DE10032975A1 - Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen, bei dem das vom "Nocolok"-Ofenlötverfahren bekannte CD-Pulver mit Hilfe eines Laserstrahls zum Schmelzen gebracht wird. Das Verfahren eignet sich besonders für örtlich beschränkte Lötung und zur Reparatur von Aluminiumkühlern.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten von
Aluminiumteilen, bei dem als Lotzusatzwerkstoff ein Pulver
(CD-Pulver) aus Aluminiumlotkügelchen (AlSi12), die mit einem
die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind,
verwendet wird, das durch Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht
wird und dann erhärtet.
Ein Hartlötverfahren dieser Art ist aus der EP 0 703 846 B1
bekannt. Solche Hartlötverfahren werden in der Praxis bei der
Herstellung von Wärmeübertragern im Kraftfahrzeugbau auch
eingesetzt. Diese Verfahren, die unter dem Markennamen
"Nocolok"-Verfahren bekannt sind, sehen vor, dass die zu
verlötenden Aluminiumteile zunächst gereinigt und dann mit
dem CD-Pulver versehen werden, das bsp. in einer Flüssigkeit
gelöst oder pastenförmig vermischt aufgetragen wird. Die so
präparierten und zusammengesteckten Teile werden dann in
einem Lötofen erwärmt, wobei der Lotzusatzwerkstoff schmilzt
und sich innig mit den zu verlötenden Aluminiumteilen
verbindet. Wegen der Notwendigkeit die Teile in einen Lötofen
zu bringen, ist dieses Verfahren sehr aufwendig und dann
nicht einsetzbar, wenn bsp. nur örtliche Reparaturen an
Wärmeübertragern vorgenommen werden sollen.
Für solche örtlichen Lötungen wird in der Regel das
Flammlöten von Hand eingesetzt.
Bauteile mit sehr dünnen Wandstärken unter 1 mm, wie sie
heute für die Herstellung von Kühlern im Kraftfahrzeugbau
verwendet werden, können mit Flammlöten nur sehr schwer oder
gar nicht bearbeitet werden, weil die Wärmeeinbringung zu
groß und zu schlecht kontrollierbar ist. Dies führt dazu,
dass viele reparaturbedürftige oder undichte Wärmeübertrager
in der Produktion nicht repariert werden und verschrottet
werden. Das Flammlöten ist außerdem arbeits- und
zeitintensiv.
Es ist bei der Herstellung von Bauteilen aus Aluminium, auch
bei der Herstellung von Wärmeübertragern im Kraftfahrzeugbau
auch schon bekannt, die Teile durch Anwendung eines
Laserstrahls zu verschweißen (EP 0 660 064 B1). Das eingangs
erwähnte Hartlöten unterscheidet sich vom Schweißvorgang
jedoch dadurch, dass beim Löten nur der Lot-Zusatzwerkstoff
aufgeschmolzen werden soll und das Grundmaterial nicht
anschmilzt. Das Hartlöten von Aluminium mit Hilfe von
Materialbearbeitungslasern (CO2-Nd: YAG- oder Diodenlaser)
ist bisher noch nicht prozesssicher beherrscht und wird daher
auch nicht eingesetzt. Dabei treten zwei Hauptprobleme beim
Aluminiumlöten mit dem Laser auf. Aluminiumoberflächen weisen
nämlich eine hochschmelzende Oxidschicht auf und es muss
daher eine große Leistungsdichte eingesetzt werden, um diese
Oxidschicht aufzuschmelzen. Um die Schmelztemperatur der
Aluminiumoxidschicht von etwa 2000°C zu erreichen, ist eine
große Energiemenge notwendig. Zum zweiten besitzen
Aluminiumoberflächen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit
und reflektieren daher den Großteil einer auftreffenden
Laserstrahlung. Diese reflektierte Strahlung geht dem Prozess
verloren.
