СОЕДИНЕНИЕ ЛИСТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОЛЬГИ И СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ЛИСТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОЛЬГИ

Настоящее изобретение относится к соединению первого и второго листов металлической фольги. Эти первый и второй листы имеют толщину менее 0,05 мм и соединены между собой пайкой в месте соединения. В этом месте соединения имеется клиновидный промежуток, в основном заполненный припоем. Изобретение относится также к сотовому элементу, состоящему из слоев металлических листов. Эти слои металлических листов образованы листами по меньшей мере частично структурированной (профилированной) металлической фольги, причем толщина металлической фольги составляет менее 0,05 мм. Слои металлических листов по меньшей мере частично соединены между собой пайкой. В местах паяного соединения эти листы фольги имеют по одному или два клиновидных промежутка, в основном заполненных припоем.

Из уровня техники известны способы пайки, а также паяные соединения слоев металлических листов, например металлического сотового элемента. Из DE 4219145 С1 известен способ пайки сотового элемента путем его погружения в псевдоожиженный слой порошкового припоя. При этом на соответствующих участках предварительно обработанного сотового элемента оседает зернистый припой. Крупность зерен этого припоя должна составлять от 1 до 200 мкм, предпочтительно от 38 до 125 мкм, при этом более целесообразно наличие зерен с крупностью, лежащей в нижней части указанного диапазона, нежели зерен, крупность которых лежит в его верхней части. В указанной публикации представлены и другие методы нанесения припоя. Известные из уровня техники методы нанесения припоя успешно используют для пайки сотовых элементов, слои которых выполнены из металлических листов толщиной по меньшей мере 50 мкм и более. При этом сотовый элемент состоит из слоев металлических листов, где такие слои металлических листов образованы листами по меньшей мере частично структурированной металлической фольги, а также по меньшей мере частично соединены между собой пайкой и имеют в местах паяного соединения по клиновидному промежутку, в основном заполненному припоем.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать прочное и надежное соединение листов металлической фольги и сотовый элемент из листов металлической фольги с улучшенным соединением.

Указанная задача решается с помощью соединения первого и второго листов металлической фольги, где первый и второй листы этой фольги соединены между собой пайкой в месте соединения, в котором имеется клиновидный промежуток, заполненный припоем. Согласно изобретению листы фольги имеют толщину менее 0,04 мм, а отношение ML/DF Maces ML припоя, находящегося в указанном клиновидном промежутке, к толщине DF листа металлической фольги составляет от 16 до 8 г/м.

Предпочтительно, чтобы отношение ML/DF массы ML припоя в клиновидном промежутке к толщине DF листа фольги составляло 11 г/м с отклонением в пределах от +15% до -10%.

При толщине DF листа металлической фольги от менее 0,04 мм до 0,03 мм верхний предел массы ML припоя предпочтительно должен уменьшаться в линейной зависимости от толщины DF листа металлической фольги.

При этом верхний предел массы ML припоя по отношению ML/DF к толщине DF листа фольги должен составлять 14,6 г/м с отклонением ±5%.

В то же время нижний предел массы ML припоя должен уменьшаться в линейной зависимости от толщины DF листа металлической фольги.

Предпочтительно, чтобы в этом случае нижний предел массы ML припоя по отношению ML/DF к толщине DF листа фольги составлял 8,7 г/м с отклонением ±5%.

Следует отметить, что начиная с толщины DF листа фольги 0,03 мм и менее кривая зависимости верхнего предела массы ML припоя от толщины DF листа фольги проходит предпочтительно через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (14,6 г/м; 0,03 мм), (14,8 г/м, 0,025 мм), (16 г/м; 0,02 мм), кривая зависимости нижнего предела массы ML припоя от толщины DF листа фольги проходит через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (8,6 г/м; 0,03 мм), (9 г/м, 0,025 мм), (9,2 г/м; 0,02 мм), (16 г/м; 0,01 мм), а кривая зависимости массы ML припоя от толщины DF листа фольги проходит через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (11 г/м; 0,03 мм), (11,2 г/м, 0,025 мм), (12 г/м; 0,02 мм).

Задача решается также с помощью сотового элемента, в котором согласно изобретению толщина металлической фольги составляет менее 0,04 мм, а листы металлической фольги соединены соединением в соответствии с любым из указанных выше условий.

