PS 8 2017 WWW.pdf 5PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 Nowoczesne trendy w produkcji lutowanych wymienników ciepła dla przemysłu motoryzacyjnego Modern trends in production of brazed heat exchangers for automotive industry Prof. dr hab. inż. Zbigniew Mirski – Politechnika Wrocławska; mgr inż. Jarosław Pabian – MAHLE Behr Ostrów Wielkopolski Park Technologiczny. Autor korespondencyjny/Corresponding author: zbigniew.mirski@pwr.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono najnowsze kierunki w za- kresie produkcji aluminiowych wymienników ciepła sto- sowanych w przemyśle motoryzacyjnym. Zaprezentowa- no zmiany dotyczące zaostrzenia wymagań stawianych aktualnie produkowanym wymiennikom ciepła. Podano wpływ czynników na konstrukcję wymiennika ciepła oraz na technologię lutowania twardego, najczęściej stosowaną w ich produkcji. Słowa  kluczowe: stopy aluminium AA1050; AA3003; AA4343; AA6060; aluminiowy wymiennik ciepła; lutowanie twarde Abstract The article has presented the latest trends in the produc- tion of aluminum heat exchangers used in the automotive industry. Presented changes mainly pertain to tightening requirements for currently manufactured heat exchangers. The effect of factors on the heat exchanger design and braz- ing technology which is commonly used in their production has been given. Keywords:  aluminum alloys AA1050; AA3003; AA4343; AA6060; aluminum heat exchanger; brazing Wstęp Początek stosowania wymienników ciepła w przemy- śle motoryzacyjnym sięga końca XIX wieku, kiedy Wilhelm Maybach opatentował chłodnicę rurkową, stanowiącą wy- miennik cieczy chłodzącej silnik (radiator). Od tego czasu wymienniki ciepła stosowane w przemyśle samochodo- wym rozpoczęły swój proces ewolucji, zarówno jeśli chodzi o używane przy ich produkcji materiały jak i technologie spajania. Dodatkowo wraz postępem technologicznym (dostępnością coraz bardziej nowocześniejszych urządzeń do ich wytwarzania) nastąpił rozwój wymienników ciepła poprzez zmianę konstrukcji samych rurek, płytek oraz taśm rozpraszających ciepło, wraz z tym nastąpiło usprawnienie samych procesów spajania. Stopniowo pojawiały się też nowe obszary, w których zastosowano wymienniki ciepła, grzejnik układu klimatyzacji (heater core), skraplacz ukła- du klimatyzacji (condenser), parownik układu klimatyzacji (evaporator), chłodnica oleju skrzyni biegów (transmission oil cooler), chłodnica oleju silnika (engine oil cooler) chłod- nia powietrza doładowanego (charge air cooler), chłodnice paliwa (fuel cooler). Zbigniew Mirski, Jarosław Pabian przeglad Welding Technology Review Wymienniki ciepła oparte  na miedzi i jej stopach lutowane na miękko Początkowo powszechnie stosowano wymienniki z mie- dzi i jej stopów (głównie mosiądzu) lutowane na miękko, głównie z zastosowaniem lutów na osnowie Sn-Pb. Wymien- niki wytwarzane tą technologią mimo doskonałych parame- trów przewodnictwa cieplnego były droższe w wytwarzaniu oraz miały większą masę w stosunku do obecnie używanych wymienników ciepła opartych na stopach aluminium. Aktu- alnie technologia ta jest rzadko stosowana (głównie w pro- dukcji jednostkowej i małoseryjnej), szczególnie tam gdzie występują duże wymagania odnośnie wydajności lub odpor- ności wymiennika na trudne warunki pracy. Takie warunki mogą być spowodowane występowaniem: zwiększonych wibracji, szoków termicznych oraz gwałtownych zmian ci- śnienia cieczy lub gazu w określonym obiegu wymiennika. Wymienniki z miedzi i jej stopów charakteryzują się długą ży- wotnością. Warto podkreślić, że wymienniki tego rodzaju są nadal dość powszechnie produkowane w krajach mniej roz- winiętych, w wyniku transferu maszyn i technologii z krajów 6 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 rozwiniętych w latach 70÷90-tych ubiegłego wieku. Główną zaletą stosowania technologii „miedziano-mosiężnej” jest szerokie ”okno lutowania”, tj. szeroki zakres temperatury lutowania. Temperatura topnienia stosowanych mosiądzów wynosi 915÷955 ºC, a w przypadku miedzi 1050÷1080 ºC, przy temperaturze topnienia lutu dochodzącej do 400 ºC. W tej technologii, przed procesem spajania na elementy nanoszono topniki, w których dominowały tak agresywne składniki jak kwas solny i chlorek cynku, grożące powsta- niem korozji przy braku usunięcia żużla potopnikowego. Wymienniki oparte na stopach aluminium  wykonywanych w technologii  rurek rozpęczanych Kolejnym etapem rozwoju były wymienniki wytwarzane w technologii rurek rozpęczanych (nazywaną w branży po- tocznie technologią Tube&Fin) – oparte na wykorzystaniu stopów aluminium, gdzie poszczególne elementy nie były łączone poprzez procesy spajania. Wymiennik wykonywany w technologii T&F składał się z rurek o przekroju okrągłym lub owalnym (grubość ścianek w zakresie 0,35 do 0,4 mm, przykładowy materiał AA3103), przez które przepływał czyn- nik chłodzący, a