DE2757457A1 - Verfahren zum flussmittellosen hartloeten von aluminiumstrukturen - Google Patents
Verfahren zum flussmittellosen hartloeten von aluminiumstrukturenInfo
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Description
lA-2281
SUMITOMO PRECISION PRODUCTS CO., LTD., Amagasaki, Hyogo, Japan
Verfahren zu τι f luSmittello-sen Hartlöten von
Aluminiumstrukturen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flußmittellosen
Hartlöten und insbesondere ein Verfahren zum Hartlöten von groß dimensionierten Wärmeaustauschern.
Derzeit wendet man auf dem Gebiet der Hartlot-Technik in
der Hauptsache das Ofen-Hartlöt-Verfahren oder das Tauch-Hartlöt-Verfahren
unter Verwendung eines Flußmittels an. Das erstere Verfahren wird in der Hauptsache bei kleineren
Erzeugnissen angewandt, während das letatere Verfahren bei mittleren und groß dimensionierten Erzeugnissen verwendet
wird. Wenn nan ζ. Β. einen groß dimensionierten Wärmeaustauscher
durch Tauch-Hartlöten herstellen will, so wird die zusammengesetzte Struktur zunächst in einem Luftofen
auf etwa 550 0C vorerhitzt. Sodann wird die Struktur in
ein Flußmittelbad mit einer Temperatur von etwa 590 bis 620 0C
eingetaucht. Hier wird durch das Flußmittel die Oxidhaut an der Oberfläche der Aluniniumbauteile entfernt und eine
Reoxydation verhindert. Gleichzeitig werden die Bauteile innerhalb sehr kurzer Zeit auf die Hartlöttemperatur erhitzt,
und zwar dank der großen Wärmekapazität des Flußmittelbades. Bei dieser Hartlöttemperatur werden die Alurniniumbauteile
zu einem einstückigen Körper zusammengelötet. Gro3 dimensionierte Wärmeaustauscher mit einer Breite von etwa 1200 mm,
einer Höhe von etwa 1200 mm und einer Länge von etwa 7000 mm
werden derzeit nach solchen Verfahren industriell hergestellt.
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Flußmittelbäder für Hartlötzwecke enthalten jedoch im allgemeinen
in der Hauptsache Chloride und Fluoride. Diese haben eine stark korrodierende Wirkung auf Aluminiu.ii, so daß
die gebildete Struktur unbedingt nach dem Hartlöten gereinigt werden nuß. Dieses bedingt hohe Material- und Lohnkosten.
Man hat daher Bemühungen unternommen, das flußmittellose
Hartlöten weiterzaentwickeln.
Das flußmittellose Lötverfahren wird entweder im Vakuun oder
in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Die zu lötende Struktur wird im Falle der Vakuumerhitzung in einem Ofen
durch Bestrahlung erhitzt oder im Falle einer geregelten
Gasatmosphäre durch Bestrahlung und Konvektion. Der Hartlot-Zyklus
ist im allgemeinen innerhalb einer Stunde beendet, wenn der zu lötende Gegenstand klein ist (z. B. im Falle
eines Kühlers oder eines Verdampfers einer Automobil-Klimaanlage).
Wenn groß dimensionierte Wärmeaustauscher auf diese Weise gelotet werden, so erfordert der gesa:nte
Vorgang bis zu 24 h oder länger. Diese Zeit ist erforderlich,
damit der zu lötende Gegenstand die Hartlöttemperatur von 590 bis 610 0C erreicht, da die große Wärmekapazität eines
Flußmittels in diesem Falle nicht ?ur Verfügung steht.
Es v/'.u'de nun aber festgestellt daß bei einem solchen Hartlötprozeß
mit langen Aufheizperioden, welche beim flußmittellosen
Hartlöten von groß dimensionierten Strukturen erforderlich sind, Schwierigkeiten hinsichtlich des Verhaltens von Si, Mg oder
anderen Elementen im Lot auftreten.
Im folgenden sollen diese Schwierigkeiten anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer zu lötenden Struktur mit Trennplatten 1. An beiden Seiten der Zwischenräume zwischen
den Trennplatten 1 befinden sich Seitenkörper 3 und dazwischen befindet sich eine gewellte Rippe 2. Derartige Bauteile werden
zusammengesetzt und bilden den Kern eines Wärmeaustauschers.
