-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Bauteilen, insbesondere
von Wärmeübertragern,
insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder
Knetlegierungen, in einem Lötofen,
insbesondere einem Durchlauflötofen
oder einem Batch-Type-Lötofen,
der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen.
-
Das
Löten von
Aluminium-Wärmetauschern wird
in so genannten Schutzgas-Durchlauföfen mit Flussmittel durchgeführt. Im
Bereich der Ofenmuffel hat die Ofenatmosphäre zwischen einer Eintrittsöffnung und
einer Ausgangsöffnung
einen Sauerstoffgehalt von circa 500 ppm im Eingangsbereich und circa
40 ppm im so genannten Lötbereich.
Mit einem derartigen Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre ist ein
flussmittelfreies Löten
kaum oder nicht möglich.
Flussmittel sind nichtmetallische Stoffe, die vor Erreichen der
Schmelztemperatur des Lotes schmelzen und die zu lötende Oberfläche benetzen.
Dadurch wird eine sich auf der Oberfläche von Aluminium und der Sauerstoffatmosphäre bildende
Oxidschicht gelöst
oder weggeschwemmt. Das Flussmittel verhindert gleichzeitig eine
neue Oxidation der Oberfläche
durch in der Ofenatmosphäre
vorhandenen Restsauerstoff. Bekannte Lötverfahren mit Flussmittel
sind das Nocolok-Verfahren und das CAB-Lötverfahren
(Controlled Atmosphere Brazing). Das Aufbringen des Flussmittels
ist aufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus sind die Bauteile nach dem
Löten mit
Flussmittel beaufschlagt, was insbesondere bei der Verwendung von
chloridischen Flussmitteln einen aufwendigen Reinigungsvorgang appliziert.
Weitere Nachteile bei der Flussmittellötung sind: Kosten des Flussmittels,
Invest- und Betriebskosten der Befluxungseinrichtung, Abfallentsorgung, Staub
und Umweltbelastung, Trocknen/Erhitzen der Bauteile nach der Befluxung,
Energieaufwand, Invest- und Betriebskosten des Trockenofens, Platzbedarf,
Flussmittel auf der Oberfläche
der Werkstücke, Flussmittelrückstände im Medienkreislauf.
Aus der europäischen
Patentschrift
EP 0
781 623 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von hartgelöteten Aluminiumwärmetauschern
bekannt, bei dem spezielle Wärmetauscher
in CAB-Lötöfen teilweise
ohne Flussmittel gelötet
werden.
-
Es
ist auch möglich,
die Wärmetauscher
aus Aluminium in Ein- oder Mehrkammervakuumöfen unter Vakuum zu verlöten. Dabei
erfolgt das Aufreißen der
vorhandenen Oxidhaut durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung
von Aluminiumoxid und reinem Metall, sowie das Abdampfen von Magnesium
aus Lot und Grundwerkstoff bei hohen Temperaturen. Durch Evakuieren
des Rezipienten wird Sauerstoff von den zu lötenden Teilen ferngehalten.
Diese geringe Sauerstoffkonzentration im Ofensystem verhindert,
dass die freigelegte Oberfläche
der Grundwerkstoffe und die Oberfläche des schmelzflüssigen Lotes
sich während
des Lötens
wieder mit einer Oxidhaut überziehen.
Zum Löten
im Vakuum sind jedoch technisch aufwendige und somit teuere Lötanlagen erforderlich.
Des Weiteren müssen
die zu verlötenden
Teile absolut sauber sein, was nur durch eine kostenintensive Vorbehandlung
zu gewährleisten
ist. Weitere Nachteile beim Vakuum-Löten sind der hohe Wartungs-
und Instandhaltungsaufwand sowie die hohen Anforderungen an die
Oberflächenqualität sowie
die Passgenauigkeit der Bauteile.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Herstellung
von gelöteten Bauteilen,
insbesondere von Wärmeübertragern,
insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder
Knetlegierungen, in einem Lötofen, insbesondere
einem Durchlauflötofen
oder einem Batch-Type-Lötofen,
der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen,
vereinfacht wird.