ciepło było rozpraszanie przez taśmy pła- skie lub przeformowane o grubości ok. 0,1 mm z otworami (przykładowy stop AA1050A), na które były „nawlekane rur- ki”. Na końcach rurek były zakładane grubsze płyty – pły- ty sitowe, które wraz z uszczelką „gumową” były łączone z rurkami przez ich przeformowanie (rozpęczanie). Final- nie do grubszych płytek były zaciskane zbiorniki wykonane z tworzywa sztucznego. Technologia ta nie wymagała spa- jania, jednakże wymienniki te miały ograniczenia jeśli cho- dzi o ich wielkość. Miały one zdecydowanie mniejszą masę oraz cenę przy podobnych gabarytach w porównaniu z po- przednią technologią. Obecnie, podobnie jak w przypadku technologii „miedziano-mosiężnej”, technologia T&F jest stosowana w produkcji małoseryjnej. Zestawienie właściwości materiałów stosowanych na wymienniki ciepła zamieszczono w tablicy I. Wymienniki ciepła oparte  na stopach aluminium  wykonywane w procesie lutowania twardego Obecnie większość stosowanych wymienników cie- pła w przemyśle motoryzacyjnym jest wytwarzane tech- nologią lutowania twardego stopów aluminium. Jej po- czątki sięgają lat 70-tych ubiegłego wieku, gdy względy Tablica I. Zestawienie właściwości wybranych materiałów na wymienniki ciepła Table I. Summary of properties of selected materials for heat exchangers Materiał,  oznaczenie Gęstość [kg/dm3] Temperatura  topnienia [ºC] Przewodność  cieplna [W/m·K] Współczynnik  rozszerzalności  cieplnej [10-6 K-1] Ciepło  właściwe [J/kg·K] Moduł  sprężystości  podłużnej [GPa] Wytrzymałość  na rozciąganie [MPa] Stop miedzi C14300 8,95 1052-1080 377 17 386 115 230 Mosiądz C26000 8,53 915-953 120 19,9 377 110 435 Stop aluminium AA3003 2,75 643-655 160 23,2 909 70 145 ekonomiczne (koszty wytwarzania i eksploatacji) decy- dowały o rodzaju stosowanych ówcześnie materiałów i technologii w przemyśle samochodowym. W tej techno- logii zarówno luty jak i materiały spajane są stopami alu- minium, a obniżenie temperatury topnienia lutu w odnie- sieniu do materiału spajanego uzyskano poprzez dodatek krzemu do aluminium, otrzymując luty siluminowe Al-Si [1]. Materiał używany do produkcji aluminiowych wymien- ników ciepła ma najczęściej postać folii, taśm lub blach uzyskiwanych w procesie walcowania. Mogą być one dodatkowo platerowane warstwą lutu lub stopami pod- noszącymi wytrzymałość mechaniczną czy odporność korozyjną wymiennika. Obecnie w przemyśle motoryza- cyjnym najczęściej stosowany jest lut o składzie podeu- tektycznym AlSi7,5, natomiast są jeszcze stosowane luty AlSi10 oraz AlSi12 (skład bliski eutektycznemu), głównie w miejscach, gdzie temperatura wymiennika podczas lutowania jest lokalnie obniżona. W masowej produk- cji aluminiowych wymienników ciepła wykorzystywane są głównie piece tunelowe w oparciu o technologię CAB (Controlled Atmosphere Brazing), czyli lutowanie w atmos- ferze kontrolowanej (w przypadku lutowania stopów alu- minium najczęściej stosowanym gazem obojętnym jest azot) oraz z użyciem niekorozyjnego topnika NOCOLOK® (nieorganiczna sól fluorkowa K1-3AlF4-6) [2]. Pozwala to osiągnąć o wiele większą wydajność produkcyjną linii lutowania i lepszą powtarzalność procesu spajania, niż np. w piecu wsadowym. W przypadku stosowania tej tech- nologii kłopotliwy wydawać się może stosunkowo wąski zakres temperatury lutowania w odniesieniu do technolo- gii „miedziano-mosiężnej”. Dla spoiwa AlSi12 temperatura topnienia wynosi ok. 577 ºC, natomiast temperatura topnie- nia materiału rodzimego jest w przedziale ok. 643÷655 ºC, więc zalecana temperatura lutowania w zależności od za- stosowanego spoiwa jest w zakresie 582÷621 ºC (tabl. II). Wybór temperatury lutowania zależy od charakteru proce- su lutowania: piecowego czy płomieniowego. Jest to bar- dzo istotne, gdyż np. górna granica temperatury lutowania dla lutu AA4047, wynosząca 604 ºC, dla lutowania pieco- wego, przy tak małej dynamice nagrzewania doprowadzi- łaby do prawdopodobnego zniszczenia połączeń lutowa- nych, w wyniku erozji. W większości obecnie stosowanych pieców do luto- wania twardego wraz odpowiednio ustawionym sys- temem regulacji temperatury, nie jest problemem uzy- skanie stabilnych i powtarzalnych warunków obróbki cieplnej wymienników mimo pozornie wąskiego „okna lutowania”, tj. temperatury lutowania. Parametr ten w pewien sposób wskazuje zakres maksymalnej tempe- ratury, jaką wymiennik powinien uzyskać podczas na- grzewania i lutowania. W przemysłowym zastosowaniu technologii lutowania twardego, aby dokładniej opisać 7PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 Oznaczenie lutu AA4343 AA4045 AA4047 Zawartość nominalna krzemu, % wag. 7,5 10,0 12,0 Temperatura topnienia, ºC  577÷613 577÷591 577÷582 Zalecana temperatura lutowania, ºC 593÷621 588÷604 582÷604 Tablica II. Zestawienie najważniejszych parametrów lutów silumi- nowych używanych w produkcji aluminiowych wymienników ciepła dla