CS218556B2 - Method of joining the aluminium components - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu spojování hliníkových součástí, popřípadě součástí z hliníkových slitin.

Je již známo, že hliníkové součásti je možné spojovat tak, že se mezi hliníkovými povrchy, které mají být spojeny, nebo na povrchu hliníkové součásti, která má být připojena, roztaví hliníková slitina na tvrdé pájky v přítomnosti tavidla, které rozpouští nebo naruší vrstvu kysličníku hlinitého, . nacházející se na povrchu ploch, určených ke spojování.

K tomuto účelu se obvykle volí hliníková slitina na tvrdé pájky, jejíž teplota tání je alespoň o 30 až 40 °C nižší než teplota tání hliníku nebo hliníkové slitiny, ze které jsou zhotoveny součásti, které mají být spojeny. Jakožto příklad vhodné slitiny na tvrdé pájky je možné uvést eutektickou směs Al-Si, která taje při teplotě 577 °C, což je teplota alespoň o 30 °C nižší než bod tání hliníku a většiny obvykle používaných hliníkových slitin.

I když j'e v praxi zcela běžné, že alespoň jedna ze součástí je provedena ve formě pájecí fólie (plátovaná fólie hliníkové slitiny s hliníkovou slitinou na tvrdé pájky), je rovněž známé aplikovat slitinu na tvrdé pájky ve formě prášku, rozptýleného ve vhodném kapalném nebo pastovitém nosiči.

t

Rovněž je známé pájení na tvrdo hliníku bez tavidla, které se však . provádí za podtlaku a je tedy poměrně nákladné, a proto i nevyhovující. Dále jsou známé metody pájení na tvrdo- hliníku bez použití tavidla, které vyžadují provedení vlastního pájení sice za atmosférického tlaku avšak v inertní atmosféře; tyto metody jsou však rovněž velmi nákladné a náročné vzhledem k tomu, že dosažený výsledek, tedy kvalita produkovaného spoje je značně závislá na dodržení inertní atmosféry; jakkoliv malé stopy kyslíku a vodní páry z atmosféry se projeví velmi nepříznivě.

Vzhledem k výše uvedeným nevýhodám beztavidlových metod je tedy nejpoužívanější metodou k pájení na tvrdo hliníkových součástí metoda s použitím tavidla, které slouží, jak již bylo- výše uvedeno, k rozpouštění nebo narušení vrstvičky kysličníku hlinitého, vytvořeného na plochách hliníkových součástí, určených ke spojení.

Materiál, který má být použit jako tavidlo, musí být schopen rozpuSfit nebo narušit uvedený kysličník hlinitý při. použité teplotě pájení, přičemž musí. . tento- ' materiál zůstat za uvedených podmínek v . podstatě inertní vůči hliníku nebo použité . hliníkové slitině.

Je obvyklé, že se jako tavidel pro . pájení na tvrdo hliníkových součástí používá ' směsi chloridů kovů. Tato tavidla - jsou v podstatě ve vodě rozpustná a obvykle hygroskopická, přičemž jsou v přítomnosti vody vůči hliníku a vůči hliníkovým slitinám na tvrdé pájky korozívní. Z tohoto důvodu musí být tato tavidla po ukončení pájení na tvrdo z povrchu pájených součástí odstraněna smytím.

Rovněž již bylo navrženo použití směsi práškové slitiny na tvrdé pájky a chloridového tavidla ve vhodném kapalném nosiči. Jakožto uvedeného kapalného nosiče - lze· v daném případě použít organických kapalin, ve kterých chloridové tavidlo neatakuje rozptýlené částice slitiny na tvrdé pájky. Vzhledem k tomu, že použitá tavidla jsou hygroskopická, ukazuje se i tento způsob použití tavidel jako· nevyhovující, poněvadž je při vlastním pájení na , tvrdo hliníkových součástí potřeba používat neustále vysušovaných organických kapalin, sloužících jako nosiče.

Byla již popsána tavidla pro· pájení na tvrdo hliníku, seslá vající v podstatě 'z jednoho nebo více komplexních fluorohlinitanů draselných (buď KAIF4 samotný nebo ve směsi K3AIF6] a · v podstatě prostého· nezreagovaného fluoridu draselného. Tato tavidla jsou nehygroskopická a nezanechávají žádný ve vodě rozpustný zbytek. Taká tavidla jsou při teplotách nad asi 560 °C schopna rozpustit nebo narušit vrstvu kysličníku hlinitého, vytvořenou na povrchu hliníku, přičemž jsou za těchto uvedených podmínek v podstatě inertní vůči kovovému hliníku, takže v tomto případě není nutné - omývat pájenou sestavu za účelem odstranění zbytku tavidla, · ' které by jinak korodovalo pájenou sestavu.

