DE102012000439A1

DE102012000439A1 - Abgasanlage und Verfahren zum Verbinden von Komponenten einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102012000439A1
Application number: DE102012000439A
Authority: DE
Inventors: Alfred Blüml; Hongjiang Cui
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: CN102606271B; KR101921754B1; DE102012000439B4; CN102606271A; KR20120085644A

Abstract

Eine Abgasanlage umfasst eine erste Auspuffkomponente und eine zweite Auspuffkomponente, die durch einen Lötspalt, der bis zu 1,20 mm groß sein kann, voneinander beabstandet sind. Ein Hochtemperatur-Lötmaterial ist in der Nähe des Lötspalts vorgesehen und wird durch einen Induktor erhitzt, um zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente eine Induktionslötverbindung zu bilden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Verbinden von zwei Komponenten einer Abgasanlage insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
HINTERGRUND
Bei den miteinander zu verbindenden Komponenten handelt es sich insbesondere um die Rohre der Abgasanlage, die den Abgasstrom von einem Auslasskrümmer beispielsweise zu einem Katalysator oder einem Schalldämpfer führen. Im Hinblick auf die hohen Temperaturen und die hohen dynamischen Belastungen, denen die Komponenten einer Abgasanlage ausgesetzt sind, wurden solche Komponenten bislang immer durch eine Schweißnaht miteinander verbunden. In der Tat ergeben sich einige Nachteile, wenn die Komponenten einer Abgasanlage miteinander verschweißt werden. Zum einen ist zur Durchführung des Verfahrens vergleichsweise viel Stellfläche für beispielsweise einen Schweißautomaten oder einen Schweißroboter erforderlich. In beiden Fällen müssen die miteinander zu verschweißenden Komponenten relativ zu dem Schweißkopf bewegt werden. Deshalb sind für die Fixierung der miteinander zu verschweißenden Komponenten komplexe Vorrichtungen erforderlich, was mit einer hohen dynamischen Belastung einhergeht. Diese Vorrichtungen haben einen relativ hohen Platzbedarf in der Schweißkabine und auch für ihre Lagerung. Darüber hinaus müssen sehr viele Vorrichtungen auf Lager gehalten werden, weil im Allgemeinen für jede Bauform eine neue Vorrichtung erforderlich ist. Außerdem hat sich herausgestellt, dass sich eine Schweißnaht nachteilig auf die Festigkeit auswirkt. Die Schweißnaht führt insbesondere zu einer abrupten Änderung im Querschnitt der verbundenen Komponenten und dementsprechend zu einer Änderung in der Steifigkeit der Abgasanlage, was zu einer Spannungskonzentration im Bereich der Schweißnaht führt. Dabei ist insbesondere der Bereich der Schweißnahtwurzel oder des Hinterschnitts möglicherweise der Ausgangspunkt für die Bildung von Rissen. Schließlich führt die während des Schweißens in die beiden Komponenten eingeleitete Wärme zu einem durch das Schweißen bedingten Verzug, der ggf. nach dem Schweißen auf einer Richtbank individuell korrigiert werden muss. Trotz all dieser Nachteile ist es mittlerweile im Bereich der Abgasanlagen allgemein anerkannt, Komponenten miteinander zu verschweißen; im Stand der Technik ist man weitgehend der Meinung, dass dies die einzige Möglichkeit ist, eine Verbindung von Komponenten zu schaffen, die den auftretenden Temperaturbelastungen und dynamischen Belastungen standhält.
ZUSAMMENFASSUNG
Zwei Komponenten einer Abgasanlage werden anders als durch Schweißen miteinander verbunden, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
Eine Abgasanlage umfasst eine erste Auspuffkomponente und eine zweite Auspuffkomponente mit einer Induktionslötverbindung zwischen den beiden Komponenten. Ein Verfahren zum Verbinden einer ersten Auspuffkomponente einer Fahrzeugabgasanlage mit einer zweiten Auspuffkomponente umfasst die Schritte des Zusammensetzens der beiden Auspuffkomponenten in einer Weise, dass sie durch einen Lötspalt voneinander beabstandet sind, wobei ein Hochtemperatur-Lötmaterial in der Nähe des Lötspalts bereitgestellt wird und die beiden Komponenten im Bereich des Lötmaterials mit einem Induktor auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die über der Schmelztemperatur des Lötmaterials liegt, um den Lötspalt zu füllen und eine Lötverbindung zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente zu bilden.
Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass im Gegensatz zu den unter Experten herrschenden Meinungen eine Hochtemperatur-Lötverbindung den Belastungen standhält, die auf eine Fahrzeugabgasanlage wirken. Bis jetzt wurde allgemein angenommen, dass eine Lötverbindung außer Frage steht, schon allein wegen der Temperaturen, die in den Komponenten der Abgasanlage auftreten und möglicherweise über 600 Grad Celsius liegen. Die maximal zulässige Betriebstemperatur von gelöteten Komponenten wurde allgemein bei ungefähr 200 Grad Celsius gesehen, selbst wenn ein Hochtemperaturlot verwendet wurde (siehe beispielsweise den Entwurf der Mitteilung DVS 938-2 ”Lichtbogenschweißen” des Deutschen Verbands für Schweißtechnik vom Oktober 2002, in der eine Betriebstemperatur für Lötverbindungen für Abgasanlagen mit höchstens 180 Grad Celsius angegeben wird und eine Verwendung von Lötverbindungen mit Temperaturen von mehr als 180 Grad Celsius ausdrücklich nicht empfohlen wird). Diese Meinung wird ignoriert, weil die Anmelderin in Versuchen herausgefunden hat, dass gelötete Komponenten sogar über längere Zeiträume Temperaturen von mehr als 600 Grad Celsius ausgesetzt werden können, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität der Lötverbindung kommt. Die Tatsache, dass nach der Verfestigung des Lötmaterials eine Temperatur beim erneuten Schmelzen auftritt, die höher ist als die anfängliche Schmelztemperatur, hat zusätzlich einen günstigen Einfluss auf die Hochtemperaturfestigkeit der Lötverbindung. Der Grund dafür wurde bis jetzt noch nicht schlüssig geklärt.
Ein Grund könnte darin liegen, dass bestimmte Nebenlegierungen während des Schmelzens verdampfen. Ein weiterer Grund könnte die Diffusion von Atomen des Basismaterials in das Lötmaterial sein.
Auf dem Gebiet des Induktionslötens ist auch bekannt, dass der Spalt zwischen den zwei aneinander zu befestigenden Komponenten innerhalb eines sehr engen Toleranzbereichs genau kontrolliert werden muss. Bekannte Spezifikationen für das Induktionslöten geben insbesondere an, dass die Spaltbreite im Bereich von 0,02–0,10 mm liegen muss, damit die Verbindung in der erforderlichen Weise funktionieren kann. Diese Art von kontrolliertem Bereich ist auf dem Gebiet der Abgasanlagen nicht möglich. Das Induktionslöten zum Verbinden von Auspuffkomponenten an sich wurde einfach noch nicht als gangbare Option in Betracht gezogen.
Diese wohlbekannte Konvention wird wiederum ignoriert, weil die Anmelderin ganz unerwartet weiterhin entdeckt hat, dass der Lötspalt zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente bis zu 1,20 mm groß sein kann. In einem Beispiel liegt der Lötspalt in einem Bereich, der als größer als 0,10 mm und bis zu 0,70 mm definiert ist. Dies bringt eine signifikante Kosteneinsparung, da die Toleranzen für die Lötverbindung weniger strengen Anforderungen unterliegen.
Die Verwendung einer Lötverbindung zwischen zwei Auspuffkomponenten anstelle einer Schweißverbindung ist außerdem mit einer Reihe weiterer Vorteile verbunden. Zum einen können die beiden Komponenten mit geringerem Aufwand und geringerem Platzbedarf als bei Verwendung eines Schweißverfahrens miteinander verbunden werden. Es ist nicht erforderlich, dass ein Roboter im Bereich ihrer Verbindung in Umfangsrichtung um die beiden Komponenten herumfährt. Stattdessen ist es möglich, den Verbindungsbereich zwischen den beiden Komponenten in einer kompakten Schutzgaskammer unterzubringen. Bis zu einer bestimmten Temperatur, die niedriger ist als die in Abgasanlagen auftretende Betriebstemperatur, ist die dynamische Festigkeit der Lötverbindung höher als bei einer Schweißverbindung, weil keine abrupten Änderungen in der Steifigkeit hervorgerufen werden. Es ist auch möglich, die beiden Komponenten mit einer geringeren Wandstärke zu bilden, wenn sie gelötet und nicht miteinander verschweißt werden. Das heißt, die Wandstärke von Komponenten, die miteinander verschweißt werden sollen, muss auf dem Gebiet der Abgasanlagen in einigen Fällen nicht im Hinblick auf die erforderliche Festigkeit der Komponenten, sondern vielmehr im Hinblick auf die Gefahr eines Durchschmelzens während des Schweißens ausgelegt werden. Diese Gefahr besteht nicht, wenn die beiden Komponenten miteinander verlötet werden, so dass in Zukunft nur die auftretenden Spannungen für die Dimensionierung relevant sind. Es ist auch möglich, Flansch- und Klemmstückverbindungen durch eine Lötverbindung zu ersetzen. Aufgrund ihres hohen Montageaufwands und wegen der Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit erweisen sich solche Verbindungen zunehmend als nachteilig, so dass dazu übergegangen wird, alle Komponenten der Abgasanlage in Form einer einstückigen Verbindung zu produzieren.
Gemäß einem Beispiel wird dafür gesorgt, dass eine der Komponenten eine Auflagefläche für Lot besitzt. Dadurch wird es möglich, das Lot in der Nähe des Lötspalts anzuordnen, so dass das Lötmaterial durch Kapillarkräfte in den Lötspalt gezogen wird, sobald das Lot geschmolzen ist. Dabei verhindert die Auflagefläche, dass das Lötmaterial von dem Lötspalt weg in andere Bereiche der Komponente fließt. Einerseits wäre das Lötmaterial in diesen Bereichen aus optischen Gründen unerwünscht und andererseits würde dieses Lötmaterial dann für die eigentliche Lötverbindung nicht mehr zur Verfügung stehen.