Bedingt durch den geringen Einkoppelgrad der Laserstrahlung
in Aluminiumoberflächen und bedingt durch die hochschmelzende
Oxidschicht kann es dazu kommen, dass der Laser entweder gar
nicht einkoppelt oder dazu, dass nach erfolgter Einkopplung
die Oxidschicht bei 2000°C schmilzt und der Grundwerkstoff,
dessen Schmelzpunkt bei etwa 600°C liegt, gleich mit
aufschmilzt. Ein Hartverlöten ist daher mit dem Laser auf die
bisher bekannte Weise nur bedingt möglich. Möglich ist
lediglich (siehe oben) ein Verschweißen oder auch ein
Schneiden mit dem Laserstrahl.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde nach
einem Hartlötverfahren der Eingangs genannten Art zu suchen,
dass sich insbesondere auch für Reparaturarbeiten oder für
örtliche Bearbeitungen eignet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die
Wärme nur örtlich beschränkt durch einen Laserstrahl
aufgebracht wird. Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt,
dass der an sich bekannte Lotzusatzwerkstoff, wie er beim
sog. "Nocolock"-Verfahren verwendet wird, sich besonders gut
durch einen Laserstrahl schmelzen lässt, wobei eine relativ
geringe Wärmeenergie zuzuführen ist. Dieser Effekt ist wohl
darauf zurückzuführen, dass das aufgebrachte Pulver als
Lotzusatzwerkstoff eine rauhe graue Oberfläche aufweist, in
die die Laserstrahlung wesentlich besser einkoppelt als in
blanke Aluminiumoberflächen. Die aufgebrachte CD-
Pulverschicht bildet eine Art "Kugelgebirge", in der der
Strahl durch Vielfachreflexionen gefangen wird. Es wird
dadurch möglich einen höheren Energieanteil der
Laserstrahlung in das Pulver einzukoppeln und es entstehen
kaum Reflexionsverluste. Die aufgebrachte CD-Pulverschicht
kann damit als eine Art Strahlenfalle bezeichnet werden. Die
darunter liegende blanke Oberfläche des Aluminiumteils
reflektiert die Laserstrahlung. Der Laser koppelt damit nicht
in die Oberfläche des Grundwerkstoffes ein und es schmilzt in
gewünschter Weise nur die Lotbeschichtung auf.
Dabei sorgt die Beschichtung der Aluminiumlotkugeln dafür,
dass die Oxidschicht auf dem Grundwerkstoff reduziert wird,
so dass die Lötverbindung zustande kommt.
Das neue Verfahren öffnet dabei die Möglichkeit kleinste aber
auch größere Bereiche von Aluminiumbauteilen mit geringster
Wärmebelastung zu verlöten. Das neue Verfahren kann daher
sowohl in der Produktion, als auch für Reparaturverfahren
eingesetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Laserstrahl
defokussiert werden, um Lötspuren größerer Breite zu
erreichen. Die aufgebrachte Energie reicht immer noch aus um
den Lotzusatzwerkstoff aufzuschmelzen.
Die Wärmezufuhr erfolgt zweckmäßig unter Schutzgas. Um zu
vermeiden, dass ein aufgestreutes Pulver vor dem Aufschmelzen
durch den Schutzgasstrom weggeblasen wird, kann vorgesehen
werden, dass das als Lotzusatzwerkstoff vorgesehene Pulver
vor dem Auftrag mit einen Kleber oder Binder gemischt wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, das Pulver mit dem Binder
zu einer Paste zu mischen, die durch übliche
Auftragsverfahren auf die Aluminiumteile aufbringbar ist.
Durch die Maßnahme kann das Lotpulver gezielt aufgebracht
werden und bsp. auch in einer Breite, die kleiner ist als die
Breite des defokussierten Laserstrahls. Damit wird die
Sicherheit gegeben, dass der gesamte aufgebrachte
Lotzusatzwerkstoff aufschmilzt und keine Reste verbleiben,
die nach dem Lötvorgang entfernt werden müssen.
Die Erfindung wird im folgendem anhand von
Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung
schematisch dargestellt sind. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nach der
Erfindung mit einem Lotzusatzwerkstoff
beschichteten Oberfläche und mit einem auf diese
Oberfläche gerichteten Laserstrahl vor dem
Aufschmelzen,
Fig. 1a die Darstellung nach Fig. 1
jedoch nach dem Aufschmelzen der Schicht,
Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem
Lotzusatzwerkstoff der nur in einem bestimmten
Bereich aufgetragen ist und vor dem Aufschmelzen,
Fig. 2a die Anordnung nach Fig. 2 nach dem
Aufschmelzen,
Fig. 3 die schematische Darstellung einer
Verbindungslötung zwischen zwei
aneinandergrenzenden Teilen nach dem Einbringen des
Lotzusatzwerkstoffes in die Fuge,
Fig. 3a die Darstellung nach Fig. 3 nach dem Lötvorgang
Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel für das neue
Hartlötverfahren beim Löten einer
Rohr/Rohrbodenverbindung,
Fig. 5 die Anwendung des neuen Verfahren bei einer
Deckel/Bodenverbindung und
Fig. 6 die Anwendung des Verfahrens bei einer Verbindung
zwischen einem Halter und einem Gehäuse.
