DE202005012646U1

DE202005012646U1 - Lotpaste zum Hartlöten von Lamellenschichten und deren passgenauen Montage

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Publication number: DE202005012646U1
Application number: DE200520012646
Authority: DE
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Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2015-08-12

Abstract

Lotpasten zum Hartlöten für den verlustfreien, steuerbaren Auftrag für in Schichtungen zu verlötenden Lamellenkörpern, wie sie als Wabenkörper in Kühlern, Reaktoren, Wärmetauschern, Honeycomb-Einlaufbeläge und zur Abgasreinigung genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotpasten eine Gel-Sprung-Temperatur besitzen und dadurch nach der Wärmeapplikation beim Abkühlen spontan gelartig-feste Lötmetallschichten ergeben, die über ein hohes Wasserrückhaltevermögen verfügen, somit lange verformbar bleiben, so dass eine passgenaue und von der Taktzeit weitgehend unabhängige Montage der erfindungsgemäßen Lotschichten möglich ist, da sie die Höhengeometrie des Bauteils nicht verändert und zudem eine nahezu emissionsfreie Verlotung im Hochvakuum möglich ist.

Description

Lotpasten zum Hartlöten für den verlustfreien, steuerbaren Auftrag für in Schichtungen zu verlötenden Lamellenkörpern, wie sie als Wabenkörper in Kühlern, Reaktoren, Wärmetauschern, Honeycomb-Einlaufbeläge und zur Abgasreinigung genutzt werden. Die erfindungsgemäßen Lotpasten besitzen eine Gel-Sprung-Temperatur und ergeben dadurch nach der Wärmeapplikation beim Abkühlen spontan gelartig-feste Lötmetallschichten, die über ein hohes Wasserrückhaltevermögen verfügen, wodurch sie lange verformbar bleiben, so dass eine passgenaue und von der Taktzeit weitgehend unabhängige Montage der erfindungsgemäßen Lotschichten möglich ist, da sie im Gelzustand die Höhengeometrie des Bauteils nicht verändern. Zudem sind die Pasten frei von organischen Lösemittel und ermöglichen eine nahezu emissionsfreie Verlotung im Hochvakuum.
Beschreibung
Die Vakuumlöttechnik eignet sich ausgezeichnet zum stoffschlüssigen Verbinden von metallischen Werkstoffen, insbesondere für Wabenkörper, wie sie für Katalysatorreaktoren in Verbrennungskraftmaschinen benötigt werden. Es ist bekannt, dass sich die Herstellung von Katalysator – Reaktoren für Verbrennungskraftmaschinen durch Verlotung von gewellten Blechen in der Praxis als sehr problematisch darstellt und demzufolge eine Reihe gezielter Methoden und Verfahren entwickelt wurden.
Zur metallischen Verbindung der Blechlagen werden mehrschichtige Wabenkörper einem Lötvorgang unterzogen. Dazu ist das Vorhandensein einer exakt definierten Menge von Lötmaterial zwischen den zu verlotenden Materialsegmenten erforderlich. Zu große Lotmengen führen, wie auch zu niedrige Materialmengen zu Verbindungs- und Gefügestörungen der metallischen Verbindungen.
Die in der Löttechnik eingesetzten Lote sind auf die zu verbindenden Metalle abgestimmt. Ni – Basislote sind in der Vakuumlöttechnik zur Erstellung hochbelastbarer Edelstahl- und Superlegierungsverbunde weit verbreitet, da sich grundwerkstoffähnliche Eigenschaftsmerkmale erzielen lassen. Die Vakuumatmosphäre verhindert eine Wechselwirkung der Lot- und Grundwerkstoffe mit der Umgebung. Von großem technischen Interesse ist das Vakuumlöten auch deshalb, weil es hochwertige Fügeverbunde zwischen gleichartigen und ungleichartigen Werkstoffen erlaubt und gleichzeitig auf den Einsatz von Flussmittel verzichtet wird.
Der eingesetzte Lotwerkstoff kann, je nach geometrischer Ausführung der Bauteile, als Draht, Folie, Pulver oder Paste appliziert werden. Lotwerkstoff und Auftragsort bestimmen Art und Weise des Auftrags. Die Erfindung beschäftigt sich mit der Entwicklung von Lotpasten, die insbesondere über einen Walzauftrag appliziert werden und zur passgenauen Montage von zu verlötenden Lamellenschichten für Wabenkörper genutzt werden.
