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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallteils
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein nach diesem Verfahren
hergestelltes Metallteil und eine Vorrichtung zur Herstellung des
Metallteils.
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Es
ist allgemein bekannt, bei der Herstellung von Metallteilen eine
Flussmittelzusammensetzung auf eine Oberfläche aufzubringen, um eine nachfolgende
Verlötung
zu ermöglichen.
Es kann sich dabei um eine Flussmittelzusammensetzung handeln, die bereits
Lotbestandteile wie etwa Metallpulver enthält oder auch um ein reines
Flussmittel, das z. B. auf eine mit metallischem Lot flächig plattierte
Oberfläche
aufgebracht wird.
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WO
01/38040 A1 beschreibt die Herstellung eines Aluminiumprodukts,
wobei ein Blech oder Profil von einer Rolle zugeführt wird
und nachfolgend über eine
Auftragsrolle flächig
mit einem Flussmittel beschichtet wird. Nachfolgend wird der Auftrag
in einer Heizeinrichtung getrocknet und das Blech wird wieder zu
einer Rolle gewickelt. Für
diesen flächigen Auftrag
werden erhebliche Mengen an Flussmittel und organischem Binder benötigt, welche
zudem bei späteren
Anwendungen des beschichteten Materialstrangs überschüssig sein und störende Wirkungen aufweisen
können.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines
Metallteils anzugeben, bei dem die aufgebrachte Menge an Flussmittel
verringert ist.
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Diese
Aufgabe wird für
ein eingangs genanntes Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Aufbringung der Flussmittelzusammensetzung nur auf einen
definierten Teil der Oberfläche
mittels der Auftragsvorrichtung wird bei einem automatisiertem und
somit kostengünstigem
Auftrag zugleich ermöglicht,
eine erheblich geringere oder gar keine Fläche mit Flussmittel zu beschichten,
die später
keinem Lötprozess
unterzogen wird. Hierdurch wird überschüssiges Flussmittel
beim fertigen Produkt vermieden. Zudem wird die Menge an benötigtem Flussmittel
kostengünstig
verringert. Der Materialstrang ist allgemein ein Band oder Blech
oder ein Profil; er kann als Stangenmaterial, als Rollenmaterial
oder in sonstiger Weise als endloser oder quasi-endloser Materialvorrat
vorliegen. Insbesondere kann der Materialstrang im Sinne der Erfindung
auch von in seiner Förderrichtung
veränderlichem
Querschnitt sein.
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Besonders
bevorzugt umfasst die Auftragsvorrichtung eine Auftragsrolle, so
dass ein zuverlässiger
und einfacher Auftrag des Flussmittels durch aufrollen ermöglicht ist.
Allgemein können
jedoch auch andere Auftragsmittel vorgesehen sein, wie etwa Siebdruck-Vorrichtungen.
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In
bevorzugter Ausführung
umfasst das Verfahren ferner den Schritt, mehrere Abschnitte des Materialstrangs
zur Vereinzelung von beschichteten Metallteilen abzulängen. Somit
erfolgt eine Vereinzelung der Metallteile erst nach dem definiert
teilflächigem
Auftrag des Flussmittels auf einen endlosen oder quasi-endlosen
Materialstrang, wodurch insgesamt ein hoher Automatisierungsgrad
gegenüber dem
Stand der Technik ermöglicht
ist.
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Auf
einfache Weise wird der nur teilweise Auftrag vorteilhaft dadurch
ermöglicht,
dass die Auftragsrolle eine mit dem definierten Teil der Oberfläche des
Materialstrangs korrespondierende Struktur aufweist. Es kann sich
jedoch auch um eine Auftragsrolle ohne strukturierte Oberfläche handeln,
wobei ein definierter nur teilweiser Auftrag der Flußmittelzusammensetzung
auf die Auf tragsrolle durch andere Mittel erfolgt, beispielsweise
selektives Aufspritzen des Flussmittels.
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Bevorzugt
besteht der Materialstrang aus einer Aluminiumlegierung. Für Aluminiumlegierungen sind
eine Vielzahl von automatisiert auftragbaren Flussmittelzusammensetzungen
bekannt. Eine bevorzugte Flussmittelzusammensetzung wird dabei in der
EP 1 287 941 A1 beschrieben.
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In
einer geeigneten Ausführung
weist die Oberfläche
des zugeführten
Materialstrangs bereits eine zumindest teilweise Plattierung aus
einem Lot auf. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Flussmittelzusammensetzung
kein metallisches Lot enthält.
Eine solche Flussmittelzusammensetzung ist besonders leicht aufbringbar.