Die Auflagefläche auf der Komponente kann mit geringem Aufwand durch einen umlaufenden Wulst gebildet werden, auf dem der Ring aus Lötmaterial angeordnet werden kann.
Gemäß einem weiteren Beispiel kann dafür gesorgt werden, dass eine Lotauflage im Bereich der Lötverbindung angeordnet wird, welche die Auflagefläche für das Lötmaterial umfasst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Komponente selbst nicht verformt werden muss, um die Auflagefläche zu bilden. Es wird bevorzugt, dass die Lotauflage aus einem Material besteht, das elektrisch nichtleitend ist, zum Beispiel aus einem Keramikmaterial. An sich wird die Lotauflage während des Induktionslötens nicht induktiv erhitzt, so dass sich das Lötmaterial nicht mit der Lotauflage verbindet. Letzteres kann also ohne Probleme entfernt werden, wenn die beiden Komponenten aneinander gelötet werden.
Gemäß einem weiteren Beispiel ist ein Auslaufbereich zwischen den beiden Komponenten vorgesehen. Der Auslaufbereich nimmt überschüssiges Lot auf, ohne dass Letzteres eine Verbindung mit den beiden Komponenten eingegangen ist. Somit wirkt der Auslaufbereich wie ein Überlaufbehälter, der gefüllt wird, wenn der Lötspalt vollständig mit dem Lötmaterial ausgefüllt ist. Der Auslaufbereich wird während des Lötens nicht auf Löttemperatur aufgeheizt, so dass das Lötmaterial fest zu werden beginnt, sobald es in den Auslaufbereich eintritt. Damit ist garantiert, dass das Lötmaterial auf der dem Lötspalt abgewandten Seite nicht entweicht, was zu unerwünschten Lottropfen im Inneren der beiden Komponenten führt. Ein solcher Lottropfen könnte während des Betriebs der Abgasanlage Schäden im Inneren verursachen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus den Unteransprüchen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung auf der Grundlage verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind; darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten, die in einer Lötvorrichtung angeordnet sind, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 das Detail II von 1 in einem vergrößerten Maßstab, nachdem die beiden Komponenten aneinandergelötet wurden;
3 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 die zwei Komponenten von 3 in dem gelöteten Zustand;
5 das Detail V von 4 in einem vergrößerten Maßstab;
6 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7 die zwei Komponenten von 6 in dem gelöteten Zustand;
8 das Detail VIII von 7 in einem vergrößerten Maßstab;
9 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
10 die Komponenten von 9 in dem gelöteten Zustand;
11 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
12 die Komponenten von 11 in einer weiteren Stellung während des Lötens; und
13 eine schematische Darstellung von zwei aneinander zu lötenden Komponenten gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
15 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
16 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
17 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
18 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
19 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
20 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
21 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
22 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
23 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels von zwei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
24 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels von drei aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt zwei Komponenten 10, 11, bei denen es sich in diesem Fall um zwei Rohre einer Abgasanlage für Kraftfahrzeuge handelt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Prinzip auch andere Komponenten als Rohre miteinander verbunden werden können, wie zum Beispiel Trichter mit Rohren, Trichter mit Gehäusen, etc.
Die erste Komponente 10 ist mit einem konstanten Querschnitt ausgeführt, während das Ende der der ersten Komponente 10 gegenüberliegenden zweiten Komponente 12 mit einem nach außen weisenden Wulst 14 ausgeführt ist. Angrenzend an den Wulst 14 befindet sich ein Einführabschnitt 16. Der Einführabschnitt 16 hat einen Außendurchmesser, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der ersten Komponente 10.
Die der Komponente 10 zugewandte und senkrecht zur Mittelachse M ausgerichtete Fläche des Wulstes 14 bildet eine Auflagefläche 18, auf der ein Ring aus Lötmaterial 20 angeordnet ist. Das Lötmaterial liegt also im Bereich eines Lötspalts, der zwischen dem Einführabschnitt 16 der zweiten Komponente 12 und der ersten Komponente 10 gebildet ist. Das Lötmaterial 20 ist ein Hochtemperaturlot auf Kupfer- oder Nickelbasis.
Wenngleich in den Ausführungsformen ein Lotring dargestellt ist, kann das Lot natürlich auch in anderen Formen bereitgestellt werden, zum Beispiel als Blechstreifen, Paste, etc.
Um den Bereich der zwei zu lötenden Komponenten 10, 12 herum ist eine Lötvorrichtung 22 angeordnet, die im Wesentlichen zwei Schalen 24, 26 aufweist, die den zu lötenden Bereich praktisch gasdicht umschließen. Eine Schutzgasatmosphäre in den Schalen 24, 26 kann durch eine geeignete Vorrichtung (nicht dargestellt) hergestellt werden. Ein Induktor 28 erstreckt sich um die beiden Schalen 24, 26 und erzeugt Wirbelströme im Bereich der aneinander zu lötenden Abschnitte der beiden Komponenten 10, 12 sowie in dem Lötmaterial 20. Aufgrund des elektrischen Widerstands werden diese Wirbelströme in Wärme umgewandelt.
