Onderzoek van soldeerverbindingen aan koperen pijpbochten van koelers

Onderzoek van soldeerverbindingen aan koperen pijpbochten

van koelers

Citation for published version (APA):

Perduijn, A. B. (1987). Onderzoek van soldeerverbindingen aan koperen pijpbochten van koelers. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0501). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1987

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

lechnlsche Unlversl~elt EIndhoven

Facultel~ der Werktu19bouwkunae

Vakgroep ?roauctle~echnologle en -Automatisering

Stage-verslag

Onderzoek van soldeerverDlnalngen aan koperen pijpbochten van koelers

A.B.Perduijn A rcJJ

It:i

lUJ'C>/f

nov.87

VFcode: C2 WPA nr.0501

Afstudeernoogleraar: Prof 11' J.A.G. Kals

6tage-DearlJt Goedhardt bv

NiJverheidsweg 6 St IvIaartensdlj k

BIz.

Inhoudsopgave 2 1 Probleemstelllng 3 1.1 Probleembeschrijving 3 2 Modelvorming 4 3 MlcroscoP1Sch onderzoek 5 4 Het soldeerproces 9 5 ConclUSles en aanbevelingen 15

1 Probleemstelling

De firma Goedhardt maakt onder meer warmtewisselaars. dIe gebruikt worden in koelmaehines. BiJ een aantal van

deze warmtewIsselaars treedt na ongeveer 1 jaar in

bectriJf te ziJn geweest, lekkage van het koelmiddel op.

Gevraagd is om de oorzaak van dit probleem te vinden en

een mogelijke oplossing. 1.1 Probleembeschrljving

Een koelmachine is opgebouwd uit 2 warmtewisselaars; de condensor en de verdamper ldeze laatste wordt verder

In dit verslag koeler genoemd). De fabrikagewijze van de

koeler en de condensor IS bij de firma Goedhardt

ctezelfde. Ale echter een koelmachine lekt dan blijkt dit lek altijd in de koeler te zitten en nooit in de condensor. Op de soldeerverbindlngen tussen de pijpen en de bochtstukken van de koeler ontstaan na verloop van tlJd bobbeltJes. Deze bobbeltjes worden langzamer-hand groter en uiteindelijk scheurt zo'n bobbeltje open en is de koeler lek. Dit lek dieht men dan door de

verbinding opnieuw te solderen. Uit de praktijk is gebleken dat ook andere verbindingen van deze koeler bobbeltjes kriJgen. Daarom wordt een lekke koeler helemaal overgesoldeerd om zodoende problemen in de toekomst te voorkomen.

Wet IS er zo karakterlstiek aan het probleem? Het

lekken van de koeler treedt op:

- aIleen als de koeler electrisch ontdooid wordt, - voor het eerst blJ de verbindingen die dicht bij de

verwarmlngselementen liggen (Na enige tijd gaan ook de verblndlngen op grotere afstand van de elementen

lekken) ,

aIleen aan de bovenzijde van de verbindingen,

- aIleen met het koelmiddel FREON 22 (Dit koelmiddel wordt in 80 % van aIle koelmachlnes gebruikt), - voornamelijk bIj koelers die langer zijn dan 2,5

meter,

a1 2 jaar zonder dat er aanwijsbare veranderingen in

2 Modelvorming

Het probleem heeft waarschijnlijk meer dan ~~n oorzaak. Het lek raken van een koeler wordt veroorzaakt doordat enerzljds de soldeerverbindingen slecht zijn en ander-zlJds dat in het koelmiddel een stof aanwezig is die bevriezen kan. rle so Ideerverbinding is s lecht omdat de capIlaIre ruimte tussen het bochtstuk en de pijp niet volledig gevuld is met soldeer. Het nog aanwezige capIlaIr no. het solderen lS zo instaat "water" aan te trekken, wanneer de koeler ontdooid wordt. Vervolgens za1, wanneer de koeler weer in bedrijf wordt gesteld het water bevrlezen en dus uitzetten. Als ctit proces zlch een aantal malen herhaalt ontstaan er op de pijp een bobbeltje lof bobbeltJesJ. Deze wordt steeds

gro~er en scneurt uitelndelijk open.