Die Nutzung von pulverförmigem Lotmaterial wird in den Veröffentlichungen DE 29 24 592 A1 , DE 36 03 882 A1 , DE 37 26 502 C2 , DE 42 31 338 A1 , DE 44 16 539 C1 , DE 100 55 650 A1 , DE 101 56 456 A1 , DE 102 00 069 A1 , DE 196 11 396 A1 , GB-PS 13 34 683, WO 94/06594 A1 beschrieben. Allen diesen Beispielen ist gemeinsam, dass man mit Hilfe „klebriger Binder", die man in einem ersten Arbeitsschritt auf das zu verlötende Objekt aufträgt, in einem nachgeschalteten Schritt das pulverförmige Lot durch verschiedene Technologien temporär auf die Teileoberfläche haftend aufbringt, so das dieses verklebt und später im Vakuumofen die Verlotung vollzieht.
Diese Methode besitzt eine Reihe von Nachteilen. Sämtliche öffentlich gemachten Verfahren, die auf dem Prinzip der nachträglichen Pulverbestäubung beruhen, benötigen eine Feuchtvorbehandlung bzw. eine klebende Haftschicht auf der Kontaktstelle der Metalloberfläche. Die daraus resultierenden wesentlichen Nachteile sind: a) Eine gewichtsmäßige Steuerung der anhaftenden Lotmenge ist nicht möglich, da immer nur eine Monolage an Teilchen an der klebenden Oberfläche haften bleibt. Die Erhöhung der Metallmengen, die unter Umständen bei höheren Spalten und Kapillaren erforderlich wäre, scheidet üblicherweise damit technisch aus. Werden höhere Metallmengen erforderlich, muss das Metall in der Binderschicht zunächst benetzen und anschließend „versinken", ein technisch äußerst schwierig zu steuernder Prozess. Und b) verschiebt sich das effektive Verhältnis Binder/Metall prozentual zu erhöhten Binderanteilen und damit in der Folge zu erhöhten Zersetzungsemissionen. Üblicherweise liegt im zweistufigen Verfahren ein Binder/Metalllotverhältnis von ca. 1:10 vor, das bedeutet 10% des aufgetragenen Materials muss sich beim Lötprozess abbauen bzw. hinterlässt große Mengen Crackprodukte, da es unter Vakuum nicht zur finalen Verbrennung kommen kann.
Da das Lotpulver nicht nur unmittelbar nach dem Binderauftrag haften soll, verwendet man im allgemeinen Binder, die möglichst „nie" trocknen. Der Binder ist demzufolge in der Regel so ausgerüstet, dass er hohe Anteile organischer, nicht flüchtiger Substanzen, die meist zudem noch hygroskopisch sind, enthält. So besteht das Problem, dass nach dem Auftragen des Binders das so vorbereitete Metall mit Vorsicht weiterverarbeitet werden muss um das Lot samt Binder nicht wieder zu entfernen. Bei zu starker oder zu früher Vortrocknung vor dem Vakuumlöten nimmt entweder der Binder erneut Feuchte aus der Umgebung auf, oder es treten Lotverluste beim Weiterverarbeiten ein.
Enthält der Binder organisch flüchtiges Material (VOC) und wird damit unempfindlicher für das spätere Handling, sind diese Substanzen wiederum für Mensch und Umwelt, als auch für die Atmosphäre im Lötofen schädlich.
Nachteilig ist weiterhin, dass die Binderschicht schon vor dem Schmelzen des Lotes verkoken kann und damit eine schädliche Zwischenschicht bildet, die das Anhaften des Lotes verhindert. Die Menge an organischen Anteilen bestimmt weiterhin die im Vakuumofen anfallenden Crackprodukte. Sie führen generell zur unerwünschten Verunreinigung des Ofens und damit auch zu Qualitätseinbußen, verbunden mit hohen Wartungskosten.
Ein Lotauftrag in Pulverform ist zudem nur auf die Oberseite des Objektteils möglich, wenn nicht Blaseinrichtungen verwendet werden sollen, die das Lotpulver von unten her gegen die Lamellen schleudern, was aber zu einer unhomogenen Auftragung des Lotmaterials führt. Nachteilig ist ferner, dass bei der bekannten Herstellungsmethode die aufzutragenden Schichten wegen der Notwendigkeit der Binderschicht und der Lotmaterialschicht verhältnismäßig dick sind, so dass der Durchmesser von gewickelten Trägerkörpers zunächst unnötig vergrößert wird, im Vakuumofen dann aber zu einem Schrumpfen führt, was die Einhaltung von Maßtoleranzen erschwert.
Es sind auch noch andere Verfahren, die mit reinem Metallpulvern arbeiten, bekannt gemacht, so arbeiten DE 29 54 174 C2 , DE 37 11 626 C2 mit Flamm- bzw. Plasmaspritzen.
Die genannten Nachteile führten zur Überlegungen andere Lot-Materialien einzusetzen. So beschreibt die DE 36 34 235 C1 , DE 42 15 986 A1 , DE 42 31 338 A1 , DE 197 25 177 C1 die Verwendung von Lotdrähten, -bändern, -schnüren und -folien, deren Kosten die Fertigung verteuern.
