DE1552961B2

DE1552961B2 - Verfahren zur herstellung von rohrverbindungen bei waermetauschern von kaelteaggregaten

Info

Publication number: DE1552961B2
Application number: DE19661552961
Authority: DE
Inventors: Andre Maury Michel Neuilly sur Seine Canteloube (Frankreich)
Original assignee: Rubanox, Neuilly sur Seine, Seine (Frankreich)
Priority date: 1965-02-18
Filing date: 1966-02-16
Publication date: 1973-02-15
Also published as: FR1452010A; FR90114E; DE1552961C3; DE1552961A1; ES323169A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung eines Anschlußrohres aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Rohrstutzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Bestandteil des Wärmetauschers eines Kälteaggregates.

Die Herstellung der Anschlüsse für Wärmetauscher der angegebenen Art ergibt ernsthafte Probleme, weil es schwierig ist, Rohrteile aus Aluminium und seinen Legierungen an andere Rohrteile anzuschließen, die aus Kupfer oder dessen Legierungen bestehen.

Mit den allgemein verwendeten technischen Hilfsmitteln kann man Anschlußleitungen aus Kupfer nicht direkt an Wärmetauscher aus Aluminium aufschweißen oder auflöten. Dieser Vorgang würde es unmöglich machen, Spuren des Flußmittels vollkommen zu entfernen. Nun würden aber diese Spuren die spätere katalytische Zersetzung der fluorchlorierten Kohlenwasserstoffverbindungen hervorrufen, die als Kältemittel benutzt werden. Außerdem bieten diese direkten Rohrverbindungen ziemlich schwache mechanische Eigenschaften, da die gebildeten metallurgischen Übergänge spröde sind.

Es ist daher bis jetzt nötig gewesen, Zwischenstücke aus einem Bimetall zu verwenden, die ein

ίο homogenes Ende aus Aluminium hatten, das auf den Wärmetauscher aufgeschweißt wird, sowie ein homogenes Ende, das im allgemeinen aus Kupfer besteht und das leicht auf die Kupferanschlußrohre der Kälteleitungen auflötbar ist. Derartige Anschlußteile erhält man, indem ein Aluminiumrohr auf ein Kupferrohr entsprechend aufgeschweißt wird oder Kupfer- und Aluminiumstücke gleichzeitig kalt zu einem Doppelrohr gezogen werden.

In beiden Fällen sind die Gestehungskosten des Anschlusses sehr hoch. Wie auch die vorhergehende Herstellungsart des Zwischenstückes ist, immer liegt in der Verbindungszone ein spröder Abschnitt vor, der sich kaum biegen läßt. Man muß außerdem die Schweißzone bezüglich des Austauschers in bestimmten seitlichen, wenig bruchgefährdeten Bereichen anordnen; es ist deshalb notwendig, den Kupfer- oder Aluminiumteilen dieser Anschlußstücke Formen zu geben, die häufig gekrümmt und von überflüssiger Länge sind, um die Lötzonen auf den Rohren passend anordnen zu können.

In der USA.-Patentschrift 2 680 353 ist auf die Schwierigkeiten hingewiesen, die bei der Herstellung von geschweißten Verbindungen bei Kälteaggregaten bestehen. Als Ausweg wurde vorgeschlagen, die Schweißung in der Nähe eines Biegebereichs der entsprechenden Anschlußrohre zu vermeiden. Diese Lösung ist natürlich nicht in allen Fällen möglich, insbesondere werden die Schwierigkeiten, die bei der Herstellung von Verbindungen zwischen Rohren aus Aluminium und Rohren aus Kupfer oder den entsprechenden Legierungen bestehen, dadurch nicht gelöst.