Předmětem vynálezu je způsob pájení hliníku · na ' tvrdo, při kterém se směs práškové hliníkové slitiny na tvrdé pájky a práškového · tavidla na bázi fluorohlinitanu draselného· výše uvedeného typu nanese na plochy, které mají být spojeny, ve vodném nosiči, načež se součásti, určené ke - spojení, zahřejí v poloze, v jaké mají být - spojeny, tak se prášek - slitiny na tvrdé - pájky - roztaví a · vytvoří pájený spoj. Po uvedeném zahřátí se součásti ochladí ' za účelem ztuhnutí tohoto spoje.

Nyní bylo nově nalezeno, že uvedené - tavidlo, sestávající v · podstatě z . fluorohlinitanu draselného, který případně · obsahuje malé' množství nezreagovaného fluoridu hlinitého, avšak který je prost nezreagovaného fluoridu - draselného, může - být udržováno· ve vodné kaši s práškovými slitinami na tvrdé pájky - po delší ' časový úsek aniž by · při tom došlo k atakování části Slitiny - na tvrdé · pájky po delší časový úsek, aniž by zjištěno, že částice · hliníkové slitiny na - tvrdé pájky a částice tavidla mohou - být ve · formě uvedené kaše nanášeny na povrch hliníku a mohou být vysušeny k vytvoření filmu, který má rozumnou adhezi k povrchu hliníku.

Na rozdíl od toho, kaše obsahující pouze částice hliníkové slitiny na - tvrdé pájky, nevytváří film, který by vykazoval adekvátní adhezi. V některých případech je dokonce postačující přítomnost asi pouze 2 % tavidla, vztaženo na · pevný podíl kaše. Obvykle je výhodné používat tavidlo v množství 10 až 20 -%, vztaženo na množství -hmotnostní částic na tvrdé pájky. Množství - vody, ve které jsou dispergovány tavidlo a- práškový kov, se může měnit v závislosti na· - požadované konsistence disperze; obvykle bývá menší než množství prášku, kteýý· je - v ní dispergován.

I když uvedená kaše může být nanášena postřikem nebo - natíráním, je pro průmyslovou výrobu - pájených sestav nejvhodnější způsob, který - spočívá v namáčení součástí; určených ke spojení, do uvedené kaše·, a to před nebo po jejich sestavení do sestavy, v jaké mají - být spojeny. Tímto způsobem se dosáhne nanesení uvedené kaše na veškeré dostupné povrchy uvedených součástí. V důsledku povrchových jevů - dochází v případě, že se namáčejí již sestavené sestavy, k deponování kaše především mezi spojené povrchové plochy.

Velikost částí tavidla a kovového prášku by měla být menší než 200' - mesh (menší než 75 - J, a to z toho- důvodu, -aby byl zajištěn průchod těchto částic mezi přitištěnými povrchy sestavy,· určené ke spojení pájením na tvrdo.

Obměňování množství vody v kaši a regulováním dalších faktorů, zejména regulováním rychlosti vytahování součástí nebo sestav z kaše, obsahující tavidlo a slitinu pro tvrdé - pájky, je možné - dosáhnout - toho, že nanesená vrstvička - kaše má obsah - - pevného podílu rovný několika stovkám - gramů na plošný metr, přičemž je výhodné,- obsahuje-li tato vrstvička- pevný - podíl- v - rozmezí 30 až 180 gramů- na plošný metr. Takové povlaky mají po vysušení dostatečnou- - adhezi k povrchu hliníkových- - součástí. Je - sa* mozrejmě nezbytné předběžně - upravit - uvedený povrch odmaštěním, aby se - dosáhlo . dostatečné - smáčitelnosti tohoto - povrchu - uvedenou kaší.