Abgesehen davon, dass diese Lotmaterialien selbst nur sehr aufwendig und kostenintensiv herstellbar sind, sind auch hier Grenzen der Anwendung bekannt. Diese sind zunächst in der räumlichen Geometrie des zu verlötenden Objektes zu suchen. So eignet sich ein Band oder Draht hervorragend zur Wicklung eines Bauteils. Hauptanwendung der Lotfolie sind dagegen bevorzugt ebene Geometrien. Üblicherweise sind aber gerade die Berührungspunkte in den Kontaktflächen von Lamellenkörpern keine ebenen Flächen. Die konstruktiv natürliche Grenze ist dort zu suchen, wo eine zu geringe Materialmenge an Lotmetall aufgrund der Grenzflächenspannung in der Schmelze nicht mehr ausreichend an der Lotstelle vorhanden ist, oder wo zu große Abstände zwischen Wellenberg und Wellental innerhalb der Lamelle existieren. Ein wesentlicher Punkt, der gegen den Einsatz von Folien spricht, ist deren komplizierte und technische aufwendige Herstellung und der damit verbundene hohe Preis, der volkswirtschaftlich wesentliche Massenprodukte, wie sie Kühler und Reaktoren darstellen, unsinnig verteuert. Die Verwendung von Lotfolien, Bändern oder Draht bedingt, insbesondere bei vielschichtigen Lagen eine „Vergrößerung" des Bauteils, wobei die Vergrößerung nach dem Verlöten durch Setzen entfällt. Zwischen den Blechlagen kommt es dann während des Lötprozesses zu Vorspannungsverlusten des Wabenkörpers, so dass zwischen den Blechlagen teilweise keine Lötverbindungen entstehen. Verbunden ist dies mit einer unkontrollierten Veränderung der Raummaße, eine passgenaue Verlotung ist erschwert.
Als Lotmaterial der Wahl erscheint die Pastenform, da nur diese ein auf Ort und Menge gezielt steuerbaren Materialauftrag ermöglicht. Einstufige Auftragsverfahren tragen eine Metalllotpaste in gewünschter Schicht auf die vorgesehene Kontaktstelle auf.
Die DE 29 24 592 A1 und DE 36 03 882 beschreiben auch die Verwendung von Lotpaste, d.h. die Verwendung von Binder/-Lotmetallgemischen. Auch die DE 29 54 154 C2 nutzt diese Materialform.
Das Aufbringen von Lotpasten als alleiniger Arbeitsschritt gestattet die gezielte Erhöhung des Lotmetalls an der zu verlötenden Kontaktstelle beliebig. Eine Steuerung der Lotschichtdicke und damit auch der Menge an Metalllot ist durch Lotpasten und Lotsuspensionen leicht möglich. Die oben beschriebenen Nachteile des organischen Binders gelten prinzipiell auch für ein Binder/-Lotmetallgemisch. Intensive Bemühungen, insbesondere aus umwelt- und ökologischen, aber auch arbeitshygienischen und technologischen Überlegungen, haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass die am Lötort verbleibenden Metallkonzentration > 99% liegt. Das GB 20 2004 014 393.3 beschreibt die Nutzung von absolut VOC-freien, ausschließlich auf Wasser basierenden Metallpasten, mit einem verbleibenden Metallgehalten von > 99,9%. Dort werden als Auftragsverfahren für Lotpasten alle üblichen Applikationsverfahren auf ein Substrat genannt, z.B. Spritzen, Schleudern, Drucken, Rollen, Walzen, Streichen, Rakeln, Gießen, Tauchen usw.
Die DE 3603882 beschreibt ein Sprühverfahren, die DE 2954174 erwähnt zusätzlich das Einpressen der Lotpasten in die Stirnwände der Abgasreaktoren.
Die DD 247 790 beschreibt ein Verfahren, in dem das Objekt auf einen Tauchkörper gedrückt wird, auf dem sich ein Lötpastenkissen befindet. Die Höhe des Lötpastenkissens wird mit einem Rakel eingestellt.
Die prinzipielle Möglichkeit des Auftrags durch Walzen zeigen DE 2924592 , DE 2954174 auf. Nach den zuletzt erwähnten Schriften ist der Auftrag von Lotpasten durch Walzauftrag als bekannt vorauszusetzen, wobei der Auftrag sowohl auf das glatte Blech, als auch auf die Lamellenkuppen beschrieben wird. Beschrieben und beansprucht werden jedoch nur aus glatten und gewellten Blechen miteinander verwickelte Matrixstrukturen. Wenn die Applikation und Montage einer verwickelten Lamellenmatrix im Nasszustand der Paste und in einem Bauteil erfolgt, erfolgt diese in den erfindungsgemäß beanspruchten Bauteilen im weiteren Fertigungsverlauf in gestapelten Strukturen selektiv und im gelartigem Zustand. Hierfür konnte bis heute keine praktikable Lösung mittels Walzauftrag gefunden werden. Arbeitet man bei der Fertigung von Lamellenstapeln nach der Methode der DE 2924592 ist durch die veränderte Bauteilegeometrie eine passgenaue Apparatekonstruktion ausgeschlossen.