przemysłu samochodowego [3] Table II. Summary of most important parameters of silumin clad alloys common used in production of aluminum heat exchangers for automotive industry [3] profil obróbki cieplnej, producenci wymienników w opar- ciu o ogólne zalecenia i własne doświadczenie, określają zalecane i krytyczne szybkości nagrzewania oraz chło- dzenia wymienników, które mogą być różne w zależności od fazy obróbki. Dodatkowo ważnym parametrem jest czas obróbki wymiennika powyżej określonej temperatu- ry (np. 577, 585 czy 595 ºC) oraz wcześniej wspomniana temperatura maksymalna uzyskiwana przez wymiennik podczas obróbki. W zależności od zastosowanych ma- teriałów czasami konieczne jest kontrolowanie różnych procesów dyfuzyjnych, wówczas ważny jest czas przej- ścia pomiędzy określonymi temperaturami. Przestrze- ganie tych zaleceń jest bardzo ważne, po to aby proces lutowania odbywał się w jak najbardziej optymalnym zakresie określonym przez technologów, w celu uzy- skania prawidłowych, trwałych i odpornych połączeń. Technolodzy ustawiając parametry procesu lutowania bazują na wytycznych zdefiniowanych na podstawie otrzymanych wyników badań oraz przyjętych ogólnie za- sad. Do głównych wytycznych zalicza się: dopuszczalną porowatość lutowiny, wielkość lica lutowiny dla dane- go połączenia, odpowiednie/dopuszczalne nadtopienie materiału rodzimego (rdzenia), odpowiednią wielkość i kształt ziaren w mikrostrukturze lutowiny oraz elimina- cję powstawania procesów erozyjnych podczas lutowa- nia. Nawet przy najbardziej rygorystycznie utrzymywa- nych parametrach pieca lutowniczego, spajanie stopów aluminium, nie byłoby możliwe bez zastosowania top- nika, który głównie jest aplikowany w celu usunięcia warstwy tlenków Al2O3, znajdującej się na powierzchni łączonych elementów aluminiowych [4]. Temperatura aktywności topnika NOCOLOK® zawiera się w zakresie 565÷572 ºC, wynika ona z odpowiedniej kompozycji związków K1-3AlF4-6 [5]. Drugą ważną funkcją, którą peł- ni topnik to zapewnienie odpowiedniej zwilżalności po- wierzchni podczas właściwego lutowania, aby umożliwić płynięcie spoiwa. Ostatnią rolą, którą spełnia topnik jest zabezpieczenie powierzchni przed ponownym utlenie- niem podczas lutowania, aż do momentu schłodzenia wymiennika poniżej temperatury solidus zastosowa- nego spoiwa. Oczywiście powyższe cechy są bardzo zależne od ilości aplikowanego topnika oraz jakości at- mosfery kontrolowanej (ilości cząsteczek tlenu oraz po- ziomu jej wilgotności) w piecu lutowniczym. Na jakość atmosfery kontrolowanej ma wpływ szereg czynników, takich jak: poziom czystości stosowanego gazu obo- jętnego (im mniejsza zawartość cząstek tlenu tym le- piej), określenie ilości aplikowanego gazu obojętnego do poszczególnych miejsc pieca, właściwe ukierunko- wanie rozpływu gazu obojętnego, kondycja systemu kurtyn przeciwdziałających przedostawaniu się tlenu do wnętrza pieca oraz przeciwdziałanie, aby ze wsadem do pieca nie przedostały się pozostałości oleju, wody lub innych niepożądanych substancji, które mogłyby ulec rozkładowi w wyniku oddziaływania temperatury panującej w piecu. Materiały jedno-  i wielowarstwowe  w budowie wymienników ciepła W ostatnim czasie w wyniku współpracy producentów wymienników ciepła oraz dostawców stopów aluminium (z których produkowane są wymienniki), rozwinięto szereg nowych materiałów używanych w produkcji wymienników. Dotyczy to zarówno składu chemicznego stosowanych stopów oraz ilości warstw z którego składa się blacha, taśma czy folia używana w procesie produkcji. Obecnie stosowane są materiały, których ilość warstw waha się od 1 aż do 5, w zależności od funkcji, jaką pełni dany ele- ment wymiennika. Materiały jednowarstwowe są używane do wytwarzania m.in. taśm rozpraszających ciepło lub rur, z których wykonywane są kolektory skraplaczy, w takim przypadku lut znajduje się na częściach z którymi elemen- ty te się łączą. Z punktu widzenia technologii wytwarzania jest to najtańszy produkt, z uwagi na potrzebę kontrolo- wania tylko grubości takiej walcówki. Materiały dwu- i trzy warstwowe, składają się z warstwy rdzeniowej odpowied- nio jednostronnie lub dwustronnie platerowanej lutem (clad alloy) lub stopem separacyjnym (interliner alloy – któ- rego funkcja zostanie wyjaśniona w kolejnym przykładzie) w zależności od zastosowania. Służą one zarówno do pro- dukcji takich elementów wymiennika jak: płyty sitowe, rurki czynnika, wsporniki, separatory kolektorów czy usztywnień (obejm). Grubość jednej warstwy spoiwa z reguły waha się od 5 do 15% grubości walcówki. W przypadku produkcji tych materiałów koszt wytwarzania, jest wyższy z uwa- gi na trudniejszy proces technologiczny formowania folii i blach (konieczność odpowiedniego przygotowania pakie- tu wlewków oraz kontrolowania grubości każdej z warstw w procesie produkcyjnym). Stosowane są też materiały 4- i 5-warstwowe, które