Waarom treedt het lekken dan niet op bij een heet-gas ontdoolde koeler en weI bij een electrische ontdooide koeler? lne.en koelsysteem verzamelt het vocht zich

altlJd op de koudste plaats. Sij een heet-gas ontdooide koeler gaat in de ontdooi-fase het vocht van de koeler naar de condensor en bij het vriezen van de condensor naar de koeler. Het vocht circuleert dus door het

koelsysteem en wordt bij het passeren van het vochtfil-ter aan het systeem onttrokken.

BiJ een electrische ontdooide koeler blijft de koeler de koudste plaats van het systeem en dus treedt deze vochtcirculatie veel minder op. In de koeler condenseert vocht vooral op de bochtstukken omdat die nlet verwarmd worden.

Waarom ontstaan de bobbeltjes voor het eerst op de verDInd1ngen in de buurt van de verwarmingselementen7 Omdat de koelers vaak nlet volledig ontdooid worden zullen dle verbindlngen dle het meest ontdooid zijn ook het eerst lek raken. Het werkelljke aantal ontdooingen 1S in de buurt van de verwarmingselementen het grootst. Zodat de bonbeltjes hier voor het eerst ontstaan.

Waarom treedt het probleem meer op bij koe lers die 1 anger Z J J n dan 2. •. ') meter? [Ie so laeermethode van een Koeler die kielner is dan 2.5 meter is anders dan die van een grotere. Een klelne koeler kan verticaal

gesoiaeerd woraen. zodat het capilair en de zwaarte-Kracht er v~~r zorgen dat het soldeer In de spleet

loopt. Een grote koeler wordt daarintegen schuin

gesoldeerd. Als het capilair slecht van vorm is komt er geen soldeer boven in de verb1nding.

Om te verifi~ren of de verbindingen werkelijk slecht gevuld zljn met soideer. worden van 3 lekke verbindingen

3 Microscopisch onderzoek

Een aantal lekke verbindingen worden onderzocht of het soldeer werkelijk slecht is doorgevloeid in het

capi-lalr. Hiervoor is het noodzakelijk dat er preparaten van de verblndingen worden gemaakt. Maar alvorens dit gebeurt worden de verbindlngen goed aan de binnenzijde van de pijp bekeken. Wanner de verbindingen goed gevuld zijn dan moet er een soldeerkraal OP de rand van het bochtstuk naar de pijp zitten (zie FIGUUR 1) .

rQT01,l~

SOLD£ E R. KR41 fI L

I

P\d-

p

FIGUUR 1

Deze kraal is echter maar gedeeltelijk op de rand aanwezlg en waar deze aanwezig is, is iets meer naar het midden van de verblnding toe een bobbeltje zicht-baar.

Twee preparaten tonen de verbindlng In de lengterich-tlng en een preparaat toont de rlchting daar loodrecht op. De soldeerspleet op dit laatste preparaat is zeer kleIn. Zelts zo kleln dat onder de microscoop op een

aantal plaatsen geen spleet is waar te nemen tussen het bochtstUK en de PljP. VP deze plaatsen is ook geen

soldeer aanwezlg.

De twee preparaten in de lengterichtlng tonen een doorsnede van een bobbeltje. Het enige wat daaraan opvalt is dOL er losse koperdeeltJes in de holte zltten. Verder 1S er aan weerszijde van de holte soldeer aanwezlg. Bet soldeer hecht zo goed aan het Koper da~ de holte NIET groter wordt doordat de soldeer-naad openscheurt maar dat de holte in het Koper verder groelt. Dat er aan weerszijde van het bobbeltje een goede sOldeerverbina1ng is. is in Qvereenstemm1ng met net 'nevrleZ1ngSmodel" van pagina 4. Het bobbeltje ontstaat JUlst op dle plaatsen waar het vocht blJ bevrlezen nlet kan uit zetten ln de richting van de spleet.

