DE102012009615A1

DE102012009615A1 - Verfahren zum Löten, insbesondere induktiven Löten, und Baugruppe

Info

Publication number: DE102012009615A1
Application number: DE102012009615A
Authority: DE
Inventors: Alfred Steck
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: US20130307261A1; CN103418871B; DE102012009615B4; US9534723B2; CN103418871A; KR20130127947A

Abstract

Bei einem Lötverfahren zum Verbinden einer Baugruppe aus einem Rohr (14), einem Bauteil (10), das mit einer Öffnung (12) versehen ist, und einem Kompensationselement. (20) wird das Kompensationselement (20), das einen Auflageabschnitt (24) und einen Einschubabschnitt (22) aufweist, zwischen einem Ende des Rohrs (14) und der Öffnung (12) des Bauteils (10) angeordnet. Ein innerer Durchmesser (k_Ai) des Kompensationselements (20) ist kleiner als der Durchmesser (d_O) der Öffnung (12) im Bauteil (10). Der Einschubabschnitt (22) wird in das Ende des Rohrs (14) eingeschoben, und der Auflageabschnitt (24) liegt zwischen dem Rohr (14) und dem Bauteil (10) und liegt am Bauteil (10) am Rand der Öffnung (12) auf. Das Kompensationselement (20) sowie das Rohr (14) und das Bauteil (10) werden im Bereich des Kompensationselements (20) vorzugsweise induktiv auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Lotmaterial (26) erhitzt, das im Bereich der Lötstellen vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten und insbesondere zum induktiven Löten sowie eine mit einem Lötverfahren hergestellte Baugruppe.
Löten ist gut geeignet, um zwei metallische Bauteile miteinander zu verbinden. Anders als beim Schweißen wird Wärme nicht auf einer eng begrenzten Fläche zugeführt, sondern entweder dem gesamten Bauteil, wenn ein Ofenlötverfahren verwendet wird, oder im Bereich der Lötstelle, wenn ein Induktionslötverfahren verwendet wird. In diesem Fall wird durch die Induktion eines elektrischen Stroms in den zu verbindenden Bauteilen Wärme im Bauteil selbst erzeugt, durch die das Bauteil erwärmt wird, so dass das dort angeordnete Lotmaterial aufschmilzt.
Es besteht jedoch der Nachteil, dass zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen zur Herstellung einer optimalen Lötverbindung nur sehr kleine Spalte vorhanden sein dürfen. Dies macht insbesondere die Herstellung einer T-Verbindung, bei der ein Rohrende mit einer Öffnung in einem zweiten Bauteil verbunden wird, aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Herstellen einer Lötverbindung so zu vereinfachen, dass hinsichtlich der miteinander zu verlötenden Bauteile keine engen Toleranzen eingehalten werden müssen.
Beim erfindungsgemäßen Lötverfahren zum Verbinden eines Rohrs mit einem Bauteil, das mit einer Öffnung versehen ist, wird dies erreicht, indem ein Kompensationselement zwischen einem Ende des Rohrs und der Öffnung des Bauteils angeordnet wird, wobei das Kompensationselement einen Auflageabschnitt und einen Einschubabschnitt aufweist und ein innerer Durchmesser des Kompensationselements kleiner als der Durchmesser der Öffnung im Bauteil ist. Der Einschubabschnitt wird in das Ende des Rohrs eingeschoben, und der Auflageabschnitt liegt zwischen dem Rohr und dem Bauteil und liegt am Bauteil am Rand der Öffnung auf. Das Kompensationselement sowie des Rohr und das Bauteil im Bereich des Kompensationselements werden auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Lotmaterial erhitzt, das im Bereich der Lötstellen vorhanden ist. Das Kompensationselement erlaubt auf einfache und kostengünstige Weise den Ausgleich von Toleranzen zwischen dem Ende des Rohrs und der Öffnung im Bauteil. Die Verwendung des Kompensationselements erlaubt, Toleranzen in radialer Richtung zwischen dem Innendurchmesser des Rohrs und dem Durchmesser der Öffnung zu kompensieren.
Als Lötverfahren ist insbesondere ein Induktionslötverfahren geeignet. Alternativ kann auch ein Ofenlötverfahren verwendet werden.
Da der innere Durchmesser des Kompensationselements, insbesondere der innere Durchmesser des Einschubabschnitts, kleiner als der Durchmesser der Öffnung im Bauteil ist, wirken sich Abweichungen im Durchmesser des Rohrs nicht auf den effektiven Strömungsquerschnitt aus, da dieser stets durch das Kompensationselement bestimmt ist.
Mittels des Kompensationselements können außerdem sowohl eine schräge Rohrstellung als auch ein zu großer Abstand zwischen dem Rohrende und dem Bauteil sowie ein lateraler Versatz zwischen der Öffnung im Bauteil und dem Rohr ausgeglichen werden.
Der Einschubabschnitt des Kompensationselements ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, während der Auflageabschnitt vorzugsweise die Form eines flachen Rings aufweist.