При создании настоящего изобретения было установлено, что при попытке соединить пайкой более тонкие листы фольги толщиной менее 50 мкм, прежде всего при изготовлении сотового элемента, стенки, ограничивающие ячейки сотовой структуры, при доведении его температуры до температуры нанесения припоя полностью расплавляются. При этом был установлен также факт деформации стенок, ограничивающих ячейки сотового элемента. Лишь при нанесении припоя в каждом месте соединения в количестве, которое в отличие от металлических листов применявшейся до сих пор толщины определяли в соответствии с описанным выше правилом подбора припоя, это определенное с помощью указанного правила количество внесенного в клиновидный промежуток между листами припоя позволило, во-первых, устранить расслаивание листов металлической фольги и предотвратить образование щелей и трещин по краю и, во-вторых, получить долговечное соединение этих листов в местах пайки.

Неожиданно было установлено, что при соединении листов металлической фольги толщиной DF от менее 0,05 мм до 0,03 мм массу используемого для получения такого соединения припоя ML можно задавать приблизительно в линейной зависимости от толщины DF листа металлической фольги. Чем меньше толщина DF металлической фольги, тем меньше масса наносимого припоя ML. Таким образом, верхний, а также нижний пределы той массы припоя ML, применение которой еще остается допустимым, можно определять для некоторых значений толщины DF металлической фольги и интерполировать или экстраполировать эти данные на металлическую фольгу другой толщины. При соотнесении массы припоя ML к толщине DF металлической фольги оптимальным для величины отношения ML/DF оказался верхний предел, равный 14,6 г/м, с отклонением ±5%. В качестве нижнего предела еще допускающего его применение соотношения ML/DF между массой припоя ML и толщиной DF металлической фольги оптимальным оказалось отношение, равное 8,7 г/м, с отклонением ±5%. Оба этих указанных для верхнего, соответственно нижнего пределов соотношения позволяют очень точно определять диапазон, используемый для металлической фольги толщиной DF от менее 0,05 мм до примерно 0,03 мм. Наилучшие результаты в отношении прочности и надежности соединения листов металлической фольги были получены в тех случаях, когда отношение ML/DF массы припоя ML в клиновидном промежутке к толщине DF листа фольги составляет примерно 11 г/м с отклонением в пределах от +15% до -10%.

Для получения удовлетворительных результатов при соединении листов металлической фольги толщиной DF примерно 0,03 мм и менее также можно использовать упоминавшуюся выше линейную зависимость. Вместе с тем неожиданно было установлено, что у металлической фольги толщиной DF менее 0,03 мм наблюдается не только наличие линейной зависимости между используемым количеством припоя и толщиной DF металлической фольги. Более того, изменяется и угол наклона характеристики, описывающей подобную линейную зависимость, по сравнению с диапазоном значений толщины DF от менее 0,05 мм до примерно 0,03 мм. При этом указанное изменение угла наклона проявляется в том, что кривая такой зависимости становится несколько более пологой. Для металлической фольги толщиной DF от примерно 0,03 мм и менее верхний предел массы припоя ML подбирают в зависимости от конкретной толщины DF металлической фольги по кривой, проходящей через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (14,6 г/м; 0,03 мм), (14,8 г/м, 0,025 мм), (16 г/м; 0,02 мм), (27 г/м; 0,01 мм). Нижний предел используемой массы припоя ML для металлической фольги толщиной DF примерно 0,03 мм и менее предпочтительно подбирают в зависимости от конкретной толщины DF металлической фольги по кривой, проходящей через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (8,6 г/м; 0,03 мм), (9 г/м, 0,025 мм), (9,2 г/м; 0,02 мм), (16 г/м; 0,01 мм). Исключительно прочное и надежное соединение листов металлической фольги при ее толщине DF примерно 0,03 мм и менее было получены в случае, когда массу припоя ML подбирали в зависимости от толщины DF металлической фольги по кривой, проходящей через точки со следующими координатами (ML/DF; DF): (11 г/м; 0,03 мм), (11,2 г/м, 0,025 мм), (12 г/м; 0,02 мм), (20 г/м; 0,01 мм). Отклонение от значений, задаваемых этими кривыми, также составляет ±5%.