De andere zlJde van de verbindingen geven een beter beeld van wat er slecht 1S aan de verbindingen

(Foto 1.2,3). De toto's geven een beeld van de rand van de verbind1ng (zie FIGUUR 1) .

, .

'.

'..

. ..

" . : .

.--

' "

.

'" .. .. . ' . . ~ ...

_.

. . : ... •...

:

..

.'

..

.'

.

.

. , • ' . :-e :

...

., , ,

,.,

. ' .

..

""..

..'

""

" ; ,

.

Foro 1

Op foto 1 IS dUldeliJk een spleet te zien die niet gevuld is met soideer, De spleet 1S ongeveer 4 rom lang. GeZlen ae vorm van de spleet (beide zijden passen

preCles In elkaarl 1S het mogelijk dat bij het maken van het preparaat de spleet ontstaan is. Oorsprokelijk hebben de belde ziJden tegen elkaar gelegen.

Fota 2.3 tonen een halte dat (nog) geen bobbeltje is. De holte 1S 2 mrr! lang en maximaal 0.16 mm breed. Op

beltie toto s 1S lags de rand van de holte geen soldeer aanwezlg, Met de aanduidingen A en B worden twee Kleine solaeerkralen aangegeven. De uitstulping aan de rand van het bochtstuk (het gebied A,B) is een braamrand van het bochtstuk.

.

...

.. ~

....

-'

.

..

"

.,

\ ." .... . .

'.

.

. '"

_-..;=_ ...

....,ILAir- •• _ ' . - . . , . . , " , , " '" .

.

_". Op foto tjes Ook 3 B zo A en nemen. t· , ,

-,'

,

..

.

..

-# " ' ,

.

t' ~~ ... ", . " , ~ , .... " '

..

, " I' ,-- t1 , , .' , . ' -.~/ . ' . '

...

T·~~. . , zit is op klein in de deze kan " .-"rI' : .... ~ ,.-;-.. ...

FOTO 2

losse koperdeel-spleet tussen meer is waar te holte verscheidene

foto te zien dat de zijn dat deze niet

: .. , y .

.

" \ . ." ,.' ' . r· .. ~.

FOTO 3

Conclusiee uit het mlcroscoplSch onderzoek ZlJn dat: - het soldeer 1S niet overal goed doorgevloeid.

ae soldeerkraal maar gedeeltelijk aanwezig is,

- op somm1ge plaatsen de spleetbreedte zeer klein is. de spleetbreedte niet constant is. maar soms

toeneemt en daarna aineemt.

- e1' losse koperdeeltjes tussen de te verbinden delen zitten.

4 Het soldeerproces

Om inzicht te krijgen hoe een soldeer proces verloopt wordt een model opgesteld die het vullen van een spleet beschrijft. Twee aspecten zljn bIj het vullen van de SPleet van belang. Ten eerste of OP aile plaatsen wel soldeer kan Komen en ten tweede met welke snelheid dit gebeurt.

Een nauwe spleet is in staat om een vloeistof aan te trekken . Dit verschijnsel wordt adhesie genoemd. De mate waarin een spleet In staat is om een vloeistot aan te trekken wordt bepaalt door een aantal factoren. Deze zij n:

n..

[N/m]

rw

[N/mj

n ..

w IN/m1

a (mj

de oppervlakte-energie van de vloelstof, de oppervlakte-energie van de SPleetwand, de opperviakte-energie tussen de vloeistof en de sPleetwand.

de spleetbreedte.

F IGUUR 2

De zUlgkracnt van een spleet met een lengte h (zie

FU,UUR 2) is :

2. Fe - 2. rL' h. [ rw

~L

rLW ] [ 1 [

[

rw - r

L .. W ]

De factor

rL

geeft de mate van adhesle van ae

comDinatle wandmaterlaal en vloeistof weer.

Voor een goede soiaeer-wand comDlnatie IS aeze factor

De mate waarin de spleet een vloeistof aantrekt is gelijk aan de zuigkracht per oppervlakte-eenheid.