są rozwinięciem materiału 3-warstwo- wego, po aby zwiększyć odporność mechaniczną lub/oraz odporność korozyjną. Ważną rolę spełnia tutaj warstwa se- paracyjna, która w jednym przypadku (w zależności od uży- tego stopu) stanowi ochronę korozyjną warstwy rdzenio- wej przed czynnikami środowiskowymi lub zewnętrznymi (przykładem może być zmodyfikowany stop AA3003) [6]. W innym przypadku warstwa ta może stanowić barierę przed dyfuzją cząstek magnezu z materiału rdzeniowego do materiału lutu, zapewniając większe właściwości me- chaniczne przy zachowaniu dobrej lutowności (przykładem może być zmodyfikowany stop AA1050). Nie jest to jednak takie oczywiste w przypadku stosowania materiałów 3-war- stwowych, w których w stopie rdzeniowym jest podwyższo- na zawartość Mg – co zostanie opisane w dalszej części ar- tykułu. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe schematy budowy materiałów wielowarstwowych, a na rysunku 2 ich przekroje poprzeczne. W tablicy III zamieszczono skład chemiczny przykładowych stopów separacyjnych. Analo- gicznie jak wspomniano wcześniej, walcówki składające się z 4 czy 5 warstw są najtrudniejsze do wykonania w pro- cesie technologicznym, co się również przekłada na cenę, ale niejednokrotnie są jedynym rozwiązaniem zapewnienia określonych wymagań stawianym wymiennikom ciepła. Każdy z producentów stopów aluminium ma w ofercie róż- ne pakiety materiałów wielowarstwowych, różniących się zarówno składem chemicznym, grubością poszczególnych warstw oraz procesem obróbki plastycznej. 8 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 10% warstwa separacyjna AA3003 mod. + Zn warstwa rdzeniowa AA3005 mod. 15% warstwa spoiwa AA4343 10% warstwa spoiwa AA4343 warstwa rdzeniowa AA3005 mod. 10% warstwa spoiwa AA4343 12,5% warstwa spoiwa AA4343 10% warstwa separacyjna AA3003 mod. + Zn warstwa rdzeniowa AA3005 mod. 12,5% warstwa spoiwa AA4343 12,5% warstwa spoiwa AA4045 10% warstwa separacyjna AA1050 mod. warstwa rdzeniowa AA3005 mod. 10% warstwa separacyjna AA1050 mod. 12,5% warstwa spoiwa AA4045 a) b) c) d) Rys. 1. Przykładowe struktury materiałów wielowarstwowych: 3-warstwowa ze stopem separacyjnym (a), 3-warstwowa (b), 4-warstwowa (c), 5-warstwowa (d) Fig. 1. Example structures of multilayer sheets: 3-layer with interliner (a), 3-layer (b), 4-layer (c), 5-layer (d) Oznaczenie  stopu Skład chemiczny, % wag. Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Pozostałe AA1050 zmodyfikowany reszta 0,3÷0,45 do 0,25 do 0,05 do 0,05 do 0,05 do 0,05 do 0,05 do 0,10 do 0,05 każdy do 0,05 w sumie do 0,15 AA 3003 zmodyfikowany reszta 0,65÷1,1 do 0,7 do 0,05 1,3÷1,9 do 0,05 – – 1,2÷1,9 do 0,05 każdy do 0,05 w sumie do 0,15 Tablica III. Skład chemiczny przykładowych separacyjnych stopów aluminium używanych w materiałach wielowarstwowych Table III. Chemical composition of example aluminum interliner alloys used in multilayers materials Rodzaje konstrukcji wymienników ciepła i ich wpływ na lutowanie Dotychczas najbardziej rozpowszechnioną i stosowaną konstrukcją aluminiowego wymiennika ciepła w motoryza- cji jest równoległe połączenie rurek o przekroju prostokąt- nym, pomiędzy którymi osadzone są uformowane taśmy (przekrój jest najczęściej w postaci trójkątnego przebiegu okresowego), z dodatkowymi nacięciami, aby zwiększyć wydajność wymiennika. Na końcach rurek montowane są w zależności od przeznaczenia wymiennika, płyty z otwora- mi (płyty sitowe) lub rury o przekroju okrągłym (kolektory). Formowanie płyt sitowych czy też kolektorów odbywa się za pomocą procesu tłoczenia. Pakiet rurek i taśm chło- dzących musi zostać skompresowany w czasie montażu wymiennika, tak aby podczas lutowania uzyskać szczeliny pomiędzy elementami zapewniające zjawisko kapilarno- ści. Kompresja wspomnianego pakietu podczas lutowania jest zapewniana poprzez dedykowane oprzyrządowanie (często nazwane ramką lutowniczą) wykonane najczęściej ze stali nierdzewnej, które może dodatkowo pozycjonować lub podpierać w czasie lutowania wybrane elementy wy- miennika, aby uniknąć jego deformacji lub uszkodzeń. Obec- nie rurki czynnika stosowane wymiennikach najczęściej są produkowane poprzez odpowiednie uformowane taśmy aluminiowej w procesie walcowania, innym sposobem są rurki otrzymywane w procesie wyciskania. W zależności 9PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 Rys. 2. Przekroje poprzeczne materiałów wielowarstwowych przed procesem lutowania: 3-warstwowy z warstwą separacyjną (a), 3-warstwowy (b), 4-warstwowy (c), 5-warstwowy (d, e), oznaczenie warstw: rdzeń (1), spoiwo (2), separacja (3) Fig. 2. Cross – sections of multilayer materials before brazing proc- ess: 3-layer with interliner (a), 3-layer (b), 4-layer (c), 5-layer (d, e), layers description: core (1), clad (2), interliner (3) od ciśnienia pracy wymiennika, rurki mają nawet kilka ka- nałów (wzmocnienie konstrukcji – stosowane dla chłod- nic cieczy lub skraplaczy), przez które przepływa czynnik, aby nie doprowadzić do rozerwania rurki podczas eksplo- atacji. Każdy z wyżej wymienionych procesów ma wpływ na jakość końcową wymiennika uzyskiwaną po procesie lutowania. Większość chłodnic składa się z aluminiowe- go rdzenia wraz zaciśniętymi do płyt sitowych zbiornikami wykonywanymi z tworzywa sztucznego. Wymienniki tego typu zazwyczaj charakteryzują się z małą lub średnią gęsto- ścią, co umożliwia stosowanie względnie krótkich lub śred- nich cykli lutowania. Długość cyklu lutowania jest zależna w głównym stopniu od konstrukcji wymiennika a ściślej mówiąc jego gęstości (stosunku jego masy do objętości). W większości pieców lutowniczych ciepło do wymiennika przekazywane jest poprzez radiację (promieniowanie pada na zewnętrzne powierzchnie wymiennika), następnie przedostaje się głębiej poprzez przewodnictwo cieplne. Dla przykładu przy stałej masie wraz ze wzrostem gęstości, maleje powierzchnia całkowita, co powoduje wydłużenie czasu nagrzewania czy studzenia. Inne czynniki, które mają również wpływ na długość cyklu lutowania, to konfiguracja parametrów samej linii lutowania (nastawy temperatury w strefach grzewczych, czy prędkość posuwu transporte- ra) oraz odległości pomiędzy poszczególnymi sekcjami ta- kiej linii, które powodują mniejszą lub większą utratę ciepła przez wymiennik. Na rysunku 3 przedstawiono profile tem- peraturowe wymienników dla różnych długości cyklu lu- towania i zaznaczono temperaturę solidus lutów AlSi7,5 - - AlSi12, wynoszącą 577 ºC. 10 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 Przykładem innej konstrukcji wymiennika są tzw. wymien- niki płytkowe, składające się z odpowiednio uformowanych płytek, pomiędzy którymi są umieszone taśmy rozpraszające lub pochłaniające ciepło. Poprzez odpowiednie uformowa- nie płytek można uzyskać odpowiedni przepływ (prędkość oraz zaburzenie) lub też usztywnienie konstrukcji wymien- nika. Tego rodzaju wymienniki są stosowane jako parowniki układów klimatyzacji, chłodnice oleju skrzyni biegów i inne. Konstrukcja tego typu wymienników jest w pełni oparta na ele- mentach wykonanych ze stopów aluminium. Wymienniki tego typu charakteryzują się zwartą budową oraz dużą sztywnością mechaniczną. Ramka lutownicza, która najczęściej jest wyko- nana ze stali nierdzewnej lub żaroodpornej dla wymienników tego typu, z uwagi na sztywną konstrukcję, wyposażona jest często w dodatkowo elementy sprężyste. Kompensują one różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej stopów alu- minium oraz stali, tak aby utrzymać odpowiednią kompresję pakietu i nie zdeformować elementów wymiennika podczas lutowania. Jest to bardzo istotne, gdyż stopy aluminium mają małe własności wytrzymałościowe w temperaturze powyżej 500 ºC [1]. Zazwyczaj wymiary wymienników płytkowych są zbliżone do wymienników opartych na rurkach przy podobnej mocy rozproszenia ciepła. Na rysunku 4 pokazano przykłado- we profile temperaturowe dla dwóch rodzajów wymienników: rurkowego oraz płytkowego przy identycznych parametrach technologicznych linii lutowania. Dla wymiennika płytkowego widać wyraźne dłuższe spłaszczenie przebiegu nagrzewania w pobliżu temperatury solidus 577 ºC lutów AlSi7,5 - AlSi12, wynoszące ok. 3 minut. Taki efekt może być spowodowany zastosowaniem lutu o większej zawartości krzemu lub/i za- stosowaniem materiału z większą ilością lutu. Rys. 3. Porównanie różnych profili temperaturowych wymienników ciepła stosowanych w przemyśle samochodowym: krótki cykl luto- wania (a), średni cykl lutowania (b), długi cykl lutowania (c) Fig.  3. Comparison of different temperature profiles of heat ex- changers used in automotive industry: short brazing cycle (a), me- dium brazing cycle (b), long brazing cycle (c) Rys.  4.  Porównanie przykładowych profili temperaturowych wy- mienników rurkowego (a) oraz płytkowego (b) Fig.  4. Comparison of example temperature profiles of heat ex- changers: tube type (a) and plate type (b) Zwiększone wymagania  odnośnie zmniejszenia ilości pozostałości topnika (z uwagi na efekt żelowania cieczy chłodzącej) Topnik aplikowany na powierzchnię aluminium, jest nie- zbędny w procesie lutowania, jednakże po zakończeniu tego procesu wszelkie pozostałości żużla potopnikowe- go na jego powierzchni pogarszają niektóre właściwości samego wymiennika. W przypadku pozostałości topnika na powierzchni wymiennika, która bierze udział w wymianie ciepła, może nastąpić pogorszenie przewodnictwa cieplne- go. Natomiast w zależności od zastosowanych materiałów, środowiska pracy i funkcji wymiennika, miejsce w którym niekorozyjny topnik jest zakumulowany w większej ilości, w szczególnych przypadkach może być źródłem potencjal- nych ognisk korozyjnych. Z uwagi na rosnącą liczbę wy- mienników, która może się znajdować w pętli chłodzenia (szczególnie dotyczy to obiegu