SE508596C2 - Förfarande för hårdlödning medelst plasma - Google Patents

Description

508 596 'lO 15 20 25 30 35 Det är även känt att använda en kopparrik Iegering hos brons- fylltrådar för att hàrdlöda sådana fogar. Utformad korrekt ger så- dana hårdlödda fogar även strukturella förbättringar.

Konventionell hårdlödningstillämpning använder i dessa situa- tioner antingen gas- eller GMA-hårdlödningsteknik. Gashårdlöd- ning är förhållandevis långsam beroende på gaslägans låga temperatur. Som en konsekvens av låga hårdlödningshastigheter tillförs mycket värme till fogområdet med en tydlig benägenhet att förvränga fogen och panelen. För att aktivera fogmetall och erhålla god vätning av basmetallen är därutöver ett aggressivt fluxmedel nödvändigt. Dessutom åstadkommer gashàrdlödning problem på grund av rester av det korrosiva fluxmedlet och behovet av dess efterföljande borttagning. På grund av högre hårdlödningshastigheter och undvikandet av korrosiva fluxmedel har följaktligen GMA-hårdlödning antagits av många biltillver- kare. Medan den erbjuder de ovan nämnda fördelarna åstad- koms vid denna process emellertid andra problem. Dessa inne- fattar en snabb stelningshastighet som tenderar att åstadkomma mikroporositet, sprutadhesion vid zinkpanelerna med resulte- rande lokala skador på panelerna och puckliga lödsträngar som erfordrar avsevärd bearbetning.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en ny hàrdlödningsmetod med vilken en hårdlödningssöm med kos- metiskt utseende kan uppnås. Därutöver skall hårdlödningsför- farandet medge en hög hårdlödningshastighet.

Detta ändamål uppnås med hjälp av det i kravet 1 definierade förfarandet. Genom tillförsel av en första gas som innefattar en inert huvudkomponent innefattande åtminstone argon och i en mindre mängd en aktiv komponent, är det möjligt att reducera antalet sprutpartiklar i lödsömsomràdet. Dessutom förbättrar till- satsen av en aktiv komponent vätningen, vilket resulterar i en 10 15 20 25 30 35 508 596 Iödsöm som har en jämn och likformig form och uppvisar en låg mikroporositet. Följaktligen erfordrar den producerade hård- lödsömmen ett minimum av efterbearbetning, och en sådan er- forderlig bearbetning kan utföras med hjälp av mjuka förfaran- den, såsom finslipning, polering etc. En god vätning möjliggör även en hög deponeringshastighet och således en hög produkti- vitet. Dessutom kommer hårdlödningsprocessen i jämförelse med MIG-svetsning inte att negativt påverka arbetsstyckets ma- terial på grund av den relativt låga temperaturen. Ett tunt ytlager kommer att upprätthållas. Ändamålet uppnås även med förfarandet som definieras i krav 4.

På ett motsvarande sätt kan, genom tillförsel av en skyddsgas som innefattar en inert huvudkomponent innefattande åtminstone argon och en mindre mängd av en aktiv komponent, vät- ningsegenskaperna förbättras och sprutmängden reduceras.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar nämnda inerta huvudkomponent en gasblandning av argon och helium. Genom heliumtillförseln förbättras värmeöverföringen, vilket resulterar i en högre hårdlödningshastighet. Nämnda gas- blandning innefattar företrädesvis 30 till 90 volym-% helium och 10 till 70 volym-% argon. Enligt ett ytterligare exempel kan nämnda gas innefatta 55 till 65 volym-% helium och 35 till 45 volym-% argon.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning in- nefattar nämnda aktiva komponent åtminstone en gas som har en oxiderande effekt. En sådan aktiv komponent stabiliserar bå- gen, vilket är en viktig förutsättning för en likformig hårdlöd- ningssöm som har ett jämnt och kosmetiskt utseende. Därvid kan nämnda aktiva komponent innefatta åtminstone en av NO, C02, CO, 02, N20, H2 och NZ. Dessutom kan koncentrationen av nämnda aktiva komponent som mest vara 1volym-%, företrä- desvis 0,001 volym-% till 0,5 volym-%. l det fall att den aktiva 508 596 10 15 20 25 30 35 komponenten innefattar NO kan koncentrationen av NO vara 0,001 volym-% till 0,05 volym-%.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning in- nefattar nämnda hårdlodmaterial som huvudkomponent Cu och en mindre mängd av Al, Si, Sn eller blandningar därav.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning in- nefattar arbetsstycket åtminstone två delar som skall fogas samman med elektrodens material. Arbetsstycket kan innefatta ett metallsubstrat som har ett tunt täckande ytlager innefattande åtminstone ett av elementen zink och aluminium. Ett sådant täckande ytlager kan innefatta en primer som innehåller zink eller aluminium. Med hjälp av det uppfinningsenliga förfarandet behöver en sådan primer inte borttagas före hårdlödningen. Det är också möjligt att hålla rökutvecklingen och röktåtheten på en låg nivå, även om ett sådant ytlager inte blivit borttaget. Dess- utom reducerar det uppfinningsenliga förfarandet uppbyggnaden av smuts på den bågen bildande anordningen. Alternativt kan det tunna ytlagret vara ett metallager som har en tjocklek mindre an 30 um, speciellt mindre än 10 pm. Det uppfinningsenliga förfarandet reducerar zinkförlusterna i hårdlödsömmens närhet Lokala skador på arbetsstyckets ytlager kan undvikas genom det låga antalet sprutpartiklar.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning skall nu förklaras mer i detalj i samband med beskrivningen av olika utföringsformer och med hänvisning till medföljande ritningar.