= : . : : : 0

[n", - rLW ]

~:.:::

a

n_

a

[ 2 J

Dus noe nauwer de spleet is, hoe groter de zuigwerking. Dit betekent echter nlet automatisch dat bij een

verkleinlng van de spleetbreedte ook de snelheid

waarmee het soldeer In de spleet loopt evenredig groter wordt.

Ieder vloeistof heeft namelljk een bepaalde viscosi-teit. Wanneer een vloeistof tussen twee wanden stroomt dan ontstaat In ae rIchtIng van ae stroming een

drukver-l I e s IZdrukver-le FIGUUk ~). Hoe klelner de spleetDreedte is,

hoe groter de snelheldsgradient over de breedte wordt

lDlJ de zeltae maximale snelheid) ,hoe groter het

drukverlles,is. Voor de volumestroom van een vloelstoi, dle tussen twee platen stroomt die een lengte L en een breedte h hebben, geldt:

P1 - P:;c~ Q 12o_uo_L [ 3 ] Q [m?/s] volumestroom u [N,s/m2 J viscositeit van de vloeistof P1 - P2 [N/m2) het drukverlies over de lengte L

FIGUUR 3

De snelheid waarmee het soldeer vloeit krijgt men door voor het drukverlies P1 - P2 de zuiging 6P te nemen.

Q

v ...

-

---·a~ ~

---- __

[ 4 ]

a· h 12°/J.·L

met V [m/s) de vloeistofsnelheid De snelheid waarmee het soldeer vloeit wordt bepaald door de afmetingen van de spleet (aiL) en door de

so Ideer e 1 genschappen (H.ju). Hoe nauwer de sp lee't is

noe lager ae vloeisnelheid is.

Met het model kan ook worden aangetoond waarom een onregelmatige spleetafstand vaak leidt tot holtevorming. Twee sltuatles worden met elkaar vergeleken. Situatie A

is een spleet met een constante breedte b en een lengte L (zie FIGUUR 4a). Situatie B is een spleet met twee breedtes namelijk a en b (zie FIGUUR 4b). Allebei de verblndlngen worden aan de linkerzljde voorZlen van soldeer.

Volgens formule [ 3 J is de snelheid VA gelijk aan: b

n ...

VA _ . -Q De snelheid Va ,.. a _ _ _ _ _ " _ _ _ _ _ _ _ _ _ =: - - - [ 5 1 b

De verhoudlng tussen de snelheden VA en V. is gelijk aan

V/.~ a~

- [ 6 ]

V'B b..!!.

Dit betekent dat als a - 0,01 en b - 0,2 dat VAIV. -8000

De benodlgtie soldeertiJd. is bij een constante spleet-breedte 6000 keer Kleiner dan bij een onregelmatige

s~leetbreedte. In de praktijk betekent dit dat in

situatie B de spleet niet wordt gevuld.

Hoe kan men deze theorie in de praktijk toepassen? Stel dat een soldeerverbinding slecht blijkt te zijn. De oorzaak daarvan kan zijn:

-vervuilde of sterk geoxideerde soldeeroppervlakken, -On]Ulste verhitting,

-verkeerde type soldeer.

-slech~e caPllalr tussen de te verbinden delen. SOITlInl ge prob 1 emen kunnen a lleen worden opge lost door ae oorzaak weg te nemen. Bljvoorbeeld wanneer de

soldeeroppervlakken erg vUli zijn trw is klein) dan kan na net nnnigen van de oppervlakken (rw is groot] toch een goeae verDlnding ontstaan.

Er zijn echter ook problemen die ontstaan door een comrnnatle van een aantal factoren. Als men 1 of meerdere factoren veranderd kan men het probleem

oPlossen. ten voorbeeld volgt om dit te verduidelijken. Stel dat een soideerspleet slecht gevuld is door een te

lage vloelsnelneld van het soldeer. Men kan dit probleem oplossen door :

-langer te verhitten.

