ES2242645T3 - Procedimiento de fabricacion de estructuras soldadas de varios canales. - Google Patents

Abstract

Un método para soldar piezas (1, 2) que consta de los siguientes pasos: a) Interponer una capa metálica intermedia (3) en forma de hoja amorfa entre las piezas que se van a unir. Esta hoja de metal amorfa tiene un grosor medio de entre alrededor de 25 µm y 60 µm. b) Ensamblar las piezas en una pila que no esté bajo presión. c) Calentar la pila hasta una temperatura en la que la capa intermedia se funda y reaccione con el metal base. d) Dejar enfriar la pila para producir una estructura con juntas soldadas, que se caracteriza porque el método también incluye e) aplicar una carga controlada en la parte superior de la pila tras el paso de ensamblaje. Dicha carga se selecciona para ajustar los huecos entre las piezas que se van a unir hasta alrededor de entre 15 µm y 30 µm. Mediante este proceso, las juntas soldadas quedan uniformes y sellan completamente todos los huecos sin dejar poros residuales.

Description

Procedimiento de fabricación de estructuras soldadas de varios canales.

La presente invención está relacionado con un método para soldar piezas y con una estructura soldada de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 6 respectivamente (véase, por ejemplo, EE.UU. A. 4 801 072).

Campo de la invención 1. Descripción de la técnica

La soldadura es un proceso para unir piezas de metal, a menudo de diferente composición. Normalmente, se interpone entre las piezas un metal de aportación que tiene una temperatura de fusión inferior a la de las piezas de metal base que se van a unir, para formar un ensamblaje. Después, se calienta el ensamblaje hasta que alcanza una temperatura suficiente para fundir el metal de aportación. Cuando se enfría, se forma una junta fuerte y preferiblemente resistente a la corrosión.

Ciertos procesos de unión de metales, en los que se utilizan metales amorfos, se presentan en el estado de la técnica. En la Patente de EE.UU. 5.964.398, se presenta un método de unión de primeros y segundos elementos para formar una estructura de álabes, utilizando un proceso de soldadura por difusión. Se dice que este método es adecuado para formar una rueda de álabes o difusor para máquinas que trabajan con fluidos como bombas, compresores, máquinas de soplado o similares. La Patente de EE.UU. 4.801.072 presenta un proceso para fabricar un artículo soldado que consta de los siguientes pasos: (a) proporcionar una hoja de soldadura dúctil homogénea compuesta de material metaestable que tenga al menos un 50% de estructura vítrea y una composición de entre alrededor de un 0 y alrededor de un 10 por ciento atómico de hierro, entre alrededor de un 5 y alrededor de un 15 por ciento atómico de cromo, entre alrededor de un 2 y alrededor de un 5 por ciento atómico de molibdeno, entre alrededor de un 10 y alrededor de un 30 por ciento atómico de cobalto, entre alrededor de un 16 y alrededor de un 18 por ciento atómico de boro, el balance esencialmente níquel e impurezas incidentales; (b) interponer la hoja de soldadura entre al menos una porción de cada una de las dos partes; y (c) fundir la hoja de soldadura y después solidificar el material fundido para realizar la soldadura de las porciones.

Una clase de producto producido mediante procesos de soldadura es el intercambiador de calor, una estructura tridimensional compuesta de placas planas y aletas de metal alternas, o placas corrugadas, mantenidas en fuerte contacto físico. Las juntas soldadas conectan y sellan mecánicamente las áreas de contacto entre las placas planas y las aletas, como en el caso de los intercambiadores de calor de placa/aleta, o entre las corrugaciones estampadas en el caso de placa/placa. Los perfiles de corrugación pueden tener un diseño en forma de V, indentaciones de varias formas circulares u otros perfiles. En el estado soldado, estas indentaciones se unen con placas planas o unas con las otras formando un elaborado sistema de canales o cavidades entrelazadas. En funcionamiento, los líquidos calientes y fríos y los gases fluyen por separado en estos canales intercambiando calor. En muchos casos, estas estructuras están hechas de aceros resistentes al calor y a la corrosión y funcionan a temperaturas elevadas como enfriadores en los sistemas de servicio, como intercambiadores de calor en estructuras aeroespaciales, y como recuperadores en la industria química, alimentaria y en otras industrias de transformación.

