Verfahren zum Löten von aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehenden Werkstücken Beim Löten werden im allgemeinen Lötlegierungen verwendet, die in Pulverform oder häufig, in Form eines Blattes, Bandes, Drahtes oder dergleichen vorliegen, und die zwischen die zu verbindenden Teile eingeführt sind. Die Lötlegierung ist so gewählt, dass sie eine niedrigere Schmelztemperatur besitzt als irgendeines der zu ver bindenden Teile und daher bei Temperaturen schmelzen und fliessen kann, die unter denen liegen, welche eine Schädigung des Materials der zu verbindenden Teile be wirken würden.
Ein Problem beim Löten besteht darin, dass die geschmolzene Lötlegierung die metallischen Ober flächen der zu verbindenden Teile benetzen muss, wenn eine feste Verbindung erhalten werden soll. Da jedoch bestimmte Werkstoffe, wie rostfreie Stahlsorten und Alu minium oder dessen Legierungen an der Luft eine Oxyd haut bilden, die schwer zu entfernen ist, wird ein Fluss mittel zur Entfernung der Oxydhaut verwendet, die nor malerweise auf den Oberflächen der zu verbindenden Teile vorhanden ist. Die Oxydentfernung kann dadurch erfol gen, dass das Flussmittel diese Oxyde auflöst oder das Metall schwach anätzt und die Oxyde von der Oberfläche des Metalles entfernt. Gegebenenfalls kann das Flussmit- tel beide Wirkungen gleichzeitig ausüben.
Vorzugsweise bilden einige Flussmittel bei der Löttemperatur eine fliess- fähige, die Luft ausschliessende Umhüllung der verbun denen Flächen und werden erst durch die fliessende Lot legierung entfernt, wenn diese die Flächen benetzt. Auf diese Weise kommt die geschmolzene Lotlegierung mit einer oxydfreien Oberfläche zusammen und ergibt eine feste Verbindung. Flussmittel sind im allgemeinen korro dierend und ihre Rückstände nach dem Löten schwer oder unwirtschaftlich zu entfernen.
Dies macht die Fluss- mittel für einige Zwecke ungeeignet, z.B. für die Her stellung von Wärmeaustauschern, wie Autokühlern, bei welchen das Kühlmittel durch korrodierend wirkende Produkte verunreinigt werden kann, oder für Vakuum kammern, bei welchen aus den Flussmittelrückständen im Vakuum korrodierend wirkende Gase freigesetzt werden und eine Schädigung der in die Kammer eingebrachten Teile oder der Kammer selbst bedingen.
Aluminium und seine Legierungen sind der Bildung von haftfähigen Oxyden unter Einfluss von Luft beson- ders zugänglich. Diese Werkstoffe werden daher häufig in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum gelötet. Das Oxyd muss jedoch dennoch entfernt werden, wenn eine feste Verbindung erhalten werden soll. Die Verwendung der üblichen mechanischen Mittel zur Entfernung derar tiger Oxydfilme nach Anlegen eines Vakuums oder Ein bringen einer entsprechenden inerten und nicht oxydie renden Atmosphäre ist selbst bei einfachen Bauteilen kost spielig und zeitraubend. Für komplexere Gebilde, z.B. wabenartige Anordnungen aus Aluminium, oder Gebilde mit komplizierten Flächenstrukturen, ist dies vollständig ausgeschlossen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die geschil derten Nachteile zu beheben.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zum Löten von aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehenden Werkstücken ohne die Verwendung eines Flussmittels, wobei die Lötnaht aus einer Legierung mit einem niedri gen Schmelzpunkt, welche mindestens zum überwiegenden Teil Aluminium, Magnesium und Silicium enthält, besteht und wobei die zu lötenden Werkstücke in ihrer ge wünschten Beziehung zusammengestellt, und an der vor gesehenen Verbindungsstelle in einer nichtoxydierenden Atmosphäre erhitzt werden, ist gekennzeichnet durch das Schmelzen bzw.
Erschmelzen einer Legierung, deren Schmelzpunkt zwischen 550 C und dem Schmelzpunkt des Werkstücks mit der niedrigsten Schmelztemperatur liegt, und die 1-15 Gew.7o Silicium und 0,4-10 Gew.% Magnesium und 0-25 Gew.7o Kupfer und als Rest Alu minium.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Legierungsbestandteile gesamthaft oder teil weise von den zu lötenden Werkstücken geliefert.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Legierungsbestandteile in der Form von Lötfolien oder Pulvermischungen oder Streifen oder Drähten in die Verbindungsstelle eingeführt.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Figur und an einigen Beispielen näher erläutert werden.
Die Figur zeigt ein vereinfachtes ternäres Phasen diagramm der Liquidustemperaturen des Systems Mg- Si-Al. Bei Untersuchungen des Vakuumlötens von Alumi niumlegierungen wurde überraschenderweise gefunden, dass die Anwesenheit der Elemente Magnesium und Sili cium an der vorgesehenen Verbindungsstelle zwischen den zu verlötenden Teilen zu festen Verbindungen führte, ohne dass ein besonderes Flussmittel verwendet wurde. Diese und weitere Beobachtungen werden eingehender im Zusammenhang mit Beispiel 1 und den Beispielen von Tabelle 1 beschrieben.