In der französischen Patentschrift 1108 895 wurde vorgeschlagen, zur Lösung die Schwierigkeiten bei der Verbindung eines Kupferrohres mit einem Aluminiumrohr bei Kälteaggregaten dadurch zu vermeiden, daß sehr lange Anschlußleitungen verwendet werden, so daß die schwachen mechanischen Eigenschaften der direkten Rohrverbindungen etwas verbessert werden. In der französischen Patentschrift 1 376 777 wird zur Herstellung einer Verbindung von Aluminium mit einem anderen Metall eine komplizierte und damit teuere chemische Lösung vorgeschlagen, die aus wirtschaftlichen Gründen ungünstig ist und außer acht läßt, daß bei Verwendung von Kupfer als das mit dem Aluminium zu verbindende Metall noch besondere Schwierigkeiten als Folge der Bildung einer sehr brüchigen eutektischen Kupfer-Aluminium-Legierung auftreten. Auch die in der Zeitschrift »Modem Metals« vom April 1954, S. 58, vorgeschlagene Kaltpreßschweißung bietet keinen Ausweg aus den bestehenden Schwierigkeiten, da die Anwendung dieses Kaltpreßschweißverfahrens auf Rohre fast nicht durchführbar ist.

In der deutschen Patentschrift 555 562 ist ein Metallspritzverfahren beschrieben, mit dessen Hilfe eine Metallschicht auf einem anderen Metall angebracht werden kann. Wenn die beiden Metalle jedoch Kup-

fer und Aluminium sind, ist es jedoch nicht möglich, auf dem Kupfer eine so stark haftende Schicht zu erhalten, daß diese Schicht einer später ausgeführten Lichtbogenschweißung widerstehen kann. Aus »Hütte, Taschenbuch für Eisenhüttenleute«, 5. Auflage, 1961, S. 1143, ist ein Verfahren zum Überziehen von Eisen oder Stahl mit Aluminium durch Eintauchen des Eisens oder Stahls in eine Aluminiumschmelze bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur einfachen Herstellung einer qualitativ hochwertigen Verbindung zwischen Rohrteilen aus Kupfer und aus Aluminium, bzw. deren Verbindungen, bei Wärmeaustauschern kälteerzeugender Aggregate.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf das Kupferanschlußrohr durch Eintauchen in ein Aluminiumschmelzbad eine Aluminiumschicht aufgebracht wird und die beiden Rohrteile sodann ohne Verwendung eines Bimetall-Zwischenstückes durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden.

Dieses Verfahren macht es also möglich, auf besonders einfache Weise das Anschlußrohr direkt mit dem Rohrstutzen des Wärmetauschers zu verbinden, ohne daß man zu irgendeinem vorgefertigten, aus Bimetall bestehenden Zwischenstück Zuflucht nehmen muß. Außerdem sind die auf diese Weise hergestellten Verbindungen besonders zäh.

Das beschriebene Verfahren kann noch dadurch verbessert werden, daß die Wandstärke des Anschlußrohres auf der in das Aluminiumschmelzbad einzutauchenden Länge erhöht ist.

Diese Besonderheit bringt zugleich eine gute Qualität des erhaltenen Anschlusses als auch Robustheit mit sich.

In der folgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber auf ein Kupferrohr Bezug genommen, wobei dieser Ausdruck auch Legierungen mit einem hohen Kupfergehalt höher als 60% umfassen soll. Ebenso soll der Ausdruck »Aluminium« auch den Fall einschließen, daß die Rohrleitung des Wärmetauschers nicht nur aus reinem Aluminium, sondern auch aus einer entsprechenden Legierung hergestellt ist, wo der Aluminiumanteil mit etwa 90% überwiegt.

Die Verwendung eines Aluminium-Niederschlages auf dem Kupferanschlußrohr durch Eintauchen bildet das wesentliche Merkmal der Erfindung.

Es gibt verschiedene bekannte Verfahren, um eine Schicht von Aluminium auf Kupfer aufzubringen. Ein Verfahren besteht darin, eine Schicht von flüssigem Aluminium aufzuschleudern; aber der so erhaltene Niederschlag haftet nicht genügend fest. Ein anderes Verfahren, genannt Kalorisation, besteht im Ausfällen des Aluminiums, ausgehend von einer seiner Verbindungen im gasförmigen Zustand. Jedoch ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, einen Niederschlag von genügender Dicke zu erhalten, der eine Minderung im Falle späteren Schweißens vermeiden würde. Im Gegensatz dazu ist es dadurch, daß das Kupferrohr erfindungsgemäß in ein Bad aus schmelzflüssigem Aluminium getaucht wird, möglich, auf einfache Weise einen sehr haftfähigen Niederschlag von angemessener Dicke zu erreichen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilansicht eines Wärmetauschers mit eingebauter Rohrleitung und anzuschließendem Kupferrohr,