La mayoría de las estructuras soldadas multi-canal se producen mediante la colocación de un metal de aportación entre las piezas de metal base antes del proceso real de soldado. El metal de aportación en forma de polvo puede espolvorearse sobre las superficies de las piezas de metal base o aplicarse en forma de pasta compuesta de polvo y polímeros. En cualquier caso, el metal de aportación en forma de polvo es poroso y contiene bastantes impurezas en forma de óxidos. El uso de metales de aportación en polvo resulta de esta manera en juntas irregulares, porosas y de baja calidad. Como alternativa, puede colocarse metal de aportación en forma de hoja directamente entre las piezas de metal base que van a unirse. En comparación, la hoja es 100% densa, tiene menos impurezas y puede medirse con más precisión en el área de la junta. Aunque es mucho más efectivo que el polvo, el uso de hoja en ensamblajes bajo presión necesita pequeñas variaciones en el grosor de la hoja. Esto es especialmente importante cuando estas placas de metal base y preformas de hoja alternas ensambladas no pueden moverse mutuamente durante la soldadura.

Para optimizar el rendimiento de la estructura soldada, es necesario llevar a cabo tediosos experimentos preliminares a fin de determinar la cantidad adecuada de polvo u hojas, en relación con el grosor y la geometría de la placa de metal base. Además, los ensamblajes bajo presión requieren que todas las piezas tengan unas dimensiones muy precisas y una colocación muy exacta de las piezas que es difícil y cara de satisfacer utilizando la tecnología actual. Como ejemplo, tomemos una lámina corrugada en un intercambiador de calor de placa/placa que tiene 250 mm de ancho por 100 mm de largo por 0,1 mm de grosor, con una altura del canal de 5 mm. Una junta soldada optimizada tendrá un hueco de 0,025 a 0,050 mm. Una variación del 1% en la altura del canal hará que el hueco aumente en 0,05 mm. Una deflexión del 1% en lo plano de la lámina hará que el hueco aumente en 1 mm. La única forma de sellar estos grandes huecos locales es rellenarlos de metal de aportación. Cuando los huecos son grandes, pero la cantidad de metal de aportación disponible es pequeña, o el metal de aportación tiene un flujo pobre, entonces, el rellenar los numerosos huecos puede no ser suficiente en un ensamblaje de placas y preformas bajo presión mecánica. Como resultado, pueden quedar áreas grandes sin soldar.

Un intercambiador de calor diseñado correctamente debe contener los líquidos o gases en sus canales correspondientes y debe soportar de forma segura la presión que ejercen sobre él los fluidos. Estos criterios de diseño son aplicables a cada junta soldada en la estructura. La resistencia de la junta es un parámetro determinado por el tamaño y microestructura de la junta. Se ve afectada por las condiciones tiempo-temperatura de la soldadura. Dado el gran número de juntas en un intercambiador de calor, la resistencia e integridad de la junta son bastante difíciles de predecir e incluso, difíciles de regular. En el caso ideal de las juntas de alta resistencia, es más posible que un fallo de la estructura soldada bajo la presión crítica interna se produzca en las piezas estructurales hechas del metal base que en la junta soldada.