-
Die
Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Löten von Bauteilen, insbesondere
von Wärmeübertragern,
insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder
Knetlegierungen, in einem Lötofen,
insbesondere einem Durchlauflötofen
oder einem Batch-Type-Lötofen,
der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen,
dadurch gelöst,
dass der Lötofenmuffel
beim Löten
der Bauteile eine so stark überhöhte Menge
Gas, insbesondere Schutzgas oder Reaktionsgas, zugeführt wird,
dass eine sauerstoffarme Schutzgasatmosphäre geschaffen wird. Durch die
Zuführung
der stark überhöhten Schutzgasmenge
wird die Schutzgasatmosphäre
so verbessert, dass die Bauteile ohne Zusatz von Flussmitteln gelötet werden
können.
Das erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise in so genannten Schutzgas-Durchlauföfen angewendet.
Bei der Erfindung kann, aber muss nicht, vollständig auf den Einsatz von Flussmitteln
verzichtet werden. Eine partielle Zugabe von Flussmittel auf beziehungsweise
an das Bauteil ist möglich
und hat keinen negativen Einfluss auf Bereiche des Bauteils, die
flussmittelfreie gelötet werden.
-
Beim
Vakuum-Löten
bedingt das benötigte Hochvakuum
für die
Vakuumofensysteme einen sehr hohen technischen Aufwand. Daher sind
Vakuumofensysteme sehr kostenintensiv in der Beschaffung und aufwendig
im Betriebe. Auch an die Reinheit der Oberfläche der zu verlötenden Bauteile
von Verunreinigungen (Schmutz, Staub, Späne, Oxidschichten, Reste und
Spuren von Fertigungshilfsmitteln) werden hohe Anforderungen gestellt.
-
Die
Nachteile bei der Verwendung von Flussmitteln zum Löten von
Aluminium variieren je nach verwendetem Flussmittelsystem. Generell
gilt, dass die Applikation des Flussmittels einen zusätzlichen Schritt
in der Fertigungskette darstellt, der mit Aufwand in der Anlagentechnik
und für
das Bedienpersonal einhergeht. Zum Schutz der Mitarbeiter und der Umwelt
vor Flussmittelflüssigkeit,
Flussmittelnebel, Flussmittelstaub oder Flussmitteldampf muss ein entsprechender
sicherheits- und umwelttechnischer Aufwand betrieben werden. Korrosive
Flussmittel, wie zum Beispiel die chloridischen Flussmittel, müssen nach
dem Lötvorgang
umgehend wieder mit hohem Aufwand und großer Sorgfalt von dem Wärmetauscher
entfernt werden, da sie ansonsten das Material und die Verbindungsstellen
des gefertigten Wärmeübertragers
auf Grund ihrer korrosiven Wirkung angreifen und so seine technische
Funktionsfähigkeit
beeinträchtigen.
-
Spezielle
nichtkorrosive Flussmittel, wie das Nocolok-Flussmittell, benötigen für ihr Funktionieren eine
Schutzgasatmosphäre
mit einer sehr geringen Restsauerstoffkonzentration, die vorzugsweise
kleiner als 200 ppm Sauerstoff ist. Dies ist nur in einer aufwendig
hergestellten, ständig überwachten
und nachgeregelten Atmosphäre
eines geschlossenen und mit dem Schutzgas in Stickstoff gefluteten
Ofensystems möglich.
Ein solches Lötofensystem
wird als CAB-System (Controlled Atmosphere Brazing) bezeichnet.
-
Der
Wirktemperaturbereich des Flussmittels muss den Arbeitsbereich des
verwendeten Lotes abdecken. Erfolgt keine sorgfältige Abstimmung von Lot und
Flussmittel, ist keine Verlötung
möglich.
Die Wirkdauer von Flussmitteln ist begrenzt. Daraus erfolgt, dass
der Lötvorgang
in einem eng begrenzten Zeitfenster abgeschlossen sein muss. Bei
der Verwendung von Flussmitteln führen schon geringe Magnesiumgehalte
in den Legierungen der Bauteile zu einer Verschlechterung der Lötbarkeit.
Das geht zum einem auf eine dreimal höhere Oxidationsrate von Werkstoffen
mit Magnesiumzusatz im Vergleich zu Magnesium freien Werkstoffen
zurück.
Zum anderen sind die sich bildenden einfachen und komplexen Oxide
des Magnesiums, wie Magnesiumoxid (MgO) und Magnesium-Aluminium-Oxid
(MgAl2O4), in Flussmittel
nur gering löslich.