Zum Aneinanderlöten der beiden Komponenten 10, 12 wird der Ring aus Lötmaterial 20 in einem ersten Schritt auf dem Wulst 14 der zweiten Komponente 12 angeordnet. Die zweite Komponente 12 wird dann mit dem Einführabschnitt 16 in die erste Komponente 10 eingeführt. Anschließend werden die beiden Schalen 24, 26 um den zu lötenden Abschnitt der beiden Komponenten 10, 12 herum geschlossen und im Inneren der beiden Schalen entwickelt sich eine Schutzgasatmosphäre. Dann werden die zu lötenden Abschnitte der beiden Komponenten 10, 12 sowie das Lötmaterial 20 mit dem Induktor 28 auf eine Temperatur im Bereich von 1000 Grad Celsius aufgeheizt. Dabei schmilzt das Lötmaterial 20, so dass es durch Kapillarkräfte und gegen die Schwerkraft in den Lötspalt zwischen den beiden Komponenten 10, 12 gezogen wird und den Spalt vollständig ausfüllt. Dies ist in 2 zu sehen. Die Auflagefläche 18 auf dem Wulst 14 stellt sicher, dass das Lötmaterial 20 beim Schmelzen nicht von dem Lötspalt weg nach unten fließt, sondern in den Lötspalt gezogen wird. Alternativ könnte der Lötvorgang auch in einer horizontalen oder schrägen Ausrichtung durchgeführt werden.
Wenn die beiden Komponenten 10, 12 so weit abgekühlt sind, dass es nicht mehr zu einem Verzundern an Luft kommen wird, können die beiden Schalen 24, 26 geöffnet werden und die Komponenten, die nun miteinander verbunden sind, können entfernt werden. Die Lötvorrichtung ist bereit zur Aufnahme der nächsten Komponenten. Der besondere Vorteil der Lötvorrichtung und des damit durchgeführten Induktionslötverfahrens liegt darin, dass sehr kurze Bearbeitungszeiten möglich sind. Die erzielbare Bearbeitungszeit für das Hartlöten von zwei Komponenten einschließlich Aufheizen und Abkühlen liegt im Bereich von 40 Sekunden, und das in der Tat – im Gegensatz zum Schweißen – unabhängig von der Nahtlänge. Infolgedessen kann ein hoher Ausstoß bei geringem Platzbedarf erzielt werden.
In 3 bis 5 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt. Für die aus der ersten Ausführungsform bekannten Komponenten werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und in dieser Hinsicht wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Auflagefläche 18 nicht auf einer der Komponenten selbst, sondern auf einer Lotauflage 30 ausgebildet ist, die hier einen geschlossenen Ring darstellt. Die Lotauflage 30 besteht aus einem Material, das elektrisch nichtleitend ist, zum Beispiel aus einem Keramikmaterial, und umschließt die zweite Komponente 12 angrenzend an den Lötspalt. Mit anderen Worten, die erste Komponente 10 wird auf die zweite Komponente 12 geschoben, bis sie an der Lotauflage 30 anliegt. Dadurch kann die Lotauflage 30 als Bezugspunkt zum Positionieren der beiden Komponenten 10, 12 relativ zu einander verwendet werden. Die der ersten Komponente 10 zugewandte Seite der Lotauflage 30 bildet die Auflagefläche 18, auf der der Ring aus Lötmaterial 20 angeordnet wird. Auf der Lotauflage können Riffelungen, Vorsprünge oder Nuten bereitgestellt werden, wenn sie als geschlossener Ring ausgeführt ist, so dass das Lot leichter unter der Stirnfläche der Komponente 10 in den Lötspalt fließen kann.
Der zu lötende Bereich der beiden Komponenten 10, 12 wird wie bei der ersten Ausführungsform durch die Lötvorrichtung (hier nicht dargestellt) erhitzt, so dass das Lötmaterial 20 schmilzt und in den Lötspalt zwischen den beiden Komponenten 10, 12 (siehe 4 und 5) gezogen wird. Dabei fließt ein kleiner Teil des Lötmaterials an der Lotauflage 30 vorbei nach unten. Da die Lotauflage 30 jedoch aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, wird sie durch den Induktor 28 nicht erhitzt, so dass das Lot in diesem Bereich fest wird. Deshalb steht auch nur ein sehr kleiner Teil des Lötmaterials für die eigentliche Lötverbindung nicht zur Verfügung. In 5 ist die Lötverbindung zwischen den beiden Komponenten 10, 12 zu sehen, nachdem die Lotauflage 30 entfernt wurde. Dies ist ohne Probleme möglich, weil die Lotauflage 30 während des Lötens nicht so weit aufgeheizt wird, dass die Löttemperatur erreicht wird. Das Lötmaterial 20 verbindet sich demzufolge nicht mit der Oberfläche der Lotauflage. Der ”Eindruck” der Lotauflage 30 ist deutlich zu sehen.