Takto - deponované povlaky tavidla· a prášku slitiny na - tvrdé pájky mohou obsahovat dostatečné množství tavidla - k tomu, aby pájení hliníku na- tvrdo- mohlo být prováděno v normální oxidační - atmosféře pájecí pícky. Nicméně toto nezbytné množství tavidla je - příliš vysoké a - při vlastním - pájení potom odpadá značné množství - znečištěného tavidlového zbytku, což významně- zvyšuje nákladnost- pájecího procesu.

Vzhledem k tomu je dalším znakem vynálezu provedení pájecí operace v pájecí - pícce, ve které - je atmosféra bezvodého inertního plynu. Tato atmosféra - je zpravidla^ tvořena bezvodým. dusíkem, který je- - pros^ kyslíku, tj. - dusíkem, - který - je - vysušen na·' obsah vlhkosti menší než -250 ppm- vodní páry, a který obsahuje méně než 3000 ppm kyslíku. Kromě dusíku může být použito i dalších plynů, které jsou inertní vůči hliníku, jako například štěpeného amoniaku, a to za předpokladu, že jsou prosté kyslíku a že jejich obsah vlhkosti je udržován ve výše uvedených mezích.

Atmosféra v pícce je udržována na teplotě, která leží nad teplotou tání práškové hliníkové slitiny na tvrdé pájky a tavidla avšak pod teplotou tání hliníku nebo hliníkové slitiny, ze které jsou vyrobeny součásti, určené ke spojení pájení na tvrdo. Výše uvedený pájecí postup probíhá s uspokojivými výsledky pro všechny hliníkové slitiny, jejichž teplota tání je vyšší než teplota tání hliníkové slitiny na tvrdé pájky. Nicméně přítomnost tavidla vede к méně uspokojivým výsledkům v případě, že součásti, určené ke spojení (nebo alespoň jedna z nich) obsahují více než 1 % hořčíku.

Jak již bylo uvedeno, může být poměr tavidlo/slitina na tvrdé pájky ve výše uvedené kaši měněn ve velmi širokém rozsahu; nicméně je obvyklé použít obsahu tavidla ve vysušeném filmu rovný 3,29 až 15 g/m². Takto se poměr práškové slitiny na tvrdé pájky a vody к tavidlu výhodně zvolí tak, aby došlo к nanášení povlaku s obsahem slitiny na tvrdé pájky a tavidla ve stanovených mezích.

Pokud jde o kvalitu vytvořeného spoje, neexistuje zde žádná horní hranice pro množství použitého tavidla. Nicméně v případě vysokých množství tavidel je vzhled vytvořeného spoje kažen nevzhledným zbytkem tavidla, pročež se množství použitého tavidla s výhodou omezuje na množství nepřevyšující hodnotu 50 gramů na plošný metr.

Výše uvedená kaše, obsahující slitinu na tvrdé pájky a tavidlo, může dále obsahovat činidla pro stabilizaci suspenze a inhibitory koroze, nicméně přítomnost uvedených látek se neukazuje nezbytnou při operaci, kde čas prodlení kaše v lázni má omezené trvání. Přítomnost malého množství povrchově aktivních činidel může podpořit pronikání výše uvedené kaše mezi povrchy sestavené sestavy, určené ke spojení.

Způsob podle vynálezu je mimořádně výhodný obzvláště při výrobě soustav tepelných výměníků, jako například olejových chladičů pro motorová vozidla.

Jak již bylo uvedeno, sestává tavidlo v podstatě ze směsi fluorohlinitanů draselných, v podstatě prosté nezreagovaného fluoridu draselného. Ve významu, v jakém je zde uveden, vztahuje se výraz „fluorohlinitan draselný“ na látky vytvořené stavením fluoridu hlinitého a fluoridu draselného, přičemž uvedené komplexy mají vzorce K3AIF6 a KAIF4. Zkouška stanovením difrakce rentgenových paprsků po průchodu ztuhlým zbytkem roztavené eutektické směsi fluoridu draselného a fluoridu hlinitého, která má složení asi 45,8 % fluoridu drasel ného a 54,2 % fluoridu hlinitého, prokazuje, že veškerý obsah fluoridů se nachází ve formě K3AIF6 a KAIF4, které jsou jen málo rozpustné ve vodě a které nejsou hygroskopické. Roztavená eutektická směs sestává z uvedených dvou fází a je prostá fluoridu draselného a fluridu hlinitého.