Es ist vorteilhaft, wenn das Bauteil im Bereich der Öffnung nur eine geringe Krümmung aufweist bzw. vollständig eben ist. Das Bauteil kann z. B. ein Rohr sein, das einen deutlich größeren Durchmesser aufweist als das mit dem Bauteil zu verbindende Rohr.
Das Lotmaterial lässt sich einfach in Form von Lotdrahtringen vor dem Erhitzen an den zu bildenden Lotstellen einlegen.
Lötstellen können beispielsweise am Rohrende zwischen der Innenseite des Rohrs und der Außenseite des Einschubabschnitts des Kompensationselements und/oder zwischen einem Bereich am Rand der Öffnung des Bauteil und einer Unterseite des Auflageabschnitts des Kompensationselements vorgesehen sein.
Vor dem Verlöten hat der Einschubabschnitt vorzugsweise ein radiales Spiel zur Innenseite des Rohrs. Dieses Spiel erlaubt, das Rohr und das Kompensationselement so anzuordnen, dass das Rohr exakt in der gewünschten Position zum Bauteil ausgerichtet werden kann und etwaige Längen-, Durchmesser- oder Neigungsabweichungen kompensiert werden können.
Der Spalt zwischen der Außenseite des Einschubabschnitts und der Innenseite des Rohrs ist vorteilhaft so klein, dass das flüssige Lot durch Kapillarkräfte in den Spalt gezogen wird und sich so gleichmäßig über die gesamte Lötstelle verteilen kann.
Die Lötverbindung zwischen dem Rohr und dem Einschubabschnitt des Kompensationselements und die Lötverbindung zwischen dem Bauteil und dem Auflageabschnitt des Kompensationselements können in einem Arbeitsschritt hergestellt werden, was Prozesszeit einspart.
Bei einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einem Rohr, einem Bauteil mit einer Öffnung und einem Kompensationselement, wie sie beispielsweise zur Herstellung einer Lötverbindung wie oben beschrieben verwendet werden kann, ist der Innendurchmesser des Kompensationselements kleiner als der Durchmesser der Öffnung im Bauteil, was die beschriebenen Vorteilen mit sich bringt.
Der Außendurchmesser des Einschubabschnitts des Kompensationselements ist vorzugsweise nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Endes des Rohrs, um eine gute Verbindung durch induktives Löten zwischen diesen beiden Bauteilen zu gewährleisten.
Der Auflageabschnitt des Kompensationselements kann einen ebenen Ring bilden, wobei der äußere Durchmesser des Rings größer ist als der Durchmesser der Öffnung und der innere Durchmesser des Rings (der vorteilhaft dem Innendurchmesser des Einschubabschnitts entspricht) kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung. So ist sichergestellt, dass die Öffnung vollständig durch das Kompensationselement abgedeckt ist und am Rand der Öffnung genügend Überlapp zum Herstellen einer Lötverbindung oder auch einer Schweißverbindung vorhanden ist. Außerdem wird so ein eindeutiger, fest vorgegebener Strömungsquerschnitt sichergestellt, da bei dieser Anordnung der Strömungsquerschnitt stets durch den inneren Durchmesser des Kompensationselements, also den Querschnitt des Einschubabschnitts, bestimmt ist.
Wenn der Außendurchmesser des Einschubabschnitts kleiner ist als der Innendurchmesser des Endes des Rohrs und der Außendurchmesser des Rings größer ist als der Außendurchmesser des Rohrs, trifft eine Stirnseite des Rohrendes immer auf den Auflageabschnitt des Kompensationselements. So lässt sich beispielsweise eine Längenabweichung über einen Teil des Umfangs oder über den gesamten Umfang des Rohrendes durch das Kompensationselement ausgleichen.
Das Kompensationselement ist bevorzugt so gestaltet, dass die Länge des Einschubabschnitts in etwa so groß ist wie die Breite des Auflageabschnitts in radialer Richtung. Die Breite des Auflageabschnitts kann dabei der Breite des durch den Auflageabschnitt gebildeten ebenen Rings entsprechen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Rohrs und eines Bauteils mit einer Öffnung, die mittels eines Lötverfahrens miteinander zu verbinden sind;
2 eine schematische perspektivische Darstellung der in 1 dargestellten Bauteile; und
3 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Lötverfahrens.
Die 1 und 2 zeigen ein Bauteil 10, in diesem Fall ein Rohr mit einem großen Durchmesser (siehe 2), das eine Öffnung 12 aufweist. Mit dem Bauteil 10 soll ein Rohr 14 mit einem deutlich kleineren Durchmesser verbunden werden, indem eine Stirnseite 16 des Rohrendes mit einem im Wesentlichen ebenen, die Öffnung 12 umfangsmäßig umgebenden Bereich 18 fest verbunden wird. Als Ausführungsbeispiel wird nachfolgend ein Induktionslötverfahren beschrieben. Allerdings kann auch ein Ofenlötverfahren verwendet werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, die beiden Bauteile miteinander zu verschweißen.