In 6 bis 8 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt. Auch hier werden für die aus den vorherigen Ausführungsformen bekannten Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform liegt darin, dass bei der dritten Ausführungsform die Auflagefläche 18 auf einem Endabschnitt der zweiten Komponente 10 gebildet ist, der trichterartig aufgeweitet ist. Der Ring aus Lötmaterial 20 liegt also direkt zwischen der ersten Komponente 10 und der zweiten Komponente 12. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass der Lötspalt zwischen der ersten und der zweiten Komponente 10, 12 so ausgeführt ist, dass ein Auslaufbereich 32 für das flüssige Lötmaterial gebildet ist. Der Auslaufbereich ist dahingehend definiert, dass er außerhalb des durch den Induktor 28 aufgeheizten Bereichs der beiden Komponenten 10, 12 liegt; dadurch bleibt der Auslaufbereich 32 auf einer Temperatur, die niedriger ist als die Verfestigungstemperatur des Lötmaterials 20, sogar während des eigentlichen Lötvorgangs.
Wenn die zwei Komponenten 10, 12 aneinander gelötet werden, wird der Bereich des Lötspalts durch den Induktor erhitzt. Sobald das Lötmaterial 20 geschmolzen ist, wird es durch die Kapillarkräfte in den Lötspalt gezogen, in dem es die Oberfläche der beiden Komponenten 10, 12 benetzt. Sobald das Lötmaterial den unteren Abschnitt des Lötspalts gemäß 7 erreicht, entweicht es aus dem eigentlichen Lötspalt und tritt in den Auslaufbereich 32 ein. Da letzterer eine Temperatur hat, die niedriger ist als die Verfestigungstemperatur des Lötmaterials 20, verfestigt sich das Lötmaterial in dem Auslaufbereich 32. Der Auslaufbereich 32 ist mit einer ausreichenden Länge gewählt, um zu verhindern, dass das Lötmaterial auf der Unterseite des Lötspalts entweicht und ins Innere der beiden Komponenten 10, 12 eindringt. In 8 ist zu sehen, dass das Lötmaterial 20 die Oberfläche der beiden Komponenten 10, 12 im Auslaufbereich 32 nicht benetzt, weil sie eine vergleichsweise niedrige Temperatur haben. Demzufolge ist die Stirnfläche des Lötmaterials 20 nicht konkav, wie am oberen Ende des Lötspalts zu sehen ist, sondern konvex.
In 9 und 10 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen liegt darin, dass eine Aufnahmekammer 34 vorgesehen ist, in der das Lötmaterial 20 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen muss das Lötmaterial 20 in diesem Fall nicht als vollständig umlaufender Ring angeordnet sein. Es reicht aus, wenn sich das Lötmaterial zum Beispiel nur um die Hälfte des Umfangs der ringförmigen Aufnahmekammer 34 erstreckt. Sobald das Lot geschmolzen ist, breitet es sich aufgrund der Kapillarkräfte auf dem gesamten Umfang des Lötspalts aus, so dass eine umlaufende und gasdichte Verbindung zwischen den beiden Komponenten hergestellt wird.
Wenn der Bereich der aneinander zu lötenden Komponenten 10, 12 auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Lötmaterials 20 aufgeheizt wird, wird das zu diesem Zeitpunkt flüssige Lötmaterial durch Kapillarkräfte in den Spalt zwischen den beiden Komponenten 10, 12 gezogen. Dabei werden zwei verschiedene Lötverbindungen gebildet, nämlich eine erste Lötverbindung zwischen der Stirnfläche der zweiten Komponente 12 und der Außenseite der ersten Komponente 10, d. h. bezogen auf 10 auf der linken Seite der Aufnahmekammer, und eine zweite Lötverbindung zwischen dem Einführabschnitt 16 der ersten Komponente 10 und der zweiten Komponente 12.
In 11 ist eine fünfte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen liegt darin, dass die erste Komponente 10 an ihrem Ende mit einer kegelstumpfartigen Verengung versehen ist, während die zweite Komponente an ihrem Ende mit einer trichterförmigen Aufweitung versehen ist. Die Verengung der erste Komponente ist in der Aufweitung der zweiten Komponente angeordnet. Das Lötmaterial 20 liegt direkt an der Stirnfläche der Aufweitung der zweiten Komponente 12 an. Sobald das Lötmaterial schmilzt, wird es durch die Kapillarkräfte in den Lötspalt gezogen, so dass eine gleichmäßige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente entsteht.
12 zeigt die aus 11 bekannten Komponenten, aber im Gegensatz zu 11 ist die Längsachse der beiden Komponenten 10, 12 vertikal und nicht horizontal angeordnet. Daher dient die Stirnfläche der Aufweitung der zweiten Komponente 12 als Auflagefläche 18 für das Lötmaterial 20.
