NO131820B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til sammenføyning av aluminium og/eller aluminiumlegeringsoverflater. Oppfinnelsen angår mer spesielt sammenføyning av aluminium i fravær The present invention relates to a method for joining aluminum and/or aluminum alloy surfaces. The invention relates more particularly to the joining of aluminum in absence

av et korroderende flussmiddel. of a corrosive flux.

Tidligere ble skjøre aluminiumdeler slik som de som In the past, fragile aluminum parts such as those that

utgjør varmeutvekslere, elektriske" koblingspunkter, kommutator-segmenter og lignende, normalt sammenføyet enten med det samme materiale eller med andre materialer ved slaglodding eller lodding i motsetning til sammenføyning ved hjelp av diffusjon i fast tilstand. Slaglodding eller lodding av disse materialer var nødvendig på constitute heat exchangers, electrical" connection points, commutator segments and the like, normally joined either to the same material or to other materials by brazing or brazing as opposed to joining by means of solid state diffusion. Brazing or brazing of these materials was required on

grunn av den skjøre beskaffenhet av de tynne aluminiumkomponentene og faren for misdannelse ved anvendelse av trykk. Slagloddingen eller loddingen ble i alminnelighet foretatt ved først å preparere aluminiumoverflaten med et temmelig korroderende flussmiddel eller rensemateriale og deretter å få loddemetallet til å flyte mellom de to overflatene som skulle sammenføyes. Flussmidlet eller materialene som fremmet sammensmelting ble normalt anbragt enten separat eller som en sammensatt komponent av loddematerialet. Slike sammenføyningsmetoder var økonomiske og ga gode sammen-føyninger, men det var praktisk talt umulig å hindre innesperring av flussmiddel, som vanligvis var en nødvendig bestanddel i prosessen. Det innestengte flussmiddel førte ofte til for tidlig svikt i strukturen ved korrosjon, spesielt når meget tynne deler ble sammen-føyet. Det var ikke mulig å foreta sammenføyning ved hjelp av metoder slik som diffusjon i fast tilstand på grunn av nødvendig-heten for anvendelse av høye trykk, hvilket hadde tendens til å misdanne de meget skjøre tynne aluminiumdelene. due to the fragile nature of the thin aluminum components and the risk of deformation when pressure is applied. Brazing or brazing was generally done by first preparing the aluminum surface with a rather corrosive flux or cleaning material and then making the solder flow between the two surfaces to be joined. The flux or materials that promoted fusing were normally placed either separately or as a composite component of the solder material. Such joining methods were economical and produced good joints, but it was practically impossible to prevent entrapment of flux, which was usually a necessary component of the process. The trapped flux often led to premature failure of the structure by corrosion, especially when very thin parts were joined together. It was not possible to join using methods such as solid state diffusion due to the necessity of applying high pressures, which tended to deform the very fragile thin aluminum parts.

Det har vært ønskelig å tilveiebringe en fremgangsmåte It has been desirable to provide a method

til sammenføyning av aluminiumark og aluminiumdeler enten med samme materiale eller med andre materialer ved bruk av velkjente for joining aluminum sheets and aluminum parts either with the same material or with other materials using well-known

og godtatte legeringer, slik som aluminium-silisium, uten anvendelse av oksydfjernende,flussmidler for preparering av flaten før eller under sammenføyning. and accepted alloys, such as aluminium-silicon, without the use of oxide-removing fluxes for preparing the surface before or during joining.