Zudem ergibt sich aus der Kombination einer reinen Flussmittelzusammensetzung
mit aufplattiertem Lot eine besonders gute Wirkung, da die Einhaltung
der Auftragsdichte des Metalls bzw. der Plattierung für den Lötvorgang
im allgemeinen kritischer ist als die Auftragsdichte des Flussmittels.
Alternativ oder ergänzend
kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Flussmittelzusammensetzung
einen metallischen Bestandteil, insbesondere pulverförmiges Metall,
oder einen chemisch gebundenen, während des Lötprozesses metallisch werdenden
Bestandteil enthält.
Ein Beispiel ist das Produkt Silflux der Firma Solvay. Eine Flußmittelzusammensetzung
im Sinne der Erfindung kann es auch durch Reaktionen während des
Lötvorgangs
ermöglichen,
dass aus der Oberfläche
des Materialstrangs selbst das Lot entsteht.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
die Abschnitte und/oder der Materialstrang zu Rohren eines Wärmetauschers
umgeformt. Besonders bevorzugt sind die Rohre dabei Flachrohre, die
insbesondere bevorzugt wenigstens eine Sicke oder einen Steg zur
Abtrennung separater Kammern innerhalb des Rohres aufweisen. Besonders
bei solchen mit Sicken oder Stegen versehenen Flachrohren ist eine
Verlötung
entlang der im Innenraum des Rohres anstoßenden Sicken oder Stege gewünscht, um
eine hermetische Abriegelung separater paralleler Kammern zu gewährleisten.
Zugleich sollte die Menge des innerhalb des Rohres vorhandenen Flussmittels
begrenzt sein, damit keine Kontamination eines später im Wärmetauscher
ein gesetzten Kühlmittels
stattfindet und keine Flussmittelreste Engstellen des Wärmetauschers
verstopfen oder sich dort absetzen können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden die Abschnitte und/oder der Materialstrang zu Sammlerkästen eines
Wärmetauschers umgeformt.
Es sind Ganzaluminium-Wärmetauscher bekannt,
bei denen stirnseitige Sammlerkästen
aus Aluminium ein im wesentlichen U-förmiges Profil aufweisen, wobei
die endseitigen Teile der Innenflächen der Schenkel des Profils
mit Tauscherrohren flächig verlötet werden.
An diesen Lötflächen sind
relativ große
Mengen von Lot und Flußmittel
erforderlich. Um einen Überschuss
von Flussmittelzusammensetzung im Inneren des Wärmetauschers zu vermeiden, sind
im Sinne der Erfindung vorteilhaft nur diese Randbereiche, bei denen
es tatsächlich
zu einer Verlötung
mit anderen Bauteilen kommt, mit einem Flussmittelauftrag versehen.
Die Abschnitte können auch
zu Böden,
Seitenteilen oder anderen Komponenten eines Wärmetauschers umgeformt werden.
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Für geeignete
bevorzugte Ausführungsformen
ist es vorgesehen, dass der definierte Teil der Oberfläche wenigstens
einen, insbesondere eine Mehrzahl von in Zuführrichtung des Materialstrangs durchgehenden
Streifen umfasst. Bei einer solchen selektiven Auftragsweise kann
beispielsweise eine auch eine zumindest teilweise Umformung des
Materialstrangs vorteilhaft erfolgen, bevor eine Vereinzelung in
einzelne Metallteile erfolgt. Alternativ oder ergänzend kann
der definierte Teil der Oberfläche
auch wenigstens eine in Zuführrichtung
des Materialstrangs nicht durchgehende, sich in regelmäßigen Abständen wiederholende
Struktur umfassen. Die Gestaltung des definierten Teils der mit
der Flussmittelzusammensetzung versehenen Oberfläche des Materialstrangs hängt dabei
lediglich von den konkreten Anforderungen an die weitere Herstellung
der Metallteile ab.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die definierten Teile der Oberfläche zumindest teilweise als
geprägte
Vertiefung ausgebildet, insbesondere mittels einer der Auftragsrolle
vorgeordneten Prägeralle. Hierdurch
kann es zumindest teilweise oder auch vollständig erreicht werden, dass
der Auftrag der Flussmittelzusammensetzung keine Erhöhung des Durchmessers
des Materialstrangs bewirkt, indem die Flussmittelzusammensetzung
lokal am Ort der Vertiefungen aufgetragen wird. Dies ist insbesondere bei
Bauteilen vorteilhaft, bei denen eine Stapelung einer Vielzahl von
Einzelteilen bedingt durch an jedem Einzelteil vorhandene Flussmittelschichten
eine summarische Maßtoleranz
des Stapels in Frage stellen würde.