Los intercambiadores de calor de acero se soldan normalmente con metales de aportación con base de Cu, Ni o Co. El metal de aportación de Cu está disponible en forma de hoja. Sin embargo, el uso de Cu, está limitado a los intercambiadores de calor que experimentan temperaturas moderadas y que contienen sustancias mínimamente corrosivas. Los metales de aportación con base de Ni y Co producen juntas soldadas capaces de soportar temperaturas elevadas y sustancias moderadamente corrosivas. La mayoría de los metales de aportación avanzados con base de Ni y Co que pueden utilizarse para unir estas estructuras contienen una cantidad considerable de elementos metaloides como boro, silicio o fósforo. Por consiguiente, dichas aleaciones son muy frágiles en la forma convencional cristalina y están disponibles sólo como polvos, pastas y cintas de aglomerante en polvo y voluminosas preformas de colada. Los polvos y las preformas con base de polvo no permiten fácilmente la soldadura de formas complejas. Sin embargo, estas aleaciones con base de Ni y Co pueden transformarse en una hoja dúctil y flexible que se produce utilizando tecnología de solidificación rápida y que tiene una estructura amorfa en estado sólido. Dichas aleaciones amorfas para aplicaciones de soldadura se presentan en muchas patentes, por ejemplo las Patentes de EE.UU Nos. 4.148.973 y 4.745.037. A pesar de las grandes ventajas de la tecnología de solidificación rápida alcanzadas hasta el momento, la hoja producida de esta manera tiene variaciones transversales y longitudinales del grosor que a veces superan el \pm40%.

Por eso, hay una necesidad continuada de un método mejorado para soldar estructuras complejas tridimensionales de placa/placa y placa/aleta, que pueda proporcionar juntas resistentes con dimensiones transversales controladas sin depender demasiado de: (a) el grosor de la hoja de soldadura y sus variaciones; y (b) la forma y precisión de las dimensiones de las aletas y perfiles.

Existen datos experimentales que muestran el efecto beneficioso de la carga aplicada de forma normal a las juntas de muestras sujetas a operaciones de soldado. En cada una de estas muestras, su utilizó metal en hoja amorfo como metal de aportación. El grosor de la junta soldada varió con la carga aplicada. Este dato indica la importancia de la carga en la mejora de la humectación con metales de aportación líquidos de las superficies rugosas y con huecos y de la formación de soldaduras no porosas. Además, la interacción autorregulada entre la tensión de la superficie de un metal de aportación líquido y la carga aplicada también optimiza el grosor, la microestructura y, lo que es más importante, la resistencia de la soldadura. Este efecto de carga fundamental proporciona la base científica para el método propuesto en la presente invención para mejorar las estructuras soldadas multicanal.

Resumen de la invención

La presente invención forma parte de un método de soldadura, tal y como se define en la reivindicación 1. La invención también consta de una estructura soldada, tal y como se define en la reivindicación 6.

La Fig. 4 (b) es una fotografía de la microestructura de una junta de acero inoxidable soldada utilizando hojas amorfas con un grosor de 50 \mum.

La Fig. 5 (a) es una fotografía que presenta una vista lateral de una muestra tras un fallo durante los ensayos mecánicos de tracción a 650ºC, en la que el fallo está localizado en la junta soldada.

La Fig 5 (b) es una fotografía que presenta una vista lateral de una muestra tras un fallo durante los ensayos mecánicos de tracción a 650ºC, en la que el fallo está localizado en el metal base.

La Fig 6 es una fotografía que presenta una vista de dos mitades de una muestra fabricada con un metal de aportación amorfo en forma de hoja fina (25 \mum) precolocado, en la que se ve un área grande sin soldar debido a la presencia de una pequeña mella en la aleta.

Descripción detallada de la invención

Para garantizar un producto resistente a las filtraciones, las estructuras soldadas multicanal deben tener soldaduras completas en cada superficie de contacto. Además, para garantizar una vida útil larga, estas soldaduras deben ser uniformes y resistentes.

El rendimiento mecánico del dispositivo se caracteriza por tres parámetros principales: 1) la presión máxima de rotura que puede resistir la estructura soldada, 2) la estabilidad dimensional a largo plazo de la estructura frente a la presión sostenida y 3) la estabilidad mecánica a largo plazo de la estructura frente a una presión y temperatura variables. El fallo del dispositivo se puede producir bien en las juntas soldadas o en las piezas estructurales del metal base. Si el fallo del dispositivo se produce en las juntas soldadas, la resistencia la determinan la superficie total de contacto de las juntas y la resistencia de las soldaduras. Si el fallo se produce en las piezas estructurales del metal base, la resistencia la determinan el área transversal y la resistencia intrínseca de las piezas estructurales. Estas regiones del dispositivo se ilustran en la Fig. 1.