Fig. 1 zeigt zunächst den Grundwerkstoff 1, d. h. eine
Aluminiumplatte. Die Oberseite dieser Aluminiumplatte ist mit
einem Lotzusatzwerkstoff 2 in der Form eines CD-Pulvers
beschichtet. Dieses CD-Pulver, das in bekannter Weise bsp.
nach der Lehre des US-Patentes 5,749,938 hergestellt wird, in
dem das Lot aus einer flüssigen Schmelze unter
Stickstoffatmosphäre verdüst wird. Dabei entstehen kleine
Lotkugeln, die noch unter Stickstoffatmosphäre mit flüssigen
"Nocolok" d. h. mit einem die Oxidschicht reduzierenden
Flussmittel beschichtet sind. Dieses Flussmittel hat beim
Löten die Eigenschaft, das es die Aluminiumoxidschicht
reduziert und damit eine Verlötung zweier Aluminiumbauteile
ermöglicht.
Vor dem Auftrag wird das CD-Pulver zweckmäßig mit einem
Bindersystem abgemischt, so dass es in einfacher Weise
aufgetragen werden kann.
Diese so gebildete, aus kleinsten Kügelchen aufgebaute
Schicht wird mit einem Laserstrahl beaufschlagt, dessen Fokus
3 oberhalb der Oberfläche der Schicht 2 liegt. Der
Laserstrahl ist daher defokussiert, was mit Hilfe des
Abstands Linse 4/Werkstoffoberfläche einstellbar ist. Die vom
Laser aufgebrachte Intensitätsverteilung ist daher, da der
Laserstrahl nicht gebündelt mit seinem Fokus auftrifft,
geringer als beim üblichen Laserschweißen.
Die Fig. 1a zeigt das Ergebnis des Wärmeeintrags über den
Laser. Es ist eine Lötnaht 5 entstanden, an die geschmolzene
Flussmittelreste 6 angrenzen. Außerhalb dieser so
entstandenen Lötspur befinden sich noch unaufgeschmolzene
Reste des Lotzusatzwerkstoffes 2.
Die Anwendung sieht vor, dass der Lotzusatzwerkstoff als
durchgehende Schicht aufgetragen ist.
Die Fig. 2 zeigt nun, dass der Lotzusatzwerkstoff 2 in Form
einer Lotspur nur in einer Breite auf den
Aluminiumgrundwerkstoff 1 aufgebracht ist, die kleiner ist
als die Breite b des Laserstrahls beim Auftreffen auf den
Grundwerkstoff 1. Durch diese Maßnahme wird, wie Fig. 2a
erkennen lässt, erreicht, dass die auftragsgelötete Lötnaht 5
mit seitlichen geschmolzenen Flussmittelresten 6 entsteht,
dass aber keine unaufgeschmolzenen Reste des CD-Pulvers wie
beim Beispiel der Fig. 1a verbleiben. Es empfiehlt sich
daher den Lotzusatzwerkstoff 2 immer begrenzt nur in den
Bereichen aufzutragen, in denen auch eine Verlötung
stattfinden soll. Dies bedingt die entsprechende Auswahl
eines Klebers oder Binders, der auch in der Lage ist, das CD-
Pulver fest auf der Oberfläche haften zu lassen. Dies ist
wichtig - wie vorher schon ausgeführt - um ein Wegblasen des
Pulvers durch das während des Lötvorgangs zugeführte
Schutzgas zu verhindern. Jedes dieser Bindersysteme besteht
dabei aus einem Kleber und einem Lösemittel. Je nach Art des
Lösemittels und des Binders muss die Beschichtung getrocknet
werden oder nicht.
Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn
ein Bindersystem der Fa. Degussa-Hüls, Nr. 10 verwendet
wird. Dieser Binder muss für 3 Minuten auf 150°C erhitzt
werden, damit er abbindet. Nur dann hat er seine volle
Haftung durch Polymerisation. Mit einem solchen Binder wurden
sehr gute Lötergebnisse erzielt. Da auch hier organische
Bestandteile verbrannt werden können, wird mit Schutzgas
gearbeitet.
Die Spur des Lötzusatzwerkstoffes 2 nach Fig. 2 kann auf
verschiedene Weise aufgebracht werden. Sie kann mit einem
Pinsel, mit einer Rolle, mit einer Handspritzpistole oder
auch mit Lackierautomaten appliziert werden.