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Normalerweise bestellt der seitliche Körper 3 aus einer
extrudierten Aluminiumstange und die Hippe besteht
aus einem dünnen Aluminiumblech mit einer Dicke von 0,1 bis
0,8 mm. Als Trennplatte 1 verwendet man meistens ein Hartlötblech. Daoei handelt es sich um ein Verbundblech aus einer
Aluminiumlegierung als Grundmetallschicht und mit Lotmaterial
auf beid.-η Seiten. Das Lotmaterial wird durch Pressen zum
Anhaften gebracht. Es ist jedoch auch möglich, ein blankes Grundmaterial einzusetzen und Folien des Lots auf beiden
Seiten desselben anzuordnen.
Wenn diese Bauteile zusammengesetzt und im Vakuum oder an
einer Atmosphäre erhitzt werden, ^o schmilzt das Lot und
es werden gemäß Fig. 2 in den Eckbereichen, in denen sich die Bauteile 1 und 2 berühren, keilförmige Lotbereiche 4
ausgebildet. Groß dimensionierte Wärmeaustauscher müssen jedoch, wie oben beschrieben, während etwa 24 h erhitzt
werden, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren
des Kerns und dem Äußeren des Kerns groß ist und etwa 100 bis 200 °C beträgt. Mehrere zusätzliche Stunden sind erforderlich,
um den inneren Kernbereich auf die Hartlöttemperatur zu erhitzen, nachdem der äußere Kernbereich bereits die
Hartlöttemperatur erreicht hat. Dies hat zur Folge, daß auf dem zunächst geschmolzenen Lot im äußeren Bereich des
Kerns, welches sich ursprünglich im eutektischen Kristallzustand
befand, Si, Mg oder andere Elemente durch Diffusion in das Grundmaterial des Trennblechs 1 oder der
Rippe 2 einwandern, so daß diese Elemente während der langen Erhitzung verloren gehen und der Lotkeil zerstört wird.
Ferner wird durch diesen Diffusionsvorgang der Schmelzpunkt
des Metalls herabgesetzt und das Metall beginnt zu schmelzen oder es erhält zumindest eine herabgesetzte Festigkeit,
so daß das erhaltene Erzeugnis sich nicht mehr als Wärmeaustauscher eignet. Derartige Defekte treten leicht bei
dünnen Blechbereichen auf. Im Falle eines Wärmeaustauschers wurde z. B. festgestellt, daß dieser Defekt hauptsächlich
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im Bereich der gewellten dünnen Blechrippe auftritt. Gewöhnlich beträgt die Dicke des Wärmeaustauscherrippenblechs
0,1 bis 0,8 mm. Dieses Blech wird zum Zwecke der Erweichung einer Hitzebehandlung unterzogen, bevor man es zur Herstellung
der gewellten Rippe biegt. Die Korngröße beträgt bei der Rekristallisierung 30 ^u oder weniger. Wenn dieses Blech
nach dem Wellen und vor dem Hartlöten einer Vorerhitzung unterworfen wird, so wachsen die Kristallkörner in dem
mechanisch bearbeiteten Bereich 6 während die Korngröße in dem mechanisch nicht bearbeiteten Bereich 5 nicht verändert
wird. Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn nun Si oder ein anderes Element des Lotes in das Aluminiummetall
eindiffundiert, so findet diese Diffusion leichter in die Korngrenzen als in das Korn selbst statt, so daß die
Elemente Si, Mg oder dgl. des Lotkeils vorwiegend in den Bereich mit kleinen Kristallkörnern 5 eindiffundieren.