Fig 1 visar schematiskt en anordning enligt en första utförings- form för att utföra förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

Fig 2 visar schematiskt en anordning enligt en andra utförings- form för att utföra förfarandet enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 35 508 596 Fig 3 visar schematiskt en anordning enligt en tredje utförings- form för att utföra förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig 1 visar en första utföringsform av en hårdlödningsanordning som innefattar en plasmabildande anordning 1 som har en icke konsumerbar, wolframelektrod 2 koncentriskt anordnad i en första munstyckskanal 3 för en plasmagas. Den första munstyckskanalen 3 är försedd med ett sammandraget nosparti 4 och omges av en andra munstyckskanal 5 för en skyddsgas.

Plasmagasen tillförs från en källa i form av en gasbehàllare (inte visad) till den första gaskanalen 3 för att bilda ett gasflöde däri- genom. På liknande sätt tillförs skyddsgasen från en källa i form av en gasbehàllare (inte visad) till den andra gaskanalen 5 för att bilda ett gasflöde därigenom. Den plasmabildande anord- ningen 1 eller brännaren, visad i Fig 1, är anpassad för utfö- rande av plasmabåghårdlödning. En spänning appliceras med hjälp av en spänningskälla 6 på den plasmabildande anord- ningen 1 över elektroden 2 och ett arbetsstycke 7 som innefattar två metallplåtar som skall hårdlödas samman. På grund av den applicerade spänningen uppstår en båge mellan elektroden 2 och arbetsstycket 7, vilken bildar ett plasma av gasen som strömmar genom den första munstyckskanalen 3. Plasmaflödet är riktat mot arbetsstyckets plåtar 7 som skall hårdlödas sam- man. Beroende på det sammandragna nospartiet 4, som lämnar en relativt liten öppning hos den första munstyckskanalen 3, dras plasmaflödet samman och pressas ut ur den första munstycks- kanalen 3. Således koncentreras värmen till ett relativt smalt plasmaflöde. Skyddsgasen från den andra munstyckskanalen 5 omger plasmaflödet och ett arbetsområde 8 runt en hàrdlödsöm 9. Hårdlodmaterial 10 tillförs till arbetsområdet 8 med hjälp av en hàrdlodframmatare, schematiskt indikerad vid 11. Som ett alter- nativ kan hårdlodmaterial tillföras till arbetsstycket i förväg. 508 596 10 15 20 25 30 35 Fig 2 visar en andra utföringsform av en plasmabildande anord- ning 1 enligt föreliggande uppfinning. Det skall noteras att ele- ment som har en motsvarande funktion har försetts med samma hänvisningsbeteckningar i alla visade utföringsformer. Den andra utföringsformen skiljer sig från den första genom att spänningen appliceras på den plasmabildande anordningen 1 över en icke konsumerbar elektrod 2 och väggen hos den första munstycks- kanalen 3. Som en konsekvens härav bildas en båge mellan elektroden och nospartiet 4.

Det skall noteras att man kan avstå från den andra munstycks- kanalen 5 i den plasmabildande anordningen som visas i Fig 1 och 2. Därigenom tillförs endast plasmagasen.