Teplota liquidus uvedené směsi fluorohlinitanů draselných se mění v závislosti na složení této směsi (toto složení je vyjádřeno jako vzájemný poměr fluoridu hlinitého a fluoridu draselného, přičemž tato teplota dosahuje minima (asi 560 °C) pro složení odpovídajícímu právě uvedené eutektické směsi, přičemž je výhodné použít tavidlo, jehož složení leží v blízkosti složení uvedené eutektické směsi.

Zatímco teplota tání tavidla, vynášená v diagramu, publikovaném v Journal Američan Ceramic Society, 49, str. 631—34, prosinec 1966, velmi rychle stoupá v případě, že množství fluoridu draselného stoupá nad množství, které je nezbytné pro dosažení eutektické směsi, stoupá uvedená teplota tání tavidla pouze mírně к hodnotě asi 574 stupňů Celsia, jestliže stoupá obsah fluoridu hlinitého nad složení odpovídající eutektické směsi к celkovému obsahu asi 60 % (50 mol. '% A1F6).

Pro pájení na tvrdo hliníkových součástí je obvykle výhodné, aby poměr fluoridu hlinitého ku fluoridu draselnému ve fluorohlinitanů draselném byl takový, že se tavidlo stává reaktivním při teplotě nepřevyšující 600 °C. Tavidlo je s výhodou intimní směsí K3AIF6 a KAIF4, odpovídající poměru AIF3/ /KF v rozmezí asi 60 : 40 až asi 50 : 50 (hmotových dílů], která je prosta nezreagovaného fluoridu draselného.

Při složení, odpovídajícímu obsahu fluoridu hlinitého pod asi 60 % sestává směs fluorohlinitanu draselného v suchém stavu z K3AIF6 a KAIF4. Při vyšších obsazích fluoridu hlinitého v rámci stanoveného rozmezí sestává uvedená směs z KAIF4 a z malého množství nezreagovaného fluoridu hlinitého (který je nerozpustný ve vodě), přičemž však tato směs je prosta nezreagovaného fluoridu draselného. V tavidle mohou být přítomny v malých množstvích i ostatní fluoridy (jako například fluorid lithný, fluorid sodný nebo fluorid vápenatý).

Vzhledem к tomu, že tavidlo na bázi fluorohlinitanu draselného neatakuje slitinu na tvrdé pájky, obsaženou v tavidle ve formě prášku, v přítomnosti vody, má lázeň práškového tavidla a práškové slitiny na tvrdé pájky dobrou životnost rovnou až několika dnům nebo i více, zatímco konvenční chloridové tavidlo vydrží v uvedené lázni pouze omezenou krátkou dobu právě vzhledem ke skutečnosti, že tavidlo tohoto typu atakuje v přítomnosti vody částice slitiny na tvrdé pájky. Bylo rovněž zjištěno, že uvedená kaše tavidla a slitiny na tvrdé pájky podle vynálezu může být regenerována 10% hmotnostním přídavkem tavidla a slitiny na tvrdé pájky v požadovaném poměru.

К vodné kaši tavidla a slitiny na tvrdé pájky podle vynálezu mohou býti přidány rozličné přísady, aniž by při tom byl překročen vlastní rámec vynálezu. Tak může být například použito konvenčních povrchově aktivních látek, zahušťovadel a/nebo dispergačních činidel. V praxi se však dosáhne uspokojivých výsledků i bez těchto přísad.

Příklad 1

Sto hmotových dílů práškovité slitiny, sestávající z hliníku a 12 % Si, o velikosti částic —200 mesh a 25 hmotových dílů práškovitého flurohlinitanu (směs KAIF4 a K3AIF6) o velikosti částic —200 mesh se smísí se 75 díly deionizovaná vody a uvedené prášky se udržují v rezultující kaši v suspenzi pomocí mechanického míchadla. Malý vzorek vyčištěného hliníku se potom ponoří (vzor.ek hliníku má velikost 2,5 X X 2,5 cm) do uvedené mechanicky míchané kaše a z této kaše se opět vytáhne takovou rychlostí, že se na povrchu vzorku hliníku utvoří jednotný depozit práškového tavidla a slitiny na tvrdé pájky.

Po vysušení se povlak tavidla a slitiny na tvrdé pájky odstraní ze všech ploch s výjimkou jediné. Tento postup se provede s několika vzorky výše uvedené velikosti. Tímto způsobem se dosáhne pouhým měněním konzistence kaše zředění této kaše vodou povlaků s plošnou hmotou 30 až 180 gramů na plošný metr. Všechny uvedené vzorky se s uspokojivým výsledkem připájí к nepovlečenému vzorku v pájecí pícce, ve které se udržuje atmosféra bezvodého dusíku.