-een minder visceus soldeer te gebruiken

tr. ..

lu

groter nemen) ,

-de caPllaire afmetingen te veranderen taiL groter nemen) .

-de capilaire afmetingen beter te beheersen lvermijden van holtevorming) .

Welke oplossing het meest rendabel zal ZlJn is afhanke-lijk van de situatie. Het veranderen van de huidige situatie brengt meestal extra Kosten met zich mee

(bijvoorbeeld een langere verhittingstijd betekent een lagere produktiesnelheid). De gekozen oplossing moet dus een afweging zijn tussen de extra gemaakte kosten en de daarmee bereikte vermindering van uitval.

De bovenstaande beschouwing lS van toepassing OP

de soldeerproblemen bij de koeler. Uit het microscopisch onderzoek blijkt dat het solaeer slecht In de spleet is doorgevloeid. Dlt heeft een tweetal oorzaken. Het

koper-fosior solaeer waarmee men werkt. heeft een hoge Viscosltelt. Tevens varieren de afmetingen van het

capilair zeer sLerk. Het is te verwachten dat de . solaeersneiheld erg laag is. Men kan trachten 1 van de oorzaKen weg Le nemen.

Wanneer het bedrijf beslult om een minder visceus

soldeer te gaan gebruiken dan moet Zlj zeIt een soldeer-keuze maken. Dit omdat het bedrijf beter weet welke

andere eisen nog aan het soldeer gesteld worden.

Als men de variaties in de afmetingen wil verminderen dan moet men zlch eerst afvragen hoe die variaties

ontstaan. Er zijn een aantal afwijkingen. namelijk

maatafwijkingen tussen de 2 pijpeinden lzie FIGUUR 5) en vormafwljkingen van het bochtstuk (zie FIGUUR 6) die hier voor verantwoordelijk zijn.

De vormafwijkingen van het bochtstuk zijn:

een braamrand aan de ulteinden (Zle foto 2 en 3), - de scheefstelling van de uiteinden (oW in FIGUUR 6)

90lvlngen In de uiteinden loV in FIGUUR 6} .

De maatafwljking 6T kan worden verkleind door blj het opwijden van de pijpeinden deze tegelijk t.o.v. elkaar te calibreren. De gevolgen van de maatatwijking 6T kunnen worden verkleind door de pijpeinden meer op te w1Jden. Als namelijk de spleetbreedte groter is heert de afwljking 6T hler relatief minder invloed oP. De gevolgen van de maatatwijking 65 kunnen worden vermin-aerti door de insteekdiepte van het bochtstuk in de pijp te verkle1nen. r:.:.:':: I I \

FIGUUR7

Om te achterhalen welke afmetlngen van een caPllalr oPtimaal ziJn , is het In ieder geval raadzaam om

soldeerproeven te doen. In zo'n proef soldeert men een aantai verbIndlngen met vari~rende spleetbreedte

to,l ... O,4 mm diameterverschil). en lengte(2 ... 5 mm) en

beoordeelt daarna hoe goed het soldeer gevloeid heeft. Dlt iaatste kan men doen door te kijken of er een

soldeerkraal op de rand van de verblndlng aanwezIg IS

5 Conclusies en aanbevelingen

- De bobbeltjes op de verbindingen ontstaan door het bevrlezen van "water" in de verbindingen.

- Het "water" komt in de verbindingen omdat het caPllalr van de verbindingen niet volledig gevuld is met

soldeer.

Het soldeer is slecht in de verbindingen doorgevloeid omdat het soldeer te visceus is en omdat de afmetingen van de soldeerspleet sterk vari~ren. Dit heeft tot gevolg dat de vloeisnelheid van het soldeer laag is. - Een soldeerverbinding die beter met soldeer is gevuld

kan worden verkregen door een minder visceus soldeer te gebrU1Ken en/of de aimetingen van" de spleet te verbeteren.

- Om te achterhalen welke afmetingen van een verbinding blj een bepaald type soldeer optimaal zijn. is het raadzaam om soldeerproeven te doen waarbij de afmetin-gen worden gevariSerd.