Dies führt zu einem Verfall des Lotkeils und zu einem Schmelzen der Rippe.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten von groß dimensionierten
Aluminiumstrukturen zu schaffen, bei dem eine Zerstörung oder Schwächung der Aluminiumbauteile durch eindiffundierende
Lotbestandteile sowie ein damit eingehergehender Zerfall der Lotschicht verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
man die Kristallkorngröße der dünnen Bereiche oder des Rippenmaterials unmittelbar vor dem Hartlöten auf 60 u
oder darüber bringt. Dieses Verfahren ist nicht nur auf Wärmeaustauscher anwendbar, sondern auch auf Verfahren zum
Hartlöten von anderen Aluminiumstrukturen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die
Kristallkorngröße der Aluminiumbauteile, insbesondere der aus dünnem Blech bestehenden Aluminiumbauteile
zuvor auf einen durchschnittlichen Wert von 60 u oder darüber eingestellt, und zwar unmittelbar vor dem
Hartlöten. Danach erfolgt die Erhitzung ohne Flußmittel im Vakuum oder an einer nicht-oxydierenden Atmosphäre
auf die Hartlöttemperatur, wobei man eine einstückige gelötete Struktur erhält. Man erzielt mit diesem Verfahren
ausgezeichnete Erzeugnisse ohne Defekte der Lotkeile und ohne Erweichung oder Schwächung der Aluminiumbauteile,
selbst wenn man äußerst groß dimensionierte Strukturen auf diese Weise ohne Flußmittel hartlötet
und hierzu durch Erhitzen während einer sehr langen Zeitdauer auf die Hartlöttemperatur bringt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
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- y-
Es zeigen: Ay
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zu lötenden Kern eines Aluminiumwärmeaustauschers;
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Lotkeil nach dem Hartlöten;
Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch das Rippenmaterial
nach dem Aufheizen auf die Hartlöttemperatur zur Veranschaulichung der Kristallstruktur;
Fig. 4 ein Beispiel eines Erhitzungsmusters für das Hartlöten;
Fgi.5a eine Mikrophotographie eines Schnittes der Rippe des Kerns A eines Vergleichsbeispiels;
Fig.5b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Hartlötbleche:=,
des Kerns A eines Vergleichsbeispiels;
Fig.6a eine Mikrophotographie eines Schnittes der gewählten
Rippe eines erfindungsgemäßen Kerns;
Fig.6b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Hartlötbleches
des erfindungsgemäßen Kerns B und
Fig.7a, b und c Mikrophotographien von Schnitten des
Kerns A bzw. des Kerns B bzw. eines Vergleichskerns C nach dem Zerstörungstest.
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Zunächst wird der Kern eines Wärmeaustauschers zusammengesetzt. Hierzu werden Trennplatten 1 verwendet, welche aus
1,2 mm dickem Hartlötblech bestehen (Grundmaterial: 3003,
Lot: 4004; Lotdicke: 10 %; Kristallkorngröße: im Inneren etwa 50 ju). Ferner verwendet man Seitenstangen 3 (Material:
3003; Kristallkorngröße: etwa 35 ja) und Rippen 2 (Material:
3003; Dicke: 0,2 mm; Kristallkorngröße: etwa 35 ja). Diese Bauteile werden zusammengesetzt und zunächst in einem Vergleichsbeispiel
ohne Flußmittel in einem Vakuumofen gelötet, und zwar mit einem Hartlöt-Zyklus von 21 h (6h bei einer
Temperatur von 550 C oder darüber). Es wird eine beträchtliche Diffusion von Si in das Material des dünnen Rippenblechs
beobachtet und der Kern zerbricht unter dem Testdruck, so daß die Festigkeit den für Wärmeaustauscher erforderlichen
Wert nicht erreicht. Bei dem vorstehenden Vergleichsbeispiel handelt es sich um das herkömmliche Verfahren mit normalen
Erhitzungsbedingungen, welche bisher als erforderlich zum Hartlöten von solch groß dimensionierten Wärmeaustauscherkernen
angesehen wurden.
Es wird der gleiche Wärmeaustauscher wie bei Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Dabei wird unter drastischeren Bedingungen
gearbeitet (insgesamt 8-stündiges Erhitzen auf 550 0C oder darüber, wobei etwa 4 h auf die Temperatur von 650 0C
entfallen. Der Aufheizvorgang wird in Fig. 4 in Form eines Heizdiagramms veranschaulicht.
Man verwendet wiederum eine Hartlötplatte mit einer Dicke von 1,2 mm als Trennplatte (Grundmaterial: 3003; Lot: 4004;
Lotdicke: 10 %). Ferner verwendet man wiederum die Seitenstange (Material: 3003) und das Rippenmaterial (Material:
3003; Dicke: 0,2 mm) wie bei dem Vergleichsbeispiel.
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Bei einem Testkern A wird die Kristallkorngröße der gewellten Rippe und der Hartlötplatte nicht eingestellt. Somit beträgt
die Kristallkorngröße des nicht mechanisch bearbeiteten Bereiches der gewellten Rippe etwa 35 μ (siehe Fig. 5a) während
die Kristallkorngröße des Grundmetalls der Hartlötplatte etwa 50^1 beträgt (Fig. 5b).