F i g. 2 ein Kupferrohr gemäß F i g. 1 mit einer Aluminiumschicht versehen,

F i g. 3 die Verbindung des Kupferrohrs mit dem Wärmetauscher,

F i g. 4 die hergestellte Verbindung,

F i g. 5 die Verbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum herkömmlichen ίο Verfahren,

F i g. 6 ein Kupferanschlußrohr mit einer lokalen Verjüngung jenseits der alitierten.

In F i g. 1 ist ein aus Aluminium bestehender Wärmetauscher 1 zu sehen, in welchem eine eingebaute Aluminium-Rohrleitung 2 schlangenförmig angeordnet ist, die auf bekannte Weise hergestellt wird.

Der Anschluß der Rohrleitung 2 erfolgt direkt mit dem Kupferanschlußrohr 3, und zu diesem Zweck ist der Innendurchmesser d der Mündungsöffnung der Rohrleitung 2 ein wenig größer als der Außendurchmesser D des Rohres 3. Das Verfahren zur Verbindung der beiden Teile weist dann folgende Verfahrensschritte auf:

1. Das Kupferanschlußrohr 3 wird vorbereitet, indem es entweder entfettet wird oder indem eine Oberflächenbehandlung durch abbeizen erfolgt, wobei man ein chemisches Mittel wie konzentrierte Salpetersäure wirken läßt, oder es erfolgt noch ein mechanisches Abreiben, beispielsweise ein Abbürsten. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine derartige Vorbereitung das Aufnehmen des Flußmittels und den späteren Vorgang des AIitierens begünstigt, jedoch ist diese Vorbereitung nicht unbedingt notwendig.

2. Das Rohr 3 wird weiterhin vorbereitet, indem man sein Ende mit einer Schicht eines Flußmittels mit Hilfe eines der folgenden Verfahren überzieht:

— Das Überziehen erfolgt mittels einer Lösung oder einer Dispersion in Wasser oder Äthylalkohol durch Verstäubung, Anstreichen oder Eintauchen, worauf eine Trocknung erfolgt.

— Das Überziehen erfolgt durch Eintauchen in das Flußmittel in schmelzflüssigem Zustand.

3. Es wird der Aluminiumniederschlag auf dem Ende des Kupferanschlußrohres 3 in Form einer gleichmäßigen Haftschicht4 (Fig.2) dadurch hergestellt, daß dieses vorbereitete Rohrende in ein Schmelzbad aus schmelzflüssigem Aluminium oder einer seiner Legierungen eingetaucht wird. Die Temperatur liegt dabei zwischen 650 und 750° C. Die Eintauchdauer ist 4 bis 15 Sekunden.

Es ist wichtig, eine gleichmäßige Haftschicht 4 bestimmter Dicke von 40 bis 150 Mikron herzustellen, um einerseits zu vermeiden, daß sie während des späteren Schweißvorgangs beschädigt wird und um andererseits die Bildung einer Übergangsschicht aus einer eutektischen Kupfer-Aluminium-Legierung zu vermeiden, die bekanntlich sehr brüchig ist und die für jede derartige Verbindung nachteilig wäre.
Die Schicht 4 bedeckt das Äußere, die Stirnfläche und das Innere des Rohres 3 selbstver-

5 6

ständlich auf einer Höhe H, die größer ist als die kreises eingesteckt. Anschließend wird die Schwei-Tiefe, mit der dieses Rohr 3 in die Mündungs- ßung jeweils mit einer Schweißraupe 5, wie bereits be-

öffnung 6 der Rohrleitung 2 eingeführt wird. schrieben, durchgeführt.

