan rápidamente con la superficie, formando capas de óxido y degradando simultáneamente las características de soldadura fuerte. En consecuencia, se requiere un nivel de vacío más alto, lo que exige una limitación efectiva de las presiones parciales de oxígeno y agua. Típicamente, los procesos de bombeo de vacío y calentamiento están interrelacionados; la duración de cada uno varía según el tamaño y el peso de la pieza de trabajo. Generalmente, para temperaturas por debajo de 450 °C, el nivel de vacío debe controlarse por debajo de 0,05 Pa. Durante la etapa de soldadura fuerte, debe estar por debajo de 0,005 Pa. Un buen nivel de vacío tiene un impacto significativo en la calidad de la junta soldada.

Durante la soldadura fuerte al vacío, la temperatura y la humedad ambiente pueden afectar significativamente la calidad de soldadura fuerte de los intercambiadores de calor de placas. El ensamblaje en condiciones de alta humedad da como resultado una mayor adherencia de humedad a las aletas, láminas divisorias y barras de sellado. Cuando se colocan en el horno de vacío para soldar, esta humedad libera más gas, lo que reduce el nivel de vacío de soldadura fuerte. Además, la evaporación del vapor de agua requiere una cantidad sustancial de calor, lo que puede afectar la temperatura del núcleo del intercambiador de calor. La temperatura ambiente influye directamente en el grado de oxidación superficial de las finas placas de aleación de aluminio, afectando así la calidad de la soldadura fuerte al vacío.

Con base en el análisis anterior, se deben implementar las siguientes medidas para reducir o disminuir la tasa de fugas de los intercambiadores de calor después de la soldadura fuerte al vacío:

1. Al pedir materias primas, deben comprarse a fabricantes especializados y de buena reputación para garantizar la calidad y el rendimiento del material.

2. Se deben evitar los ensamblajes con aletas de tolerancia negativa combinadas con barras de sellado de tolerancia positiva; generalmente se considera óptimo un ajuste de espacio cero entre las aletas y las barras de sellado.

3. Adherirse estrictamente a los procedimientos de proceso para la preparación del material, limpieza y ensamblaje.

4. En la práctica, optimizar y controlar estrictamente los parámetros del proceso, como la temperatura de soldadura fuerte al vacío, el tiempo de mantenimiento y el nivel de vacío; ajustar el proceso de soldadura fuerte en función de las condiciones internas y externas variables.

5. Controlar la humedad ambiental.