De acuerdo con la invención, se proporciona un método para fabricar una estructura soldada uniforme, que no deja pasar filtraciones, resistente, multi-canal de placa/aleta y de placa/placa en la que se puede utilizar una hoja amorfa como metal de aportación. El método consiste en los siguientes pasos:

(a) Se elige un metal de aportación en forma de hoja con una estructura amorfa y con una temperatura de fusión inferior a la temperatura de fusión de la placa de metal base y de las piezas de la aleta.

(b) Se ensamblan las placas 1, aletas 2 y preformas de metal de aportación 3 dentro de un dispositivo de soporte 5 de acuerdo con las secuencias que se muestran en la Fig. 2, de tal modo que puedan moverse libremente en dirección vertical pero que no puedan moverse lateralmente durante la operación de soldado.

(c) Se aplica una carga de compresión al ensamblaje colocando una cantidad fija de peso en la parte superior de la pila tal y como se muestra en la Fig.2. Las cargas de compresión no deberían provocar el desmoronamiento de la pila a la temperatura de soldado.

(d) El ensamblaje se mete en el horno y se calienta hasta que alcance al menos la temperatura de fusión del metal de aportación.

(e) Se deja enfriar el ensamblaje.

En estas condiciones, el metal de aportación se funde y rellena los huecos iniciales entre las piezas que se están soldando, tal y como se muestra en la Fig. 2 "Después de la soldadura". Simultáneamente, y más específicamente, la carga aplicada ajusta los huecos de cada soldadura individual que se está formando hasta aproximadamente entre 15 \mum y 30 \mum, dependiendo de la carga. Esto ocurre juntando o separando más las piezas de metal base, hasta que el movimiento cesa cuando se alcanza el equilibrio entre la carga aplicada y las fuerzas de tensión de la superficie del metal fundido en los huecos. El exceso de metal fundido es expulsado parcialmente de los huecos soldados formando cordones de soldadura con secciones transversales grandes, lo que resulta en juntas de alta resistencia. Las dimensiones generales de la estructura soldada se controlan independientemente de las variaciones en el grosor de las hojas utilizadas y de la uniformidad de la placa/aleta. Además, todos los canales formados de la estructura alcanzan secciones transversales iguales.

Las hojas útiles en el proceso descrito anteriormente tienen normalmente un grosor aproximado de entre 37 \mum y 60 \mum, que es también el espacio deseado entre las piezas que se van a unir. Este espacio maximiza la resistencia de las juntas soldadas. Las hojas más finas pueden suponer una cantidad insuficiente de metal de aportación líquido para rellenar todos los posibles huecos. Las hojas más finas no son económicas y pueden no necesitarse porque el fallo de la estructura descrita en la presente invención no se produciría en las juntas soldadas, sino más bien en las piezas del metal base. Por lo tanto, el rendimiento ideal de la estructura soldada se alcanza cuando el fallo lo determina la resistencia del metal base.

Ejemplo

Para ilustrar lo anterior, se facilitaron muestras fabricadas de acuerdo con los siguientes conceptos generales de la presente invención.

Se estamparon placas planas y se formaron aletas de forma sinusoidal a partir de láminas acero inoxidable UNS4360 con un grosor de 100 \mum y 50 \mum respectivamente. Se utilizó un método de corte por abrasión mediante lanzamiento de agua para cortar preformas de metal de aportación planas, en forma de hoja, a partir de una aleación amorfa con base de Ni dentro de la American Welding Specification ANSI/A5.8 (Especificación de Soldadura de EE.UU. ANSI/A5.8) para metales de aportación de níquel 2 (BNi-2).

