ES2845220T3 - Aparato soldado y laminado, métodos de fabricación y métodos de uso del aparato - Google Patents

Abstract

Un aparato laminado que comprende: un bloque central (17) que comprende láminas de metal enlazadas entre sí, al menos en parte, por una composición de soldadura fuerte dispuesta entre las láminas; donde las láminas de metal son de acero inoxidable o una superaleación de níquel, cobalto o hierro y se caracteriza por: una composición para soldar (23) dispuesta en el bloque central (17) y que se adhiere a la composición de soldadura fuerte; donde la composición de soldadura blanda (23) tiene una composición que difiere de la composición de la soldadura fuerte; y donde la composición de la soldadura blanda (23) se difunde 2 mm o menos en el bloque central (17).

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato soldado y laminado, métodos de fabricación y métodos de uso del aparato

Los dispositivos laminados suelen estar formados por la soldadura fuerte de láminas de metal, con el uso de una entrecapa de material agregado (soldadura) entre láminas adyacentes para lograr la adhesión o la unión y el sellado sustancialmente hermético entre dos o más capas. Un problema con la soldadura blanda de una pieza adicional en el dispositivo laminado en proximidad a las capas límites de la soldadura fuerte es que la soldadura blanda convencional suele resultar en grietas que se forman entre las láminas. El aparato laminado, especialmente el aparato de microcanal puede deformarse o debilitarse con el proceso de soldadura blanda. Por lo tanto, se necesitan métodos para reparar grietas en el aparato laminado y también para el aparato laminado que es menos susceptible al agrietamiento.

Compendio de la invención

En un aspecto, la invención comprende un método de soldadura blanda de un metal en un aparato laminado, como se define en la reivindicación 10.

Típicamente, el proceso se lleva a cabo en una atmósfera inerte como una cubierta de gas inerte que fluye alrededor del cable y del aparato. Puede suceder que una composición de soldadura fuerte esté presente entre todas las láminas; sin embargo, en algunos dispositivos, hay una composición de soldadura fuerte solamente entre algunas láminas. Este puede ser el caso, por ejemplo, en el que algunas láminas están pre-enlazadas mediante adhesión por difusión (para formar un subensamblaje) y las piezas laminadas resultantes adheridas por difusión se unen posteriormente a láminas únicas u otra pieza laminada enlazada por difusión mediante soldadura fuerte.

En algunas realizaciones alternativas, el método se puede caracterizar como una descarga de arco intermitente con un cable de soldadura recíproco. De manera similar, se aplica el metal fundido a la superficie mientras el cable se aleja de la superficie.

Además, el método podría utilizarse para soldar un artículo metálico sólido a una estructura laminada y soldada. El artículo sólido podría ser una cabecera, un pie, una boquilla de entrada o de salida, un cierre (véase a continuación), un elemento de soporte estructural útil durante el funcionamiento o en un estado ambiente, un conector usado para elevar o soportar el dispositivo laminado u otro componente útil.

Este proceso puede ser llevado a cabo con un calentamiento muy bajo del aparato laminado y, en realizaciones preferidas, dentro de los 30 segundos de la soldadura blanda activa (de acuerdo con el proceso de la invención) y sin la aplicación de enfriamiento del líquido, la temperatura del artículo laminado es 100 °C o menos en todo el aparato. En otra realización, la temperatura del artículo laminado es 50 °C o menos dentro de los 30 segundos de completada la etapa de soldadura blanda. Esto contrasta con los procesos de soldadura convencionales en donde el artículo laminado está mucho más caliente, típicamente, al rojo vivo, durante la soldadura blanda y durante varios minutos después que la misma ha cesado.

El proceso inventivo permite la producción de estructuras únicas, y la invención incluye aparatos fabricados por el proceso inventivo. En general, el proceso resulta en una estructura en la que hay poca difusión, en el sitio de soldadura blanda, de la composición de soldadura en el bloque central. El bloque central comprende hojas laminadas que se han unido a una pila. Los bloques centrales pueden tener más de 10 o más de 100 o más de 1000 capas.

Además, la invención proporciona un aparato soldado y laminado. El aparato laminado de la invención se define en la reivindicación 1.

La composición para soldar está difundida 2 mm o menos (preferiblemente 1,0 mm o menos, preferiblemente 0,5 mm o menos, más preferiblemente 0,3 mm o menos) en el bloque central. Típicamente, la difusión en el bloque central se puede medir por microscopio en una sección transversal del bloque central.

De conformidad con la invención, el bloque central comprende láminas de metal enlazadas entre sí, al menos en parte, por una composición de soldadura fuerte dispuesta entre las láminas. El bloque central comprende láminas apiladas, y puede incluir distribuidores que se integran en las láminas, pero el bloque central no incluye distribuidores, manijas o tubos externos.

En otro aspecto, la invención proporciona un aparato de microcanal que comprende: un bloque central que comprende láminas de metal enlazadas entre sí; varios microcanales dispuestos en el bloque central; los microcanales plurales que comprenden aperturas plurales en un lado del bloque central; un cierre de pared sólido que encierra las aperturas plurales en un espacio único, contiguo; donde el cierre de pared sólido comprende una pared sólida, continua que se enlaza en un lado al bloque central por un material de soldadura blanda; donde la pared continua tiene una relación de aspecto de al menos 10:1 de altura con el espesor (donde la altura es la dirección en la que la pared se proyecta desde un lado del bloque central, y el espesor es perpendicular a la altura y es el entendimiento comúnmente utilizado de espesor de pared.