niskiej temperatury), pojawił się problem reagowania pozostałości topnika z wnętrza wy- miennika z inhibitorem czynnika chłodniczego. Jest to zja- wisko, który objawia się wypłukiwaniem pozostałości top- nika z wnętrza wymienników znajdujących się w układzie chłodzenia poprzez płyn chłodzący, co może doprowadzić do zdławienia lub nawet zatkania jednego z wymienników z układu – najczęściej chłodnicy niskotemperaturowej z uwagi na najmniejsze pole przekroju i wysokość rurek. Wpływ na powstawanie tej osobliwości ma na pewno: ro- dzaj czynnika chłodzącego, ilość pozostałego topnika w każdym z wymienników będących w obiegu czynnika chłodzącego, warunki i środowisko, w którym pracują wy- mienniki ciepła. Co ciekawe zjawisko to nie pojawia się dla wszystkich czynników chłodniczych obecnych na ryn- ku. Pomimo tego producenci samochodów stopniowo za- ostrzają normy odnośnie dopuszczalnej ilości pozostałego topnika we wnętrzu wymiennika ciepła. Dlatego zarówno ze względów ekonomicznych jak i tych które mają na celu ograniczenie ww. niedogodności, producenci wymienników nieustannie pracują nad zmniejszeniem ilości aplikowane- go topnika, poprzez udoskonalanie istniejących metod oraz rozwijanie nowych selektywnych metod nanoszenia topni- ka na ściśle określone powierzchnie. Metody aplikacji topnika  oraz innowacyjne materiały beztopnikowe i kompozytowe Obecnie jedną z najpopularniejszych metod jest aplika- cja topnika w formie natrysku zawiesiny wodnej. W tym przypadku stężenie topnika w zawiesinie waha się od 5 do 25% wag. i jest zależne od miejsca aplikacji [3]. Topnik tym sposobem z reguły nanoszony na odtłuszczone ze- wnętrzne powierzchnie wymiennika lub zaburzaczy chłod- nic powietrza doładowanego, a po jego nałożeniu części muszą być poddane procesowi suszenia. Innym sposobem to aplikowanie topnika w formie pasty (flux paste) na bazie alkoholi, dzięki czemu można nanosić topnik na nieodtłusz- czone powierzchnie wybranych części wymiennika. Stoso- wany jest głównie na wewnętrzne powierzchnie wymien- nika (zwijanych rurek, zaburzaczy, itp,). W tym przypadku w zależności od wymagań, zawartość topnika w mieszani- nie może wynosić w zakresie od 5 do 50% wag. Kolejną me- todą to nakładanie topnika w postaci farby (paint flux), po- przez aplikację natryskową na odtłuszczoną powierzchnię 11PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 wybranej części. Wykorzystywana jest do tego mieszani- na składająca się topnika od 20 do 45% wag., środka ad- hezyjnego od 5 do 10% wag. oraz reszty, którą jest woda demineralizowana. Podobnie jak dla pierwszego sposobu bezpośrednio po naniesieniu detale muszą być wysuszone, aby związać topnik z powierzchnia elementu. Aplikowanie topnika w postaci farby używane jest dla wybranych czę- ści wymiennika jeszcze przed procesem jego montażu. Ta metoda stosowana jest zarówno na zewnętrzne po- wierzchnie jak płyty sitowe lub kolektory, aby w miejscu ich połączenia z rurkami, polepszyć zwilżalność powierzchni i aktywować większą ilość lutu dla tego typu połączeń. Natomiast aplikacje z użyciem pasty czy farby są używa- ne również dla powierzchni wewnętrznych części wymien- nika przed montażem, aby dostarczyć topnik w miejsca gdzie nie dotrze on w przypadku pierwszej metody apli- kacji. Stosowana jest jeszcze metoda nakładania topnika w oparciu o zjawiska elektrostatyczne. W tym przypadku naładowane ładunkiem elektrycznym cząstki topnika są natryskiwane w postaci mieszaniny z powietrzem na ze- wnętrzne powierzchnie wymiennika. Zaletą tej metody jest brak konieczności wcześniejszego odtłuszczania. Nie jest ona powszechnie stosowana, gdyż jest chroniona paten- tem, a jej właścicielem jest jeden z wiodących producen- tów wymienników ciepła. Ostatnio pojawiły się innowacyj- ne stopy aluminium, gdzie ziarna topnika są „zatopione” w strukturze lutu w procesie produkcji folii lub taśmy [4]. Materiał ten znany jest pod nazwą Trillium CompositeTM, ale na obecną chwilę koszty zakupu i coraz większe trud- ności w procesie technologicznym wytwarzania tego ma- teriału powodują stosowanie tego rozwiązania głównie w produkcjach małoseryjnych, tam gdzie takie rozwiąza- nie jest naprawdę konieczne. Natomiast na pewno moż- na stwierdzić, że charakteryzuje się ono bardzo dobrymi właściwościami jeśli chodzi o lutowanie, przy znacznie mniejszym zużyciu topnika, z uwagi na to, że jest on już zawarty w strukturze materiału a warstwa tlenków alumi- nium jest rozbijana od wewnątrz podobnie jak w lutowaniu próżniowym [7]. Kolejną nową technologią, która wg da- nych producenta, w odróżnieniu do poprzedniej, nie wyma- ga użycia topnika w procesie lutowania to CleanBrazeTM. Bazuje ona na dotychczasowej technologii wytwarzania folii czy taśmy, z tą różnicą, że w ostatnim kroku produk- cyjnym powierzchnia poddawana jest specjalistycznej ob- róbce (rodzaj obróbki nie jest ujawniony