In 13 ist eine sechste Ausführungsform dargestellt. Der Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass es keine Rohre gibt, die aneinander zu löten sind. Stattdessen werden zwei Gehäuseteile eines Schalldämpfers, eines Katalysators oder eines anderen Bestandteils einer Abgasanlage zusammengelötet. Die erste Komponente 10 bildet die obere Schale des Gehäuses und die zweite Komponente 12 bildet die untere Schale des Gehäuses. Beide Komponenten sind mit einem umlaufenden Rand versehen, wobei der Rand der zweiten Komponente mit einem umlaufenden Wulst versehen ist, so dass in Kombination mit dem Rand der ersten Komponente eine Kammer zur Aufnahme des Lötmaterials 20 gebildet wird.
Die Ränder der ersten und der zweiten Komponente 10, 12 sowie das Lötmaterial 20 werden induktiv erhitzt, so dass das Lötmaterial schmilzt und die beiden Komponenten miteinander verbunden werden. Bemerkenswert ist hier, dass sogar bei dieser Art von Komponenten mit einer sehr großen Nahtlänge die Bearbeitungszeit nicht erhöht ist. Wären die beiden Komponenten miteinander zu verschweißen, würde dies wegen der großen Nahtlänge zu einer Bearbeitungszeit von mehreren Minuten führen.
14 zeigt ein weiteres Beispiel einer ersten und einer zweiten Auspuffkomponente 10, 12, die über eine induktionsgelötete (hartgelötete) Verbindung miteinander verbunden sind. Die erste und die zweite Auspuffkomponente 10, 12 sind durch einen Lötspalt 36 voneinander beabstandet, der bis zu 1,20 mm groß sein kann. Ein Abschnitt der ersten Auspuffkomponente 10 wird in eine Öffnung in der zweiten Auspuffkomponente 12 eingeführt. Das Hochtemperatur-Induktionsmaterial 20 ist in der Nähe des Lötspalts 36 positioniert. Bei dieser Ausführung muss der Induktor 28 innerhalb der ersten Komponente in der Nähe des Lötspalts 36 positioniert sein. Der Induktor 28 erzeugt Wirbelströme in diesem Bereich der beiden aneinander zu lötenden Auspuffkomponenten 10, 12 sowie in dem Lötmaterial 20. Aufgrund des elektrischen Widerstands werden diese Wirbelströme in Wärme umgewandelt, die das Lötmaterial 20 schmelzen lässt, so dass es den Lötspalt 36 füllt. Da der Induktor 28 innerhalb der ersten Auspuffkomponente 10 positioniert ist, ist ferner der Betrag der Wärmeausdehnung der ersten Auspuffkomponente 10 größer als die Wärmeausdehnung der zweiten Komponente, so dass die Größe des Spalts beim Löten/Hartlöten verringert wird.
Wie oben erläutert, kann die Größe des Lötspalts 36 zwischen den Auspuffkomponenten 10, 12 bis zu 1,20 mm betragen, was der Lehre des Standes der Technik direkt widerspricht, wonach induktionsgelötete Verbindungen nur für Komponenten mit einem Lötspalt im Bereich von 0,02 mm bis 0,10 mm verwendet werden sollten. Ein solcher eng kontrollierter Bereich ist in Abgasanlagen nicht praktisch, weshalb das Induktionslöten bisher nicht für solche Komponenten eingesetzt wurde. Es wurde jedoch entdeckt, dass sichere induktionsgelötete Verbindungen zwischen Auspuffkomponenten mit einem Lötspalt von 1,20 mm gebildet werden können. Dies bedeutet eine Kosteneinsparung bei der Herstellung und Montage der Komponenten.
Ein solch großer Spalt wird jedoch aufgrund der erforderlichen erhöhten Menge an Lötmaterial nicht bevorzugt. Ein typischer Lötspalt würde im Bereich von größer als 0,10 mm bis 0,70 mm liegen. In einem Beispiel würde die bevorzugte Lötspaltgröße ungefähr 0,50 mm betragen, da dies immer noch eine akzeptablere Spaltgröße liefert, ohne dass eine signifikante Menge an zusätzlichem Lötmaterial erforderlich ist.
Das Lötmaterial 20 ist ein Hochtemperaturlot zum Beispiel aus einem Kupfer- oder Nickellegierungsmaterial. Bei Verwendung eines Nickellegierungsmaterials würde die Hartlöt-/Löttemperatur ungefähr 1300 Grad Celsius betragen und die Betriebstemperatur würde im Bereich von 1000–1100 Grad Celsius liegen.
Abschnitte der beiden zu lötenden Komponenten 10, 12 sowie das Lötmaterial 20 werden durch den Induktor 28 auf die vorgegebene Temperatur erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt das Lötmaterial 20 und wird durch Kapillarkräfte in den Lötspalt 36 zwischen den beiden Komponenten 10, 12 gezogen und füllt den Spalt vollständig aus.