Foreliggende oppfinnelse er generelt rettet mot en fremgangsmåte til sammenføyning av aluminiumdeler, uten benyttelse av et flussmiddel, ved å forsyne aluminiumdelene med et lag av konvensjonell legering, slik som aluminium-silisium inneholdende et sammenføynings-fremmende metall, og deretter sammenføyning av delene. Den sammenføynings-fremmende legering kan påføres det nevnte lag eller inkorporeres i laget. Et tynt ark av metallsammen-føyende legering kan alternativt påføres sammen med den sammen-føynings-fremmende legering og plasseres mellom de aluminiumdeler som skal sammenføyes. Delene bestående av aluminium og belegg plasseres i kontakt med hverandre, eller i kontakt med det nevnte tynne ark hvis et sådant benyttes, i en inert atmosfære ved en tilstrekkelig høy temperatur for således å bevirke smelting og flyting av metall-claddingen (inneholdende det sammenføyningsfremmende metall) på den sammenføyende side av aluminiumdelene for derved å feste komponentene til hverandre. Det sammenføynings-fremmende belegg reagerer med metall-claddingen og bevirker at den resulterende legering fukter sammenføyningen og strømmer inn i hulrommene i grenseflaten og danner jevne hulkiler ved overflateskjæringspunktene. The present invention is generally directed to a method for joining aluminum parts, without the use of a flux, by providing the aluminum parts with a layer of conventional alloy, such as aluminium-silicon containing a joining-promoting metal, and then joining the parts. The joining-promoting alloy can be applied to said layer or incorporated into the layer. Alternatively, a thin sheet of metal joining alloy may be applied together with the joining promoting alloy and placed between the aluminum parts to be joined. The parts consisting of aluminum and coating are placed in contact with each other, or in contact with the aforementioned thin sheet if such is used, in an inert atmosphere at a sufficiently high temperature so as to cause melting and flow of the metal cladding (containing the join-promoting metal ) on the joining side of the aluminum parts to thereby attach the components to each other. The joint-promoting coating reacts with the metal cladding and causes the resulting alloy to wet the joint and flow into the interfacial voids, forming uniform void wedges at the surface intersections.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveie-bragt en fremgangsmåte til sammenføyning av aluminium og/eller aluminiumlegeringsoverflater i fravær av flussmidler under anvendelse av en aluminium-silisiumlegering og et sammenføynings-fremmende metall valgt fra nikkel, kobolt, jern og arsen, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved at man a) sammenbringer overflatene som skal sammenføyes i en oksygenfri inert atmosfære med aluminium-silisium-slagloddingslegeringen og det sammenføynings-fremmende metall anbragt mellom overflatene eller på minst en av overflatene, b) øker temperaturen på overflatene, slagloddelegeringen og det sammenføynings-fremmende metall slik at et sammensmeltet sammen-føyende materiale som har som sine bestanddeler slagloddingslegeringen og det sammenføynings-fremmende metall sammenbinder aluminium og/ eller aluminiumlegeringsoverflåtene, c) reduserer temperaturen til de sammenføyede flater til minst 56°C under smeltepunktet for legeringen og det sammenføynings-fremmende metall tilsammen, og According to the present invention, there is thus provided a method for joining aluminum and/or aluminum alloy surfaces in the absence of fluxes using an aluminium-silicon alloy and a joining-promoting metal selected from nickel, cobalt, iron and arsenic, and this method is characterized by a) bringing together the surfaces to be joined in an oxygen-free inert atmosphere with the aluminium-silicon brazing alloy and the joining-promoting metal placed between the surfaces or on at least one of the surfaces, b) increasing the temperature of the surfaces, the brazing alloy and the joining promoting metal so that a fused joining material having as its constituents the brazing alloy and the joining promoting metal joins the aluminum and/or aluminum alloy surfaces, c) reduces the temperature of the joined surfaces to at least 56°C below the melting point of the alloy and the joining ings-promoting metal together, and

d) fjerner de sammenføyede overflater fra den inerte atmosfæren. d) remove the joined surfaces from the inert atmosphere.