Wie 1 zeigt, kann es Abweichungen von der idealen Position geben, in der das Rohr 14 mit seiner Stirnseite 16 senkrecht zur in 1 gezeigten Erstreckung des Bauteils 10 glatt am Rand der Öffnung 12 aufliegt. Das Rohr 14 kann beispielsweise um einen Winkel α verkippt sein (übertrieben dargestellt in 1).
Die Längsachse A_R des Rohrs 14 kann auch um einen Betrag x gegenüber der Flächennormalen A_O der Öffnung 12 versetzt sein. Es kann auch eine Abweichung in der Höhe entlang der Längsachse A_R des Rohr 14 bestehen, die zu einem Spalt s zwischen dem Bereich 18 am Rand der Öffnung 12 und der Stirnseite 16 des Rohrs 14 führt. Es können auch mehrere der beschriebenen Abweichungen gleichzeitig auftreten.
Alle derartigen Abweichungen sind durch die Verwendung eines in 3 dargestellten Kompensationselements 20 ausgleichbar.
Das Kompensationselement 20 hat einen Einschubabschnitt 22, der in Form eines zylindrischen Rohrs ausgebildet ist, und einen direkt daran im rechten Winkel anschließenden Auflageabschnitt 24, der in Form eines flachen Rings gestaltet ist. Einschubabschnitt 22 und Auflageabschnitt 24 stehen im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Der innere Durchmesser k_Ai des Auflageabschnitts 24, der auch dem Innendurchmesser des Einschubabschnitts 22 entspricht, ist kleiner als der Durchmesser d_O der Öffnung 12.
Dagegen ist der äußere Durchmesser k_Aa des Auflageabschnitts 24 größer als der Durchmesser d_O der Öffnung 12.
Die Breite k_R des Auflageabschnitts 24 in radialer Richtung r, also die Breite des Rings, entspricht der halben Differenz des äußeren Durchmessers k_Aa und des inneren Durchmessers k_Ai. Die Breite k_R ist etwa so groß wie eine Höhe h des Einschubabschnitts 22 des Kompensationselements 20 senkrecht zum Auflageabschnitt 24.
Der äußere Durchmesser k_Ea des Einschubabschnitts 22 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser R_i des Endes des Rohrs 14.
Der äußere Durchmesser k_Aa des Auflageabschnitts 24 ist größer als der Außendurchmesser R_a des Endes des Rohrs 14.
Diese geometrischen Verhältnisse führen dazu, dass der Auflageabschnitt 24 vollständig auf dem Bereich 18 um die Öffnung 12 des Bauteils 10 aufliegt, wenn das Kompensationsbauteil 20 zwischen dem Rohr 14 und dem Bauteil 10 angeordnet ist. Das Rohr 14 liegt radial außerhalb des Einschubabschnitts 22 des Kompensationselements 20, und die Stirnseite 16 des Rohrendes liegt vollständig über dem Auflageabschnitt 24 des Kompensationselements 20.
Das Kompensationselement 20 ist aus einem geeigneten, induktiv gut erhitzbaren Metall beispielsweise durch Umformen hergestellt.
Zur Montage wird zunächst das Kompensationsbauteil 20 auf das Bauteil 10 aufgesetzt, sodass der Rand der Öffnung 12 vollständig vom Auflageabschnitt 24 abgedeckt ist und der Einschubabschnitt 22 vollständig über der Öffnung 12 liegt. Auf diese Weise wird der spätere Durchflussquerschnitt durch den Innendurchmesser k_Ai des Kompensationselements 20 festgelegt.
Da keine äußeren Kräfte wirken, kann das Kompensationselement 20 flach auf dem Bereich 18 am Rand der Öffnung 12 aufgelegt werden.
Ein Ring eines Lotmaterials 26 wird zwischen das Bauteil 10 und den Auflageabschnitt 24 eingelegt. Anstelle eines Rings aus Lotmaterial kann auch Lötpaste verwendet werden. Es ist auch möglich, gestanzte Ringe aus Lötfolie zu verwenden.
Das Rohr 14 wird mit seinem Ende auf den Einschubabschnitt 22 des Kompensationselements 20 aufgesteckt und bezüglich des Bauteils 10 in seine gewünschte Position ausgerichtet.
Außerdem wird ein Ring eines Lotmaterials 26 zwischen das Rohr 14 und den Einschubabschnitt 22 eingelegt.
Eine (nicht dargestellte) Induktionsspule wird um die Baugruppe aus dem Bauteil 10, dem Rohr 14 und dem Kompensationselement 20 angeordnet, sodass der durch die Spule induzierte Stromfluss das Ende des Rohrs 14, das Kompensationselement 20 und den Bereich 18 am Rand der Öffnung 12 über eine Temperatur erhitzt, bei der das gesamte an den Lotstellen eingebrachte Lotmaterial 26 schmilzt.
Bevorzugt sind der Spalt zwischen der Innenwand des Rohrs 14 und der Außenwand des Einschubabschnitts 22 und auch der Spalt zwischen dem Bauteil 10 und der Unterseite des Auflageabschnitts 24 so klein, dass sich das Lotmaterial 26 durch Kapillareffekte gleichmäßig in den dort bestehenden Spalten verteilt und eine über den gesamten Umfang dichte Lötverbindung erzeugt wird.
Nach dem Erkalten sind das Rohr 14 und das Kompensationselement 20 fest und fluiddicht mit dem Bauteil 10 verbunden.

