DE102009032166B3

DE102009032166B3 - Verfahren zum Verbinden von Wärmetauscherkomponenten durch Schweißen und Löten

Info

Publication number: DE102009032166B3
Application number: DE102009032166A
Authority: DE
Inventors: Hubert Hagel; Jürgen Licht; Frank Beuter; Andreas Rothermel
Original assignee: Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Handtmann Systemtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Wärmetauscherkomponenten durch eine Kombination von einem Schweiß- und einem Lötverfahren. Wärmetauscherflächen bestehen aus Flachrohren oder miteinander verbundenen, geformten Blechen. Das alleinige Löten oder Verschweißen dieser Komponenten bringt Probleme bei Wärmeverzug, Dichtheit, Einhaltung eines Lötspalts und Korrosion. Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst durch eine Kombination aus vorangehendem CD-Schweißen und nachfolgendem Dichtlöten der zu verbindenden Komponenten. Mit CD-Schweißen wird trotz vielfacher Schweißpunkte nur minimal Wärme in die Komponenten eingebracht, die Position der Komponenten zueinander und der gewünschte Lötspalt werden fixiert. Derartige Wärmetauscher werden bei der Abgasrückführungstechnik von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Wärmetauscherkomponenten.
Wärmetauscher sind in unterschiedlichsten technischen Ausführungen bekannt. Ein großes Anwendungsgebiet ist in der Automobiltechnik der Einsatz von Wärmetauschern bei der Abgasrückführungstechnik zur Schadstoffverminderung von Motorabgasen. Hier sind Wärmetauscher für Abgas/Kühlwasser entweder als sogenannte I-Kühler oder als U-Kühler im Einsatz. Die Wärmeübertragung erfolgt vielfach über einen Stapel von Wärmetauscherflächen, die jeweils aus miteinander verbundenen geformten Blechen bestehen.
So als Beispiel in der Anmeldung DE 10 2007 005 370 A1 . Hier werden diese Komponenten aus rostfreiem Stahl durch Löten oder Schweißen verbunden [0028].
Ebenso beschreibt die Anmeldung DE 10 2007 058 149 A1 einen Wärmetauscher, in dem Komponenten durch Löten, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden [0008–0010]. In dieser Anmeldung sind ausführlich Probleme beim Löten des Wärmetauschers genannt, die durch einen Lötspalt und eine Breite der Lötnaht von jeweils kleiner 0.1 mm [0022 + 0034] behoben werden sollen. Die Einhaltung des Lötspalts wird durch die Einbringung des Wärmetauschers in ein Lötgestell gesichert [0039].
Die Patentschrift DE 602 23 231 T2 nennt ebenfalls einen Wärmetauscher, dessen Komponenten geschweißt oder gelötet [0027] werden. Die Patentschrift nennt jedoch an dieser Stelle auch die Möglichkeit, dass auch eine Kombination von einigen dieser Verfahren miteinander sowie mit anderen Verfahren verwendet werden könnte.
Die Anmeldung DE 10 2008 007 073 A1 nennt gleichfalls einen Wärmetauscher, bei dem Komponenten durch Kleben, aber auch durch eine Löt- und/oder Schweißverbindung festgelegt werden.
Die Anmeldung EP 0 822 025 A1 nennt als Verbindungsmethode für zwei Komponenten eines Wärmeübertragers sogar in unterschiedlichen Teilbereichen einen Einsatz nebeneinander von Widerstandsschweißen, insbesondere Kondensatorentladungsschweißen und Verkleben oder Verschweißen und Durchsetzfügen. [Sp2, Z31–34 + Sp5, Z15–16]
Das Probleme beim alleinigen Löten von Wärmetauscherkomponenten mit der Einhaltung eines optimalen Lötspaltes zwischen den zu verlötenden Wärmetauscherkomponenten ist dem Stand der Technik bekannt, er nennt aber nur komplizierte Lösungen über ein Lötgestell. Hinsichtlich der genannten Kombination von Löt-, Klebe- und Schweißverfahren bleibt es bei der allgemeinen Nennung ohne Details aufzuführen, wie diese Kombinationsidee erfolgreich ausgeführt werden kann. Oder wärmetechnische Vorteile des Kondensatorentladungsschweißens werden nicht erkannt und es wird weiterhin ein Doppeleinsatz von Verbindungsverfahren vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für die Verbindung von Wärmetauscherkomponenten ein Verfahren aufzuzeigen, welches vorhandene Probleme beim Löten behebt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert einen Schweiß- und Lötprozess und beschreibt die hierbei zu ergreifenden Maßnahmen, gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1.