przez producenta), co ma umożliwić lutowanie bez użycia topnika [8]. Rów- nież ten materiał, tak jak w przypadku materiału Trillium CompositeTM, nie jest stosowany na szeroką skalę w prze- myśle wielkoseryjnym. Należy podkreślić fakt, że materiały przeznaczone do lutowania bez użycia topnika (flux free) wy- magają bardzo dobrej atmosfery podczas lutowania rzędu 20 ppm tlenu i mniej. Lutowanie z użyciem standardowego topnika NOCOLOK® jest możliwe na poziomie tlenu nie prze- kraczającym 200 ppm. W przypadku Trillium CompositeTM, dobre wyniki lutowania można otrzymać nawet na pozio- mie 2000 ppm tlenu, co stanowi dużą zaletę dla procesu lutowania [7]. Kolejnym autem kompozytu Trillium Compo- siteTM jest fakt, że podczas lutowania wymiennik cały czas ma srebrny kolor, co w przypadku przekazywania ciepła po- przez radiację w piecu tunelowym, powoduje, że promienio- wane nie jest tak silnie odbijane jak w przypadku potopni- kowanych wymienników, które do momentu roztopienia się topnika mają biały kolor. Rysunek 5 przedstawia porówna- nie profili temperaturowych takich wymienników. Powoduje to szybsze nagrzewanie się wymiennika podczas lutowania z uwagi na mniejszy współczynnik odbicia. Obie metody mają ważną wspólną zaletę: brak lub znikomą pozostałość topnika na powierzchni wymiennika po lutowaniu. Stosowanie stopów  ze zwiększoną zawartością magnezu  dla zwiększenia  wytrzymałości mechanicznej  wymiennika i problemy  z prawidłowym lutowaniem wymienników Z uwagi na rosnące wymagania wytrzymałościowe wy- mienników, szczególnie jeśli chodzi o odporność na ciągłe zmiany ciśnienia i temperatury, dla polepszenia właściwo- ści mechanicznych wymiennika stosuje się stopy alumi- nium z dodatkiem Mg. Ten sam zabieg może być stosowany wówczas, gdy przy zachowaniu wymagań wytrzymałościo- wych wymiennika przy zastosowaniu standardowych sto- pów, zmniejsza się grubość poszczególnych komponen- tów, w celu redukcji masy wymiennika. Głównie dotyczy to warstwy rdzeniowej wykonanej ze stopów aluminium serii 3000, używanych do wytwarzania rurek walcowanych i płyt sitowych. Natomiast stopy z większym dodatkiem Mg, takie jak AA6060 czy AA6061 są bardzo powszechnie sto- sowane do wykonywania bloków przyłączeniowych (block fitting) w skraplaczach. Jednak dodatek magnezu z jednej strony poprawia właściwości mechaniczne z drugiej strony pogarsza właściwości jeśli chodzi o proces lutowania, ponie- waż wpływa negatywnie na proces usuwania tlenków przez topnik z powierzchni stopu aluminium. Dzieje się tak dlatego, że magnez dyfunduje do powierzchni materiału podczas lu- towania, gdzie łączy się z tlenem, następnie jako tlenek ma- gnezu MgO wchodzi w reakcję z topnikiem tworząc KMgF3, co powoduje zmniejszenie ilości „nieskażonego” topnika, zdol- nego usunąć tlenki z powierzchni lutowanego materiału [9]. Intensyfikacja dyfuzji magnezu rozpoczyna się już w tempe- raturze ok. 425 ºC, a więc z reguły jest to jeszcze początkowa część pieca, gdzie może się jeszcze znajdować podwyższo- na ilość tlenu w atmosferze obojętnej. Przy lutowaniu pieco- wym zalecana sumaryczna procentowa zawartość magnezu w łączonych ze sobą stopach, przy stosowaniu standardo- wego topnika NOCOLOK®, nie powinna przekraczać zależno- ści od źródeł od 0,3 do 0,6% wag. – gdyż ilość aplikowanego topnika w miejsce takiego połączenia ma duże znaczenie na jakość uzyskiwanych połączeń. Bazując na własnym do- świadczeniu wspomniana górna granica 0,6% Mg w stopie Al, w masowej produkcji dla lutowania piecowego, prowadzi do słabych i porowatych połączeń lutowanych. Realna i stabil- na zawartość Mg to 0,45% wag. przy lokalnie zwiększonej ilości aplikowanego topnika NOCOLOK® na powierzchnię materiału. Rys.  5.  Porównanie profili temperaturowych przykładowego wy- miennika ze standardowego procesu z użyciem topnikowania (a) oraz z użyciem materiału kompozytowego Trillium CompositeTM (b) Fig.  5. Comparison of temperature profiles of example heat ex- changer from standard process with fluxing (a) and using a com- posite material Trillium CompositeTM (b) 12 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 8/2017 Dodatkowo negatywny wpływ działania magnezu na pro- ces lutowania można ograniczyć poprzez odpowiednią obróbkę cieplną, a uściślając poprzez szybsze nagrzewa- nie wymiennika w celu ograniczenia dyfuzji Mg. Natomiast dla lutowania płomieniowego lub indukcyjnego dopusz- czalna zawartość Mg w stopie Al jest ograniczona do 1,2% a nawet wg niektórych źródeł do 2% wag. Jest to możli- we z uwagi na prędkość nagrzewania lutowanych części, która jest o wiele większa w porównaniu z prędkością nagrze- wania dla lutowania piecowego. Zmniejszenie wpływu zależ- ności zawartości magnezu w materiale na stabilność procesu lutowania można jeszcze uzyskać stosując zmodyfikowaną wersję topnika NOCOLOK® z dodatkiem cezu, a dokładnie związku fluoroglinianu