Der heutiger Stand der Löttechnik bei Nutzung von Metallpulver, Folien, Draht, Band und Paste ist aus den oben genannten Gründen als unbefriedigend einzustufen. Ein universeller Einsatz von Paste scheiterte bisher auch an den hohen organischen Bindergehalten.
In Summe zeigen alle heute bekannten Verfahren und Lotpastenzusammensetzungen, dass durch hohe Bindermengen gute Haftung entsteht, der anfallende hohe organische Crackanteil jedoch eine Anwendung für Massenprodukte im Vakuumofen ausschließt. Gleiches gilt für die Verwendung wässriger Pasten mit hohem organischem Binderanteil oder nichtflüchtigem Lösemitteln. Verwendet man wässrige Pasten mit niedrigen Binderanteil, resultieren nach der Trocknung Schichten mit > 99% Metallpulver. Sie bilden nach der Trocknung hohe Schichten die beim Montieren vom Objekt abplatzen bzw. werden beim mechanisch erforderlichen Handling abgerieben. Lötfehler sind die Folge. Die alternativ beschriebene Nassmontage lässt ein zeitlich zu kurzes Montagefenster zu.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine hocheffektive Lötverbindung zwischen den Lamellenblechen und Blechlagen metallischer Wabenkörper aufzufinden, die die bekannten Nachteile nicht aufweist. Aufgabe war es weiterhin, Lotpasten bereitzustellen, die bei einem verlustfreiem Auftrag, eine exakte mengenmäßige Dosierung und eine zielortsgenauer Platzierung zulassen, ohne das die aufgetragenen Schichten die Höhengeometrie des Bauteils verändern. Ideal wäre es, wenn das aufgetragene Pastenmaterial einen zeitlich langen Montagezeitraum zulässt. Zusätzlich soll durch die Pastenform und Technologie des Pastenauftrags eine passgenaues Zusammenfügen aller Bauteile möglich bleiben, wie dies insbesondere in hohe Schichtfolgen an zu verlötenden Lamellenkörpern bisher nicht möglich ist. Ein weiteres Ziel ist die passgenaue Montage jedweder Lamellengeometrie. Hierzu müssten sich Pasten die im Montagezustand elastische, gummiartige Eigenschaften aufweisen hervorragend eignen.
Diese Zielsetzung wird durch die erfindungsgemäße Lotpaste und deren verlustfreien und steuerbaren Auftrag für in hohen Schichtfolgen zu verlötenden Lamellenkörpern erreicht. Die mit der erfindungsgemäßen Paste aufgetragenen Schichten verändern die Höhengeometrie des Bauteils nicht und erlauben durch die über eine längere Zeit verbleibende Plastizität und Elastizität die passgenaue Montage im Nass- und Gelzustand. Derartige beschichtete Objekte werden als Wabenkörper in Kühlern, Reaktoren, Wärmetauschern und zur Abgasreinigung z.B. in Kraftfahrzeugen genutzt. Auch andere Anwendungen bei vergleichbar feinen Blechstrukturen sind möglich.
Kernidee der beanspruchten Erfindung ist es, wässrige Lotpasten zu nutzen, die bei Raumtemperatur praktisch elastisch und gelartig fest sind, bei Applikationstemperatur jedoch flüssig und in walzbarer Rheologie vorliegen. Überraschenderweise gelingt dies mit Materialien, die einen charakteristischen Gel-Sprung besitzen, d.h. wird eine bestimmte Temperatur unterschritten, geliert die Masse gummiartig. In diesem Zustand reduziert sich aufgrund des gebildeten Gitternetzes die Verdunstung extrem. Das aufgetragene Material bleibt über einen langen Zeitraum deformierbar und eventuellen Montageschritten verfügbar erhalten. Erhöht man die Temperatur verflüssigt sich das Medium.
Die erfindungsgemäßen Pasten nutzen als Bindersubstanz organische Bindemittel, sofern sie wasserlöslich, wasseremulgierbar bzw. wasserdispergierbar sind und eine Gel-Sprungtemperatur besitzen. Als geeignete Basismaterialien mit Gel-Sprung bietet sich insbesondere Gelatine und seine chemischen Modifikationen an. Diese bilden in Konzentrationen von 0,2–5%, bevorzugt 0,5–1 % bezogen auf Metall bei Raumtemperatur gelbildende feste Filme, die eine ausgezeichnete Wasserrückhaltung aufweisen, nach dem endgültigen Trocknen jedoch trockene festhaftende Schichten auf dem Untergrundsmaterial ausbilden und im Hochvakuum verlötbar sind.