I østerriksk patent nr. 172.057 angis en fremgangsmåte til lodding av gjenstander som i luft får et overflatesjikt av metalloksyder, uten bruk av flussmiddel. Ved patentets fremgangsmåte anvendes trykk for oppnåelse av den nødvendige sammenføynings-effekt,"mens man ved foreliggende fremgangsmåte unngår anvendelsen av trykk, hvilket må sies å være et stort teknisk fremskritt. Ved den kjente fremgangsmåte kan det dannes oksydiske belegg som må fjernes. Nødvendigheten av å fjerne oksyder elimineres fullstendig ved utførelse av foreliggende fremgangsmåte fordi den benyttede temperatur er ikke tilstrekkelig høy til virkelig å smelte det sammenføynings-fremmende metall, og en slik smelting er faktisk absolutt utelukket ved utførelse, av oppfinnelsen. Austrian patent no. 172,057 describes a method for soldering objects which in air acquire a surface layer of metal oxides, without the use of flux. In the patent's method, pressure is used to achieve the necessary joining effect, while in the present method the use of pressure is avoided, which must be said to be a major technical advance. In the known method, oxide coatings can form which must be removed. The necessity of removing oxides is completely eliminated by the practice of the present method because the temperature used is not sufficiently high to actually melt the join-promoting metal, and indeed such melting is absolutely precluded by the practice of the invention.

Omtrent 0,1-30$ av et sammenføynings-fremmende metall blir ved utførelse av foreliggende fremgangsmåte enten plassert på eller inkorporert i den delen av aluminiumlegemet som er belagt med legering eller alternativt på det tynne legeringsarket hvis et sådant brukes. Den belagte delen oppvarmes til ca. 56°C under dens smeltepunkt og økes deretter meget raskt til legeringens smeltetemperatur. Temperaturen som er 56°C under smeltetemperaturen er normalt i området på 538°C. Denne temperaturøkning finner sted i løpet av fra 10 sekunder til 60 minutter og fortrinnsvis innen 2 minutter. Temperaturen holdes ved smeltepunktet (ca. 593°C) i en meget kort tidsperiode, ikke mer enn 2 minutter, for således å tillate at legeringen kan flyte ut mellom sammenføyningsstedene, og den tilfestede delen avkjøles deretter til minst 56°C under smeltepunktet i løpet av fra ca. 5 sekunder til 5 minutter og fortrinnsvis innen 2 minutter. Oppvarmingen, sammenføyningen og avkjølingen foretas innen en inert atmosfære. Ved inert menes en atmosfære som ikke inneholder noen gassformige materialer som har en stadig virkning på selve sammenføyningshandlingen. Det er 'funnet at atmosfærer slik som argon, nitrogen og hydrogen ikke forstyrrer denne sammenføyning. Det er også funnet at sammen-føyningen kan foretas i en atmosfære som i alt vesentlig ikke inneholder noe oksygen, slik som et vakuum. About 0.1-30% of a join-promoting metal is, in carrying out the present method, either placed on or incorporated into the part of the aluminum body which is coated with alloy or alternatively on the thin alloy sheet if one is used. The coated part is heated to approx. 56°C below its melting point and then raised very rapidly to the alloy's melting temperature. The temperature that is 56°C below the melting temperature is normally in the range of 538°C. This temperature increase takes place within from 10 seconds to 60 minutes and preferably within 2 minutes. The temperature is held at the melting point (about 593°C) for a very short period of time, no more than 2 minutes, so as to allow the alloy to flow out between the joints, and the attached part is then cooled to at least 56°C below the melting point during from approx. 5 seconds to 5 minutes and preferably within 2 minutes. The heating, joining and cooling are carried out in an inert atmosphere. By inert is meant an atmosphere that does not contain any gaseous materials that have a constant effect on the joining process itself. It has been found that atmospheres such as argon, nitrogen and hydrogen do not interfere with this joining. It has also been found that the joining can be carried out in an atmosphere which essentially contains no oxygen, such as a vacuum.