Claims

Lötverfahren zum Verbinden eines Rohrs (14) mit einem Bauteil (10), das mit einer Öffnung (12) versehen ist, bei dem – ein Kompensationselement (20) zwischen einem Ende des Rohrs (14) und der Öffnung (12) des Bauteils (10) angeordnet wird, das einen Auflageabschnitt (24) und einen Einschubabschnitt (22) aufweist, wobei ein innerer Durchmesser (k_Ai) des Kompensationselements (20) kleiner als der Durchmesser (d_Ö) der Öffnung (12) im Bauteil (10) ist; – der Einschubabschnitt (22) in das Ende des Rohrs (14) eingeschoben wird und der Auflageabschnitt (24) zwischen dem Rohr (14) und dem Bauteil (10) liegt und am Bauteil (10) am Rand der Öffnung (12) aufliegt, und – das Kompensationselement (20) sowie das Rohr (14) und das Bauteil (10) im Bereich des Kompensationselements (20) vorzugsweise induktiv auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Lotmaterial (26) erhitzt werden, das im Bereich der Lötstellen vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschubabschnitt (22) vor dem Verlöten ein radiales Spiel zur Innenseite des Rohrs (14) hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötverbindung zwischen dem Rohr (14) und dem Einschubabschnitt (22) des Kompensationselements (20) und die Lötverbindung zwischen dem Bauteil (10) und dem Auflageabschnitt (24) des Kompensationselements (20) in einem Arbeitsschritt hergestellt werden.
Baugruppe mit einem Rohr (14), einem Bauteil (10) mit einer Öffnung (12) und einem Kompensationselement (20), insbesondere zur Herstellung einer induktiven Lötverbindung gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innendurchmesser (k_Ai) des Kompensationselements (20) kleiner ist als der Durchmesser (d_O) der Öffnung (12) im Bauteil (10).
Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (k_Ea) des Einschubabschnitts (22) des Kompensationselements (20) geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser (R_i) des Endes des Rohrs (14).
Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auflageabschnitt (24) des Kompensationselements (20) einen ebenen Ring bildet, wobei der äußere Durchmesser (k_Aa) des Rings größer ist als der Durchmesser (d_O) der Öffnung (12) und der innere Durchmesser (k_Ai) des Rings kleiner ist als der Durchmesser (d_O) der Öffnung (12).
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (k_Ea) des Einschubabschnitts (22) des Auflageabschnitts (24) kleiner ist als der Innendurchmesser (R_i) des Endes des Rohrs (14) und der Außendurchmesser (k_Aa) des Auflageabschnitts (24) größer ist als der Außendurchmesser (R_A) des Rohrs (14).
Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (h) des Einschubabschnitts (22) in etwa so groß ist wie die Breite des Auflageabschnitts (24) in radialer Richtung (r).