Des Weiteren reagieren diese Magnesiumoxide mit dem Flussmittel
und bilden beispielsweise bei dem Produkt Nocolok Magnesiumflouride,
welche die Wirksamkeit des Flussmittels zusätzlich stark einschränken.
-
Dieser
erzwungene Verzicht der Magnesiumlegierung führt jedoch zu deutlichen Nachteilen bei
den Eigenschaften der verwendeten Aluminiumlegierungen im Bezug
auf Festigkeitseigenschaften sowie der Korrosionsbeständigkeit.
-
Die
Erfindung nutzt beim Löten
von Wärmetauschern
die Vorteile der aktuellen Techniken aus dem Stand der Technik,
Flussmittellöten
und Vakuum-Löten, ohne
ihre Nachteile aufzuweisen, in Kombination mit der Anwendung spezieller
Werkstoffe. Zugleich entfallen durch das erfindungsgemäße Lötverfahren
sämtliche
Flussmittel und die mit ihnen verbundenen Nachteile, wie zusätzlicher
Arbeitsaufwand, zusätzliche
Fertigungsanlagen oder Reinigungs- und Schutzmaßnahmen.
-
Darüber hinaus
stellt die Verwendung von magnesiumhaltigen Wellrippenlegierungen
kein Problem mehr für
die Fertigung von Wärmeübertragern dar,
wie dies bei der Verwendung von Flussmittelsystemen der Fall ist.
Dadurch wird die Verwendung von Aluminiumlegierungen mit Magnesiumgehalten
größer 0,2%
und kleiner 2,0%, vorzugsweise kleiner 1,0% beim flussmittelfreien
Löten von
Wärmeübertragern
in CAB-Lötöfen möglich. Das
führt zu
entscheidenden Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften sowie
der Korrosionsbeständigkeit
der verwendeten Aluminiumwerkstoffe. Des Weiteren können durch
Einschränkungen
von speziellen Elementen im Grundwerkstoff, wie auch im Lot, die
Benetzungseigenschaften des Grundwerkstoffs beziehungsweise des
Lotes gezielt verbessert werden. Zu den Elementen, die sich hierbei
als besonders kritisch erweisen, zählen Kupfer (Cu), Eisen (Fe),
Magnesium (Mg), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Strontium (Sr). Zwar
kann durch eine gezielte Lötprozesssteuerung
auch ohne die im Folgenden aufgeführten bevorzugten Bereiche
eine unter Umständen
ausreichende Lötverbindung
erzielt werden, jedoch ist dies unter wirtschaftlichen Aspekten
nicht sinnvoll, da sowohl die Ofenatmosphäre kleinere Sauerstoffgehalte als
20 ppm haben sollte, als auch die Lötzeit verlängert werden muss.
-
Für das erfindungsgemäße Lötverfahren wird
bevorzugt ein CAB-Ofensystem
(Durchlaufofen oder Batch-Ofen) verwendet, auf dem flussmittelfrei ohne
aufwendiges Vakuum-Ofensystem gelötet werden kann.