Es wurde gefunden, dass die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erforderlichen Ele mente Aluminium, Magnesium und Silicium an der Ver bindungsstelle auch dadurch geliefert werden können, dass alle diese Elemente in einem oder beiden der zu verlöten den Teile vorhanden sind. Da jedoch technische Alumi niumlegierungen, die für Bau- oder Konstruktionszwecke verbunden werden sollen, nicht immer alle die notwen digen Elemente gemeinsam enthalten, werden vorzugs weise Zwischenwerkstoffe, z.B. in Form von (1) Lötfolien, mit denen eines oder beide der zu verbindenden Teile versehen sind, (2) Pulvermischungen, (3) Blatteinlagen, (4) Streifen oder (5) drahtartigen Gebilden oder Kombi nationen derartiger verschiedener Mittel verwendet.
Für das neue Verfahren ist es, dass an der zu lötenden Ver bindungsstelle mindestens die Elemente Silicium und Magnesium gemeinsam mit Aluminium vorliegen, damit an der Verbindungsstelle während des Lötens eine Legie rung mit sehr niedrigem Schmelzpunkt gebildet werden kann.
Die Vorgänge an der Lötstelle sind am einfachsten anhand der Zeichnung zu erläutern, die ein ternäres Pha sendiagramm der Liquidustemperaturen des Systems Al- Mg-Si in C wiedergibt. Derartige Diagramme sind in der Literatur, z.B. in Metals Handbook , herausgegeben von der American Society for Metals, 1948, S. 1246 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die untere linke Ecke des Diagramms mit hohen Aluminium- und niedrigen Sili ciumwerten ist zu erkennen, dass bei etwa 13 Gew.% Silicium, etwa 5 Gew.% Magnesium und etwa 82 Gew.% Aluminium eine bei etwa 551 C schmelzende eutektische Legierung vorliegt, Ferner ist zu erkennen, dass die Schmelztemperaturen anderer Legierungszusammenset zungen bei merklicher Zusammensetzungsabweichung von dem genannten Punkt rasch ansteigen, insbesondere wenn der Siliciumgehalt erhöht wird.
Da technische Alu miniumlegierungen zweckmässigerweise bei Temperaturen von unter etwa<I>625 C</I> gelötet werden sollen, wird gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfah rens an der gewünschten Verbindungsstelle eine Alu miniumlegierung gebildet, Die Magnesium und 1-15 Gew.% Silicium enthält, um den Schmelzpunkt zu steuern. Der Magnesiumgehalt der gebildeten Legierung ist gerin ger als 10 Gew.%. Die ternären Phasendiagramme an derer Aluminiumlegierungen zeigen, dass das Auftreten dieser eutektischen Al-Mg-Si-Legierung bei etwa 550 C überraschend ist und daher beim Löten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen bisher nicht verwendet wurde bzw. nicht als verwendbar erkannt worden ist.
<I>Beispiel 1</I> Bei der Herstellung einer Wärmeaustauscheranlage hat es sich als zweckmässig erwiesen, wabenartig geformtes Aluminium mit einem Teil aus Aluminiumblech zu ver löten, um einen hohen Wärmeübergang sicherzustellen. Das Material des Wabengebildes bestand aus praktisch reinem Aluminium mit weniger als 17o Verunreinigungen und wird gelegentlich im Handel als (Typ l100 bezeich- net. Der Teil, mit welchem das Wabengebilde aus Alumi nium in diesem Beispiel verlötet wurde, war ein Lötblech, das im Handel gelegentlich als Lötblech Nr. 23 bezeichnet wird.
Das Lötblech bestand aus einem Grundblech mit einer Nominalzusammensetzung (bezogen auf Gewicht) von 0,350/o Si, 0,250/o Cu, 0,60% Mg und Aluminium als Rest. Über dem Basisteil war eine Verkleidung aus einem Legierungsblech oder Blatt mit niedrigerem Schwel- punkt angeordnet, das mit dem Wabengebilde aus Alu minium in Berührung stand und aus 10 Gew.% Si, bis etwa 0,3 Gew.% Kupfer und im übrigen aus Aluminium bestand.
Dementsprechend befand sich das technisch reine Aluminium während des Lötvorganges bei der Löttem- peratur mit einer geschmolzenen Legierung in Berührung, die 10 Gew.% Silicium und eine Basislegierung enthielt, welche das Element Mg umfasste.
Das wabenartige Aluminiumgebilde und das Lötblatt oder -blech mit dazwischenliegender Verkleidung aus Siliciumlegierung wurde in einen Ofen gebracht, der dann auf etwa 1 X 10-4 mm Hg evakuiert wurde. Dann wurde die Temperatur der Teile auf etwa 590 C erhöht, eine Minute bei dieser Temperaturgehalten und dann erheb lich unter den Schmelzpunkt der Lotlegierung gesenkt. Nach Lufteinlass in den Ofen zeigte es sich, dass die Teile fest verlötet waren, wobei Metallkehlen an der Lötstelle auf eine gute Benetzung der Teile mit dem geschmolzenen Metall hindeuten.
Wie durch eine Analyse festgestellt werden konnte, hatte die Lötnaht eine Zusammensetzung von 9,8 Gew.% Si, 0,3 Gew.7o Cu, 0,55 Gew.7o Mg und als Rest Al. Daraus ist zu erkennen, dass Teile aus Alu minium oder Aluminiumlegierungen in einer nicht oxy dierenden Atmosphäre ohne Verwendung eines besonde ren Flussmittels miteinander verlötet werden können.