Die beiden Hauptkomponenten eines Wärmetauschers sind das Gehäuse und die darin angeordneten Wärmetauscherflächen. Das Gehäuse ist eine Blechkonstruktion aber vielfach auch ein Gussteil, vorzugsweise aus Aluminium. Die Wärmetauscherflächen sind neben anderen Konstruktionsprinzipien vielfach aus jeweils zwei geprägten oder tiefgezogenen Blechen. Zwei Bleche bilden miteinander verbunden kanal- oder rohrförmige Medienführungen zur Durchleitung eines der Wärmetauschermedien zum Beispiel Motorabgas. Ein in das Wärmetauschergehäuse eingebrachter Stapel dieser Wärmetauscherflächen wird darin vom anderen Wärmetauschermedium umspült zum Beispiel Motorkühlwasser und bewerkstelligt so den Wärmeaustausch. Speziell bei der Fertigung der Komponente Wärmetauscherflächen aus Blech, bevorzugt Edelstahlbleche mit einer Blechstärke von ≤ 0,5 mm ergibt sich die Schwierigkeit einen geringen Lötspalt zwischen den zwei zu verbindenden Blechen sicherzustellen. Das normale Widerstandsschweißen erweist sich für diese dünnen Bleche als wenig geeignet um die Positionierung und den Lötspaltabstand der Bleche zueinander zu sichern. Der hohe Energieeintrag führt zu Wärmeverzug oder es könnte nur eine ungenügende Anzahl von Schweißpunkten oder Schweißraupen gesetzt werden um den Wärmeverzug zu vermeiden. Dadurch wird in einem nachfolgenden Lötprozess zum Beispiel in einem Ofen die Einhaltung des erforderlichen geringen Lötspaltes nicht sichergestellt. Der Lötspalt kann sich während des Lötprozesses ausdehnen. Ein zu großer Lötspalt bringt jedoch eine Verminderung der Festigkeit und Korrosionsneigungen der Lötverbindung.
Die Lösung bietet eine Kombination mit dem Einsatz des CD-Schweißverfahrens und einem nachfolgenden Löten zur Dichtheit und Festigkeit.
Das CD-Schweißverfahren, auch Kondensator-Entladungsschweißen oder Capacitor Discharge Schweißen genannt, ist seit Jahrzehnten bekannt als Sonderform des Buckelschweißens. Hierbei wird die erforderliche Schweißenergie in einem Kondensator als Zwischenspeicher bereitgestellt und nicht direkt über ein Stromnetz. Die zum Schweißen benötigte Energie steht konzentriert zur Verfügung und kann in einem Hochstromimpuls in Millisekunden die Verschweißung erzeugen. Dadurch ergibt sich ein verschwindend geringer Wärmeeintrag, es entsteht damit kein Verzug. Das CD-Schweißverfahren ist auch für sehr dünne Bleche geeignet. Somit können eine ausreichende Anzahl von Schweißpunkten in das Werkstück Wärmetauscherfläche eingebracht werden. Im nachfolgenden Lötprozess in einem Ofen sind die beiden Bleche der Wärmetauscherfläche mit der Vielzahl von Schweißpunkten so gegeneinander fixiert, dass ein Lötspalt maßgerecht dauerhaft festgelegt ist. Die Verlötung an sich kann in einem bekannten Lötverfahren ausgeführt werden. Erst diese Verlötung stellt die Dichtheit der Wärmetauscherfläche und ihre endgültige Festigkeit her, durch die vorangegangene CD-Schweißung ist die Herstellbarkeit und Qualität der Lötverbindung aber wesentlich verbessert worden.
Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel.
In 1 ist die Draufsicht einer Wärmetauscherfläche für einen U-Kühler dargestellt, die aus zwei geprägten Blechen besteht welche gegeneinander gesetzt die vier Kanäle 1 für das Abgas bilden. In den jeweils durch die aufeinanderliegenden Blechbereiche 2 gebildeten Berührungsflächen der beiden Bleche sind eine Vielzahl von CD-Schweißpunkten 3 gesetzt, die für die Verbindung der Bleche sorgen.
In 2 ist ein Querschnitt durch eine Schweiß- und Lötstelle zweier Wärmetauscherflächen zu sehen. Der CD-Schweißpunkt 1 verbindet die beiden aufeinanderliegenden Blechbereiche. Der Lötspalt 2 und 3 ist dadurch in gesicherter Weise so eng gehalten, dass das Lot darin durch die Kapilarkräfte unterstützt einfließen kann.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Wärmetauscherkomponenten durch Schweißen und Löten, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweistufigen Verfahren zuerst durch Einsatz eines Kondensatorentladungschweißverfahrens die miteinander zu verlötenden Wärmetauscherkomponenten verschweißt und fixiert werden und erst danach die so fixierten Wärmetauscherkomponenten verlötet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass die verbundenen Wärmetauscherkomponenten Bleche von Wärmetauscherflächen sind, die miteinander verschweißt und verlötet zur Durchleitung eines der Wärmetauschermedien bestimmt sind.