Die erfindungsgemäßen Pasten mit Gel-Sprung-Temperatur zeigen gegenüber dem Stand der Technik wässriger Lotpasten ein deutliche verbessertes Wasserrückhaltevermögen (Zeichnung 2).
Bevorzugt geeignete durch Walzauftrag aufzubringende Pasten stellen Binder-Polymer-Kombination dar und besitzen eine Gelatine-Konzentration von < 5%, bevorzugt < 2%, besonders bevorzugt < 1 % bezogen auf Metall. Zur Kombination bieten sich organisch wasserlösliche Polymere an, die mit Gelatine und ihren Abkömmlingen verträglich sind. Es eignen sich alle wasserlöslichen Polymere, die Amino-, Carboxyl-, Hydroxyl-, Urethan-, Pyrolidon-, Harnstoffgruppen aufweisen, und als in Wasser löslichen Verdickungsmitteln genutzt werden.
Die erfindungsgemäßen Pasten sind frei von organischen Lösemitteln und können ohne den Einsatz organischer Lösemitteln zu funktionsfähigen Schichten verarbeitet werden. Die erfindungsgemäßen Pasten sind mit Wasser verdünnbar. Im Bedarfsfalle sind sie während der Verarbeitung, z.B. bei der Reinigung der Verarbeitungsanlagen, durch Wasser leicht zu entfernen und erfordern somit nicht die Anwendung von organischen Lösemitteln. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Pasten geruchsneutral und unbrennbar. Ökologische Beeinträchtigungen, wie sie zum Teil bei den derzeit eingesetzten Pasten bemängelt werden, sind bei den erfindungsgemäßen Pasten nicht zu erwarten.
Die erfindungsgemäßen Pasten können dadurch hergestellt werden, dass man die pulverförmigen Metall-Materialien im wässrigen Binder auf eine bestimmte Viskosität einstellt, wobei deren Charakteristik durch die Auswahl der Kombination gelbildendes Polymer (Gelatine) und organischem Bindematerials und seiner wechselseitigen Konzentrationen bestimmt wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, die rheologischen Eigenschaften der Pasten zusätzlich durch oberflächenaktive Netzmittel zu beeinflussen, auch um die Benetzung auf dem Substrat zu verbessern.
Gegenstand dieser Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Pasten. Primär sind sie zur Belotung von Metallen, insbesondere Stahl, Edelstahl und Superlegierungen hervorragend geeignet. Die erfindungsgemäßen Pasten sind bevorzugt für den Walzauftrag entwickelt worden, doch lassen sich übliche Applikationsverfahren wie z.B. durch Spritzen, Schleudern, Drucken, Rollen, Walzen, Streichen, Rakeln, Gießen, Tauchen usw. ebenfalls anwenden, sollte es gewünscht sein, den Effekt des Gel-Sprungs zu nutzen.
Das Aufwalzen von Lotmaterial mit Gel-Sprung-Temperatur erfolgt bei Temperaturen oberhalb des Gelpunktes. Das Aufwalzen einer definierten Menge Lotpaste kann als das optimale Verfahren zum ökologisch sicheren und dosiergenauen Auftrag des benötigten Materials angesehen werden. Die Lotpaste kann sowohl auf glatten Flächen als auch auf strukturierten gewellten, geschichteten oder geschlungene Blechlagen aufgebracht werden, wobei ein Auftrag auf die Lamelle bevorzugt anzustreben ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Lotmaterial beim Schmelzvorgang sich direkt am Lötort befindet und keine zusätzlichen Wege zu überbrücken hat. Der Materialauftrag ist mengenmäßig einwandfrei und kontinuierlich steuerbar. Durch differenzierende Rotationsgeschwindigkeiten der Transport- und der Auftragswalze, sowie der Durchlaufgeschwindigkeit an sich, sind alle technisch gewünschten Lotmengen auftragbar. Die Auftragsprofile der Pasten unterscheiden sich weiterhin durch ihre Rheologieeinstellung im low shear- und im high shear-Bereich.
Nach dem Walzvorgang erfolgt nach Unterschreitung der Gel-Sprung-Temperatur ein spontanes „Einfrieren" der aufgetragenen Lotmasse. Das Gelieren lässt sich durch Kühlfallen in wenigen Sekunden erreichen.
Je nach Basisrheologie, Applikationsparameter und Trocknungsbedingung lassen sich auf den Lamellen unterschiedliche Lotauftragsprofile erzeugen, wobei die Seitenschnitte des Pastenauftrags innerhalb der Grenzbereiche des Typs 1 und 2 der Zeichnung 1 anzutreffen sind. Im Gegensatz zum flachen Profil des Typs 1 zeigt der Typ 2 ein kammartige Erhöhung der Lotschichten nach dem Trocknungsvorgang. Bestimmend für das Entstehen von Schichten entsprechend Typ 1 und 2 sind die Rheologischen Profile der Pasten, wobei Typ 1 insbesondere bei newtonschen Flüssigkeiten, Typ 2 bei strukturviskosen Flüssigkeiten auftritt.