.__,,_, - . j . „, , In F i g. 5 ist strichpunktiert dargestellt der Verlauf

4. Das Ende des Rohres 3 wird mit Wasser abge- _{5 der Anschlußrohre in einer} herkömmlichen Ausfühwaschen um alle Spuren des Flußmittels zu be- _{f die} beispielsweise für den einen Rohrseitigen. Die Möglichkeit, diesen Arbeitsvorgang ^? _{dn Αη8οΜιαβΓ0}^_{Γ 2i} aus Aluminium, eine Aluauf emem_ kurzen Anschlußstuck durchzufuhren, _mmi_um_Kupf_er-Verbindungszone 22, die notwenunabhangig von der Gesamtheit der Rohrleitun- _{di ise m einer Geraden n t sowie} anschließend gen, stellt einen großen Vorteil dar. _lo ^ j^erdia 23 umfaßt, das aus Kupfer ist und das

5. Anschließend wird das Ende des Kupferan- jenseits des Kniestücks eine Verjüngung 25 hat.
schlußrohres 3 in die Mündungsöffnung 6 der ^{Mit dem} beschriebenen Verfahren ist demnach ein Rohrleitung 2 eingeführt (F i g. 3), worauf man beträchtlicher Gewinn an Länge bei den Rohrteilen die beiden so ineinander greifenden Teile ver- möglich, und die Rohrteile haben einen rationellen schweißt oder verlötet. ¹S Verlauf ohne übermäßige Krümmung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das

Das Schweißen erfolgt mit einem elektrischen Anschlußrohr zumindest auf einem Teil seiner

Lichtbogen unter einer neutralen Atmosphäre wie Länge, der jenseits desjenigen Endes gelegen ist, wel-

Argon mit einer Wolfram-Elektrode oder mit einer ches die Aluminiumschicht oder die entsprechende

sich beim Schweißen verbrauchenden Elektrode aus zo Legierungsschicht trägt, eine geringere Wanddicke

Aluminium oder einer seiner Legierungen. Die vom als das Rohrende mit der Aluminiumschicht.

Auftragsmetall gebildete Verbindungszone5 (Fig. 3) Diese Besonderheit ergibt offensichtliche techni-

ist völlig unversehrt und sauber, und an der Verbin- sehe Vorteile für die Qualität des erhaltenen An-

dung ist nicht die geringste spätere Bearbeitung nö- Schlusses, seinen leichten Zusammenbau und seine

tig. 25 Robustheit.

Daß das Kupferanschlußrohr 3 direkt ins Innere Sieht man für das Anschlußrohr 3 einen alitierten der Mündungsöffnung 6 eingeführt wird, ergibt einen Bereich 82 mit einer Materialdicke E vor, die größer großen technischen Vorteil. Während des Schwei- ist als die Materialdicke e des benachbarten Bereichs ßens ist die Schmelze der Schweißverbindung ganz 83, so wird das dicke Ende des Rohres beim Eintaueinfach durch das Kupferteil gehalten, dessen 30 chen in das flüssige Aluminiumbad weniger abge-Schmelztemperatur deutlich höher liegt. Das Einfüh- kühlt. Der Grund dafür ist der Widerstand gegenüber ren des Kupferanschlußrohres 3 in die Aluminium- der Wärmeübertragung, den die verringerte Materialrohrleitung 2 bildet also eine mögliche Ausführungs- dicke des nicht untergetauchten Teils leistet. Die form des Verfahrens. Jedoch kann auch ein An- Temperatur des dicken Teiles wird folglich viel schlußrohr 3 vorgesehen werden, das denselben In- 35 gleichmäßiger, und die Eintauchdauer des Rohres in nendurchmesser hat wie die Mündungsöffnung 6; die dem Aluminiumbad kann auf diese Weise reduziert beiden Teile werden Ende an Ende angeordnet, werden, wodurch die zersetzende Wirkung des AIunachdem man in jedes Teil eine gemeinsame Muffe miniumbades auf den aus Kupfer bestehenden Teil eingeführt hat, die aus einem Metall mit einem höhe- begrenzt wird.