<I>Beispiel 2</I> Es wurde wie in Beispiel 1 unter Verwendung des gleichen Wabengebildes aus technisch reinem Aluminium gearbeitet. In diesem Beispiel bestand das Blatt aus einem Lötblech, das auch als Lötblech Nr. 21 bezeichnet wird, und eine Verkleidung aus einer Legierung von etwa 7,5 Gew.7o Silicium und Aluminium, sowie Verunreini gungen als restlichen Anteil auf einem Trägerblech auf weist, das aus<B>0,35%</B> Silicium, 0,25% Cu, 0,60% Mg und im übrigen aus Aluminium besteht, wie der Trägerteil von Beispiel 1.
Dementsprechend umfasste die Verbin dungsstelle zwischen praktisch reinem Aluminium und dem Grundteil die Elemente Silicium und Magnesium ne ben Aluminium und einer geringen Menge Kupfer.
Es wurde wie in Beispiel 1, aber mit einem Start vakuum von etwa 1.5 - 10-4 mm Hg, einer Löttemperatur von 590 C und einem Endvakuum von etwa 2 - 10-5 mm Hg, gearbeitet. Nach Entnahme der Teile aus dem Ofen zeigte sich eine fest gelötete Verbindungsstelle. Die Ana lyse des Metalls der Lötnaht zeigte, dass diese 7,4 Gew.% Si, 0,24 Gew.7o Cu, 0,55 Gew.7o Mg und als Rest Al enthielt.
Da gefunden wurde, dass zwischen Teilen aus prak tisch reinem Aluminium eine bessere Wärmeleitfähigkeit erzielt wird, als zwischen Teilen aus Aluminium und Alu miniumlegierungen, und da ein besseres Verständnis der Grundlagen der vorliegenden Erfindung angestrebt wurde, wurde eine zusätzliche Reihe von Beispielen durchgeführt und in gleicher Weise wie in Beispielen 1 und 2 geprüft. Die folgende Tabelle I gibt Beispiele für derartige zusätz liche Arbeitsweisen und stellt mit Ausnahme der Beispiele 12 und 13 die Verbindung von wabenartigen Gebilden aus praktisch reinem Aluminium dar. Beide dieser Ma- terialien werden auch als (Legierungen Nr. 1100 bezeich net.
Die Beispiele 12 und 13 zeigen die Verbindung von Blech aus reinem Aluminium mit einem anderen Blech aus reinem Aluminium.
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TABELLE <SEP> I
<tb> Bei- <SEP> Zwischenmaterialien <SEP> Vakuum <SEP> Temp.
<tb> spiel <SEP> Legierungsblatt <SEP> Pulver <SEP> Start <SEP> Ende <SEP> C <SEP> Bemerkungen
<tb> 3 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 1,5- <SEP> 10-4 <SEP> 2-10-5 <SEP> 600 <SEP> Legierung <SEP> schmolz, <SEP> kein <SEP> Benetzen <SEP> und
<tb> Kehlen, <SEP> keine <SEP> Lötung
<tb> 4 <SEP> <SEP> Mg <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 8-10-5 <SEP> 605 <SEP> schlechte <SEP> Lötung, <SEP> Legierung <SEP> zu <SEP> flüssig,
<tb> Temp.
<SEP> zu <SEP> hoch
<tb> 5 <SEP> <SEP> <SEP> 2,5- <SEP> 10-4 <SEP> 6,5-10-5 <SEP> 590 <SEP> gute <SEP> Lötung
<tb> 6 <SEP> <SEP> 50% <SEP> Mg, <SEP> 50% <SEP> Cu <SEP> 1 <SEP> . <SEP> 10-4 <SEP> 1-10-5 <SEP> 590 <SEP> gute <SEP> Lötung
<tb> 7 <SEP> <SEP> 1 <SEP> _ <SEP> 10-4 <SEP> 2.10-6 <SEP> 581 <SEP> keine <SEP> Lötung, <SEP> keine <SEP> Anzeichen <SEP> f. <SEP> Schmelzen
<tb> 8 <SEP> <SEP> 1 <SEP> . <SEP> 10'4 <SEP> 6,5-10-5 <SEP> 600 <SEP> keine <SEP> Lötung, <SEP> keine <SEP> Anzeichen <SEP> f. <SEP> Schmelzen
<tb> 9 <SEP> 12% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 1.10-4 <SEP> 600 <SEP> gute <SEP> Lötung, <SEP> Temp. <SEP> etwas <SEP> hoch
<tb> 10 <SEP> <SEP> <SEP> 3-10-4 <SEP> 1,8-10-5 <SEP> 608 <SEP> gute <SEP> Lötung, <SEP> Temp.
<SEP> zu <SEP> hoch
<tb> 11 <SEP> 55% <SEP> Si, <SEP> 23% <SEP> Mg, <SEP> 3.10-4 <SEP> 1-10-4 <SEP> 600 <SEP> gelötet, <SEP> aber <SEP> schlechte <SEP> Kehlung, <SEP> Temp.
<tb> 22% <SEP> Cu <SEP> zu <SEP> niedrig
<tb> *12 <SEP> <SEP> 3.10-4 <SEP> 1,5.10-4 <SEP> 615 <SEP> gute <SEP> Lötung
<tb> *l3 <SEP> 50% <SEP> Mg, <SEP> 50% <SEP> Si <SEP> 1,5- <SEP> 10-4 <SEP> 2. <SEP> 10-4 <SEP> 590 <SEP> Teillötung, <SEP> Temp. <SEP> zu <SEP> niedrig
<tb> 14 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 75% <SEP> Mg, <SEP> 25% <SEP> Cu <SEP> 2,5.10-3 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 588 <SEP> gute <SEP> Lötung
<tb> * <SEP> AI-Blech <SEP> mit <SEP> AI-Blech In der Tabelle I sind nur die Zwischenwerkstoffe angegeben, wobei die verbundenen Bauteile aus technisch reinem Aluminium bestanden.