Предпочтительной областью применения рассмотренных выше соединений листов металлической фольги являются сотовые элементы, состоящие из слоев металлических листов. В подобном сотовом элементе слои металлических листов образованы листами по меньшей мере частично структурированной (профилированной) металлической фольги. Толщина подобной металлической фольги составляет менее 0,05 мм, при этом слои металлических листов по меньшей мере частично соединены между собой пайкой и имеют в местах паяного соединения по одному и два клиновидных промежутка, в основном заполненных припоем. При использовании приведенных выше правил подбора количества припоя для соединения листов металлической фольги было установлено, что стойкость сотового элемента к механическим нагрузкам была гораздо выше, чем при использовании обычно применявшихся до сих пор количеств припоя. Кроме того, использование подобного правила, устанавливающего зависимость между массой припоя ML и толщиной DF металлической фольги, позволяет быстрым и простым путем подбирать наиболее оптимальное количество припоя при применении листов металлической фольги самой различной толщины. Помимо этого, соблюдение таких правил подбора припоя для соединения листов металлической фольги не только обеспечивает получение прочных и надежных соединений, но и позволяет избежать таких проблем, как прогорание и деформация стенок, ограничивающих ячейки сотовой структуры, расслоение и образование щелей и трещин по краям.

Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения и его отличительные особенности рассмотрены в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - клиновидный промежуток, образуемый между двумя листами металлической фольги,

на фиг.2 - график зависимости количества припоя, приходящегося на каждую точку соединения листов металлической фольги, от толщины используемой фольги,

на фиг.3 - клиновидный промежуток между листами фольги, заполненный стандартным зернистым припоем,

на фиг.4 - клиновидный промежуток между листами фольги, заполненный видоизмененным зернистым припоем,

на фиг.5 - график зависимости крупности зерен используемого зернистого припоя от толщины используемой металлической фольги,

на фиг.6 - график зависимости используемого количества припоя от толщины металлической фольги,

на фиг.7 - график зависимости крупности зерен используемого зернистого припоя от толщины используемой металлической фольги,

на фиг.8 - представленная в табличном виде зависимость для максимальных и минимальных значений соотношения между используемой массой ML припоя и толщиной DF металлической фольги,

на фиг.9 - схематичное изображение гауссова распределения диаметров зерен используемого зернистого припоя и

на фиг.10 - еще один график зависимости используемого количества припоя от толщины металлической фольги.

На фиг.1 показано соединение 1 первого 2 и второго 3 листов металлической фольги. Листы 2, 3 металлической фольги спаяны в месте 4 их соединения. Местом 4 соединения является клиновидный промежуток (пазуха) 5, образующийся в месте наложения первого 2 листа фольги на второй 3 лист фольги. Этот клиновидный промежуток 5 заполнен припоем 6, который нанесен в виде зернистого припоя на первый участок 7 и на второй участок 8 первого 2, соответственно второго 3 листов металлической фольги. Для подобного нанесения припоя можно использовать, например, описанный в заявке DE 4219145 С1 способ, который ниже обозначается общим понятием "нанесение клея" и описание которого включено в настоящее описание в качестве ссылки. Однако припой 6 можно наносить и иными, описанными в указанной заявке DE 4219145 С1 способами, описания которых также включены в настоящее описание в качестве ссылки. Толщина DF первого 2 и второго 3 листов фольги составляет менее 0,05 мм. Для улучшения адгезии припоя 6 к обоим листам 2, 3 металлической фольги их соответствующие поверхности могут быть предварительно обработаны или же иметь микроструктуры (микропрофильные элементы). Массу ML находящегося в клиновидном промежутке 5 припоя 6 подбирают с таким расчетом, чтобы соотношение между массой ML припоя и массой MF первого участка 7 и второго участка 8 соответственно первого 2 и второго 3 листов металлической фольги было приблизительно постоянным вне зависимости от выбранной толщины DF фольги. Масса MF участков 7, 8 рассчитывается при этом сложением отдельных масс первого 7 и второго 8 участков. Массы этих участков в свою очередь определяются на основании соответствующей толщины DF металлической фольги, а также длины LA ее контактирующего с припоем участка. В эту длину входит также длина фактического наложения обоих листов 2, 3 фольги. Это приблизительно постоянное соотношение по существу сохраняется и в том случае, когда первый 2 и второй 3 листы фольги имеют различную толщину DF.

На фиг.2 показана зависимость массы ML припоя в месте соединения от выбранной толщины DF металлической фольги. При этом для фольги толщиной менее 0,05 мм указанная зависимость принимает упоминавшийся выше примерно линейный вид. При этом не только имеет место постоянное отношение MF/ML, но и отношение AML/ADF для получения прочного и стойкого соединения листов металлической фольги также возрастает примерно в линейной зависимости. Благодаря этому при выборе металлической фольги различной толщины создается возможность сразу же интерполировать или экстраполировать ее значение на соответствующую массу припоя ML. Как следует из показанного на фиг.2 графика, наиболее прочные и надежные соединения листов металлической фольги были получены у сотовых элементов для следующих пар значений (DF [мкм]; ML [10^-4 г]): (50; 5,5), (40; 4,4), (30; 3,3), (25; 2,8). Если масса припоя ML для указанных значений толщины DF листов фольги находится среди этих значений при допустимом отклонении от них вверх или вниз в пределах ±10%, что зависит от свойств материала и метода пайки, то в соединении отсутствуют такие дефекты, как прогорание и проплавление стенок ячеек сотовой структуры, а также их деформация, появляющиеся в противном случае при использовании обычного метода нанесения припоя.