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mindestens
ein Edelgas der achten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente,
Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak und/oder
Spaltgasprodukte aus Erdgas umfasst.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Muffel beim
Löten der
Bauteile eine so stark über höhte Gasmenge
zugeführt
wird, dass der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre, insbesondere
in einem Eintrittsbereich des Lötofens,
deutlich geringer als 500 ppm (parts per million) ist. Durch den Einsatz
der höheren
Gasmenge, insbesondere Stickstoffmenge, wird das Eindringen beziehungsweise Einschleppen
von Luft oder deren Bestandteile in den Lötofen verhindert oder zumindest
stark reduziert.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Muffel beim
Löten der
Bauteile eine so stark überhöhte Gasmenge
zugeführt
wird, dass der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre, insbesondere
in einem Lötbereich
des Lötofens,
geringer als 50 ppm (parts per million), insbesondere deutlich geringer
als 40 ppm (parts per million), ist. Besonders bevorzugt enthält die Schutzgasatmosphähre oder
Lötofenatmosphäre weniger
als 30 ppm (parts per million) Sauerstoff. Durch den Einsatz der
höheren
Gasmenge wird die Menge von Oxid bildenden Substanzen, wie Sauerstoff,
in der Schutzgasatmosphäre deutlich
verringert.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre beim
Löten über Raumtemperatur
aufgeheizt wird. Eine vorhandene Oxidschicht wird beim Aufheizen
aufgerissen. Durch die dabei entstehenden oxidfreien Spalte, Risse
oder Flächen
kann zum Beispiel Magnesium aus einem Kernwerkstoff und/oder einer
Lotplattierung der Bauteile an die Oberfläche gelangen. Das Magnesium wirkt
an der Oberfläche
als Benetzungsförderer.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Objekttemperatur
im Lötofen
oberhalb 300 Grad Celsius liegt. Bei dieser Objekttemperatur ist der
Feuchtigkeitsanteil in der Lötofenatmosphäre zu beachten.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunkt in
der Lötofenatmosphäre unterhalb
von minus 45 Grad Celsius liegt. Dieser Wert hat sich im Rahmen
der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass während der
Aufheizphase im Lötofen
in einem Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius eine minimale
Zeit von drei Minuten nicht unterschritten wird. Besonders bevorzugt
werden für
den Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius Zeiten von vier
bis acht Minuten eingestellt. Durch das erfindungsgemäße Zeit-Temperatur-Profil
im Lötofen
wird die Lotbenetzung verbessert beziehungsweise ermöglicht.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SQ,
der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge,
durch den Querschnitt des Lötofens
entspricht, größer als
250 Meter pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden
für den
Kennwert SQ Werte zwischen 500 und 750 Meter pro Stunde eingestellt.
Die Einstellung eines höheren
Kennwerts ist möglich,
jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SO,
der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge,
durch das beheizte Volumen des Lötofens entspricht,
größer als
25 pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert
SO Werte zwischen 45 und 70 pro Stunde eingestellt. Die Einstellung
eines höheren
Kennwerts ist möglich,
jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SB,
der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge,
durch die Größe der Bauteiloberfläche entspricht,
kleiner als 6 Meter pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt
werden für
den Kennwert SB Werte eingestellt, die kleiner als 1,5 Meter pro Stunde
sind.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SM,
der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge,
durch die Größe der beheizten
Muffelinnenoberfläche
des Lötofens
entspricht, größer als
3 Meter pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden
für den
Kennwert SM Werte zwischen 6 und 9 Meter pro Stunde. Die Einstellung
eines höheren Kennwerts
ist möglich,
jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert MB,
der dem Quotient einer Division der Größe der beheizten Muffelinnenoberfläche durch
die Größe der Bauteiloberfläche entspricht, kleiner
als 0,7 eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert
MB Werte, die kleiner als 0,3 sind.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens betrifft das Löten
von Wärmeübertragern
mit Leiteinrichtungen, insbesondere Wellrippen, aus einem Aluminium-Grundwerkstoff.
Besonders bevorzugt bestehen Rohre und/oder Scheiben der Wärmeübertrager
ebenfalls aus genau einem oder mehreren Aluminium-Grundwerkstoffen, insbesondere
dem Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 1,2 Prozent Silizium enthält. Besonders bevorzugt
enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen 0,2 bis 0,6 Prozent
Silizium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis 0,7 Prozent Eisen enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen
bis zu 0,4 Prozent Eisen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,3 Prozent Kupfer enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 2,0 Prozent, bevorzugt bis zu 1,0 Prozent
Mangan enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 1,0 Prozent Magnesium enthält. Besonders
bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,5 Prozent Magnesium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,5 Prozent Chrom enthält. Besonders bevorzugt
enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent
Chrom.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 4,5 Prozent, bevorzugt bis zu 2,5 Prozent
Zink enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Titan enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Zinn enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Zirkonium enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,05 Prozent Bismut oder Wismut enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Leiteinrichtungen bis zu 0,05 Prozent Strontium enthält.
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens betrifft das Löten
von Wärmeübertragern mit
Rohren und/oder Scheiben aus einem Aluminium-Grundwerkstoff.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 1,2 Prozent Silizium enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,7 Prozent Eisen enthält. Besonders
bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu
0,3 Prozent Eisen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben 0,1 bis 1,2 Prozent Kupfer enthält. Besonders
bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben 0,3 bis
0,8 Prozent Kupfer.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 2,0 Prozent Mangan enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 2,0 Prozent, bevorzugt bis zu
1,0 Prozent Magnesium enthält.