Las ventajas de la invención incluyen la reducción o la eliminación de fugas y grietas. El método de soldadura es particularmente útil para artículos laminados en donde una entrecapa tiene un punto de fusión menor que el de las hojas laminadas, que tienen un punto de fusión más alto. Las soldaduras pueden hacerse a lo largo de grietas, paralelas a las capas en un laminado, perpendiculares a las capas en un laminado o en un ángulo relativo a las capas en un laminado. Es difícil soldar en un bloque que ha sido formado de láminas paralelas para soldar. Esto sucede porque el material para soldar tiene un punto de fusión bajo en comparación con el material de lámina, el cual es adecuado para obtener una buena soldadura fuerte. Durante la soldadura fuerte, el material para soldar se mueve alrededor y cubre, con bastante eficacia, los huecos entre las láminas. La soldadura blanda posterior en un artículo soldado resulta en una nueva fusión del material para soldar en la ubicación cálida de la soldadura blanda, lo que resulta en la difusión de material de soldadura blanda en el material de soldadura fuerte. Aunque la intención no es estar limitados por la teoría, cuando el artículo se enfría después de la soldadura blanda, las composiciones de soldadura blanda y soldadura fuerte pueden enfriarse a diferentes velocidades, y el material que se une a las láminas se vuelve no uniforme en esa ubicación, lo que puede generar grietas en el material de relleno entre las láminas. Estas grietas interfieren con la integridad del dispositivo que, si se usa para el procesamiento de fluidos, puede ocasionar fugas. Estos problemas se magnifican en el caso de dispositivos con muchas capas, y también se magnifica para dispositivos con mayores dimensiones, mayores soldaduras, todas las cuales contribuyen con grietas, las cuales deben ser detectadas y reparadas o el artículo deben ser desechado. Esta invención evita estos problemas mediante la aplicación de nuevas técnicas de soldadura blanda (p.ej., CMT, una breve referencia a la soldadura de láser de fibra) para minimizar la difusión de la composición de soldadura en el material de soldadura fuerte en un artículo laminado soldado.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 muestra cordones de soldadura blanda.

La Figura 2 ilustra, de manera esquemática, una vista en perspectiva de un bloque central con un cierre adjuntado y una vista lateral con un cierre múltiple opcional conectado y tuberías.

La Figura 3 muestra canales de refrigeración que sobresalen de la cara del refrigerante en un núcleo del reactor Fischer-Tropsch.

La Figura 4 es una vista que muestra cordones de soldadura reparados en un reactor FT de prueba.

La Figura 5 es una vista que muestra una cara de proceso de un reactor de prueba FT pequeño. Los cordones 1 a 3 están en zonas de forma de onda (región central) del reactor. Los cordones 4 a 9 están dentro de zonas perimetrales del reactor.

Las Figuras 6 a 8 ilustran métodos de soldadura blanda de sellado de fugas en un dispositivo laminado.

Descripción detallada de la invención

La apariencia del cordón de soldadura blanda en una parte tras la soldadura blanda a lo largo de un cordón de laminación puede tener una forma de semicilindro o una forma de cilindro parcial (véase la Figura 1). La región es típicamente recta si es producida por un proceso de soldadura robótica o automática, y en algunas realizaciones preferidas, el cordón de soldadura es sustancialmente recto como se ilustra en la figura a continuación. El radio del semicilindro que se apoya encima de la parte laminada es típicamente menor que 10 mm y preferiblemente entre 0,01 y 5 mm con un rango más preferible de 0,1 mm a 2 mm.

En algunas realizaciones, la soldadura tiene una forma semicircular como se describió anteriormente. Las láminas de metal tienen una composición que es diferente de la entrecapa de soldadura fuerte. En algunas realizaciones, la composición de soldadura blanda es diferente de la composición de las láminas de metal.

La invención incluye un aparato de microcanal ilustrado esquemáticamente en la Figura 2 que comprende: un bloque central 17 que comprende láminas de metal enlazadas entre sí; varios microcanales dispuestos en el bloque central; los microcanales plurales que comprenden aperturas plurales 19 en, al menos, un lado del bloque central; un cierre de pared sólido 21 que encierra las aperturas plurales en un espacio único, contiguo 22; donde el cierre de pared sólido comprende una pared sólida, continua que se suelda en un lado al bloque central por un material de soldadura blanda 23; donde la pared continua tiene una relación de aspecto de al menos 10:1 de altura respecto del espesor (donde la altura es la dirección (correspondiente a 21) en la que la pared se proyecta desde un lado del bloque central, y el espesor es perpendicular a la altura y es el entendimiento comúnmente utilizado de espesor de pared) y donde el lado del cierre de pared sólido que está opuesto al lado que está soldado al bloque central puede comprender una conexión a un conducto 27. La conexión al conducto 25 puede comprender una soldadura convencional, mientras que la conexión del cierre al bloque central es preferiblemente una soldadura inventiva del tipo aquí descrito. Por lo tanto, típicamente, la conexión al conducto tiene una composición y/o morfología diferente que el material de soldadura blanda. El conducto puede comprender tuberías 29. Preferiblemente, la soldadura blanda al bloque central está formada por una soldadura de transferencia de metal frío (CMT). La soldadura CMT puede describirse, alternativamente en cualquiera de las formas aquí previstas. En realizaciones menos preferidas, donde se usa el aparato en condiciones de baja temperatura y/o baja corrosión, se puede formar un espacio de cabecera mediante una junta que conecta el cierre a un conducto.