Typ 3 zeigt eine analog aufgetragene Lotschicht mit Gelsprung-Temperatur, die bis zur Montage in einem elastisch verformbarem Gelzustand vorliegt und nach der Montage des Bauteils an die Lamellenkante durch Verpressen verbracht wird. Die erfindungsgemäße Lotpaste befindet sich damit exakt am zu verlotenden Ort.
Die aufzubringende Lotmenge orientiert sich zum einem am Abstand der gewellten Lamellen zum glatten Blech, wobei dieser Abstand konstruktionsbedingt möglichst gering gehalten werden soll. Die andere Schichtdickengrenze ist vom Durchmesser der Partikelgröße des Lotpulvers in der Paste abhängig, d.h. der Durchmesser der größten Teilchen bestimmt den niedrigsten machbaren Abstand innerhalb des Schichtaufbaus. Die Teilchengröße handelsüblicher, technischer Lotqualitäten liegt entweder < 45 μm, < 53 μm oder < 106 μm. Diese Schichtstärke wird durch die Nutzung des Erfindungsgedanken erreicht. Sie entspricht dem Profiltyp 3. Eine zu erwartende Bauteileerweiterung, die durch die Anzahl der zu verlötenden Lamellenschichten bestimmt wird, ist somit durch das erfindungsgemäße Material bei seiner Applikation vermieden.
Beispiele
Beispiel 1
Das Beispiel 1 beschreibt den Stand der Technik mittels Lotfolie.
Als Referenz und Stand der Technik wird die zur Verlötung erforderliche Lotmenge durch Lotfolie zwischen Glatt- und Lamellenblech eingebracht. Dazu werden pro Lamellenschicht 2 Folien, entsprechend 10,2 g benötigt. Die Folie besitzt eine Fläche von 100 × 255 mm, bei einer Lotdichte von 4,52 g/cm³ beträgt die Foliendicke 45 μm.
Bei einem Schichtaufbau von 12 Lamellen entspricht dies bei der Vormontage einer Bauteilerweiterung von 1,1 mm.
Beispiel 2
Beispiel 2 beschreibt den Stand der Technik mittels Lotpaste. Als Stand der Technik wurde eine Lotpaste entsprechend dem deutschen Gebrauchsmusters Nr. 20 2004 014 393.3 benutzt. Die Lotpaste wurde mit einem technischen Standart-Lot von < 106 μm hergestellt. Pasten die nach diesem Verfahren hergestellt werden eignen sich hervorragend zur Beschichtung von starren Flächen, Kanten, Spalten usw., sind aber ungeeignet für bewegliche, dreh- und biegbare Apparateteile, wie dies z.B. Lammellenkörper sind. Der Grund dafür ist, dass die wässrigen Pasten nach Verdunstung kurzfristig einen Metallgehalt von > 99% erreichen und aufgrund der hohem Metall-Packungsdichte harte, spröde und nicht deformierbare Schichten ausbilden, die zudem bei Verbiegungen und Verdrehungen leicht vom beschichteten Körper abfallen.
Auf Lamellenbleche wird Lotpaste im Walzverfahren aufgebracht und im getrockneten Zustand montiert. Das im Beispiel angezogene Modell arbeitet mit einem Schichtaufbau von 12 Lamellen und bei einer Nutzung von Lotpaste mit Teilchen von < 106 μm. Allein aufgrund dieser Parameter ist eine Erweiterung der Bauteilgeometrie von mindestens 2,5 mm erforderlich. Es ist weiter davon auszugehen, dass eine durch Walzen aufgetragene Paste niemals in Monolage applizierbar ist, sondern bei kugelförmigen Teilchen üblicherweise 4–7 Teilchenlagen anzusetzen sind, d.h. es sind Bauteilerweiterungen von mindestens > 10 mm erforderlich, wie dies der Referenzversuch tatsächlich belegt.
Beispiel 3
Der Versuchsaufbau entspricht dem des Beispiels 2 und ist nur aus theoretischen Überlegungen mitgeführt worden. Im Gegensatz zu Beispiel 2 wurde jedoch die Montage unmittelbar nach dem Walzvorgang ausgeführt. Erfolgt eine Montage im Nasszustand, d.h. innerhalb kürzester Zeit ist das aufgetragene Material noch beweglich und kann an die Ränder verschoben werden. Die Praxis zeigt jedoch das derart kurze Montagezeiten nicht zu erreichen sind und zu riesigen Fehler- und Ausschussquoten führt. Bereits nach 5 Minuten Verweilzeit ist eine problemlose Höhenverschiebung nicht mehr möglich oder führt zu Fehlern im Lötgefüge. Derartig kurze Taktzeiten zur Montage sind eine technisch, logistische Hürde.