Besonders bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben 0,1 bis
0,3 Prozent Magnesium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,5 Prozent Chrom enthält. Besonders
bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu
0,2 Prozent Chrom.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 5,0 Prozent Zink enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,3 Prozent Titan enthält. Besonders
bevorzugt enthält
der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu
0,1 Prozent Titan.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Zinn enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,2 Prozent Zirkonium enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Bismut oder Wismut
enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff
der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Strontium enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens betrifft das Löten
von Wärmeübertragern
mit Leiteinrichtungen, insbesondere Wellrippen, und/oder Rohren
und/oder Scheiben, die mit einer Lotplattierung versehen sind. Vorzugsweise enthält die Lotplattierung
hauptsächlich
Aluminium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
6 bis 20 Prozent Silizium enthält.
Besonders bevorzugt enthält
die Lotplattierung 7 bis 11 Prozent Silizium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,8 Prozent Eisen enthält.
Besonders bevorzugt enthält
die Lotplattierung bis zu 0,2 Prozent Eisen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 1,0 Prozent Kupfer enthält.
Besonders bevorzugt enthält
die Lotplattierung bis zu 0,3 Prozent Kupfer.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,15 Prozent Mangan enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 2,5 Prozent Magnesium enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung
bis zu 0,2 Prozent, bevorzugt bis zu 0,1 Prozent Magnesium.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,05 Prozent Chrom enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 4,5 Prozent, bevorzugt bis zu 4,0 Prozent Zink enthält. Besonders
bevorzugt enthält
die Lotplattierung bis zu 2,0 Prozent Zink.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,2 Prozent Titan enthält.
Besonders bevorzugt enthält
die Lotplattierung bis zu 0,1 Prozent Titan.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,05 Prozent Zinn enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,05 Prozent Zirkonium enthält.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,3 Prozent Bismut oder Wismut enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung
bis zu 0,1 Prozent Bismut oder Wismut.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung
bis zu 0,2 Prozent Strontium enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung
bis zu 0,05 Prozent Strontium.
-
Bevorzugt
wird das erfindungsgemäße Verfahren
eingesetzt zum Löten
von Wärmeübertragern mit
Strömungseinrichtungen,
insbesondere Rohren und/oder Scheiben, und/oder Leiteinrichtungen,
insbesondere Wellrippen, jeweils mit oder ohne eine Lotplattierung,
aus einem oder mehreren Aluminium-Grundwerkstoffen.
-
Bevorzugt
enthält
einer der Aluminium-Grundwerkstoffe 0,7 bis 2 Prozent, bevorzugt
1 bis 1,5 Prozent Mangan. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften
des Aluminium-Grundwerkstoffs positiv beeinflusst.
-
Der
Erfindung liegt unter Anderem die Erkenntnis zugrunde, dass ein
höherer
Eisen-Gehalt einer guten Benetzbarkeit des Kernwerkstoffs mit Lotmaterial
entgegen steht, da offenbar benetzungshemmende Eisen-Mangan-Ausscheidungen gebildet werden
können.
Vorteilhafterweise enthält
daher der Aluminium-Grundwerkstoff weniger als 0,40 Prozent, bevorzugt
weniger als 0,25 Prozent, besonders bevorzugt weniger als 0,20 Prozent
Eisen. Ein Eisen-Gehalt über
0,20 Prozent kann durch eine erhöhte
Lötzeit
kompensiert werden, wobei ab etwa 0,25 Prozent Eisen-Gehalt gegebenenfalls
ein Temperaturprofil über
die Lötdauer
leicht angepasst werden muss, um ein gutes Lötergebnis zu erreichen.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Muffel aus einem
Muffelwerkstoff gebildet ist, der Edelstahl umfasst. Der Muffelwerkstoff
besteht dabei bevorzugt aus Edel stahl 316L oder 316LL. Es kann jedoch
auch ein anderer als Muffelmaterial geeigneter Edelstahl verwendet
werden. Auch bezüglich
des Ofendesigns sind alle typischen Varianten, wie zum Beispiel
ein reiner Strahlungslötofen, ein
Ofen mit einer Konvektionvorheizzone, die mit einer nachfolgenden
Strahlungszone gekoppelt ist, oder ein Ofentyp mit kompletter Konvektionstechnik geeignet.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass während einer
Aufheizphase im Lötofen
in einem Temperaturbereich von minus 30 bis minus 50 Kelvin vor
Erreichen der Solidustemperatur des Lotes eine minimale Zeit von
zwei Minuten nicht unterschritten wird. Besonders bevorzugt werden
für den Temperaturbereich
von minus 30 bis minus 50 Kelvin vor Erreichen der Solidustemperatur
des Lotes Zeiten von zwei bis fünf
Minuten eingestellt. Zeiten oberhalb von sechs Minuten sind ebenfalls
möglich,
jedoch aus wirtschaftlichen Gründen
nicht sinnvoll.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigt:
-
1 eine
Tabelle mit Werkstoffen und Loten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bevorzugt verwendbar sind.