Además del uso de la CMT para unir un cierre a un artículo soldado, se pueden usar otros métodos de entrada de energía baja para unir un cierre o una cabecera a un dispositivo laminado. Por ejemplo, se puede usar un láser de fibra, como un láser Yb, para unir un artículo de metal sólido a un artículo soldado. El enfoque de soldadura blanda por láser crea una soldadura de penetración estrecha pero profunda que es particularmente útil en la creación de una unión estructural en una parte de presión o de soporte de carga.

La invención también incluye métodos para crear aparatos laminados que comprenden el uso de CMT; preferiblemente que incluyen CMT para soldar el cierre en el bloque central.

Las aperturas comprenden entradas o salidas para el procesamiento o los puertos de fluido usados para la instrumentación de mediciones y controles de procesos, diagnósticos, o para el uso durante la fabricación o renovación del aparato.

La invención también incluye métodos de acceso a microcanales plurales a través de dichas aperturas plurales, que comprenden: el quiebre de la conexión entre el cierre y un conducto sin interrumpir la soldadura que une el cierre de pared sólida al bloque central y el acceso a los microcanales plurales a través del cierre de pared sólido y a través de las aperturas plurales.

La invención también incluye volver a unir la conexión a las tuberías re-unidas.

Después del quiebre de la conexión, las tareas a realizar incluyen: mantenimiento o inspección del bloque central, que incluye la remoción de material (que comprende, por ejemplo, catalizadores, sorbentes, alerones, formas de onda y otros materiales insertados), la incorporación de material (catalizadores, sorbentes, alerones, formas de onda, insertos) y la inspección de la calidad y la uniformidad de las vías de flujo a través de pruebas de diagnóstico, incluidas pruebas de flujo, y el mantenimiento, como por ejemplo, la limpieza o la reparación de las vías.

El cierre es un anillo de metal sólido que coincide con la superficie soldada y se usa, posteriormente, para el soldado posterior de cabeceras o pies para incorporar o eliminar fluidos en un dispositivo de microcanal soldado. El anillo sólido puede ser una parte unitaria (preferiblemente conformada por moldeo) o hecha de dos o cuatro o más partes que se sueldan entre sí para formar un anillo sólido. En una realización para una cara cuadrada o rectangular, es preferible formar un anillo usando 4 partes rectas con juntas soldadas para formar un anillo cuadrado o rectangular contiguo. La ventaja de un anillo (que puede ser circular, cuadrado, rectangular o de otra forma) es que la cabecera o el pie se puede cortar o ser removido muchas veces para acceder a los canales después del funcionamiento para remover el catalizador o evaluar los cambios a los canales o para limpiar o descontaminar después del proceso. Se prevé que los catalizadores cargados en un dispositivo de microcanal serán removidos periódicamente (todas las semanas o una vez cada 10 años) y en ese momento, la cabecera o el pie podrán necesitar separarse del anillo para dicha renovación. La soldadura inicial en los cordones o juntas de soldadura fuerte o a lo largo de los laminados podría ocurrir únicamente una vez en la vida útil del dispositivo soldado.

Los métodos inventivos de servicio de un dispositivo laminado brindan ventajas significativas sobre los métodos que se pueden aplicar usando un aparato convencional (como soldaduras de tubo simples) dado que se puede acceder a las aperturas sin dañar la superficie del bloque central. Además, como la soldadura entre el cierre y el conducto se puede remover por molienda simple (opcionalmente al vacío) en lugar del corte, hay menos contaminación que con métodos convencionales.

En algunas realizaciones preferidas de la invención, hay una soldadura a lo largo de capas plurales de soldadura fuerte (las capas entre las hojas metálicas). La soldadura puede ser paralela a las hojas metálicas, perpendicular a las hojas metálicas o en cualquier ángulo deseado respecto de las hojas metálicas en un bloque central.

La invención también proporciona un método para usar cualquiera de los aparatos anteriormente descritos que comprende el pasaje de un fluido a través de canales en el bloque central, y llevar a cabo una operación de la unidad en el fluido a medida que pasa a través de los canales. El aparato se puede usar para procesos como intercambio térmico, mezcla, calentamiento, enfriamiento (incluido un disipador térmico para dispositivos electrónicos), reacción química y separación química. El aparato también puede comprender un dispositivo electroquímico, que utiliza un electrolito sólido o líquido y electrodos para obtener un trabajo eléctrico a partir de una reacción química espontánea (incluidos a modo no taxativo, baterías y pilas de combustible) o por el contrario, aplicar trabajo eléctrico para generar especies químicas (que incluyen, a modo no taxativo, electrolizadores, generadores de oxígeno y pilas de combustible inversas) o para producir una señal eléctrica en respuesta a un cambio en el ambiente del dispositivo (que incluye a modo no taxativo, sensores y dispositivos analíticos). El aparato también puede ser un dispositivo termoeléctrico. En algunas realizaciones preferidas, el aparato es un reactor químico.