Es ist zu bemerken, dass gelegentlich ein intermediäres Lötblech oder Lötblatt, in anderen Fällen Pulver und in anderen Fällen sowohl Legierungsblatt als auch Pulver verwendet werden. Allge mein kann die Einführung der intermediären Materialien in einer Vielzahl von Formeln, wie als Pulver, Legierungs blatt, Streifen, Draht oder dergleichen erfolgen. Im Bei spiel 3, bei welchem in dem Legierungszwischenblatt Sili cium, aber kein Magnesium vorhanden war, erfolgte keine Benetzung oder Kehlung und es wurde keine Lötverbin- dung erhalten, obwohl das Legierungszwischenblatt schmolz.
Wenn jedoch in den Beispielen 4 und 5 die Kom ponenten von Beispiel 3 unter entsprechender Anpassung der Temperatur und in Gegenwart von Magnesiumpulver an der zu verlötenden Stelle erfolgte, wurde eine fest verlötete Verbindung erhalten. In Beispiel 6 wurde das Beispiel 5 mit der Abänderung wiederholt, das eine Mi schung von Kupfer- und Magnesiumpulver zur Verbes serung der Kehlungseigenschaften verwendet wurde. Dies führte ebenfalls zu einer guten Lötung; in den Beispielen 7 und 8 wurde jedoch bei Verwendung des gleichen pulver förmigen Zwischenmaterials, jedoch in Abwesenheit der 10% Silicium enthaltenden Legierung keine Lötung erhal ten, auch wenn die Löttemperatur erhöht wurde.
Die Beispiele 9 und 10 bei praktisch gleichen oder etwas höhe ren Temperaturen als in Beispiel 8, jedoch unter Ein führung eines 12% Silicium enthaltenden Legierungs blattes als Zwischenmaterial mit dem Kupfer-Magnesium pulver, führte zu einer festen, verlöteten Verbindung. Die Beispiele 11, 12 und 13 zeigen, dass die Einführung eines Pulvers als Zwischenmaterial zwischen zwei zu verbin dende Teile aus reinem Aluminium in Abwesenheit eines besonderen Flussmittels bei entsprechender Temperatur- einstellung zu einer guten Lötverbindung führen kann, gleichgültig ob die verbundenen Teile komplexe Formen aufweisen, wie z.B. wabenartige Gebilde, oder einfache Bleche sind.
Beispiel 14 zeigt die Verwendung eines Legierungszwischenblattes mit einem intermediären Pul ver, das zur Einstellung der Schmelztemperatur und der Kehlungseigenschaften andere verträgliche Elemente, wie Kupfer enthält. Es ist zu erwarten, dass der Schmelzpunkt des quaternären Autektikums des Systems Al-Mg-Si-Cu niedriger liegt, als der des ternären Eutektikums des Systems Al-Mg-Si. Tatsächlich zeigt Beispiel 14, dass die zufriedenstellende Löttemperatur niedriger liegt, als in den meisten anderen Fällen, bei welchen keine der artig Schmelzpunktsregelung erfolgt.
Wie aus den obigen Beispielen zu ersehen ist, kann der Schmelzpunkt der zu verbindenden Teile an der vor gesehenen Verbindungsstelle durch Diffusion von Magne sium und Silicium entweder von einem Teil in den ande ren, oder zwischen den Teilen, durch Verwendung der intermediären Materialien selektiv erniedrigt werden.
Dementsprechend ist zu erkennen, dass nach dem neuen Verfahren Aluminium- oder Aluminiumlegierungsteilen allein verwendet werden können, wenn Magnesium und Silicium in geeigneten Anteilen in diesen Legierungen enthalten sind oder wenn die intermediären Materialien in entsprechender Weise zwischen die zu verbindenden Teile gebracht werden, wobei die äussere Form des inter mediären Materials relativ unwichtig ist, sofern es nur an der vorgesehenen Verbindungsstelle zur Verfügung steht.
Das in den obigen Beispielen verwendete Pulver wurde in einem flüchtigen Träger, wie Methyl- Cello- solve suspendiert, und zwar in einem ausreichenden Masse, um eine für das Auftragen genügend lange Dauer der Suspendierung zu erzielen. Die Suspension wurde auf das Aluminiumgrundblechmaterial bzw. auf das aus Le gierung bestehende Blech- oder Blattmaterial gegossen oder gestrichen und dann trocknen gelassen. Es bleibt eine dünne Schicht aus Pulver zurück, die das Werkstück gleichmässig bedeckte. Das verwendete Magnesiumpulver war gereinigtes Magnesium, das Kupferpulver war, eben so wie das Siliciumpulver, chemisch rein.
Alle Pulver zeig ten eine Partikelgrösse von etwa 0,044 mm (325 mesh). Es hat sich jedoch als notwendig erwiesen, das Kupferpulver vor seiner Verwendung zu desoxydieren, da es in rohem Zustand nicht unter Regelung der Schmelztemperatur und der Kehlungseigenschaften legiert.
Das Kupferpulver wurde durch Erhitzen unter Was serstoff auf etwa 800 C desoxydiert und dann gemäss den Angaben von Tabelle I in Pulverform verwendet.