-
Die
Erfindung betrifft das Löten
von Aluminiumwärmetauschern
in Schutzgas-Durchlauflötöfen. Ein
Schutzgas-Durchlauflötofen
umfasst ein Gehäuse
mit einem Eingang und einem Ausgang für Bauteile. Der Gehäuseeingang
für die
Bauteile wird auch als Eintrittsbereich des Lötofens bezeichnet. Der Gehäuseausgang
für die
Bauteile wird auch als Austrittsbereich des Lötofens bezeichnet. Zwischen
dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich ist in dem Innenraum
des Lötofens
eine Muffel ausgebildet, die mit Schutzgas gespült wird.
-
Bei
herkömmlichen
Schutzgas-Durchlauflötöfen herrscht
im Betrieb im Bereich der Ofenmuffel zwischen der Eintrittsöffnung und
der Austrittsöffnung
eine Ofenatmosphäre
mit einem Sauerstoffgehalt von circa 500 ppm (parts per million)
im Eingangsbereich und circa 40 ppm im Lötbereich. Mit derartigen Sauerstoffgehalten
in der Ofenatmosphäre
ist ein flussmittelfreies Löten
nicht möglich.
Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch eine stark
erhöhte
Zugabe des Schutzgases, vorzugsweise Stickstoffs, die Schutzgasatmosphäre in dem
Lötofen
so verbessert, dass Wärmetauscher
ohne Zusatz von Flussmitteln gelötet
werden können.
-
Durch
die stark überhöhte Stickstoffmenge wird
in dem Lötofen
eine so sauerstoffarme Atmosphäre
geschaffen, dass das Löten
der Bauteile ohne Flussmittel erfolgen kann. Durch den Einsatz der
höheren
Stickstoffmenge wird das Eindringen beziehungsweise Einschleppen
von Luft oder deren Bestandteile in den Lötofen verhindert. Dadurch kann der
Gehalt an Oxid bildenden Substanzen, insbesondere Sauerstoff, im
Lötofen
deutlich verringert werden.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann,
aber muss nicht vollständig
auf den Einsatz von Flussmitteln verzichtet werden. Eine Dotierung des
einströmenden
Schutzgases mit Flussmittel oder reduzierenden Substanzen in fester,
flüssiger
oder gasförmiger
Form kann frei gewählt
werden. Durch den massiven Einsatz des Schutzgases wird während des
Lötprozesses
im Temperaturbereich über Raumtemperatur
eine unerwünschte
Oxidation der Aluminiumoberfläche
extrem verringert beziehungsweise praktisch unterbunden. Eine vorhandene
Oxidschicht wird beim Aufheizen aufgerissen. Durch die entstehenden
oxidfreien Spalte, Risse und/oder Flächen kann Magnesium, das aus
dem Kernwerkstoff und/oder einer Lotplattierung stammt, an die Oberfläche gelangen.
Das Magnesium an der Oberfläche wirkt
als Benetzungsförderer.
Anstelle von Magnesium können
auch Elemente der zweiten und fünften Hauptgruppe
des Periodensystems der Elemente einzeln oder in Kombination sowie
in unterschiedlichen Mischungen und Konzentrationen eingesetzt werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
liefert unter anderem den Vorteil, dass die Kosten für das Flussmittel
eingespart werden können.
Darüber
hinaus können
die Kosten für
die Anschaffung und den Betrieb einer Befluxungseinrichtung entfallen.