Beispiel 4
Herstellung Lösung A
In 49 g Wasser werden unter Rühren 1 g Walocel CRT 40.000 ¹⁾ eingebracht, verteilt und anschließend ein pH-Wert von 7,5–8 mittels NH₃-Lösung eingestellt. Es erfolgt ein spontaner Viskositätsanstieg durch Quellung und es resultiert eine viskose wässrige Lösung.
Herstellung Lösung B
In 91 g Wasser werden unter Rühren 9 g Gelatine GEWO ²⁾ verteilt, danach erfolgt Erwärmen. Bei > 35°C löst sich die Gelatine rasch und es entsteht eine relativ niedrigviskose Lösung. Sie wird weiter auf ca. 50 °C erhitzt.
Lösung A und Lösung B werden vereinigt. Dies erfolgt am besten bei Temperaturen zwischen 35–50°C.
Zur Herstellung einer Lotmetallpaste wurden 850 g Lotmetallpulver NICROBRAZ 6-L.C. ³⁾ mit einer Korngröße von 20 bis 106 μm mit 150 g der obigen Lösung aus A + B durch Dispergieren mittels Dissolver (1500 U/min) vereinigt und 10 Minuten dispergiert.
Eine solche Paste besitzt bei 35°C eine Viskositat von 27.000 mPas bei niederer Scherung (1 U/min) und eine Viskosität von 3300 mPas bei hoher Scherung (100 U/min).
Die Lotpaste besitzt einen Metallgehalt von 85% und eignet sich hervorragend zum Walzauftrag auf das Werkstück. Der organische Anteil beträgt 1 % bezogen auf die finale Lot-Metallschicht.
Die Lotpaste nach Beispiel 4 wird auf Lamellenbleche im Walzverfahren aufgebracht.
Unmittelbar nach dem Auftrag erfolgt spontanes Abkühlen und damit Gelieren auf dem Objektteil.
Das Beispiel arbeitet ebenfalls mit einem Schichtaufbau von 12 Lamellen und nutzt eine Lotpaste mit Teilchen von < 106 μm. Auch hier ist eine Erweiterung der Bauteilgeometrie von 2,5 mm anzusetzen. Alle eventuellen weiteren Schichterhöhungen werden jedoch durch den bei der Montage stattfindenden Pressvorgang auf diese Höhe reduziert, so dass weitere Bauteilerweiterungen auszuschließen sind.
Durch die Verpressung des Lotmaterials an die Lamellenkante ändert sich die konstruktive Höhe zwischen den Ebenen nicht. Eine passgenaue Montage des Bauteils ist möglich (Zeichnung 1, Typ 3). Die Montage des finalen Bauteils ist in einem Zeitraum unmittelbar nach Walzen und Kühlen (ca. 2 Min.) bis ca. 40 Minuten möglich (Zeichnung 2).
Beispiel 5
Herstellung Lösung A
In 98,0 g Wasser werden unter Rühren 2,0 g Walocel CRT 40.000 ¹⁾ eingebracht, verteilt und anschließend ein pH-Wert von 7,5–8 mittels NH₃-Lösung eingestellt. Es erfolgt ein spontaner Viskositätsanstieg durch Quellung und es resultiert eine viskose wässrige Lösung.
Herstellung Lösung B
In 116,2 g Wasser werden unter Rühren 13,8 g Gelatine GEWO ²⁾ verteilt, danach erfolgt erwärmen. Bei > 35°C löst sich die Gelatine rasch und es entsteht eine relativ niedrigviskose Lösung. Sie wird weiter auf ca. 50°C erhitzt.
Lösung A und Lösung B werden vereinigt. Dies erfolgt am besten bei Temperaturen zwischen 35–50°C.
Zur Herstellung einer Lotmetallpaste wurden 770 g Lotmetallpulver VITTA VB 177604-140 ⁴⁾ mit einer Korngröße von 20 bis 106 μm mit 150 g der obigen Lösung aus A + B durch Dispergieren mittels Dissolver (1500 U/min) vereinigt und 10 Minuten dispergiert.
Eine solche Paste besitzt bei 35°C eine Viskositat von 23.000 mPas bei niederer Scherung (1 U/min) und eine Viskosität von 2.500 mPas bei hoher Scherung (100 U/min).
Die Lotpaste besitzt einen Metallgehalt von 77% und eignet sich hervorragend zum Walzauftrag auf das Werkstück. Der organische Anteil beträgt 1,58% bezogen auf die finale Lot-Metallschicht.
Die Lotpaste nach Beispiel 5 wird auf Lamellenbleche im Walzverfahren aufgebracht.
Unmittelbar nach dem Auftrag erfolgt spontanes Abkühlen und damit Gelieren auf dem Objektteil.