Die Beispiele 12 und 13 wurden mit einem L-förmi- gen oberen Bauteil aus schwererem (etwa 3 mm) Material durchgeführt, das auf einem flachen unteren Teil auflag. Die Temperatur wurde mit einem Thermoelement Chro- mel-Alumel bestimmt, dessen Verbindungsstelle mit einem der beiden Werkteile in Berührung stand. In der obigen Tabelle I wie in der gesamten Beschreibung be ziehen sich alle Angaben in % auf das Gewicht.
Es gibt verschiedene Theorien zur Erklärung des Me chanismus, durch welchen die fest haftenden Aluminium oxyde bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens entweder durchdrungen, zerrissen oder bezüg lich ihres Ortes verändert werden.
Die Analyse der die verlöteten Teile in den obigen Beispielen umgebenden Ofenteile aus keramischen Ma terial zeigte die Gegenwart von Magnesium, das sich zwangsläufig aus der Dampfform abgelagert hatte. Man könnte daher annehmen, dass der Magnesiumdampf eine Reduktion des Aluminiumoxydes bewirkt, da Magnesium etwas reaktionsfähiger als Aluminium ist. Wie jedoch oben erwähnt, konnte Kupferpulver in roher Form zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nicht verwendet werden und lag am Ende des Lötvorganges in nicht absorbierter Form lose auf der Oberfläche des aus dem Ofen entnommenen Werkstückes.
Desoxydiertes Kupferpulver legierte dagegen mit dem Verbindungma- terial. Da Kupferoxyd leichter zu reduzieren ist als Alu miniumoxyd, und da Magnesium erheblich reaktions fähiger als Kupfer ist, wird angenommen, dass das Magne sium das Aluminiumoxyd nicht reduziert, wenn es unter den gleichen Bedingungen keine Reduktion von Kupfer oxyd bewirkt. Eine bessere Erklärung für den Mechanis mus des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass der Magnesiumdampf die Aluminiumoxydhaut ent weder durch Risse oder Poren der Oxydschicht durch dringt und das darunter liegende Metall an der Verbin dungsstelle benetzt.
Die entstehende Oberflächenspan nung ist ausreichend, um die Oxydschicht von dem Metall, auf welchem sie sich ursprünglich gebildet hatte, zu ent fernen und möglicherweise die Schicht zu zerreissen, so dass eine innige Berührung zwischen der geschmolzenen Lötlegierung und den beiden zu verbindenden Werk stücken ermöglicht wird. Derartige Poren oder Risse in den zäh haftenden Aluminiumoxydschichten sind so klein, dass die Oberflächenspannung von geschmolzenem Metall eine Durchdringung verhindern würde, während die Metalldämpfe dieser Einschränkung nicht unterliegen und eindringen können. Dieser Mechanismus ist von A.J. Wall und D.R. Milner in einer Veröffentlichung Wetting and Spreading Phenomena in a Vacuum im Journal of the Institute of Metals, Juni 1962, Seite 394 beschrieben.
Diese Veröffentlichung beschreibt die mechanische Ent fernung eines Oxydfilms durch Kriechen von benetzen dem Metall, welches durch den Film hindurchgedrun gen ist.
Wie oben erwähnt, kann durch Einführung von des oxydiertem Kupfer eine Verbesserung der Kehlbildung und eine Regelung des Schmelzpunktes erzielt werden. Es wird angenommen, dass die Zugabe anderer verträglicher metallischer Elemente zur Regelung der Eigenschaften der Lötverbindung erfolgen können und dass dadurch eine Gruppe von Legierungen mit den niedrigen Schmelzpunk ten im Bereich des oben beschriebenen ternären Eutek- tikums von Al-Mg-Si entsteht.
Es wurde daher gefunden, dass beim Löten von Alu minium oder Aluminiumlegierungen Magnesium und Silicium in die Teile an den zu verbindenden Teilen ein diffundiert werden können, um den Schmelzpunkt an der Verbindungsstelle selektiv zu erniedrigen, wodurch eine generelle Verbesserung des Lötens von Aluminiumbau teilen zugänglich wird. Die Einführung einer besonderen Lötlegierung zwischen zu verbindenden Teilen aus prak tisch reinem Aluminium bedeutet eine erhebliche Berei cherung der Metallbearbeitungstechnik.
Method for Soldering Workpieces Made of Aluminum or Aluminum Alloys In soldering, soldering alloys are generally used which are in powder form or often in the form of a sheet, tape, wire or the like and which are inserted between the parts to be connected. The soldering alloy is selected so that it has a lower melting temperature than any of the parts to be connected and can therefore melt and flow at temperatures below those which would damage the material of the parts to be connected.
A problem with soldering is that the molten solder alloy must wet the metallic surfaces of the parts to be connected if a firm connection is to be obtained. However, since certain materials such as stainless steel and aluminum or its alloys form an oxide skin in the air that is difficult to remove, a flux is used to remove the oxide skin that is normally present on the surfaces of the parts to be joined . Oxides can be removed by the flux dissolving these oxides or by slightly etching the metal and removing the oxides from the surface of the metal. If necessary, the flux can exert both effects at the same time.
At the soldering temperature, some fluxes preferably form a flowable, air-excluding covering of the bonded surfaces and are only removed by the flowing solder alloy when it wets the surfaces. In this way the molten solder alloy comes together with an oxide-free surface and results in a solid connection. Fluxes are generally corrosive and their residues are difficult or uneconomical to remove after soldering.