Příklad 2 z 4 gramů fluorohlinitanu draselného (práškové tavidlo), 160 gramů práškové slitiny na tvrdé pájky Al-Si a 108 ml deionizované vody. Tato kaše se potom aplikuje na povrch hliníkových vzorků tak, aby se dosáhlo po vysušení plošné hmoty 135 gramů na plošný metr. S takto povlečenými vzorky se dosáhne účinného spojení pájením, ačkoliv poměr kov/tavidlo činil v tomto případě 40 : 1.

Příklad 3

Kaše sestávající z 10 dílů práškové slitiny na tvrdé pájky Al-10 % Si a z jednoho· dílů tavidla (eutektická směs KAIF4 a K3AIF6) se smíchá s dostatečným množstvím vody к tomu, aby se po nonoření desek z hliníkové slitiny AA3Ó03, určených pro výrobu olejových chladičů, v míchané kaši dosáhlo po vysušení povlaku s plošnou hmotou 45 až 135 gramů.

Desky vytažené z kaše se ještě zavlhka rozvěsí. Koncové desky se použijí nepovlečené uvedenou pastou; slitina na tvrdé pájky, obsažená v kaši, vytvoří na vnějšku teplovýměnných desek vrstvu kovu pro připájení koncových desek. Po sestavení se jednotka zahřívá na teplotu 200 °C po dobu 5 minut, čímž se vysuší. Potom se umístí do pájecí pícky, kde se udržuje atmosféra bezvodého dusíku. Jednotka se potom zahřeje na teplotu 590 °C po dobu 12 minut a potom se před vytažením z pícky nechá vychladnout na teplotu 550 °C. Po ochlazení na pokojovou teplotu byla jednotka zkoušena tlakem 1,4 atp stlačeného vzduchu. U jednotek s použitou plošnou hmotou povlaku asi 70 gramů na plošný metr nebo více, nebyly po zkoušce tlakem zjištěny žádné trhliny.

Stejně jako v příkladu 1 se připraví kaše

Claims (5)

1. PŘEDMĚT VYNALEZU

   1. Způsob spojování hliníkových součástí pomocí hliníkové slitiny na tvrdé pájky, mající teplotu tání nižší, než je teplota tání hliníkových součástí, při kterém se sestavené součásti zahřejí na teplotu, která je vyšší než teplota tání uvedené slitiny na tvrdé pájky a nižší než teplota tání uvedených součástí, v přítomnosti tavidla na bázi fluorohlinitanu draselného, které je v podstatě prosté nezreagovaného fluoridu draselného, vyznačený tím, že tavidlo a slitina na tvrdé pájky se aplikují na povrch alespoň jedné ze součástek ve formě vodné kaše prášku, tvořeného jemně rozdruženým tavidlem a jemně rozdruženou slitinou na tvrdé pájky, načež se film této kaše, vytvořený na uvedeném povrchu vysuší a součásti se případně po předcházejícím sestavení spájí zahrátím v bezvodé, kyslíku prosté, inertní plynné atmosféře, přičemž se aplikace kaše tavidlo/slitina na tvrdé pájky provádí tak, že se na plošný metr povrchu součástí nanese

   30 až 180 gramů pevného podílu kaše, přičemž poměr tavidlo/slitina na tvrdé pájky je volen tak, že se dosáhne nanesení alespoň 3,29 gramů tavidla na plošný metr povrchu součástí.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že poměr práškové slitiny na tvrdé pájky к tavidlu v uvedené kaši je roven 4 až 40 :1.
3. 3. Způsob podle bodů 1 nebo 2, vyznačený tím, že se směs slitiny na tvrdé pájky a tavidla nanáší na uvedenou součástku ponořením této součástky do lázně, tvořené uvedenou kaší.
4. 4. Způsob podle bodu 1 nebo 2, vyznačený tím, že se již sestavené součásti ponoří do lázně, tvořené uvedenou kaší, к deponování směsi slitiny tvrdé pájky/tavidlo mezi přilehlé plochy vytvořené sestavy.
5. 5. Způsob podle bodů 1 až 4, vyznačený tím, že se jako inertního plynu použije dusíku.