Das Beispiel arbeitet ebenfalls mit einem Schichtaufbau von 12 Lamellen und nutzt eine Lotpaste mit Teilchen von < 106 μm. Auch hier ist eine Erweiterung der Bauteilgeometrie von mindestens 2,5 mm anzusetzen. Alle eventuellen weiteren Schichterhöhungen werden jedoch durch den bei der Montage stattfindenden Pressvorgang auf diese Höhe reduziert, sodaß weitere Bauteilerweiterungen auszuschließen sind.
Durch die Verpressung des Lotmaterials an die Lamellenkante ändert sich die konstruktive Höhe zwischen den Ebenen nicht. Eine passgenaue Montage des Bauteils ist möglich (Zeichnung 1, Typ 3). Die Montage des finalen Bauteils ist in einem Zeitraum unmittelbar nach Walzen und Kühlen (ca.2 Min.) bis > 1 Stunde möglich (Zeichnung 2).
Bei Erhöhung der Lotschichten auf > 300 μm z.B. auf 1–2 mm erhöht sich der mögliche Montagezeitraum auf mehrere Stunden.

¹⁾ Carboxymethylcellulose der Firma Wolff Cellulosics-Wolff Walsrode AG, Walsrode, D
²⁾ Gelatine GEWO der Firma Ed. Geistlich Söhne AG, Wolhusen, CH
³⁾ Metalllot (14%Cr, 74–75%Ni, 4–5%Si, 3%B, 3%Fe) der Firma Wall Colmonoy Corporation, Stephenson, UK
⁴⁾ Metalllot (14%Cr,74-75%Ni, 4-5%Si, 3%B, 3%Fe) der Firma VITTA Corporation, Bethel, USA

Die Aussage Lötergebnis positiv heisst, dass eine einwandfreie Lötverbindung ohne Störungen vorliegt; negativ bedeutet: das Lötfehler existieren, die aus Montageproblemen resultieren, weil ein passgenaues Zusammenfügen aufgrund zu hoher und zu trockenen Lotschichten nicht mehr möglich ist.

Claims

Lotpasten zum Hartlöten für den verlustfreien, steuerbaren Auftrag für in Schichtungen zu verlötenden Lamellenkörpern, wie sie als Wabenkörper in Kühlern, Reaktoren, Wärmetauschern, Honeycomb-Einlaufbeläge und zur Abgasreinigung genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotpasten eine Gel-Sprung-Temperatur besitzen und dadurch nach der Wärmeapplikation beim Abkühlen spontan gelartig-feste Lötmetallschichten ergeben, die über ein hohes Wasserrückhaltevermögen verfügen, somit lange verformbar bleiben, so dass eine passgenaue und von der Taktzeit weitgehend unabhängige Montage der erfindungsgemäßen Lotschichten möglich ist, da sie die Höhengeometrie des Bauteils nicht verändert und zudem eine nahezu emissionsfreie Verlotung im Hochvakuum möglich ist.
Lotpasten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die manuelle, mechanisierte und automatisierte Verlötung von Metallteilen durch Vakuumlöttechnik, dadurch gekennzeichnet, dass die Pasten als flüssige bis plastische Dispersionen aus Loten pulverförmiger Materialien aus der Gruppe der Metalle, Metallverbindungen und/oder deren Legierungen in wässriger Phase vorliegen und als organischer Binder wasserlösliche Polymere mit einer Gelsprung-Temperatur genutzt werden.
Lotpasten gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das die erfindungsgemäßen Pasten als Bindersubstanz organische Bindemittel nutzen, sofern sie wasserlöslich, wasseremulgierbar bzw. wasserdispergierbar sind und eine Gel-Sprungtemperatur besitzen, wobei insbesondere Gelatine und seine chemischen Modifikationen in einer Anwendungskonzentrationen von 0,2–5%, bevorzugt von 0,5–1% bezogen auf Metall genutzt wird, wobei diese bei Raumtemperatur gelbildende feste Filme ausbilden.
Lotpasten gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Polymer mit Gel-Sprungtemperatur mit weiteren wasserlöslichen Polymeren, die Amino-, Carboxyl-, Hydroxyl-, Urethan-, Pyrolidon-, Harnstoffgruppen aufweisen, und als in Wasser löslichen Verdickungsmitteln genutzt werden, kombiniert werden können.
Lotpasten gemäß den Ansprüchen 3 und 4, dass diese frei von organischen Lösemitteln sind.
Lotpasten gemäß einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Metallgehalt von 5 bis 92% aufweisen.
Lotpasten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pasten Binderpolymerkombinationen darstellen und eine Konzentration von organischem Polymer mit Gel-Sprungtemperatur von < 5%, bevorzugt < 2%, besonders bevorzugt < 1% bezogen auf Metall besitzen.