This makes the flux unsuitable for some purposes, e.g. for the manufacture of heat exchangers, such as car coolers, in which the coolant can be contaminated by corrosive products, or for vacuum chambers, in which corrosive gases are released from the flux residues in the vacuum and damage to the parts or the Chamber itself condition.
Aluminum and its alloys are particularly susceptible to the formation of adhesive oxides under the influence of air. These materials are therefore often soldered in an inert atmosphere or in a vacuum. However, the oxide must still be removed if a firm bond is to be obtained. The use of the usual mechanical means for removing such oxide films after applying a vacuum or bringing a corresponding inert and non-oxydie-generating atmosphere is costly and time-consuming even with simple components. For more complex structures, e.g. Honeycomb-like arrangements made of aluminum or structures with complicated surface structures, this is completely excluded.
It is an object of the present invention to remedy the disadvantages described.
The method according to the invention for soldering workpieces made of aluminum or aluminum alloys without the use of a flux, wherein the soldering seam consists of an alloy with a niedri conditions melting point, which at least for the most part contains aluminum, magnesium and silicon, and wherein the to be soldered Workpieces are put together in their desired relationship and heated at the intended connection point in a non-oxidizing atmosphere, is characterized by melting or
Melting an alloy whose melting point is between 550 C and the melting point of the workpiece with the lowest melting temperature, and the 1-15% by weight of silicon and 0.4-10% by weight of magnesium and 0-25% by weight of copper and the remainder Aluminum.
In a preferred embodiment of the invention, the alloy components are wholly or partially supplied by the workpieces to be soldered.
In another preferred embodiment of the invention, the alloy components are introduced into the joint in the form of solder foils or powder mixtures or strips or wires.
The invention will now be explained in more detail with the aid of the figure and a few examples.
The figure shows a simplified ternary phase diagram of the liquidus temperatures of the Mg-Si-Al system. When investigating the vacuum brazing of aluminum alloys, it was surprisingly found that the presence of the elements magnesium and silicon at the intended connection point between the parts to be soldered led to solid connections without a special flux being used. These and other observations are described in more detail in connection with Example 1 and the Examples in Table 1.
It has been found that the elements aluminum, magnesium and silicon required for carrying out the method according to the invention can also be supplied at the connection point in that all these elements are present in one or both of the parts to be soldered. However, since technical aluminum alloys that are to be joined for building or construction purposes do not always contain all the necessary elements together, intermediate materials, e.g. in the form of (1) soldering foils with which one or both of the parts to be connected are provided, (2) powder mixtures, (3) sheet inserts, (4) strips or (5) wire-like structures or combinations of such different agents.
For the new method it is that at the connection point to be soldered at least the elements silicon and magnesium are present together with aluminum so that an alloy with a very low melting point can be formed at the connection point during soldering.
The processes at the soldering point are easiest to explain using the drawing, which shows a ternary phase diagram of the liquidus temperatures of the Al-Mg-Si in C system. Such diagrams are found in the literature, e.g. in Metals Handbook, edited by the American Society for Metals, 1948, p. 1246.
Referring to the lower left corner of the graph with high aluminum and low silicon values, it can be seen that at about 13 wt% silicon, about 5 wt% magnesium and about 82 wt% aluminum there is a eutectic melting at about 551C Alloy is present, it can also be seen that the melting temperatures of other alloy compositions rise rapidly if the composition deviates from the point mentioned, in particular if the silicon content is increased.
Since technical aluminum alloys should expediently be soldered at temperatures below about 625 C, an aluminum alloy is formed at the desired connection point according to one embodiment of the process according to the invention. Magnesium and 1-15% by weight silicon contains to control the melting point. The magnesium content of the alloy formed is less than 10% by weight. The ternary phase diagrams of other aluminum alloys show that the occurrence of this eutectic Al-Mg-Si alloy at around 550 ° C. is surprising and has therefore not been used or recognized as being usable in soldering aluminum or aluminum alloys.
<I> Example 1 </I> In the manufacture of a heat exchanger system, it has proven to be expedient to solder honeycomb-shaped aluminum with a part made of aluminum sheet in order to ensure a high heat transfer. The material of the honeycomb structure consisted of practically pure aluminum with less than 170 impurities and is sometimes referred to in the trade as (Type 1100. The part to which the honeycomb structure made of aluminum was soldered in this example was a brazing sheet which is commercially available is sometimes referred to as soldering sheet no. 23.
The brazing sheet consisted of a base sheet with a nominal composition (based on weight) of 0.350 / o Si, 0.250 / o Cu, 0.60% Mg and the remainder aluminum. Above the base part was a cladding made of an alloy sheet or sheet with a lower smoldering Point arranged that was in contact with the honeycomb structure made of aluminum and consisted of 10 wt.% Si, up to about 0.3 wt.% copper and the rest of aluminum.
Accordingly, the technically pure aluminum was in contact with a molten alloy at the soldering temperature during the soldering process, which contained 10% by weight silicon and a base alloy which comprised the element Mg.
The honeycomb aluminum structure and the soldering sheet or sheet with an intervening lining made of silicon alloy were placed in an oven, which was then evacuated to about 1 X 10-4 mm Hg. The temperature of the parts was then increased to about 590 ° C., held at this temperature for one minute and then lowered considerably below the melting point of the solder alloy. After air was let into the furnace, it was found that the parts were firmly soldered, with metal fillets at the soldering point indicating good wetting of the parts with the molten metal.