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Bei
einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Auftragsvorrichtung eine Spritzvorrichtung
zum Aufspritzen und/oder Aufsprühen
der Flussmittelzusammensetzung auf den Materialstrang. Durch den
Vorgang des Aufspritzens oder Aufsprühens mittels einer entsprechenden
Spritzvorrichtung kann die Flussmittelzusammensetzung kostengünstig und
zuverlässig aufgebracht
werden. Besonders vorteilhaft umfasst die Spritzvorrichtung dabei
eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Spritzdüsen. Die Spritzvorrichtung und/oder
die Spritzdüsen
können
bewegbar ausgestaltet sein und/oder im Intervallbetrieb oder mit
veränderlicher
Auftragsmenge arbeiten, so dass je nach Anforderungen eine Strukturierung
der aufgetragenen Flussmittelzusammensetzung erfolgen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die aufgetragene
Flussmittelzusammensetzung zumindest einen gradierten Bereich auf.
Unter einem gradierten Bereich ist dabei allgemein ein Bereich veränderlicher
Dicke oder Dichte der Flussmittelzusammensetzung zu verstehen. Die
Gradierung kann insbesondere in Zuführrichtung oder auch senkrecht
dazu bestehen.
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Ein
erfindungsgemäßes Metallteil
weist die Merkmale des Anspruchs 19 auf.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung des Metallteils nach Anspruch 19 weist die Merkmale
nach Anspruch 20 auf. Durch die Strukturierung der Oberfläche der
Auftragsrolle ist eine erhebliche Verringerung eines überflüssigen Flussmittelauftrags
gegenüber
dem Stand der Technik bei einer automatisierten Aufbringung der
Flussmittelzusammensetzung ermöglicht.
In bevorzugter Ausführung
umfasst die Vorrichtung zur Herstellung des Metallteils zudem eine
der Auftragsrolle vorgeordnete Prägerolle zur Einbrin gung von
Vertiefungen in den Materialstrang auf. In besonders bevorzugter
Ausführung
sind der Auftragsrolle Mittel zur Vereinzelung von Abschnitten des
Materialstrangs nachgeordnet, so dass eine hohe Integration von
automatisierten Herstellungsschritten zur Erlangung des Metallteils
in einer gemeinsamen Herstellungsvorrichtung vorliegt.
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Diese
und weitere Merkmale ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen
Ansprüchen. Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 bis 7 zeigen
sieben verschiedene schematische Darstellungen von Auftragsrollen
mit strukturierten Oberflächen
sowie jeweils die schematische Darstellung der durch die Auftragsrollen
bedingten Beschichtung auf einen Materialstrang.
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8 zeigt
eine skizzenhafte Querschnittsansicht eines gelöteten Wärmetauscherrohres.
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9 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines gelöteten Wärmetauschers mit metallenen
Sammlerkästen.
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10 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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11 zeigt
eine Schnittansicht durch einen Materialstrang mit gradierten Beschichtungen
quer zu der Zuführrichtung.
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12 zeigt
eine Schnittansicht durch einen Materialstrang mit gradierten Beschichtungen
längs zu
der Zuführrichtung.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren liegt
zunächst
ein Materialstrang aus mit Lot vollständig flächig plattiertem Aluminiumblech
als Rollenmaterial vor. Das Blech wird mittels einer Zuführeinrichtung
einer Auftragsvorrichtung zur automatisierten Auftragung einer Flussmittelzusammensetzung
zugeführt.
Die Auftragsvorrichtung umfasst eine Auftragsrolle 1, welche
eine strukturierte Oberfläche 1a–1g hat.
Eine Flussmittelzusammensetzung von pastöser Konsistenz wird aus einem
Vorratsbehälter auf
die Auftragsrolle 1 aufgebracht, wonach sie durch Abrollen
der Auftragsrolle entlang des bewegten Materialstrangs auf diesen übertragen
wird.
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Dadurch
bedingt, dass die Auftragsrolle 1 eine strukturierte Oberfläche aufweist,
wird die Flussmittelzusammensetzung nur über die vorstehenden Bereichen
der strukturierten Oberfläche
aufgebracht und/oder nur von diesem Bereichen auf den Materialstrang übertragen.
Hierdurch erfolgt eine Auftragung der Flussmittelzusammensetzung
nur auf definierte Teile der Oberfläche des durchlaufenden Materialstrangs.
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In
den Zeichnungen 1 bis 7 sind sieben
beispielhafte Strukturierungen von Auftragsrollen 1a–1g schematisch
dargestellt. In den Beispielen nach 1 bis 3 hat
die Rolle dabei vollständig
umlaufende parallele Ringe. Hierdurch wird eine Beschichtung des
Materialstrangs in Form von durchgehenden Streifen in seiner Förderrichtung
erzielt. Anzahl, Breite und Verteilung der Streifen in Querrichtung
des Materialstrangs sind dabei in Abhängigkeit von den jeweiligen
Anforderungen frei wählbar.