Andererseits wird bei einem Testkern B das Rippenmaterial einer Kaltbearbeitung von etwa 20 % unterworfen und vor
der Wellung unter Bildung der gewellten Rippe einer Wiedererweichungsbehandlung unterzogen (rekristallisiertes Material).
Dies führt zu einer Korngröße des nicht mechanisch bearbeiteten Bereichs (5 in Fig. 3) von etwa 300 u bis lOOO μ (siehe Fig. 6a)
Das Hartlötblech für die Trennplatte wird ebenfalls einer 20%-igen Kaltbearbeitung unterworfen, wobei man eine Kristallkorngröße
von 300 μ bis 1000 μ erhält (Fig. 6b), und zwar unmittelbar vor dem Hartlöten.
Bei einem weiteren Testkern C wird bei der gewellten Rippe
die Kristallkorngrößensteuerung nicht vorgenommen, so daß eine Korngröße wie bei dem Testkern A vorliegt, während man
für die Trennplatte ein Hartlötblech wie bei dem Testkern B einsetzt.
Sodann wird nach dem Hartlöten jeder der gebildeten Kerne einem Beständigkeitstest unterworfen. Hierzu wird wiederholt
ο
ein Druck von 15,8 kg/cm (225 psi) aufgebracht. Der Kern A wird bei 60 945 Zyklen zerstört. Der Kern B wird bei 738 0OO Zyklen zerstört und der Kern C wird bei nur einem Testzyklus zerstört. Diese Zerstörung wird zurückgeführt auf das eutektische Schmelzen des Rippenmaterials aufgrund der Eindiffusion von Si während der langen Erhitzungsperiode. Jeder der zerstörten Kerne wird aufgeschnitten, worauf der Hartlötbereich in Nachbarschaft der Rippe und des Hartlötblechs mikrophotographisch untersucht wird. Fig. 7a zeigt die Photographic des Kerns A; Fig. 7b zeigt die
ein Druck von 15,8 kg/cm (225 psi) aufgebracht. Der Kern A wird bei 60 945 Zyklen zerstört. Der Kern B wird bei 738 0OO Zyklen zerstört und der Kern C wird bei nur einem Testzyklus zerstört. Diese Zerstörung wird zurückgeführt auf das eutektische Schmelzen des Rippenmaterials aufgrund der Eindiffusion von Si während der langen Erhitzungsperiode. Jeder der zerstörten Kerne wird aufgeschnitten, worauf der Hartlötbereich in Nachbarschaft der Rippe und des Hartlötblechs mikrophotographisch untersucht wird. Fig. 7a zeigt die Photographic des Kerns A; Fig. 7b zeigt die
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Photographie des Kerns B und Fig. 7c zeigt die Photographie des Kerns C.
Man erkennt aus den Mikrophotographien, daß im Falle des Kerns A der Zerfall des Lotkeils beträchtlich ist.
Beim Kern C werden sogar Kavitäten durch Herausfallen von eutektischen Kristallen aus dem Rippenmaterials gebildet. Im Falle des Kerns B treten keine derartigen Defekte auf. Der Kern B zeigt eine für Wärmeaustauscher ausreichende
Festigkeit und Beständigkeit.
Beim Kern C werden sogar Kavitäten durch Herausfallen von eutektischen Kristallen aus dem Rippenmaterials gebildet. Im Falle des Kerns B treten keine derartigen Defekte auf. Der Kern B zeigt eine für Wärmeaustauscher ausreichende
Festigkeit und Beständigkeit.
- Patentansprüche -
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Leerseite
Claims (3)
1. Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten einer Aluminiumstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß
man zuvor die Kristallkorngröße des Aluminiumlegierungsmaterials auf einen Wert von 60 μ oder darüber einstellt
und unmittelbar danach die Hartlötung durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kristallkorngröße mindestens der dünneren Bauteile
zuvor auf einen Wert von mindestens 60 μ einstellt und unmittelbar danach die Hartlötung durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kern eines groß dimensionierten Wärmeaustauschers
zusammenlötet und unmittelbar zuvor die Kristallkorngröße des zu lötenden dünnen Rippenblechs einstellt.
ORIGINAL INSPECTED
809850/0570
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