As could be determined by an analysis, the solder seam had a composition of 9.8% by weight Si, 0.3% by weight Cu, 0.55% by weight Mg and the remainder Al. This shows that parts made of aluminum or aluminum alloys can be soldered together in a non-oxidizing atmosphere without using a special flux.
<I> Example 2 </I> The procedure was as in Example 1 using the same honeycomb structure made of technically pure aluminum. In this example, the sheet consisted of a brazing sheet, which is also known as brazing sheet No. 21, and a cladding made of an alloy of about 7.5% by weight silicon and aluminum, as well as impurities as the remaining portion on a carrier sheet, which consists of <B> 0.35 </B> silicon, 0.25% Cu, 0.60% Mg and the rest of aluminum, like the carrier part of example 1.
Accordingly, the junction between the practically pure aluminum and the base part comprised the elements silicon and magnesium in addition to aluminum and a small amount of copper.
It was worked as in Example 1, but with a starting vacuum of about 1.5-10-4 mm Hg, a soldering temperature of 590 C and an end vacuum of about 2-10-5 mm Hg. After removing the parts from the furnace, a firmly soldered connection point appeared. The analysis of the metal of the soldered seam showed that it contained 7.4% by weight Si, 0.24% by weight Cu, 0.55% by weight Mg and the remainder Al.
Since it was found that between parts made of practically pure aluminum better thermal conductivity is achieved than between parts made of aluminum and aluminum alloys, and since a better understanding of the principles of the present invention was sought, an additional series of examples was carried out and the same Way as tested in Examples 1 and 2. The following Table I gives examples of such additional procedures and, with the exception of Examples 12 and 13, shows the combination of honeycomb structures made of practically pure aluminum. Both of these materials are also referred to as (alloys no. 1100.
Examples 12 and 13 show the connection of sheet made of pure aluminum with another sheet made of pure aluminum.
EMI0003.0001
TABLE <SEP> I
<tb> For- <SEP> intermediate materials <SEP> vacuum <SEP> temp.
<tb> play <SEP> alloy sheet <SEP> powder <SEP> start <SEP> end <SEP> C <SEP> remarks
<tb> 3 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> remainder <SEP> Al <SEP> 1,5- <SEP> 10-4 <SEP> 2-10-5 <SEP> 600 <SEP> Alloy <SEP> melted, <SEP> no <SEP> wetting <SEP> and
<tb> fillets, <SEP> no <SEP> soldering
<tb> 4 <SEP> <SEP> Mg <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 8-10-5 <SEP> 605 <SEP> poor <SEP> soldering, <SEP> alloy <SEP> to <SEP> liquid,
<tb> temp.
<SEP> to <SEP> high
<tb> 5 <SEP> <SEP> <SEP> 2.5- <SEP> 10-4 <SEP> 6.5-10-5 <SEP> 590 <SEP> good <SEP> soldering
<tb> 6 <SEP> <SEP> 50% <SEP> Mg, <SEP> 50% <SEP> Cu <SEP> 1 <SEP>. <SEP> 10-4 <SEP> 1-10-5 <SEP> 590 <SEP> good <SEP> soldering
<tb> 7 <SEP> <SEP> 1 <SEP> _ <SEP> 10-4 <SEP> 2.10-6 <SEP> 581 <SEP> no <SEP> soldering, <SEP> no <SEP> signs <SEP > f. <SEP> melting
<tb> 8 <SEP> <SEP> 1 <SEP>. <SEP> 10'4 <SEP> 6,5-10-5 <SEP> 600 <SEP> no <SEP> soldering, <SEP> no <SEP> signs <SEP> f. <SEP> melting
<tb> 9 <SEP> 12% <SEP> Si, <SEP> balance <SEP> Al <SEP> <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 1.10-4 <SEP> 600 < SEP> good <SEP> soldering, <SEP> temp. <SEP> a little <SEP> high
<tb> 10 <SEP> <SEP> <SEP> 3-10-4 <SEP> 1,8-10-5 <SEP> 608 <SEP> good <SEP> soldering, <SEP> temp.
<SEP> to <SEP> high
<tb> 11 <SEP> 55% <SEP> Si, <SEP> 23% <SEP> Mg, <SEP> 3.10-4 <SEP> 1-10-4 <SEP> 600 <SEP> soldered, <SEP> but <SEP> bad <SEP> cooling, <SEP> temp.
<tb> 22% <SEP> Cu <SEP> to <SEP> low
<tb> * 12 <SEP> <SEP> 3.10-4 <SEP> 1,5.10-4 <SEP> 615 <SEP> good <SEP> soldering
<tb> * l3 <SEP> 50% <SEP> Mg, <SEP> 50% <SEP> Si <SEP> 1,5- <SEP> 10-4 <SEP> 2. <SEP> 10-4 <SEP > 590 <SEP> partial soldering, <SEP> Temp. <SEP> to <SEP> low
<tb> 14 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> balance <SEP> Al <SEP> 75% <SEP> Mg, <SEP> 25% <SEP> Cu <SEP> 2,5.10-3 < SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10-4 <SEP> 588 <SEP> good <SEP> soldering
<tb> * <SEP> Al sheet <SEP> with <SEP> Al sheet In Table I only the intermediate materials are given, whereby the connected components consisted of technically pure aluminum.
It should be noted that an intermediate brazing sheet or soldering sheet is sometimes used, in other cases powder, and in other cases both alloy sheet and powder are used. In general, the introduction of the intermediate materials can be in a variety of formulas, such as powder, alloy sheet, strip, wire, or the like. In example 3, in which silicon but no magnesium was present in the intermediate alloy sheet, no wetting or grooving took place and no soldered joint was obtained although the intermediate alloy sheet melted.