Det sammenføynings-fremmende metall har vanligvis, når det er belagt på de aluminiumdeler som skal sammenfestes, en tykkelse på ca. én hundredel av tykkelsen på cladding-legeringen på aluminiumdelene eller alternativt ca. én hundredel av tykkelsen av det tynne arket av sammenføyningslegering, hvis dette brukes. The joint-promoting metal, when coated on the aluminum parts to be joined, usually has a thickness of approx. one hundredth of the thickness of the cladding alloy on the aluminum parts or alternatively approx. one hundredth of the thickness of the thin sheet of joining alloy, if used.

Når det er inkorporert i cladding-materialet, er det normalt tilstede i en mengde på fra 0,1 til 30$. Når sammenføyningen finner sted, reagerer det sammenføynings-fremmende metallet med og blir en del av sammenføyningslegeringen for således å fremme When incorporated into the cladding material, it is normally present in an amount of from 0.1 to 30%. When joining takes place, the joining-promoting metal reacts with and becomes part of the joining alloy to thus promote

fukting av aluminiumdelene såvel som utflyting av legeringen ved de forbindelsessteder som dannes av de to aluminiumdelene som wetting of the aluminum parts as well as flow of the alloy at the connection points formed by the two aluminum parts which

er satt sammen. is put together.

Ved anvendelse av det konvensjonelle aluminium-silisium-claddingmateriale vil cladding-legeringen etter at sammenføyningen er dannet normalt inneholde fra 7,5 til 13 vekt-% silisium med aluminium og spor av andre metaller'slik som opptil 0,3 vekt-% kobber, opptil 0,8 vekt-$ jern, opptil 0,2 vekt-% sink, opptil 0,1 vekt-% magnesium, opptil 0,15 vekt-$ mangan, opptil 4,5 vekt-% fosfor og naturligvis fra 0,1 til 30 vekt-% sammenføynings-fremmende metall (fortrinnsvis nikkel). When using the conventional aluminium-silicon cladding material, the cladding alloy after the joint is formed will normally contain from 7.5 to 13 wt% silicon with aluminum and traces of other metals such as up to 0.3 wt% copper, up to 0.8 wt-% iron, up to 0.2 wt-% zinc, up to 0.1 wt-% magnesium, up to 0.15 wt-% manganese, up to 4.5 wt-% phosphorus and naturally from 0.1 to 30% by weight of joining-promoting metal (preferably nickel).

Det foretrukne sammenføynings-fremmende metall, som benyttes ved utførelsen av foreliggende oppfinnelse, er nikkel som har meget god oksydasjonsbestandighet såvel som et høyt smeltepunkt, dvs. dets smeltepunkt er høyere enn det til sammen-føyningslegeringen. Nikkel har også tendens til å reagere eksotermisk med aluminiumet i det ytre aluminium-silisiumbelegg eller claddingen som normalt er anbragt på en aluminiumdel før sammenføyning. Nikkel foretrekkes også fordi det er av en beskyttende natur som hindrer korrosjon av underlagsmaterialet. Selv om nikkel foretrekkes kan et hvilket som helst metall, slik som kobolt, som har de ovenfor nevnte ønskede egenskaper, også anvendes. The preferred joining-promoting metal used in the practice of the present invention is nickel, which has very good oxidation resistance as well as a high melting point, i.e. its melting point is higher than that of the joining alloy. Nickel also tends to react exothermically with the aluminum in the outer aluminium-silicon coating or cladding which is normally placed on an aluminum part before joining. Nickel is also preferred because it is of a protective nature that prevents corrosion of the substrate material. Although nickel is preferred, any metal, such as cobalt, which has the above-mentioned desired properties can also be used.

Det sammenføynings-fremmende metall blir, når det anbringes som et belegg, normalt avsatt på claddingen på aluminium-delen eller det tynne metallarket, ettersom det passer seg, ved hjelp av f.eks. vakuumutfelling, ikke-elektrolytisk plettering, eller termisk dekomponering. Disse metoder er foretrukne belegg-metoder fordi de hindrer forurensninger i å forstyrre det sammen-føynings-fremmende metallet. The joining-promoting metal, when applied as a coating, is normally deposited on the cladding of the aluminum part or the thin metal sheet, as appropriate, by means of e.g. vacuum deposition, non-electrolytic plating, or thermal decomposition. These methods are preferred coating methods because they prevent contaminants from interfering with the joining-promoting metal.