ren Schmelzpunkt besteht, beispielsweise Stahl; die 40 Die gleichmäßigere Temperatur ergibt außerdem Muffe dient dazu, ein Hineinlaufen der Schmelze und eine bessere Qualität der alitierten Schicht 4. Man erein Verstopfen der Rohrleitung zu vermeiden, Ge- hält Ubergangszonen zwischen dem Aluminium und fahren, die möglich sind, weil das Aluminium und dem Kupfer von verhältnismäßig geringer Dicke und seine Legierungen eine leicht laufende Schmelze ha- von regelmäßiger Kristallographie, wogegen ein beben. 45 trächtlicher Wärmegradient, d.h. ein Wärmegefälle

Das ebenfalls mögliche Löten besteht auf bekannte entlang der Achse des eingetauchten Teiles des Roh-Weise in einer Verbindung mit Hilfe eines schmelz- res, bedeutende Ubergangszonen hervorrufen würde, baren Auftragsmetalls oder einer entsprechenden Le- die große Kristalle aufweisen, die sich deshalb nur gierung, die bei ziemlich hoher Temperatur schmel- schlecht zur späteren Schweißung eignen,
zen, d. h. über 325° C und häufig noch über 550° C; 50 Für den Fall, daß die Verbindungsstelle die Biegedie Temperatur erhält man durch Anwärmen mit beanspruchungen aushalten muß, ist ihre Robustheit dem Lötbrenner oder durch Anwärmen im Ofen, ziemlich groß. Da die alitierte. Schicht 4 sich nicht durch Eintauchen in ein Salzbad oder durch Zu- über den dicken Teil 82 hinaus erstreckt, kann man führen eines elektrischen Stroms von hoher Fre- diesen alitierten Abschnitt als einen Körper betrachquenz. 55 ten, der im Verhältnis zum restlichen Rohr und ins-

Die Erfahrungen mit dem erfindungsgemäßen Ver- besondere zum dünnen Rohrteil 83 nicht verformbar, fahren zeigen, daß die so hergestellten Verbindungen d. h. unnachgiebig ist. Wenn deshalb das Anschlußbesonders zäh sind. Außerdem haben durchgeführte rohr an Ort und Stelle angebracht und auf die Rohr-Zugversuche gezeigt, daß die Bruchstellen immer auf leitung 2 aufgeschweißt oder aufgelötet wird, beeinder aus Aluminium bestehenden Rohrleitung 2 lagen, 60 trächtigen die Biegeverformungen, die das Anschlußalso außerhalb der Verbindungszone 5. rohr 3 eventuell vom Installateur erleidet, nicht den

In F i g. 5 ist als Ausführungsbeispiel eine Verbin- Rohrteil 82, da die Biegebeanspruchungen nicht auf

dung an einem Wärmetauscher 1 mit einem einge- diesen alitierten Teil übertragen werden. Die alitierte

bauten Rohrkreis zu sehen. Die Anschlußrohre 2 aus Zone läuft also nicht Gefahr, durch eine anormale,

Kupfer sind direkt in die Rohrstutzen 3 des Rohr- 65 auf das Rohr ausgeübte Kraft zu zerbrechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung der Verbindung eines Anschlußrohres aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Rohrstutzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Bestandteil des Wärmetauschers eines Kälteaggregates, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kupferanschlußrohr durch Eintauchen in ein Aluminiumschmelzbad eine Aluminiumschicht aufgebracht wird und die beiden Rohrteile sodann ohne Verwendung eines Bimetall-Zwischenstückes durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Aluminiumschmelzbades zwischen 650 und 750° C liegt und die Eintauchdauer 4 bis 15 Sekunden beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der niedergeschlagenen Aluminiumschicht zwischen 40 und 150 Mikron liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Muffe aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt in die Mündungsöffnung sowohl des Rohrstutzens des Wärmetauschers als auch des Kupferanschlußrohres vor dem Verbinden der beiden Teile eingefügt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden durch Lichtbogenschweißung unter einer neutralen Atmosphäre, insbesondere Argon, erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Anschlußrohres auf der in das Aluminiumschmelzbad einzutauchenden Länge erhöht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandstärken des Kupferanschlußrohres zwischen 1,5 und 3, bevorzugt zwischen 2 und 2,5, liegt.