На фиг.3 показано еще одно соединение 9 листов металлической фольги. При этом клиновидный промежуток 5 между листами заполнен стандартным зернистым припоем 10, известным из уровня техники. Клиновидный промежуток 5 в результате использования этого стандартного припоя 10 полностью закрыт им по своему краю. Это означает, что припой 6 образует между первым 2 и вторым 3 листами фольги сплошное, плотное, полностью взаимосвязанное скопление, принимающее форму клина между этими листами 2, 3 фольги. От подобного соединения отличается другое соединение листов металлической фольги, показанных перед соединением пайкой на фиг.4.

На фиг.4 показан другой вариант выполнения соединения 12 первого 2 и второго 3 листов металлической фольги. Припой 6 нанесен на оба этих листа 2, 3 фольги в виде нанесенного на первый лист 2 первого слоя 13 и нанесенного на второй лист 3 второго слоя 14. Нанести припой подобным образом удается за счет использования видоизмененного по сравнению со стандартным зернистого припоя. При этом благодаря по меньшей мере меньшему количеству припоя, используемого в соединении 12 листов металлической фольги, по сравнению с его количеством в соединении 9 по фиг.3 при небольшой толщине DF этих листов, составляющей, в частности, 0,03 мм и менее, исключается опасность диффузии припоя сквозь эти листы 2, 3 фольги, соответственно опасность образования щелей или трещин по краю прежде всего при пайке деталей, геометрическая форма которых сходна с геометрической формой сотового элемента.

На фиг.5 показан график зависимости соответствующей крупности зернистого припоя, показанной по оси Y, от выбранной толщины DF металлической фольги, показанной по оси X. Для металлической фольги толщиной DF 50 мкм используют зернистый припой, наименьший диаметр зерен которого составляет более 25 мкм, а наибольший диаметр составляет менее 106 мкм. С уменьшением толщины DF фольги зернистый припой подбирают в этом случае такой крупности, чтобы наибольший диаметр его зерен уменьшался, а их минимально возможный диаметр, напротив, увеличивался. В результате при подобном подходе в припое начиная с определенной толщины DF фольги присутствуют только зерна, диаметр которых больше собственной толщины DF фольги. Таким образом, гауссово распределение с его максимальным значением при уменьшении толщины DF фольги не проявляет склонности к непрерывному смещению вниз в сторону постоянного уменьшения диаметра зерен припоя. Более того, форма его колоколообразной кривой остается неизменной и лишь сужается на краевых участках, смещаясь в сторону расположенного посередине максимального значения. Подобная зависимость в несколько ином виде показана на фиг.5. Взаимосвязь между значениями крупности зерен припоя описывается уравнением прямой, проходящей по максимальным значениям диаметра зерен отдельных припоев. Кроме того, подобное правило подбора крупности зернистого припоя следует также из рассмотренных ниже чертежей.