En realizaciones preferidas, los espesores de láminas son de 1 cm o menos (por ejemplo, pueden contener formas de onda, estructuras de catalizador diseñadas, alerones, etc.), 2 mm o menos, y en algunas realizaciones 1 mm o menos.

Como se usa en la presente, el término «microcanal» se refiere a cualquier conducto que tiene al menos una dimensión (altura, longitud o ancho) (pared a pared, sin contar el catalizador) de 1 cm o menos, que incluye 2 mm o menos (en algunas realizaciones cerca de 1,0 mm o menos) y mayor que 100 nm (preferiblemente mayor que 1 pm) y en algunas realizaciones, entre 50 y 500 pm. Los microcanales también están definidos por la presencia de al menos una entrada que es diferente a al menos una salida. Los microcanales no son meramente canales a través de zeolitas o materiales mesoporosos. La longitud de un microcanal corresponde a la dirección del flujo a través del microcanal. La altura y el ancho del microcanal son sustancialmente perpendiculares a la dirección del flujo a través del canal. En el caso de un dispositivo laminado donde un microcanal tiene dos superficies principales (por ejemplo, superficies formadas por láminas apiladas o unidas), la altura es la distancia desde una superficie principal hacia una superficie principal y un ancho es perpendicular a la altura.

En algunas realizaciones, el aparato laminado puede comprender una o más formas de onda. Una «forma de onda» es una pieza contigua tridimensional de material térmicamente conductor que define, al menos parcialmente, uno o más microcanales. La forma de onda puede tener una brecha entre las ondas que está en dimensión del microcanal o puede ser más grande. En una forma ejemplar, esta brecha puede estar en la dimensión de microcanal porque el calor se transfiere fácilmente a la dirección larga en la onda que separa los canales de transferencia de calor antes de conducir la forma de onda más conductiva a los canales de transferencia de calor. La forma de onda puede ser de cobre, aluminio, FeCrAlY, metales, óxidos u otros materiales. La forma de onda tiene, preferiblemente, una conductividad térmica mayor que 1 W/m-K.

Según la terminología estándar de patentes, «que comprende» significa «que incluye» y ninguno de estos términos excluye la presencia de componentes adicionales o plurales. Por ejemplo, en el caso que un dispositivo comprenda una lámina, hoja, etc., se debe entender que el dispositivo inventivo puede incluir múltiples láminas, hojas, etc. En realizaciones alternativas, el término «que comprende» puede ser reemplazado por frases más restrictivas «que consiste fundamentalmente de» o «que consiste de».

«Operación de la unidad» significa una reacción química, vaporización, compresión, separación química, destilación, condensación, mezcla, calentamiento o enfriamiento. Una «unidad de operación» no significa, meramente, un transporte de fluido, aunque el transporte ocurre, frecuentemente, a lo largo de operaciones de unidad. En algunas realizaciones preferidas, una operación de unidad no es meramente mezclar.

«Un proceso de operación» significa reparar, mantener, renovar o diagnosticar; y puede incluir preparaciones llevadas a cabo antes de realizar operaciones de la unidad, mantenimiento programado o no, u otros usos del aparato.

Los aparatos de microcanal (como reactores de microcanal) incluyen preferiblemente microcanales (como una pluralidad de canales de reacción de microcanales) y una pluralidad de microcanales de intercambio térmico adyacentes. La pluralidad de microcanales puede contener, por ejemplo, 2, 10, 100, 1000 o más canales capaces de funcionar en paralelo. En realizaciones preferidas, los microcanales se disponen en filas paralelas de microcanales planos, por ejemplo, al menos 3 filas de microcanales planos. En algunas realizaciones preferidas, las entradas múltiples de microcanales se conectan a una cabecera común y/o múltiples salidas de microcanales se conectan a un pie común. En algunas realizaciones preferidas, puede haber múltiples corrientes de flujo separados. Una corriente de fluido puede fluir a través de una pluralidad de microcanales. Una segunda corriente de fluido puede fluir a través de una segunda pluralidad de microcanales, o puede fluir a través de uno o más macrocanales. Durante el funcionamiento, los microcanales de intercambio térmico (de estar presentes) contienen flujos de calentamiento y/o enfriamiento. Los ejemplos no limitantes de este tipo de reactor conocido utilizable en la presente invención incluyen aquellos de la variedad de arquitectura de lámina de microcomponente (por ejemplo, un laminado con microcanales) ejemplificados en la patente de Estados Unidos 6,200,536.