Fig 3 visar en tredje utföringsform av en plasmabildande anord- ning 1 enligt föreliggande uppfinning med endast en munstycks- kanal 3. I denna utföringsform är nospartiet 4 inte sammandra- get, vilket resulterar i ett mindre koncentrerat plasmaflöde och en reducerad koncentration av värmen som skall överföras till arbetsstycket 7. l denna utföringsform är den till munstyckska- nalen 3 tillförda gasen både plasmagas och skyddsgas.

Det skall noteras att hàrdlodframmataren 11 kan vara anordnad som en del av den plasmabildande anordningen 1, och således frammata hårdlodmaterial 10 från den plasmabildande anord- ningens yttre periferi, genom den andra munstyckskanalen 5 eller genom den första munstyckskanalen 3.

Genomförandet av förfarandet enligt föreliggande uppfinning skall nu förklaras med hänvisning till hårdlödningsanordningen som visas i Fig 1 till 3. Med hjälp av spänningskällan 6 åstad- kommes en väsentligen konstant bågspänning som bildar en båge mellan elektroden 2 och arbetsstycket 7 eller mellan elek- troden 2 och nospartiet 4. Bågen alstrar ett plasma av gasflödet genom munstyckskanalen 3 mot arbetsstycket 7. Hårdlodmaterial 10 15 20 25 30 35 508 596 10 matas in i plasmaflödet och smälter successivt genom plas- mats värme. Det smälta hårdlodmaterialet överförs sedan till arbetsstycket 7, varvid det bildar hårdlödsömmen 9 som sam- manfogar arbetsstyckets 7 två plåtar.

Hårdlodmaterialet 10 är i form av en tråd som innefattar som sin huvudkomponent koppar, till exempel 80-99%, och en mindre mängd aluminium, kisel, tenn eller blandningar av dessa ele- ment.

Arbetsstycket 7 innefattar i de visade exemplen två plåtar som skall hårdlödas samman. Plåtarna är relativt tunna metallsub- stratplåtar, till exempel stålplåtar som har en tjocklek mindre än 4 mm, till exempel 1, 2 eller 3 mm. Substratplåtarna kan vara täckta av ett tunt täckande ytlager som har en tjocklek som är mindre än 25 um och i synnerhet mindre än runt 10 um. Det täckande ytlagret kan vara ett skyddande tunt metallytlager, till exempel ett lager av zink, aluminium eller en blandning av zink och aluminium. Sådana vanliga zinklager kan till exempel vara ett eller flera värmedoppade galvaniserade lager, galvanopläte- rad zink och värmebehandlad galvanisering. Det täckande ytlag- ret kan även vara en skyddande primer innefattande zink eller aluminium. En sådan primer används ofta för att skydda stålplåtar i bilindustrin under dessas transport.

Gaserna som tillförs genom munstyckskanalerna 3 och 5 inne- fattar en inert huvudkomponent innefattande åtminstone argon och en mindre mängd av en aktiv komponent. Den inerta huvud- komponenten innefattar en gasblandning som har 30 till 90 vo- lym-% helium och 10 till 70 volym-% argon. Företrädesvis inne- fattar gasblandningen 55 till 65 volym-% helium och 35 till 45 volym-% argon. Den aktiva komponenten innefattar åtminstone en gas som har en oxiderande effekt, till exempel åtminstone en av NO, C02, CO, 02 och N20. Den aktiva komponenten kan även innefatta åtminstone en av H2 och Ng. Därutöver skall nämnas att den aktiva komponenten kan innefatta blandningar av två eller 508 596 10 15 20 25 flera av dessa aktiva komponenter. Den aktiva komponentens koncentration är som mest runt 1 volym-%. Företrädesvis är den aktiva komponentens koncentration relativt låg, till exempel från 0,001 volym-% till 0,5 volym-%. l det fall där den aktiva kompo- nenten innefattar NO, kan koncentrationen NO vara från 0,001 volym-% till 0,05 vo|ym-%. Det skall poängteras att de ovan definierade gaserna kan användas som skyddsgas såväl som plasmagas. Således kan gasen som tillförs genom de båda munstyckskanalerna 3 och 5 vara samma gas. Det är även möj- ligt att använda olika gaser, till exempel gaser som har olika sammansättning, som plasmagas respektive skyddsgas.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de ovan visade olika utföringsformerna utan kan varieras och modifieras inom de följande patentkravens omfång. Det uppfinningsenliga förfaran- det kan genomföras tillsammans med en mängd olika hårdlöd- ningsanordningar och givetvis inte bara tillsammans med den ovan beskrivna hårdlödningsanordningen. Dessutom är det uppfinningsenliga förfarandet lämpligt för att hårdlöda samman alla metalliska material. Även om det kan tillämpas för att sam- manfoga tjocka metallplåtar är uppfinningen i synnerhet fördel- aktig för tunna metallplåtar som är mindre motståndskraftiga mot sådana höga temperaturer som uppstår under konventionell MIG-svetsning. Förfarandet enligt föreliggande uppfinning är lämpligt att utföras på ett manuellt, halvautomatiskt eller hel- automatiskt sätt.