Показанный на фиг.6 график позволяет пояснить правило подбора припоя для надежного соединения листов металлической фольги толщиной менее 50 мкм, прежде всего для соединения листов металлической фольги в сотовых элементах для каталитических нейтрализаторов отработавших газов (ОГ), подверженных действию не только термических, но и механических нагрузок. По оси Y указана масса припоя ML в граммах для одного соединения листов металлической фольги. Иными словами, речь при этом идет о массе, которая должна находиться в заполняемом припоем клиновидном промежутке между листами. По оси Х отложены значения толщины DF металлической фольги. На графике показаны также кривые для верхнего предела В и нижнего предела Н этой массы ML. Соединение листов металлической фольги наибольшей прочности получают в том случае, когда массу припоя ML для соответствующей толщины DF металлической фольги подбирали в соответствии с кривой О (оптимальное значение). На представленной диаграмме особо следует обратить внимание на то, что между значениями толщины DF фольги в 20 мкм и 30 мкм дополнительно указано также значение толщины DF, равное 25 мкм. В результате кривая прежде всего на том ее участке, который соответствует толщине менее 30 мкм, кажется более спрямленной, т.е. в большей степени приближается к линейной зависимости, в отличие от вида, который такая зависимость имела бы фактически без частичного изменения масштаба по оси Х (т.е. без "растяжения" оси X). Тем не менее на графике видно, что на участке между 30 и 50 мкм зависимость между массой ML и толщиной DF фольги имеет примерно линейный вид. Ниже значения в 30 мкм кривая приобретает несколько более пологий вид. Кроме того, на графике наглядно видно, что кривые для верхнего и нижнего пределов значений выбираемой массы воронкообразно сходятся в сторону начала координат с уменьшением толщины DF фольги. При этом кривая О для практически оптимального значения выбранной массы ML проходит несколько ближе к кривой Н для нижнего предела, чем к кривой В для верхнего предела. Поэтому припой для его нанесения на подвергаемый пайке элемент сложной конфигурации, такой, например, как сотовый элемент, следует по возможности подбирать в соответствии с кривой О оптимальных значений, не выходя при этом за нижний предел, чему необходимо уделять особое внимание. Связано это с тем, что вероятность выхода за нижний предел выше в сравнении с вероятностью превысить верхний предел В из-за более близкого расположения кривой О оптимальных значений к кривой Н наименьших значений.

На фиг.7 показаны кривые, характеризующие допустимый разброс значений крупности зерен, отложенной по оси Y в микрометрах, в зависимости от выбираемой толщины DF металлической фольги, отложенной по оси X. На этой диаграмме в качестве примера показаны те пределы крупности зерен, которые были установлены для нанесения припоя на сотовый элемент. Первая кривая 15 со сплошными треугольниками является нижней границей и относится к минимальным значениям выбираемой крупности зерен припоя. Вторая кривая 16 является верхней границей и относится к максимальной крупности зерен, выбираемой в зависимости от толщины DF фольги. Наиболее качественные соединения листов металлической фольги сотового элемента были получены в тех случаях, когда наименьшие значения диаметра зерен зернистого припоя соответствовали третьей кривой 17, а наибольшие значения диаметра зерен зернистого припоя соответствовали четвертой кривой 18. Кроме того, на приведенной диаграмме наглядно видно, что кривые для верхних и нижних предельных значений крупности зерен зернистого припоя воронкообразно сходятся в сторону начала координат с уменьшением толщины DF фольги. При этом абсолютное значение угла наклона второй 16 и четвертой 18 кривых больше той же величины у первой 15 и третьей 17 кривых. Так, в частности, начиная с толщины DF фольги в 30 мкм и менее абсолютное значение угла наклона первой 15 и третьей 17 кривых приближается к нулю.

На фиг.8 в табличном виде показана взаимосвязь между величинами, графическая зависимость между которыми изображена на фиг.6, при этом в данном случае масса припоя ML для соответствующих значений толщины DF фольги представлена в виде частного отделения на эту толщину DF фольги. Как следует из приведенных в таблице данных, указанное частное остается примерно постоянным до толщины DF фольги в 30 мкм, а при значениях 30 мкм и менее частное от деления ML на DF постоянно увеличивается.

На фиг.9 схематично показано гауссово распределение диаметров зерен припоя в зависимости от толщины DF фольги. При этом по оси Y отложена относительная величина, равная отношению диаметра зерен припоя к их максимальному диаметру. По оси Х отложено процентное распределение. Из представленной на чертеже диаграммы следует, что, во-первых, максимум гауссова распределения диаметров зерен припоя приходится примерно на середину диапазона, в пределах которого возможен разброс значений крупности зерен зернистого припоя. Кроме того, из диаграммы следует, что форма колоколообразной кривой распределения с уменьшением толщины DF металлической фольги в принципе не меняется, равно как и само по себе процентное распределение зерен по крупности в зернистом припое.

На фиг.10 еще раз показана взаимосвязь между используемым количеством припоя и толщиной фольги, которая соответствует изображенной на фиг.6 зависимости. Однако на фиг.10 отсутствует частичное изменение масштаба по оси X, на которой в данном случае значения отложены с равномерным шагом. При этом наглядно видно, что при указанных измеренных значениях кривые для нижнего предела Н, верхнего предела В и оптимальных значений О примерно до 20 мкм имеют линейный вид, а затем несколько изгибаются вверх.

В целом наиболее прочные и надежные соединения листов металлической фольги, прежде всего в сотовых элементах, были получены при использовании описанных выше зернистого припоя для металлической фольги и/или способа выполнения такого соединения.