En muchas realizaciones preferidas, el aparato de microcanales contiene múltiples microcanales, preferiblemente grupos de al menos 5, más preferiblemente al menos 10, canales paralelos que están conectados a un distribuidor común que es parte integral del dispositivo (no un tubo adjuntado posteriormente) donde el distribuidor común incluye una o más características que tienden a equilibrar el flujo a través de canales conectados al distribuidor. Los ejemplos de dichos distribuidores se describen en WO2005044442. En este contexto, «paralelo» no necesariamente significa recto, sino que los canales se ajustan entre sí. En algunas realizaciones preferidas, un dispositivo de microcanales incluye al menos tres grupos de microcanales paralelos donde el canal dentro de cada grupo se conecta a un distribuidor común (por ejemplo, 4 grupos de microcanales y 4 distribuidores) y preferiblemente, donde cada distribuidor común incluye una o más funciones que tienden a equilibrar el flujo a través de los canales conectados al distribuidor.

Los microcanales pueden incorporar materiales colocados dentro de los microcanales, como catalizadores, sorbentes u otros materiales. Dichos materiales se pueden incorporar en canales como partículas o pequeñas piezas. Se pueden aplicar catalizadores, sorbentes u otros revestimientos en la superficie interior de un microcanal usando técnicas que son conocidas en el ámbito como un recubrimiento. También se pueden usar las técnicas como CVD o recubrimiento no electrolítico. En algunas realizaciones, se prefiere la impregnación con sales acuosas. En algunas realizaciones, se prefiere Pt, Rh y/o Pd. Típicamente, esto es seguido por etapas de tratamiento y activación térmicos como se conocen en la técnica. Otros revestimientos pueden incluir soluciones a base de suspensiones o sol que contienen precursores y/o soportes de catalizadores. Los revestimientos también podrían incluir métodos reactivos de aplicación a la pared como recubrimiento no electrolítico u otras reacciones de fluido de superficie.

Las láminas de metal en un aparato laminado son de acero inoxidable o superaleaciones, como superaleaciones a base de níquel, cobalto o hierro. Otros ejemplos incluyen, a modo no taxativo, FeCrAIY, aleaciones de titanio y superaleación de Ni-Cr-W. El espesor de las láminas oscila típicamente entre 10 |jm y 1 cm, típicamente entre 100 |jm y 5 mm. Las láminas pueden ser sólidas (como paredes divisorias) y pueden contener orificios o ranuras, así como también canales parcialmente grabados y otras características como se conoce en la técnica de dispositivos laminados.

Antes de soldar, las superficies están, preferiblemente, limpias y pueden revestirse con una capa de superficie como una capa de Ni.

Los materiales para soldar son bien conocidos en la técnica. La soldadura se realiza, típicamente, al vacío o en una atmósfera inerte. Como se sabe, durante la soldadura, un material para soldar a temperatura relativamente baja se funde entre las láminas metálicas y se produce cierta difusión entre el material para soldar y las láminas y, tras el enfriamiento, una composición de soldadura fuerte (que difiere típicamente de la composición del material original para soldar) permanece entre las láminas. Las técnicas como la microscopía y otras técnicas metalúrgicas conocidas se pueden usar para identificar y caracterizar una composición de soldadura entre las láminas en un dispositivo laminado.

La presente invención se aplica, generalmente, a laminados soldados. Para las láminas metálicas a base de níquel, un material para soldar preferido es NiP. Un material de soldadura estándar es BNi-6 o una combinación de fósforo en níquel entre un 10 y un 12,5 %. La soldadura suele usar una entrecapa de fase líquida transitoria (TLP) que actúa como un depresor del punto de fusión para un metal. A una temperatura elevada que excede el requisito de temperatura operativa pero no trata el punto de fusión del material de origen o una temperatura que contribuye con un enlace de difusión significativo o un crecimiento de grano de los metales en los límites de la cuña del laminado, TLP se transforma de una fase sólida a líquida para fluir y rellenar todos los huecos entre las capas. A medida que se avanza con el proceso de soldadura fuerte, el material depresor de TLP, que puede ser fósforo o boro u otros, se dispersa de la entrecapa de soldadura para cambiar el punto de fusión del metal.

Algunos ejemplos no limitantes de composiciones para soldar incluyen cada una de las siguientes entrecapas de soldadura fuerte, las cuales tendrían ventajas a partir de la invención descrita.

Las láminas están disponibles con tolerancias de dimensión más rígidas como grados de especialización o grado «A»

* Concentración máxima

En realizaciones preferidas, un cable en el proceso de soldadura blanda inventivo tiene, preferiblemente, una composición similar o igual al metal en las láminas metálicas del laminado. En realizaciones preferidas, el cable tiene cualquiera de las composiciones como se describe para las láminas metálicas.