Des Weiteren werden die Kosten für
die Abfallentsorgung reduziert. Außerdem verringert sich die
Staub- und Umweltbelastung. Das Erhitzen der Bauteile zur Trocknung
nach der Befluxung kann entfallen. Dadurch reduziert sich der erforderliche
Energieaufwand erheblich.
-
Bei
der flussmittelfreien Lötung
ist ein Sauerstofflevel kleiner 50 ppm oberhalb 300 Grad Celsius Objekttemperatur
im Lötofen
anzustreben. Des Weiteren ist der Feuchtigkeitsanteil in der Lötofenatmosphäre zu beachten.
Es ist ein Taupunkt kleiner minus 45 Grad Celsius in der Lötofenatmosphäre anzustreben.
Des Weiteren sind die folgenden Kennwerte zu beachten.
-
Schutzgasmenge
[Nm3/h]/Ofenquerschnitt [m2]
= Kennwertkürzel
SQ [m/h]. Der Kennwert SQ ist > 250
m/h einzustellen. Normalerweise sollte der Wert zwischen 500 m/h
und 750 m/h eingestellt werden. Die Einstellung eines höheren Kennwerts
ist möglich,
jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Die
Bezeichnung Nm steht im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Normmeter.
Als Normmeter wird ein Maß von
1,0 m bei einer Normtemperatur von 20 Grad Celsius und einem Normdruck
von 1 bar bezeichnet.
-
Schutzgasmenge
[Nm3/h]/beheiztes Ofenvolumen [m3] = Kennwertkürzel SO [1/h]. Der Kennwert SO
ist > 25 1/h einzustellen.
Optimalerweise sollten Werte zwischen 45 1/h und 70 1/h eingestellt
werden. Die Einstellung eines höheren
Kennwerts ist möglich, jedoch
nicht zwingend notwendig.
-
Schutzgasmenge
[Nm3/h]/Bauteiloberfläche [m2]
= Kennwertkürzel
SB [m/h]. Der Kennwert SB ist < 6
m/h einzustellen. Optimaler Weise sollten Werte < 1,5 m/h eingestellt werden.
-
Schutzgasmenge
[Nm3/h]/beheizte Muffelinnenoberfläche [m2] = Kennwertkürzel SM [m/h]. Der Kennwert
SM ist > 3 m/h einzustellen.
Optimaler Weise sollten Werte zwischen 6 m/h und 9 m/h eingestellt werden.
Die Einstellung eines höheren
Kennwertes ist möglich,
jedoch nicht zwingend notwendig.
-
Muffelinnenoberfläche [m2]/Bauteiloberfläche [m2]
= Kennwertkürzel
MB. Der Faktor MB ist < 0,7
einzustellen. Optimalerweise sollte der Faktor < 0,30 eingestellt werden.
-
Bei
dieser Erfindung kann, aber es muss nicht, vollständig auf
den Einsatz von Flussmittel verzichtet werden. Partielle Zugabe
von Flussmittel auf beziehungsweise am Bauteil sind möglich und
haben keinen negativen Einfluss auf Bereiche des Bauteils, welche
flussmittelfrei gelötet
werden. Eine Dotierung des einströmenden Schutzgases mit Flussmittel
oder reduzierenden Substanzen (fest/flüssig/gasförmig) kann frei gewählt werden.
Durch den massiven Einsatz eines Schutzgases wird während des
Lötprozesses
im Temperaturbereich über
Raumtemperatur, eine weitere Oxidation der Aluminiumoberfläche extrem
vermindert beziehungsweise praktisch unterbunden. Die bestehende
Oxidschicht wird beim Aufheizen aufgerissen. Durch die entstehenden
oxidfreien Spalte/Risse/Flächen,
ist eine Benetzung des Lotes zu den Oberflächen möglich.
-
Durch
ein entsprechendes Zeit-Temperatur-Profil im Lötofen, wird die Lotbenetzung
verbessert beziehungsweise ermöglicht.
Dabei sollte während
der Aufheizphase im Lötofen
im Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius eine minimale Zeit
von 3 Minuten nicht unterschritten werden. Optimalerweise werden
für den
Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius Zeiten von 4 bis
8 Minuten eingestellt. Das Zeit-Temperatur-Fenster im Temperaturbereich
von 400 bis 615 Grad Celsius ist abhängig von Legierungselementen
im Grundwerkstoff sowie Schutzplattierungen als auch im Lot. Das
Zeitintervall beeinflussende beziehungsweise die Lotbenetzung fördernde
Elemente sind zum Beispiel Silizium, Kupfer, Strontium, Bismut oder
Wismut, Magnesium.