Den oppvarmende atmosfære hvor sammenføyningen kan foretas kan være en hvilken som helst egnet ovn som har en atmosfære med et duggpunkt ikke større enn -~$ H°C og fortrinnsvis et duggpunkt på~57°C. Ovnen kan også som nevnt ha anordninger for evakuering av alle gassene i ovnen, dvs. et vakuum. The heating atmosphere in which the joining can be made can be any suitable furnace having an atmosphere with a dew point no greater than -~$ H°C and preferably a dew point of ~57°C. As mentioned, the oven can also have devices for evacuating all the gases in the oven, i.e. a vacuum.

Følgende eksempler er gitt for å illustrere fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. I hvert av eksemplene ble det benyttet spesielle temperaturer og spesielle atmosfæreforhold. The following examples are given to illustrate the method according to the invention. In each of the examples, special temperatures and special atmospheric conditions were used.

Eksempel 1 Example 1

En varmeutveksler laget av 1100 aluminium bestående av finner, rør og samlebeholdere (ikke-cladding behandlet), ble sammenføyet ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved bruk av tynne metallark på de deler som skulle sammenføyes. De tynne metallarkene besto av aluminium-10% silisiumlegering, med en tykkelse på 0,125 mm. De tynne metallarkene ble forsynt med et beskyttende metallbelegg av nikkel med en tykkelse på 0,00075-0,00125 mm. Metallarkene ble plassert rundt rørene som ble godt tilpasset i hullene på samletankene og andre deler av varmeveksleren ved flater som skulle sammenføyes. Den sammensatte gjenstand ble plassert i en ovn med en nitrogenatmosfære som hadde et duggpunkt på -46°C. Anordningen ble oppvarmet til 538°C i løpet av 10 minutter og deretter til 593°C (pluss eller minus 5,6°C) i løpet av lg minutt. Anordningen ble holdt ved 593°C i \ minutt. Oppvarmingen av ovnen ble stoppet, og anordningen avkjølt til 538°C A heat exchanger made of 1100 aluminum consisting of fins, tubes and collecting vessels (non-cladding treated), was joined using the method according to the invention using thin metal sheets on the parts to be joined. The thin metal sheets consisted of aluminium-10% silicon alloy, with a thickness of 0.125 mm. The thin metal sheets were provided with a protective metal coating of nickel with a thickness of 0.00075-0.00125 mm. The metal sheets were placed around the pipes which were well fitted in the holes on the collection tanks and other parts of the heat exchanger at surfaces to be joined. The assembled article was placed in an oven with a nitrogen atmosphere having a dew point of -46°C. The device was heated to 538°C within 10 minutes and then to 593°C (plus or minus 5.6°C) within 15 minutes. The device was held at 593°C for 1 minute. The heating of the furnace was stopped, and the device cooled to 538°C

i løpet av to minutter og fjernet fra ovnen. within two minutes and removed from the oven.

Eksempel 2 Example 2

Varmevekslerdeler bestående av rør, finner og samletanker ble plassert i berøring med hverandre og sammenføyet ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Rørene ble laget av 50 S aluminium, cladding-behandlet (bare på utsiden) med aluminium-10% silisium sammenføyningslegering, med en tykkel-se på 0 ,025 mm. Samletankene besto av 50 S aluminium cladding-behandlet på begge sider med aluminium-1 0% silisiumlegering med en tykkelse på 0,1 mm. Finnene besto av 1100 aluminium, med en tykkelse på 0,1 mm og Heat exchanger parts consisting of pipes, fins and collection tanks were placed in contact with each other and joined using the method according to the invention. The tubes were made of 50 S aluminum, cladding-treated (on the outside only) with aluminum-10% silicon joining alloy, with a thickness of 0.025 mm. The collection tanks consisted of 50 S aluminum cladding treated on both sides with aluminum-10% silicon alloy with a thickness of 0.1 mm. The fins consisted of 1100 aluminium, with a thickness of 0.1 mm and