El diagrama de fases de Ni-P muestra un punto eutéctico cerca del 11 % de fósforo en peso en níquel. A medida que el fósforo se disipa de la entrecapa hacia la superficie metálica adyacente, el porcentaje de peso local del níquel se reduce y la composición cambia, lo que solidifica la entrecapa de soldadura fuerte. Una ventaja del proceso de soldadura fuerte es que el dispositivo soldado resultante puede soportar una temperatura de soldadura fuerte más alta porque la región de entrecapa agotada de fósforo resultante solo se volverá a fundir a una temperatura más alta según el diagrama de fases. Desafortunadamente, la temperatura de soldadura blanda convencional alcanza la temperatura de fusión del material primario (-1400 a 1500 °C para serie 300 inoxidable), en general, una sustancia que contiene níquel y el resultado es una nueva fusión de la entrecapa de soldadura y la formación de grietas. Las grietas crean problemas de fuga para un dispositivo operativo (intercambiador térmico, reactor, unidad de separación u otra operación de unidad única o combinada) y problemas de integridad mecánica si el dispositivo está destinado a su función a alta presión y/o alta temperatura. Se han encontrado dificultades con la soldadura blanda en pequeñas secciones de los dispositivos soldados y luego en la inspección, la detección y la reparación de grietas. Este problema se vuelve más desafiante cuando se intenta soldar secciones largas de un dispositivo soldado con cientos o incluso miles de láminas finas.

Una solución convencional para evitar este problema es soldar, fuertemente, en lugar de hacer una soldadura blanda de las conexiones de los dispositivos soldados.

La invención proporciona un nuevo uso y una nueva ventaja para una técnica de soldadura blanda conocida como transferencia de metal frío («CMT»). Esta técnica se describe en http://www.veldingrobots.com/application.php?app=cold+metal+transfer de la siguiente manera:

«Frío» es un término relativo en relación con la soldadura blanda. La soldadura blanda por Transferencia de metal frío se denomina comúnmente CMT. Las piezas de trabajo que se deben unir, así como las zonas de soldadura blanda siguen estando considerablemente «más frías» en el proceso de transferencia de metal frío (CMT) que lo que estarían con una soldadura blanda por arco de metal gaseoso convencional.

El proceso de transferencia de metal frío se basa en una transferencia de circuito corto, o más precisamente, en una discontinuación sistémica y deliberada del arco. Los resultados son una especie de secuencia alternante entre «caliente-frío-caliente-frío». El método «caliente-frío» reduce significativamente la presión del arco. Durante un arco de transferencia de circuito corto normal, el electrodo es deformado mientras se sumerge en el charco de soldadura blanda, y se fusiona rápidamente a una corriente de arco de transferencia alta. Una ventana de proceso amplia y la alta estabilidad resultante definen el proceso de transferencia de metal frío. La automatización y las aplicaciones asistidas por robot es para lo cual el proceso ha sido diseñado.

El avance principal es que los movimientos del cable han sido integrados al proceso de soldadura y a la administración general del procedimiento. Cada vez que se produce un circuito corto, el control del proceso digital interrumpe el suministro de energía y controla la retracción del cable. El movimiento hacia atrás y hacia adelante se produce a una velocidad de hasta 70 veces por segundo. El movimiento de retracción ayuda al desprendimiento a gotas durante el circuito corto. La conversión de la energía eléctrica en calor es una característica definitoria y en ocasiones, un efecto secundario crítico de la soldadura blanda por arco. Asegurar una transferencia metálica mínima corriente reducirá, en gran medida, la cantidad de calor generado en el proceso de transferencia de metal frío. Las interrupciones restringidas del circuito corto conducen a una corriente de circuito corto baja. El arco solo ingresa calor en los materiales que se deben unir durante un período muy corto de tiempo durante el período de arqueado dada la interrupción en el suministro de energía.

La entrada térmica reducida ofrece ventajas como una baja distorsión y una presión más alta. Los beneficios incluyen juntas soldadas de mayor calidad, ausencia de residuos, capacidad de soldar láminas ligeras tan finas como 0,3 mm, así como la capacidad de unir acero a láminas de aluminio y galvanizadas.

Una descripción adicional del proceso de soldadura blanda CMT es presentada por Feng et al. en "The CMT shortcircuiting metal transfer process and its use in thin aluminum sheets welding," Materials and Design 30 (2009) 1850­ 1852.

Un proceso conocido como circuito corto controlado («CSC») funciona de manera similar a CMT, y a los efectos de la presente invención, está incluido dentro del término «CMT». La frecuencia del movimiento del cable está, preferiblemente, en un intervalo entre 10 y 30 Hz, pero otras frecuencias también son útiles. En algunas realizaciones, la velocidad de desplazamiento del cable a lo largo de la superficie es preferiblemente menor que aproximadamente 30 pulgadas por minuto; en algunas realizaciones, la velocidad de desplazamiento oscila entre 1 y 25 pulgadas por minuto o entre 15 y 25 pulgadas por minuto.

El proceso inventivo se puede usar para sellar las características sobresalientes en los dispositivos laminados. Se muestra un ejemplo en la Fig. 3. Al igual que con todos los aspectos de la invención, la invención incluye estructuras formadas por los métodos de la invención.

Reparaciones laterales de la cuña.

Una opción para sellar las fugas a lo largo del lateral de la cuña de un dispositivo, es sellar a lo largo de los bordes sobresalientes de las cuñas. Como se muestra en la Fig. 3, la CMT se puede soldar en la esquina resultante que está a una distancia de 0,125" del extremo del laminado como se muestra en la Fig. 3.

Identificación del punto de inicio y de detención de reparación en función de los resultados de la prueba de fuga recolectados con anterioridad.