cezu – CsAlF4. Zastosowanie dodatku związku cezu, pozwala w pewnym stopniu na neutralizację cząsteczek magnezu, gdzie wskutek ich reakcji otrzymuje się CsMgF3 i/lub Cs4Mg3F10, których temperatura topnienia jest niższa od temperatury topnienia lutu [9]. Zawartość cezu w topniku NOCOLOK® Cs Flux wynosi pomiędzy 1,5 a 2% wag., gdyż badania wykazały, iż dalsze zwiększenie jego zawarto- ści nie wykazało znacznego polepszenia warunków lutowa- nia, natomiast rośnie wtedy całkowity koszt topnika z uwagi na wysoką cenę cezu na rynku [10]. Zastosowanie tego top- nika wg producenta pozwala skutecznie lutować stopy alu- minium, w których sumaryczna zawartość magnezu wynosi pomiędzy 0,3 a 0,55% wag. Na rysunku 6 pokazano mikrostruk- tury połączeń lutowanych dla różnej zawartości magnezu w warstwie rdzeniowej łączonych materiałów. Pierwsza mikro- struktura (a) przedstawia złącze dwóch materiałów, gdzie su- maryczna zawartość Mg jest mniejsza od 0,2% wag., lutowina nie jest porowata i można zauważyć nieznaczne rozpuszcze- nie materiału rdzeniowego rurki. Na drugiej (b) widoczne połą- czenie materiałów, gdzie zawartość Mg wynosi ok. 0,45% wag, wykazuje porowatość i braki wypełnienia szczeliny. Brak jest Rys. 6. Mikrostruktura połączeń lutowanych z różną zawartością ma- gnezu w materiale rdzeniowym: sumaryczna zawartość Mg dla obu materiałów rdzeniowych jest poniżej 0,2% wag. (a), sumaryczna za- wartość Mg dla obu materiałów rdzeniowych jest ok. 0,45% wag. (b) Fig.  6. Microstructure of brazing joint with different magnesium content in core layer: summary content of Mg for both core layers is below 0,2% wt. (a), summary content of Mg for both core layers is about 0,45% wt. (b) widocznego rozpuszczania materiału rurki, w wyniku szybkie- go nagrzewania, dla ograniczenia dyfuzji magnezu. Literatura [1] Ambroziak A., Lange A., Derlukiewicz W., Mosińska S.: Lutowanie twarde aluminium i jego stopów, Przegląd Spawalnictwa, 2/2009, s. 10-14. [2] Frąckowiak E., Mroziński W.: Zastosowanie lutowania płomieniowego w produkcji aluminiowych samochodowych wymienników ciepła, Przegląd Spawalnictwa, 9/2007, s. 57-62. [3] Materiały firmy Solvay Flux GmbH: The NOCOLOK® Flux Brazing Process, http://www.solvay.com/en/binaries/NOCOLOK_Brazing_Process-en- de-179520.pdf [4] Mirski Z., Granat K., Misiek A.: Lutowanie twarde aluminiowych wymien- ników ciepła w przemyśle motoryzacyjnym, Spajanie materiałów kon- strukcyjnych , 2/2015, s. 32-34. [5] Swiderski H.W., Lauzon D: Myths about Aluminium Brazing with Non-Cor- rosive Fluxes NOCOLOK® Flux Brazing Technology, Materiały firmy So- lvay Flux GmbH, http://www.aluminium-brazing.com/sponsor/nocolok/ Files/PDFs/31390.pdf [6] Melander M., Oskarsson A., Haller S.: Next generation multilayer – MUL- TICLAD: Material for brazed heat exchanger applications, 8th Internatio- nal Congress Aluminum Brazing, 2014, s. 45-49. [7] Hawksworth D.K., Westergard R., Nillson P.: Brazing properties of Trillium composite, 8th International Congress Aluminum Brazing, 2014, s. 84-88. [8] Eckhard K., Janssen H. : CleanBraze: fluxless brazing of aluminum heat exchangers, 8th International Congress Aluminum Brazing, 2014, s. 50-51. [9] Orman L., Swiderski H.W., Lauzon D. : Brazing of Aluminium Alloys with Higher Magnesium Content using Non-Corrosive Fluxes, Aluminum Bra- zing - News, Knowledge and Technology, http://www.aluminium-brazing. com, 3-7/2014. [10] Garcia J., Massoulier C., Faille P. : Brazeability of Aluminum Alloys Conta- ining Magnesium by CAB Process Using Cesium Flux, SAE Technical Pa- per 2001-01-1763, 2001, http://www.aluminium-brazing.com/sponsor/ nocolok/Files/PDFs/VTMS5_Garcia_NOCOLOK_Cs_Flux.pdf Wnioski – Mimo wielu zalet materiałów opartych na stopach miedzi, używanych do lutowania wymienników ciepła (szczególnie najnowszej generacji), nadal w dużej większości aktualnie sprzedawanych nowych samochodów są stosowane wymien- niki w oparciu o stopy aluminium, gdyż stosunek zarówno ceny i masy dla obu wymienionych materiałów rodzimych jest jak 1:3 na korzyść stopów aluminium, – Aby poprawić właściwości mechaniczne wymienników ciepła przy jednoczesnym ograniczeniu ich masy, stosowane są stopy ze zwiększoną zawartością Mg (0,1 do 0,3% wag.), co jednak powoduje problemy z ich lutownością. Rozwiązaniem wspomnianego problemu może być zastosowanie topnika NOCOLOK® z dodatkiem cezu lub zastosowanie materiału 5-warstwowego, w którym zastosowano warstwę separacyjną. – Bardzo krytycznym parametrem stawianym obecnym wymiennikom ciepła, które mają kontakt z cieczą chłodzącą, jest pozostałość topnika z procesu lutowania znajdująca się wewnątrz wymiennika. – W obszarze materiałów używanych do produkcji wymienników ciepła, nastąpił wyraźny postęp oferujący szereg nowoczesnych materiałów nie wymagających użycia topnika do procesu lutowania lub wykazujących zwiększoną odporność na korozję.