var ikke cladding-behandlet. Rørene var plettert bare på utsiden (den delen som var cladding-behandlet) med ikke-elektrolytisk belagt nikkel med en tykkelse på 0,00025 mm. Samletankene ble plettert på begge sider med ikke-elektrolytisk belagt nikkel til en tykkelse på 0,001 mm. Finnene ble ikke plettert. Delene til varmeveksleren ble holdt i riktig stilling ved hjelp av et fast-spenningsapparat, og anordningen ble oppvarmet til en temperatur på 538°C i løpet av 10 minutter. Anordningen ble deretter oppvarmet til 593°C i løpet av 2 minutter, og holdt ved denne temperatur was not cladding treated. The tubes were plated only on the outside (the cladding-treated part) with non-electrolytically plated nickel with a thickness of 0.00025 mm. The collecting tanks were plated on both sides with non-electrolytically plated nickel to a thickness of 0.001 mm. The fins were not plated. The parts of the heat exchanger were held in the correct position by means of a fixed tension device, and the device was heated to a temperature of 538°C during 10 minutes. The device was then heated to 593°C within 2 minutes, and held at this temperature

i omtrent l minutt. Atmosfæren i oppvarmingskammeret besto av nitrogen med et duggpunkt på -46°C. Atmosfæren ble avkjølt fra 593°C til ca. 538°C i løpet av 2 minutterjog anordningen ble fjernet fra ovnatmosfæren. for about 1 minute. The atmosphere in the heating chamber consisted of nitrogen with a dew point of -46°C. The atmosphere was cooled from 593°C to approx. 538°C for 2 minutes and the device was removed from the furnace atmosphere.

Claims (1)

Fremgangsmåte til sammenføyning av aluminium og/eller aluminiumlegeringsoverflater i fravær av flussmidler under anvendelse av en aluminium-silisiumlegering og et sammenføynings-fremmende metall valgt fra nikkel, kobolt, jern og arsen,karakterisert vedat man a) sammenbringer overflatene som skal sammenføyes i en oksygenfri inert atmosfære med aluminium-silisium-slagloddingslegeringen og det sammenføynings-fremmende metall anbragt mellom overflatene eller på minst en av overflatene, b) øker temperaturen på overflatene, slagloddelegeringen og det sammenføynings-fremmende metall slik at et sammensmeltet sammen-føyende materiale som har som sine bestanddeler slagloddingslegeringen og det sammenføynings-fremmende metall sammenbinder aluminium og/eller aluminiumlegeringsoverflåtene, c) reduserer temperaturen til de sammenføyede flater til minst 56°C under smeltepunktet for legeringen og det sammenføynings-fremmende metall tilsammen, og d) fjerner de sammenføyede overflater fra den inerte atmosfæren.Process for joining aluminum and/or aluminum alloy surfaces in the absence of fluxes using an aluminium-silicon alloy and a joining-promoting metal selected from nickel, cobalt, iron and arsenic, characterized by a) bringing together the surfaces to be joined in an oxygen-free inert atmosphere with the aluminum-silicon brazing alloy and the joining-promoting metal placed between the surfaces or on at least one of the surfaces, b) increasing the temperature of the surfaces, the brazing alloy and the joining-promoting metal so that a fused joining material having as its constituents the brazing alloy and the joining-promoting metal join the aluminum and/or aluminum alloy surfaces, c) reduce the temperature of the joined surfaces to at least 56°C below the melting point of the alloy and the joining-promoting metal together, and d) remove the joined surfaces from the inert atm the osphere.