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In
den Beispielen gemäß 4 und 5 weisen
die erhabenen Bereiche der Auftragsrolle nicht nur senkrecht zur
Abrollrichtung, sondern auch in Abrollrichtung Unterbrechungen auf.
Dementsprechend ergeben sich in Zuführrichtung des Materialstrangs
unterbrochene Bedruckungen mit Flussmittelzusammensetzung. Bei dem
Beispiel nach 4 sind sämtliche der bedruckten Flächen in
Zuführrichtung
mit gleichem Abstand voneinander versehen. In 5 wechseln
sich bedruckte Flächen
von unterschiedlicher Länge
in Zuführrichtung
ab. Eine Wiederholung des Musters ergibt sich im Beispiel nach 5 erst
nach einer vollständigen
Umdrehung der Auftragsrolle 1.
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Die
Beispiele nach 6 und 7 zeigen Ausgestaltungen
der Auftragsrolle, bei der die bedruckten Bereiche punkt- bzw. kreisförmig sind.
Die vorstehenden Oberflächenstrukturen 1f, 1g der
Auftragsrollen sind hierzu mit einer pilzartigen Krümmung versehen
und im Querschnitt im wesentlichen kreisförmig.
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Vor
der Auftragsrolle kann eine Prägerolle angeordnet
sein, durch die Strukturen in die Oberfläche des Materialstrangs einprägbar sind.
Diese Strukturen sind bezüglich
der Führung
des Materialstrangs mit der Position der Auftragsrolle verknüpft, so
dass eine synchrone Beschichtung mit Flussmittelzusammensetzung
lediglich im Bereich der eingeprägten
Vertiefungen erfolgt. Typische Prägetiefen können etwa 0,5 μm bis 3 μm sein. Hierbei
kann eine Aufbringung von Flussmittelzusammensetzung erfolgen, die
lediglich 1 bis 3 g/m2 beträgt.
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Es
ist zu berücksichtigen,
dass die für
den Lötprozess
von plattierten Blechen erforderlichen minimalen Flussmittelmengen
sehr gering sind und häufig
unter einer Menge von 3–5
g/m2 liegen. Bei einem dem Stand der Technik
entsprechendem ganzflächigen
automatisiertem Auftrag von Flussmittelzusammensetzung sind Schichtstärken von
weniger als 3 g/m2 bisher nicht auf zuverlässige Weise
erzielbar. Zudem trägt
Flussmittel, das räumlich
zu weit von einer Lötstelle
entfernt aufgebracht ist, auch unter Berücksichtigung der Fließeffekte
bei Erhitzen im Lötprozess
nicht mehr zum Lötprozess
bei.
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Die
mit einer oder mehreren der vorgeschriebenen Auftragswalzen beschichteten
plattierten Aluminiumbleche werden nachfolgend abgelängt, wobei der
abgelängte
Abschnitt mit der Position der aufgebrachten Strukturen synchronisiert
ist, falls diese Strukturen nicht ausschließlich aus in Zuführrichtung durchgehenden
Streifen bestehen.
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Die
abgelängten
Abschnitte werden nachfolgend auf an sich bekannte Weise umgeformt,
z. B. zu Flachrohren mit eingeprägten
Sicken. Einen Querschnitt durch ein solches Flachrohr zeigt 8.
Das Rohr hat eine Wandung 2, die aus dem ursprünglichen
flachen Blech des Materialstrangs gebogen bzw. umgeformt wurde.
In einem mittleren Bereich wurden zwei Sicken 3, 4 eingeprägt, wobei
ursprünglich
im Bereich der Einprägung
eine streifenartige Auftragung der Flussmittelzusammensetzung durch das
erfindungsgemäße Verfahren
erfolgt war. Ein weiterer Auftrag ist in dünnen Streifen entlang der Ränder des
Bleches erfolgt. Nach Umbiegen und Erhitzen des vorgeformten Flachrohres
haben sich die aneinander stoßenden
Sicken 3, 4 sowie die ursprünglichen Randbereiche 5, 6 jeweils
miteinander verlötet.
Das Lot ist da bei durch den schraffierten Bereich dargestellt. Erkennbar
ist ein Auftrag der Flussmittelzusammensetzung bei diesem Metallteil 2 lediglich
im unmittelbaren Bereich der streifenförmigen Lötstellen erforderlich. Die übrigen Innenwandflächen der
so gebildeten zwei Kammern 7, 8 des Flachrohres
für einen
Wärmetauscher
sind nicht mit Flußmittel
beschichtet, so dass das später
durch die Rohre fließende
Kühlmittel
nicht von dieser Substanz kontaminiert werden kann.