Se utilizaron hojas amorfas de 25 \mum, 37\mum y 50 \mum de grosor medio pero sus perfiles generales, medidos con un perfilómetro con sensor de punta fina, tenían depresiones locales de hasta 15-20 \mum de profundidad. Se ensamblaron tres muestras como pilas de 16 conjuntos de piezas idénticos. Cada conjunto estaba compuesto por las piezas de placa/preforma/aleta/preforma/placa. Tras la soldadura, cada uno de los 16 conjuntos se convirtió en una pluralidad de canales sellados que simulaban los canales en los intercambiadores de calor reales. Cada muestra estaba compuesta por piezas idénticas de placa de metal base y aleta para todas las muestras, pero contenía preformas de hoja que tenían uno de los grosores mencionados anteriormente. Cada muestra se ensambló entre guías verticales unidas a la placa gruesa de un soporte especial, lo que permitía que todas las piezas de la pila se movieran libremente en dirección vertical durante un ciclo de soldadura completo. Se colocó una carga en la parte superior de cada muestra en forma de bloque de metal o grafito, tal y como se muestra en la Fig. 2. Las muestras cargadas de la estructura 5 se colocaron en un horno de vacío en posición vertical y se soldaron a una temperatura de aproximadamente 1090ºC durante 15 min. Tras la soldadura, las muestras estaban listas para el ensayo mecánico. Se cortaron y se mecanizaron mediante el método de descarga eléctrica para formar muestras con forma de viga I con una sección transversal de alrededor de 25 mm x 25 mm en el "cuello" de la muestra, tal y como se ilustra en la Fig. 3(a). Las piezas cortadas se utilizaron para elaborar muestras metalográficas. Las dimensiones y microestructura de la junta, como una función del grosor de la preforma, se midieron utilizando un microscopio óptico con un aumento moderado 100X.

Las observaciones metalográficas mostraban que el grosor de la junta en la porción media de todas las soldaduras es el mismo independientemente del grosor de la hoja amorfa virgen, incluso al comparar muestras fabricadas utilizando hojas de 25 \mum y 50 \mum como demuestran las Figs. 4a y 4b. Este efecto se observó porque los huecos de las soldaduras no estaban bajo presión. De hecho, el exceso de líquido de la aleación MBF-20 fue expulsado parcialmente de los huecos capilares tras la soldadura, hasta que las fuerzas de tensión de la superficie en todas las superficies de los huecos se volvieron iguales a la carga total aplicada a la muestra, siendo la carga total el peso de las piezas y el peso del bloque externo. Este exceso de metal MBF-20 fundido, particularmente en la hoja de 50 \mum, fluyó fuera de los huecos iniciales formando grandes cordones de soldadura y subió parcialmente por las paredes verticales de las aletas. El metal de aportación más grueso produjo cordones de soldadura más grandes que tenían formas ventajosas sin un patrón de contracción de cristalización estrecho en forma de cavidad, como se ve en la Fig. 4a y, por lo tanto, secciones transversales de la junta más grandes como se ilustra en la Fig. 4b.

La altura de los pasajes individuales formados en todas las muestras soldadas se midió utilizando un comparador óptico con los siguientes resultados:

Grosor del metal de aportación,	Altura media del pasaje	Altura total de los 16 pasajes,
mm (mil*)	mm (mil*)	mm (mil*)
25 \mum	3.282 (129,21)	52.514 (2067,5)
37 \mum	3.287 (129,4)	52.590 (2070,5)
50 \mum	3.284 (129,3)	52.557 (2069,2)
*Unidad en la que se midieron estos parámetros

Como se precolocaron dieciséis hojas de soldadura en cada una de las muestras, la diferencia inicial entre los paquetes ensamblados con hojas con un grosor de 25 \mum y 50 \mum fue de 0,4 mm. Esta diferencia disminuye hasta casi cero en las estructuras soldadas. La diferencia total en las alturas de estas dos muestras en estado soldado es de sólo 0,042 mm.