Claims (18)

10 15 20 25 30 35 508 596 Patentkrav

1. Förfarande för hårdlödning med användning av en plasma- bildande anordning (1) som har en icke konsumerbar elektrod (2), innefattande följande operationssteg: - tillförsel av en första gas till nämnda plasmabildande anord- ning (1); - bildande av ett plasmaflöde av nämnda första gas genom applicering av en spänning mellan nämnda elektrod (2) och en elektrisk pol (4, 7); - riktande av nämnda plasmaflöde mot ett arbetsstycke (7); och - tillhandahållande av ett hårdlodmaterial (10) som skall smältas med nämnda plasmaflöde, kännetecknat av att nämnda första gas innefattar en inert huvudkomponent innefattande åtminstone argon och en mindre mängd av en aktiv komponent.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av tillförsel av en andra gas och därigenom skyddande av nämnda plasmaflöde från den omkringliggande atmosfären.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att nämnda andra gas innefattar en inert huvudkomponent innefattande åtminstone argon och en mindre mängd av en aktiv komponent.

4. Förfarande för hårdlödning med användning av en plasma- bildande anordning (1) som har en icke konsumerbar elektrod (2), innefattande följande operationssteg: - tillförsel av en första gas till nämnda plasmabildande anord- ning (1); - bildande av ett plasmaflöde hos nämnda första gas genom applicering av en spänning mellan nämnda elektrod (2) och en elektrisk pol (4, 7); - riktande av nämnda plasmaflöde mot ett arbetsstycke (7); - tillhandahållande av hårdlodmaterial (10) som skall smältas med nämnda plasmaflöde; och 508 596 10 15 20 25 30 35 10 - tillförsel av en andra gas och därigenom skyddande av nämnda plasmaflöde från den omkringliggande atmosfären, kännetecknat av att nämnda andra gas innefattar en inert huvud- komponent innefattande åtminstone argon och en mindre mängd av en aktiv komponent.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att nämnda inerta huvudkomponent innefattar en gasbland- ning av argon och helium.

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat av att nämnda gas- blandning innefattar 30 till 90 volym-% helium och 10 till 70 vo- lym-% argon.

7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att nämnda gas- blandning innefattar 55 till 65 volym-% helium och 35 till 45 vo- lym-% argon.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att nämnda aktiva komponent innefattar åtminstone en gas som har en oxiderande effekt.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat a_v att nämnda aktiva komponent innefattar åtminstone en av NO, C92, CO, 02, N20, H2 OCh N2.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat a! att nämnda aktiva komponents koncentration är som mest 1 volym-% företrädesvis från 0,001 volym-% till 0,5 volym-°/°.

11. Förfarande enligt något av kraven 1 till 8, kännetecknat av att nämnda aktiva komponent innefattar NO och att NO-koncent- rationen är från 0,001 volym-% till 0,05 volym-%.

12. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat a! att nämnda hårdlodmaterial (10) innefattar som huvudkom- 10 15 20 25 508 596 11 ponent Cu och en mindre mängd Al, Si, Sn eller blandningar därav.

13. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat _a_v att arbetsstycket (7) innefattar åtminstone två delar som skall fogas samman av hårdlodmaterialet (10).

14. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att arbetsstycket (7) innefattar ett metallsubstrat som har en tunn täckande ytbeläggning innefattade åtminstone en av ele- menten zink och aluminium.

15. Förfarande enligt krav 14, kännetecknat av det tunna ytlag- ret är ett metallager som har en tjocklek som är mindre än 25 um, i synnerhet mindre än 10 um.

16. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den elektriska polen bildas av nämnda arbetsstycke (7)

17. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat _a_v att den elektriska polen bildas av ett munstycksparti 4 nos nämnda plasmaformande anordning (1).

18. Förfarande enligt något av föregående krav, känneteckfa; y att nämnda plasmaflöde är sammandraget.