-
Besonders
bevorzugt sollte während
der Aufheizphase im Lötofen
im Temperaturbereich von minus 30 bis minus 50 K vor Erreichen der
Solidustemperatur des Lotes eine minimale Zeit von 2 Minuten nicht
unterschritten wer den. Optimalerweise werden für den Temperaturbereich von
Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K Zeiten von zwei bis fünf Minuten eingestellt.
Zeiten oberhalb 6 Minuten sind ebenfalls möglich, jedoch aus wirtschaftlichen
Gründen
nicht sinnvoll.
-
Der
Vorteil einer bestimmten Verweilzeit im Temperaturintervall Solidus
Lot minus 30 bis minus 50 K sind Diffusionsvorgänge von Elementen aus dem Kernwerkstoff
in die Lotplattierung sowie die Homogenisierung des Lotes wie auch
des Grundwerkstoffs bezüglich
unerwünschter
intermetallischer Phasen, die im oberflächennahen Bereich benetzungshemmend
wirken können.
-
Des
Weiteren wurde im Zusammenhang mit bestimmten Werkstoffkombinationen
von Kern- und Lotwerkstoffen bei Einhaltung der Verweilzeit Solidus Lot
minus 30 bis minus 50 K von mindestens 2 Minuten, ein teilweises
Anschmelzen des Lotes beobachtet. Das heißt, gewisse Anteile des Lotes
werden bereits vor den bekannten Solidustemperaturen des Lotes,
für AlSi10
zum Beispiel 577 Grad Celsius, flüssig. Hierdurch wird ein mechanisches
Aufbrechen der Oxidschichten auf dem Lot erheblich erleichtert. Das
Zeit-Temperatur-Fenster
im Temperaturbereich Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K ist daher
abhängig
von Legierungselementen im Grundwerkstoff sowie Schutzplattierungen
als auch im Lot. Das Zeitintervall beeinflussende beziehungsweise
die Lotbenetzung beeinflussende Elemente sind zum Beispiel Silizium,
Kupfer, Strontium, Bismut oder Wismut, Magnesium und Eisen.
-
Für das erfindungsgemäße Lötverfahren wird
besonders bevorzugt ein CAB-Ofensystem (Durchlaufofen
oder Batch-Ofen) verwendet, auf beziehungsweise in dem flussmittelfrei
ohne aufwendiges Vakuumofensystem gelötet werden kann. Die notwendige
Lötofenatmosphäre sollte
zum Erzielen qualitativ guter Lötverbindungen
kleiner oder gleich 50 ppm Sauerstoff enthalten, besonders bevorzugt weniger
als 30 ppm Sauerstoff.
-
In 1 sind
in einer Tabelle die verwendbaren Werkstoffe und Lote, die sich
unter den vorab beschriebenen Randbedingungen mit vergleichbarer Qualität der Lötverbindungen
wie beim Vakuum-Löten
oder beim CAB-Löten
erzielen lassen, zusammengestellt. Die Buchstaben GW stehen für Grund werkstoff.
Die Buchstaben WR stehen für
Wellrippe. Der Buchstabe R steht für Rohr. Der Buchstabe LP steht
für Lotplattierung.
Der Buchstabe RW steht für Rohrwerkstoff.
-
Die
in der Tabelle dargestellten Werkstoffe und Werkstoffkombinationen
ermöglichen
die Verwendung von Legierungen mit einem durch Magnesiumzusatz verbesserten
beziehungsweise den jeweiligen Anforderungen angepasstem Eigenschaftsbild. Die
Verbesserungen in Bezug auf Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
ermöglichen
entweder festere und langlebigere Bauteile oder durch Materialreduktion
leichtere Wärmeübertrager.
Bei flussmittelfreier Produktion entfällt Zusatzaufwand wie Befluxungs- und
Trocknungsanlagen sowie Aufwendungen zum Umwelt- und Mitarbeiterschutz.
Die flussmittelfreie Fertigung in einem CAB-Ofen kommt ohne die
aufwendigen technischen Anlagen eines Ein- oder Mehrkammervakuumofens
aus.