If, however, in Examples 4 and 5 the components of Example 3 were carried out with appropriate adjustment of the temperature and in the presence of magnesium powder at the point to be soldered, a firmly soldered connection was obtained. In Example 6, Example 5 was repeated with the modification that a mixture of copper and magnesium powder was used to improve the fillet properties. This also resulted in a good soldering; however, in Examples 7 and 8, when the same intermediate powder material was used, but in the absence of the 10% silicon-containing alloy, no soldering was obtained even if the soldering temperature was increased.
Examples 9 and 10 at practically the same or slightly higher temperatures than in Example 8, but with the introduction of an alloy sheet containing 12% silicon as an intermediate material with the copper-magnesium powder, resulted in a solid, soldered connection. Examples 11, 12 and 13 show that the introduction of a powder as an intermediate material between two parts to be connected made of pure aluminum in the absence of a special flux with the appropriate temperature setting can lead to a good soldered joint, regardless of whether the connected parts have complex shapes , such as honeycomb-like structures, or simple metal sheets.
Example 14 shows the use of an intermediate alloy sheet with an intermediate powder containing other compatible elements such as copper to adjust the melting temperature and fillet properties. It is to be expected that the melting point of the quaternary autectic of the Al-Mg-Si-Cu system is lower than that of the ternary eutectic of the Al-Mg-Si system. In fact, example 14 shows that the satisfactory soldering temperature is lower than in most other cases in which no such melting point control takes place.
As can be seen from the above examples, the melting point of the parts to be joined at the joint provided can be selectively lowered by diffusion of magnesium and silicon either from one part into the other or between the parts by using the intermediate materials .
Accordingly, it can be seen that, according to the new process, aluminum or aluminum alloy parts can be used alone if magnesium and silicon are contained in these alloys in suitable proportions or if the intermediate materials are brought between the parts to be connected in a corresponding manner, with the outer The form of the intermediate material is relatively unimportant, provided it is only available at the intended connection point.
The powder used in the above examples was suspended in a volatile carrier, such as methyl cello-solute, in a mass sufficient to achieve a long enough suspension time for application. The suspension was poured or painted onto the aluminum base sheet material or onto the alloy sheet material or sheet material and then allowed to dry. A thin layer of powder remains, which evenly covered the workpiece. The magnesium powder used was purified magnesium, the copper powder, like the silicon powder, was chemically pure.
All powders showed a particle size of about 0.044 mm (325 mesh). However, it has been found necessary to deoxidize the copper powder prior to its use, since in the raw state it does not alloy under control of the melting temperature and the cooling properties.
The copper powder was deoxidized by heating under hydrogen to about 800 ° C. and then used in powder form in accordance with the information in Table I.
Examples 12 and 13 were carried out with an L-shaped upper component made of heavier (about 3 mm) material, which rested on a flat lower part. The temperature was determined with a Chromel-Alumel thermocouple, the connection point of which was in contact with one of the two parts of the work. In Table I above, as in the entire description, all data in% relate to weight.
There are various theories to explain the mechanism by which the firmly adhering aluminum oxides are either penetrated, torn or changed with regard to their location when carrying out the process according to the invention.
The analysis of the oven parts made of ceramic material surrounding the soldered parts in the above examples showed the presence of magnesium, which inevitably had deposited from the vapor form. One could therefore assume that the magnesium vapor causes a reduction in the aluminum oxide, since magnesium is somewhat more reactive than aluminum. As mentioned above, however, copper powder in its raw form could not be used to carry out the method according to the invention and, at the end of the soldering process, lay loosely in unabsorbed form on the surface of the workpiece removed from the furnace.
Deoxidized copper powder, on the other hand, alloyed with the connecting material. Since copper oxide is easier to reduce than aluminum oxide, and since magnesium is considerably more reactive than copper, it is assumed that magnesium does not reduce aluminum oxide if it does not reduce copper oxide under the same conditions. A better explanation for the mechanism of the method according to the invention is that the magnesium vapor penetrates the aluminum oxide skin either through cracks or pores in the oxide layer and wets the underlying metal at the connection point.
The resulting surface tension is sufficient to remove the oxide layer from the metal on which it was originally formed and possibly to tear the layer so that intimate contact between the molten solder alloy and the two work pieces to be joined is made possible . Such pores or cracks in the tough, adhering aluminum oxide layers are so small that the surface tension of molten metal would prevent penetration, while the metal vapors are not subject to this restriction and cannot penetrate. This mechanism is from A.J. Wall and D.R. Milner in a publication Wetting and Spreading Phenomena in a Vacuum in the Journal of the Institute of Metals, June 1962, page 394.
This publication describes the mechanical removal of an oxide film by creeping from wet metal that has penetrated the film.
As mentioned above, the introduction of the oxidized copper can improve throat formation and control the melting point. It is assumed that other compatible metallic elements can be added to regulate the properties of the soldered joint and that this creates a group of alloys with the low melting points in the range of the above-described ternary eutectic of Al-Mg-Si.
It has therefore been found that when soldering aluminum or aluminum alloys, magnesium and silicon can be diffused into the parts on the parts to be connected in order to selectively lower the melting point at the connection point, whereby a general improvement in the soldering of aluminum components is accessible . The introduction of a special solder alloy between parts to be connected made of practically pure aluminum means a considerable enrichment of metalworking technology.