Programar robot para los puntos de inicio y detención con cable colocado alrededor de un diámetro de alambre de 1,5 de distancia de los cordones que se deben reparar.

Preparación de la superficie:

Cepillado con alambre antes de la reparación

Limpiar cordón con acetona

Fijar parámetros de soldadura blanda:

Ángulo de entrada = 10°

Velocidad de entrada del cable= 150 pulgadas por minuto

Valor de longitud del arco = 3.0

Velocidad de desplazamiento = 20 pulgadas por minuto

Realizar una reparación e inspección visual para asegurarse que el cordón estuviera cubierto. Si el cordón no estaba cubierto por completo en la zona de fuga conocida, oprimir reparación y realizar una segunda pasada

Repetir hasta que se hayan soldado todas las fugas de la zona lateral al refrigerante (véase la Fig. 4) Mecanización posterior a la reparación

Moler / esmerilar granos de reparación en zonas donde se unirán anillos a una altura de ~20mil (500 micrones) Verificación de fugas con posterioridad a la reparación

Repetir el procedimiento de prueba de fugas para garantizar que todas las fugas hayan sido selladas con suficiencia. Si existen fugas adicionales, volver a reparar según sea necesario

La invención incluye un aparto en donde las láminas que comprenden canales sobresalen de una cara de un bloque central. Ventajosamente, este diseño se puede combinar con soldaduras a lo largo de las láminas sobresalidas que tienen una resistencia superior a las fugas. En algunas realizaciones preferidas, las láminas sobresalidas están dentro de un cerramiento del tipo aquí descrito.

Ejemplo 1

Se verificó el dispositivo soldado por fugas para confirmar la presencia de fugas. El dispositivo consistió de laminados SS 304L que se sueldan con una entrecapa (0,001 " de espesor, 25 micrones) de fósforo y níquel (BNi6), soldados a 960 ° C durante 1 hora con una presión de 60 lbf por in2 (4 bar). Si se encontraron fugas, entonces fueron reparadas usando una soldadura blanda de Transferencia de metal frío (CMT). Se usó un alambre de relleno SS304L con un diámetro de 40 mil (100 micrones) para la reparación.

Para los dispositivos con alerones o formas de onda o canales que deben mantenerse limpios de material de soldadura blanda, se coloca una cubierta sobre las áreas mencionadas antes de la soldadura blanda. Se prefiere, pero no se requiere que las cubiertas se coloquen sobre aberturas o lados de un dispositivo que no se somete a soldadura blanda mientras se repara una cara afectada o con fugas de un dispositivo.

La reparación de las grietas se logró en un dispositivo ilustrado, esquemáticamente, en la Fig. 5.

Reparaciones de la zona perimetral

Cubrir las secciones de forma de onda preferiblemente con cinta cerámica de alta temperatura para protegerlas (nota: las reparaciones no se producen en zonas directamente adyacentes a las formas de onda de cobre).

Identificar el punto de inicio y detención de la reparación en función de los resultados de prueba de fugas Programar al robot para los puntos de inicio y detención con cable centrado sobre el cordón que se debe reparar Preparación de la superficie antes de la soldadura blanda:

Cepillado con alambre antes de la reparación

Limpiar cordón con acetona

Fijar parámetros de soldadura blanda:

Velocidad de entrada del cable = 120 pulgadas por minuto

Valor de longitud del arco = 3,0

Velocidad de desplazamiento = 20 pulgadas por minuto

Realizar reparación e inspección visual para garantizar que el cordón estuviera cubierto. Si el cordón no estaba cubierto por completo en la zona de fuga conocida, oprimir reparación y realizar una segunda pasada

Repetir hasta que todas las fugas de la zona perimetral se hayan soldado

Las formas de onda pueden estar cubiertas por una película fina para protegerlas durante la soldadura blanda. Ejemplo 2

Métodos inventivos alternativos para sellar fugas en juntas soldadas a lo largo de la cuña o las láminas. El cordón o la abertura del canal están soldados directamente (preferiblemente mediante CMT). Los canales totalmente cerrados se vuelven a abrir usando mecanización, máquinas de electroerosión de caída, pulido del Proceso de descomposición molecular, pulido u otro proceso para reabrir las vías de flujo mientras se sale de la junta soldada cubierta, completamente, con una soldadura CMT. Las Figuras 6 a 8 ilustran este proceso. Preferiblemente, las soldaduras son planas antes de la mecanización para reabrir los canales. En estas figuras se ilustra una tasa de fuga mayor que una pérdida de 0,4 psig en 15 minutos a una presión fija de 100 psig antes de la reparación de las fugas de soldadura con CMT y una tasa de fuga menor que una pérdida de 0,5 psig en 15 minutos a una presión fija de 100 psig después de la reparación de la soldadura fuerte. Esta prueba se puede usar como método para caracterizar realizaciones preferidas del aparato de la invención. En cada caso, la prueba de fuga es realizada con gas nitrógeno a temperatura ambiente.