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Ein
weiteres Beispiel für
ein erfindungsgemäßes Metallteil
ist ein Sammlerkasten 9 eines Ganzaluminium-Wärmetauschers
(siehe 9). Der in seinem Querschnitt im wesentlichen
U-förmige Sammlerkasten 9 hat
zwei Schenkel 9a, 9b. Ein Bündel von Tauscherrohren 10 wird
lediglich von den äußeren Enden
der Schenkel 9a, 9b eingefaßt und flächig mit diesen Endbereichen
der Schenkel verlötet. Hierzu
wird erfindungsgemäß lediglich
in diesen Bereichen eine Flussmittelzusammensetzung automatisiert
aufgebracht, mittels der die flächigen
Verlötungen 11 erzielt
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann die Flussmittelzusammensetzung über die Bereiche, in denen
sie aufgetragen wird, durchaus Schichtstärken von 30 g/m2 aufweisen,
da bei der flächigen
Verlötung
von Sammlerkästen
und Tauscherrohrbündeln
relativ große
Mengen an Lotmaterial benötigt
werden. Bei solchen Auftragsstärken
von Flussmittelzusammensetzung ergibt sich deutlich, dass im Falle
einer vollständigen
Beschichtung des Materialstrangs mit Flußmittel (Stand der Technik)
erhebliche überschüssige Mengen
von Flußmittelzusammensetzung
vorhanden wären.
Diese würden
zu einer Kontamination des Kühlmittels
oder Kältemittels
führen.
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Bei
den genannten Beispielen für
Wärmetauscher
für Kraftfahrzeuge
kann es sich insbesondere um Wärmetauscher
für einen
Motor-Kühlkreislauf oder
um Wärmetauscher
für eine
Klimaanlage handeln.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Auftragsvorrichtung zum Auftrag der Flussmittelzusammensetzung
eine oder mehrere Spritzvorrichtungen 101 umfasst. Die düsenartigen
Spritzvorrichtungen 101 sind in definiertem Abstand über dem
bewegten Materialstrang 102, vorliegend ein Aluminiumband,
angeordnet. Eine ausreichend dünnflüssige Mischung
der Flussmittelzusammensetzung wird durch die Spritzvorrichtungen 101 aufgespritzt
oder aufgesprüht,
so dass mehrere parallele Streifen von Flussmittelzusammensetzung
auf dem Aluminiumblech entstehen. Das aufgebrachte Muster kann durch
Bewegen der Düsen
und/oder gezieltes Unterbrechen des Auftrags gestaltet werden. Auch
das Vorsehen einer Maske, zum Beispiel ein mit entsprechenden Durchbrechungen
versehenes Blech, zwischen Materialstrang 102 und Spritzvorrichtung 101 ist
möglich.
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Grundsätzlich kann
durch die Verwendung einer Spritzvorrichtung jedes der in 1 bis 7 für die Verwendung
von Auftragsrollen beispielhaft gezeigten Muster der Flussmittelzusammensetzung hergestellt
werden.
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Je
nach Anforderungen kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine kombinierte Verwendung
von Auftragsrolle und Spritzvorrichtung vorliegen.
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11 und 12 zeigen
Schnittdarstellungen durch den mit Flussmittelzusammensetzung 103 beschichteten
Materialstrang. Dabei verläuft
der Schnitt in 11 quer zur Zuführ- bzw.
Bewegungsrichtung des Materialstrangs und in 12 längs dazu.
Zur Optimierung der jeweiligen Lötstelle
und der Verteilung des Lots bzw. Flussmittels beim Erhitzen ist
die Auftragsdicke der Flussmittelzusammensetzung vorliegend nicht
homogen, sondern gradiert, also in seiner Dicke veränderlich. 11 und 12 zeigen
rein exemplarisch mögliche
Profile einer Gradierung bzw. gewollten Strukturierung des aufgetragenen
Flussmittels. Es versteht sich, eine gradierte Auftragung von Flussmittelzusammensetzung
sowohl mittels einer Auftragsrolle als auch mittels einer Aufspritzvorrichtung
als auch anderer Auftragsverfahren im Sinne der Erfindung möglich sind.
Insgesamt wird auf diese Weise durch ein erfindungsgemässes Verfahren
zumindest optional ein automatisierter und in drei Raumrichtungen
strukturierter Auftrag von Flussmittel ermöglicht.