Se realizó un ensayo de tracción de las muestras soldadas con forma de viga I a 650ºC utilizando una máquina estándar para realizar ensayos de tracción. Las muestras demostraban la siguiente carga máxima en el momento del fallo, y esta carga variaba linealmente con el grosor de la hoja:

Grosor del metal de aportación,	Carga máxima en el momento de fallo de la muestra a
(mil*) mm	650ºC kg (libra-fuerza*)
25 \mum	342 (754)
37 \mum	429 (946)
50 \mum	537 (1183)

Las observaciones ópticas de las muestras que fallaron, con un aumento moderado 20X, tal y como se ilustra en las Figs. 5a y 5b, mostraron que en las muestras soldadas utilizando hojas con un grosor medio de 25 \mum y 37 \mum, el fallo se producía en las soldaduras, tal y como se ilustra en la Fig. 5a. Además, en algunas muestras soldadas utilizando hojas de 25 \mum, se observaron puntos grandes que habían quedado sin soldar debido a una cantidad insuficiente del metal de aportación necesario para rellenar las mellas u otros defectos ocasionales en la forma de la aleta, tal y como demuestra la Fig. 6. En el caso de la muestra con hoja de 50 \mum, el fallo se produjo en mitad de las aletas, tal y como se ilustra en la Fig. 5b. Por lo tanto, en este caso, la resistencia de la estructura soldada la determinaba idealmente la resistencia del metal base.

Habiendo descrito la invención con bastante detalle, se entenderá que no es necesario adherirse estrictamente a dicho detalle sino que a alguien experto en la técnica se le pueden ocurrir cambios y modificaciones, todo dentro del ámbito de la invención, tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

1. Un método para soldar piezas (1, 2) que consta de los siguientes pasos:

a)

Interponer una capa metálica intermedia (3) en forma de hoja amorfa entre las piezas que se van a unir. Esta hoja de metal amorfa tiene un grosor medio de entre alrededor de 25 \mum y 60 \mum.

b)

Ensamblar las piezas en una pila que no esté bajo presión.

c)

Calentar la pila hasta una temperatura en la que la capa intermedia se funda y reaccione con el metal base.

d)

Dejar enfriar la pila para producir una estructura con juntas soldadas, que se caracteriza porque el método también incluye

e)

aplicar una carga controlada en la parte superior de la pila tras el paso de ensamblaje. Dicha carga se selecciona para ajustar los huecos entre las piezas que se van a unir hasta alrededor de entre 15 \mum y 30 \mum. Mediante este proceso, las juntas soldadas quedan uniformes y sellan completamente todos los huecos sin dejar poros residuales.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las piezas se seleccionan de entre el grupo formado por placas (1) y aletas (2).

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que cada placa y aleta está hecha de metales.

4. Un método de acuerdo con las anteriores reivindicaciones, en el que la capa intermedia está compuesta por preformas planas hechas de hoja de metal amorfa.

5. Un método de acuerdo con las anteriores reivindicaciones, en el que el valor de la carga aplicada no es superior al valor que provocará el desmoronamiento de la pila a la temperatura de soldado.

6. Una estructura soldada compuesta por:

a) una pluralidad de piezas (1, 2)

b) una capa metálica intermedia de hoja amorfa (3) entre dichas piezas que forma juntas soldadas uniformes, en la que la resistencia de la estructura es igual a la resistencia del material subyacente de las piezas, que se caracteriza porque los huecos entre las piezas son de entre 15 \mum y 30 \mum y porque las juntas soldadas uniformes tienen cordones de soldadura totalmente consistentes que sellan completamente todos los huecos sin dejar poros residuales, lo que resulta en una estructura resistente a las filtraciones.

7. Una estructura de acuerdo con la reivindicación 6, en la que las piezas se seleccionan de entre el grupo formado por placas (1) y aletas (2).

8. Una estructura de acuerdo con la reivindicación 7, en la que las placas y aletas son metales.