Por lo tanto, la invención incluye un método en donde se forma una soldadura sobre las aberturas (aperturas de canal) y el material de soldadura es posteriormente removido para reabrir los canales. Se ha demostrado que este método reduce la fuga en un dispositivo laminado.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato laminado que comprende:

un bloque central (17) que comprende láminas de metal enlazadas entre sí, al menos en parte, por una composición de soldadura fuerte dispuesta entre las láminas;

donde las láminas de metal son de acero inoxidable o una superaleación de níquel, cobalto o hierro y se caracteriza por:

una composición para soldar (23) dispuesta en el bloque central (17) y que se adhiere a la composición de soldadura fuerte;

donde la composición de soldadura blanda (23) tiene una composición que difiere de la composición de la soldadura fuerte; y

donde la composición de la soldadura blanda (23) se difunde 2 mm o menos en el bloque central (17).

2. El aparato de la reivindicación 1, donde la composición para soldar (23) forma una soldadura blanda continua a lo largo de más de una lámina metálica y más de una de la composición de soldadura fuerte dispuesta entre las láminas; y donde la composición para soldar (23) se difunde 0,5 mm o menos en el bloque central (17).

3. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende canales de fluido dispuestos en las láminas y entradas a los canales de fluido dispuestos en los extremos de las láminas.

4. El aparato de la reivindicación 3, que tiene resistencia a la fuga de modo que, cuando los canales de fluido se presurizan con N2 a 100 psig (6,9 bar de presión), la presión disminuye a menos de 0,5 psi (0,034 bar) después de 15 minutos.

5. El aparato de la reivindicación 3, que comprende:

un primer conjunto de canales de fluido donde cada canal comprende una entrada y una salida;

un segundo conjunto de canales de fluido donde cada canal comprende una entrada y una salida;

un primer distribuidor de entrada soldado, un primer distribuidor de salida soldado;

un segundo distribuidor de entrada soldado, y un segundo distribuidor de salida soldado;

donde el primer distribuidor de entrada soldado está en comunicación fluida con las entradas del primer conjunto de canales de fluido;

donde el primer distribuidor de salida soldado está en comunicación fluida con las salidas del primer conjunto de canales de fluido;

donde el segundo distribuidor de entrada soldado está en comunicación fluida con las entradas del segundo conjunto de canales de fluido;

donde el segundo distribuidor de salida soldado está en comunicación fluida con las salidas del segundo conjunto de canales de fluido; y

donde cada uno de los distribuidores está conectado al bloque central (17) mediante una composición de soldadura blanda (23) donde la composición para soldar (23) tiene una composición que difiere de la composición de soldadura fuerte; y donde la composición de soldadura blanda (23) se difunde 2 mm o menos en el bloque central (17).

6. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde al menos 2 de los distribuidores están soldados al bloque central (17) en el mismo lado del bloque central (17).

7. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprenden subensamblajes que se han enlazado por difusión.

8. Un método para la operación de la unidad en el aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que comprende: pasar un fluido a un canal en el bloque central (17) y realizar una operación de la unidad en el fluido en el bloque central (17).

9. El método de la reivindicación 8, donde un primer fluido pasa a un primer conjunto de entradas y a un primer conjunto de canales en el bloque central (17); un segundo fluido pasa a un segundo conjunto de entradas y a un segundo conjunto de canales en el bloque central (17); y donde el primer fluido y el segundo fluido fluyen en láminas adyacentes en el bloque central (17) y el primer fluido intercambia calor con el segundo fluido en el bloque central (17).

10. Un método de soldadura blanda de un metal en un aparato laminado, que comprende:

proporcionar un aparato laminado que abarca láminas de metal enlazadas entre sí, al menos en parte, por una composición de soldadura fuerte dispuesta entre las láminas;

aplicar un metal en el aparato laminado mediante una técnica de soldadura blanda donde un cable se mueve en movimiento recíproco y donde se genera una chispa cuando el cable toca y/o es sacado del aparato laminado; y donde se aplica metal fundido en la superficie mientras el cable se aleja de la superficie; para formar una composición para soldar (23) dispuesta en el bloque central (17) y adherir a la composición de soldadura fuerte; donde las láminas de metal son de acero inoxidable o una superaleación de níquel, cobalto o hierro.

11. El método de la reivindicación 10, donde, en 30 segundos de soldadura blanda activa, y sin enfriamiento del líquido, la temperatura del artículo laminado es de 100 °C o menos (preferiblemente 50 °C o menos) en todo el aparato.

12. El método de la reivindicación 10, donde se forma una soldadura a una tasa de 25 cm por minuto o más.

13. Un método para reparar una grieta que comprende aplicar un metal de acuerdo con el proceso de la reivindicación 10 en una grieta en un aparato laminado.

14. El aparato de la reivindicación 1, que comprende, además, un cierre de pared sólido que encierra varias aperturas en un espacio único, contiguo en un lado del bloque central (17); donde el cierre de pared sólido comprende una pared sólida, continua que está soldada en un lado al bloque central (17) por la composición de soldadura blanda (23); donde la pared continua tiene una relación de aspecto de al menos 10:1 de altura respecto de espesor donde la altura es la dirección que la pared proyecta desde un lado del bloque central (17) y el espesor es perpendicular a la altura.

15. El método de la reivindicación 8, donde la operación de la unidad comprende una reacción Fischer-Tropsch.