In dem Beispiel von 14 umfasst die erste Auspuffkomponente 10 ein erstes Auspuffrohr und die zweite Auspuffkomponente umfasst ein zweites Auspuffrohr; die erste und die zweite Auspuffkomponente können jedoch jede Art von Auspuffkomponente umfassen, die in einer Fahrzeugabgasanlage benutzt werden würde. Zum Beispiel könnten die erste und die zweite Auspuffkomponente Rohre, Flanschanschlüsse, Schalldämpfergehäuse, Abschlussplatten, etc. umfassen. In 14–24 sind verschiedene Beispiele unterschiedlicher Arten von Komponenten und Hartlötausführungen dargestellt, doch gibt es selbstverständlich noch zahlreiche andere Beispiele, die bei dem beanspruchten Löt-/Hartlötverfahren ebenfalls verwendet werden könnten. Des weiteren umfasst jede der Ausführungen einen Lötspalt, der bis zu 1,20 mm groß sein kann. Der Lötspalt 36 ist in 14 zwecks Beschreibung übertrieben dargestellt; es versteht sich jedoch, dass eine ähnliche Spaltausführung auch auf die anderen beispielhaften Ausführungen anwendbar ist.
15 zeigt eine Ausführung, wo das Lötmaterial 20 in einer Nut 40 positioniert ist, die in der zweiten Auspuffkomponente 12 ausgebildet ist, die sich außerhalb der ersten Auspuffkomponente 10 an der Induktionslötverbindung befindet.
16 zeigt eine beispielhafte Ausführung analog zu 15, die aber ebenfalls mit einer Abschlussplatte 42 verbunden ist, die an der ersten Auspuffkomponente 10 befestigt ist. Eine zweite Induktionslötverbindung 44 könnte auch verwendet werden, um die Abschlussplatte 42 in der oben beschriebenen Weise mit der ersten Auspuffkomponente 10 zu verbinden.
17 zeigt eine Ausführung für einen Schalldämpfer 46, der eine Abschlussplatte 42 und ein inneres Schalldämpferrohr 48 aufweist, die über eine Induktionslötverbindung miteinander verbunden sind. Das Lötmaterial 20 ist außerhalb eines Schalldämpferhohlraums 50 angeordnet und liegt auf einer Außenseite eines Abschnitts des inneren Schalldämpferrohrs 48, der sich von der Abschlussplatte 42 nach außen erstreckt. Der Induktor 28 ist innerhalb des Schalldämpferrohrs 48 positioniert und die Induktionslötverbindung ist in der oben beschriebenen Weise ausgebildet.
In 18 und 19 ist jeweils eine Ausführung dargestellt, wo ein Blechflansch 52 an einem rohr- oder kegelförmigen Bauteil 54 befestigt ist. 18 zeigt den außerhalb des rohr- oder kegelförmigen Bauteils 54 positionierten Blechflansch 52, wobei sich das Lötmaterial 20 außen befindet und auf einem oberen Rand des Blechflansches 52 aufliegt. 19 zeigt den innerhalb des rohr- oder kegelförmigen Bauteils 54 positionierten Blechflansch 52, wobei sich das Lötmaterial 20 innen befindet und auf dem oberen Rand des Blechflansches 52 aufliegt. In beiden Ausführungen würde sich der Induktor 28 im Inneren befinden, wie oben beschrieben.
In 20 und 21 ist jeweils eine Ausführung dargestellt, wo eine Buchse 56 über eine Induktionslötverbindung an einem Auspuffrohr 58 befestigt ist. 20 zeigt eine Ausführung, wo die Buchse 56 ganz in dem Rohr 58 positioniert ist und das Lötmaterial 20 auf einem oberen Rand der Buchse 56 aufliegt. 21 zeigt eine Ausführung, wo die Buchse 56 eine Außenseite des Auspuffrohrs 58 umgibt, wobei sich das Lötmaterial 20 außen befindet und auf einem oberen Rand der Buchse 56 aufliegt. In dem in 21 dargestellten Beispiel umfasst der obere Rand der Buchse 56 einen aufgeweiteten Abschnitt; der obere Rand könnte jedoch auch gerade sein, wie in 20 gezeigt. In beiden Ausführungen würde sich der Induktor 28 im Inneren befinden, wie oben beschrieben.
22 zeigt eine Ausführung, wo eine Abschlussplatte oder Abdeckung 60 an einem Auspuffrohr 62 befestigt ist. Das Auspuffrohr 62 ist in eine Öffnung in der Abdeckung 60 eingeführt und ein Anschlag 64 umgibt eine Außenseite des Rohres 62, um die Abdeckung 60 festzuhalten. Das Lötmaterial 20 befindet sich außen an der Grenzfläche zwischen der Abdeckung und dem Rohr. Der Anschlag 64 soll außerdem verhindern, dass geschmolzenes Lötmaterial aus dem Lötspalt 36 herausfließt.
23 zeigt eine Ausführung, wo ein Auspuffrohr 64 über eine Induktionslötverbindung mit einem Konus 66 verbunden ist. Das Rohr 64 umfasst einen verjüngten Abschnitt 68, der durch den Lötspalt 36 von einem entsprechenden verjüngten Abschnitt 70 des Konus 66 getrennt ist. Das Rohr 64 ist innerhalb des Konus 66 positioniert und das Lötmaterial befindet sich außerhalb auf einem oberen Rand des Konus 66. Der obere Rand des Konus 66 könnte wie dargestellt aufgeweitet sein, oder der obere Rand könnte optional auch gerade sein.