Gemäß Fig. 3 ist Lot-Zusatzwerkstoff 2 zwischen zwei zu
verlötende Aluminiumteile 7 und 8 eingebracht. Der
Lotzusatzwerkstoff 2 befindet sich im Spalt zwischen den zu
verbindenden beiden Aluminiumteilen 7 und 8. Wird hier
wiederum mit einem Laser, der defokussiert ist, nur der
Bereich dieses Spaltes beaufschlagt, dann schmilzt der
Lotzusatzwerkstoff und bildet die komplett geschmolzene
Lotnaht 9. Das geschmolzene Lot dringt dabei durch
Kapillarwirkung in den Spalt ein, so dass eine Lotnaht 9 (Fig. 3a)
entsteht. Im Bereich 10 kann es dabei je nach
Wärmeeinwirkung aber auch zur Tropfenbildung kommen.
Die Fig. 4 zeigt die Anwendung des neuen Lötverfahrens für
das Einlöten eines Rohres 11 in einen Rohrboden 12. Die Fig. 4
zeigt, dass in diesem Fall eine Lotdepottasche in der Form
einer umlaufenden Vertiefung 13 im Bereich der das Rohrende
umgebenden Öffnung des Rohrbodens 12 geschaffen werden kann.
Die Lotdepottasche kann dazu benutzt werden, Lötpaste gezielt
und in richtiger Menge aufzunehmen und festzuhalten, ehe das
Aufschmelzen des Lotzusatzwerkstoffes durch den schematisch
mit dem Pfeil 14 angedeuteten Laserstahl erfolgt.
Die Fig. 5 zeigt, dass ein Deckel 15 passgenau in eine
Ausnehmung eines Rohrbodens 16 eingesetzt wird und im
Übergangsbereich zwischen Deckel und Rohrboden 16 Lötpaste 17
ringförmig aufgebracht wird. Auch in diesem Fall kann eine
gezielte Menge ohne Probleme an der richtigen Stelle
angebracht werden, die dann durch Anwendung des Laserstrahls
die Verlötung sichert.
Die Fig. 6 schließlich zeigt den Teil 18 eines Gehäuses, an
dem ein Halter 19 angebracht werden soll. Am Fuß 19a dieses
winkelförmigen Halters 19 wird dabei umlaufend oder nur an
gegenüberliegenden Kanten Lotpaste 20 in ähnlicher Weise in
den Winkel zwischen dem miteinander zu verbindenden Teilen
eingefügt, wie das auch anhand von Fig. 5 schon geschildert
wurde. Nach Anwendung des Lasers entsteht eine stabile
Lotverbindung.
Bei allen Hartlötungen der bisher geschilderten Art, aber
auch bei allen noch weiter denkbaren Anwendungsmöglichkeiten
kann als Schutzgas Helium oder Argon verwendet werden.
Denkbar ist es auch das CD-Pulver mit einem Binder in die
Form von ausgehärteten Lotringen zu bringen, die dann durch
Einwirkung des Lasers an der gewünschten Stelle schmelzen.
Eine solche Anwendung dürfte sich besonders vorteilhaft für
das Einlöten von Rohren in Rohrböden von Wärmeübertragern und
für das Auflöten von Wasserkästen eignen.
Claims (10)
1. Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen, bei dem als
Lotzusatzwerkstoff ein Pulver (CD-Pulver) aus
Aluminiumlotkügelchen (AlSi12), die mit einem die
Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind,
verwendet wird, das durch Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht
wird und dann erhärtet,
gekennzeichnet, dass
die Wärme nur örtlich beschränkt durch einen Laserstrahl (3,
4) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Laserstrahl (4, 3) defokussiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmezufuhr unter Schutzgas erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als Lotzusatzwerkstoff (2) vorgesehene Pulver in einer
Breite aufgebracht wird, die kleiner ist als die Breite (b)
des defokussierten Laserstrahls (3, 4).
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als Lotzusatzwerkstoff (2) vorgesehene Pulver vor dem
Auftrag mit einem Kleber oder Binder gemischt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver mit dem Binder zu einer Paste gemischt wird, die
durch üblich Auftragsverfahren auf die Aluminiumteile (1)
aufbringbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Binder das Bindersystem Nummer 10 der Fa. Degussa-Hüls
vorgesehen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Schutzgas Argon oder Helium verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem der miteinander zu verbindenden Teile (12) und
angrenzend zum zweiten Teil eine Lotdepottasche (13)
angebracht wird, die zur Aufnahme und Halterung einer für die
Verlötung ausreichenden Menge des Lotzusatzwerkstoffes dient.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lotdepottasche als eine umlaufende Nut (13) zwischen dem
Ende eines Rohres (11) und einer Öffnung in einem Rohrboden
(12) ausgebildet ist und mit Lotpaste gefüllt wird.
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