24 zeigt eine Ausführung mit mehreren Verbindungen, wo drei verschiedene Auspuffkomponenten über eine Induktionslötverbindung miteinander verbunden sind. Eine Abschlussplatte 72 ist zum Beispiel über eine Crimpverbindung 76 an einem Schalldämpfergehäuse 74 befestigt. Die Abschlussplatte 72 ist mit einem inneren Schalldämpferrohr 78 verbunden, das mit einem äußeren Auspuffrohr 80 verbunden ist, das mit dem übrigen Teil der Fahrzeugabgasanlage verbunden ist. Ein äußeres Ende des inneren Schalldämpferrohrs 78 ist zwischen dem äußeren Auspuffrohr 80 und der Abschlussplatte 72 positioniert. Somit werden zwischen dem äußeren Auspuffrohr 80 und dem inneren Schalldämpferrohr 78 sowie zwischen dem inneren Schalldämpferrohr 78 und der Abschlussplatte 72 Lötspalte 36 gebildet. Das Lötmaterial 20 liegt auf einem oberen Rand des mittleren Bauteils, d. h. auf dem äußeren Ende des inneren Schalldämpferrohrs 78, und wird in die Lötspalte 36 gezogen. In dieser beispielhaften Ausführung befindet sich der Induktor 28 außerhalb der Induktionslötverbindung, d. h. der Induktor befindet sich außerhalb des Schalldämpfers 78 und der Auspuffrohre 80.
Im Prinzip können alle Komponenten einer Abgasanlage mit dem oben beschriebenen Verfahren miteinander verbunden werden. In dieser Hinsicht ist es unbedeutend, ob die Komponenten nacheinander, gleichzeitig in Gruppen oder alle gleichzeitig aneinander gelötet werden. Es ist auch möglich, verschiedene Materialien aneinander zu Löten. Es ist zum Beispiel möglich, Endrohre – die aus Nichteisenmetallen bestehen und damit aus einem von dem Material der eigentlichen Auspuffrohre verschiedenen Material – an die Auspuffrohre zu löten.

Claims

Auspuffkomponentenbaugruppe, die Folgendes umfasst: eine erste Auspuffkomponente; eine zweite Auspuffkomponente, die relativ zu der ersten Auspuffkomponente positioniert ist, um zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente einen Lötspalt zu bilden, der bis zu 1,20 mm groß sein kann; und eine Induktionslötverbindung, die zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente an dem Lötspalt gebildet ist.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Lötspalt größer ist als 0,10 mm.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Lötspalt gleich oder kleiner ist als 0,70 mm.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Lötspalt in einem Bereich von mehr als 0,10 mm liegt und gleich oder kleiner ist als 0,50 mm.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die erste Auspuffkomponente ein Auspuffrohr umfasst und die zweite Auspuffkomponente eines von einem zweiten Auspuffrohr, einem Verbindungsflansch, einem Konus oder einem Schalldämpfergehäuse umfasst.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 5, wobei die erste und die zweite Auspuffkomponente ohne störende Strukturen durch die Induktionslötverbindung direkt miteinander verbunden sind.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Auspuffkomponente einzig und allein durch die Induktionslötverbindung miteinander verbunden sind.
Auspuffkomponentenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt der ersten Auspuffkomponente in eine Öffnung der zweiten Auspuffkomponente eingesetzt ist, und mit einem wenigstens teilweise in der ersten und der zweiten Auspuffkomponente positionierten Induktor zum Erhitzen eines Hochtemperatur-Lötmaterials, das in der Nähe des Lötspalts bereitgestellt ist.
Verfahren zum Aneinanderbefestigen von Auspuffkomponenten, mit den folgenden Schritten: (a) Positionieren einer ersten Auspuffkomponente relativ zu einer zweiten Auspuffkomponente in einer Weise, dass sie durch einen Lötspalt getrennt sind, der bis zu 1,20 mm groß sein kann; (b) Bereitstellen eines Hochtemperatur-Lötmaterials in der Nähe des Lötspalts; (c) Erhitzen des Hochtemperatur-Lötmaterials; und (d) Füllen des Lötspalts mit Lötmaterial, um die erste und die zweite Auspuffkomponente über eine Induktionslötverbindung aneinander zu befestigen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Lötspalt größer ist als 0,10 mm.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Lötspalt in einem Bereich von größer als 0,10 mm liegt und gleich oder kleiner ist als 0,50 mm.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Abschnitt der ersten Auspuffkomponente in einer Öffnung der zweiten Auspuffkomponente positioniert wird und ein Induktor wenigstens teilweise in die erste Auspuffkomponente eingesetzt wird, um das Hochtemperatur-Lötmaterial zu erhitzen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Induktionslötverbindung als einzige Verbindungsgrenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Auspuffkomponente bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Komponente ein erstes Auspuffrohr und die zweite Auspuffkomponente eines von einem zweiten Auspuffrohr, einem Flanschanschluss, einem Konus oder einem Schalldämpfergehäuse umfasst, und bei dem die erste und die zweite Auspuffkomponente über die Induktionslötverbindung direkt miteinander verbunden werden.