DE1962760A1 - Process for soldering aluminum materials - Google Patents
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Description
VEREINIGTE ALUMINIUM-WERKE
AKTIENGESELLSCHAFT
BONNUNITED ALUMINUM PLANTS
Aktiengesellschaft
BONN
Verfahren zum Löten von AluminiumwerkstoffenProcess for soldering aluminum materials
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Aluminiumwerkstoffen. Beim Löten handelt es sich um ein Verbindungsverfahren, bei dem im Gegensatz zum Schweißen der Grundwerkstoff an der Verbindungsstelle zwar vom schmelzflüssigen Zusatzmetall benetzt, aber nicht aufgeschmolzen wird. Der Schmelzbereich des Lotes und die Arbeitstemperatur müssen daher unterhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegen.The invention relates to a method for soldering aluminum materials. Soldering is a connection process in which, in contrast to welding, the base material is used Although it is wetted by the molten additional metal at the connection point, it is not melted. The melting range of the The solder and the working temperature must therefore be below the melting temperature of the base material.
Beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen besteht ein wesentliches Problem darin, daß der Werkstoff infolge der stets auf der Oberfläche vorhandenen und sehr zähen Oxidhaut vom schmelzflüssigen Lot in nicht ausreichendem Maße benetzt wird. Diese Oxidhaut ist zwar sehr dünn, aber dicht und stabil, bildet sich nach ihrer Beseitigung, z.B. durch Beizen, spontan neu und verstärkt sich außerdem während des Lötvorganges, sofern dieser unter oxydierender Atmosphäre (z.B. Luft) durchgeführt wird. Es war bisher beim Löten von Aluminiumwerkstoffen erforderlich, diese störende Oxidhaut an der Verbindungsstelle entweder auf mechanischem oder chemischem Wege zu beseitigen. Der erstgenannte Weg wird beim Reiblöten, einem Sonderverfahren des Weichlötens, angewandt, wobei die Oxidschicht durch das geschmolzene Lot hindurch zerstört wird. Eine Abart dieses Prinzips stellt das Ultraschall-Löten dar, das jedoch keine größere technische Bedeutung erlangt hat.When soldering aluminum and aluminum alloys, there is a major problem that the material as a result of the always The very tough oxide skin present on the surface is not sufficiently wetted by the molten solder. Although this oxide skin is very thin, it is dense and stable, and after it has been removed, e.g. by pickling, it forms new and spontaneously is also intensified during the soldering process if it is carried out in an oxidizing atmosphere (e.g. air). It was previously necessary when soldering aluminum materials to either remove this annoying oxide skin at the connection point mechanical or chemical means to eliminate. The first-mentioned way is with friction soldering, a special process of soft soldering, applied, whereby the oxide layer is destroyed by the molten solder through. This is a variation of this principle Ultrasonic soldering, which, however, has not achieved any major technical importance.
Abgesehen von diesen Sonderverfahren geschieht die Entfernung der Oxidhaut durch die Anwendung von Flußmitteln, die außerdem die Lötstelle vor erneuter Oxydation schützen. Die für das Löten von Aluminium geeigneten Flußmittel enthalten im allgemeinen Chloride bzw. Fluoride, beim Weichlöten z.T. auch rein organische Verbindungen. Alle Flußmittel weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie korrodierend wirken - meist sogar in starkem Maße - und ihre Rückstände daher beseitigt werden müssen. Außerdem bestehtApart from these special processes, the oxide skin is removed by using fluxes, which also protect the solder joint from renewed oxidation. The fluxes suitable for soldering aluminum generally contain Chlorides or fluorides, with soft soldering partly also purely organic compounds. However, all fluxes have the disadvantage that they have a corrosive effect - usually even to a great extent - and their residues must therefore be removed. In addition, there is
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die Gefahr von Flußmitteleinschlüssen an der Lötstelle. Die Flußmittelrückstände und Flußmitteleinschlüsse beeinträchtigen die Korrosionsbeständigkeit der gelöteten Teile in starkem Maße, besonders wenn Feuchtigkeit auf die Lötstelle einwirken kann. Die Beseitigung der Flußmittelreste ist kostenintensiv und wird zudem meist nicht vollständig erreicht. Daher wurden bereits früher weitere Versuche zum flußmittellosen Löten, insbesondere Hartlote η, durchge führt.the risk of flux inclusions at the soldering point. The flux residues and flux inclusions affect the corrosion resistance of the soldered parts to a great extent, especially when moisture can act on the soldered joint. The removal of the flux residues is cost-intensive and, moreover, is usually not completely achieved. Hence have already been earlier further attempts at fluxless soldering, in particular Hard solders η, carried out.
Das letztgenannte Verfahren besitzt insofern eine besondere Bedeutung, wenn an eine Lötverbindung höhere Anforderungen in bezug auf die Festigkeitswerte und Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Die bisher zum flußmittellosen Löten von Aluminium W dafür bekannt gewordenen Arbeitsweisen führten noch zu keinem praxisreifen bzw. wirtschaftlichen Verfahren. So wurden beispielsweise in amerikanischen Patentschriften bzw. Veröffentlichungen Verfahrensweisen vorgeschlagen, nach denen entweder durch exotherme Reaktionen oder Reduktionsvorgänge die Oxidschicht an der Verbindungsstelle beseitigt oder auch im Hochvakuum von 10 Torr bzw. mit einer Kombination von Reduktionsvorgängen undThe last-mentioned method is of particular importance when higher demands are made on a soldered joint with regard to strength values and corrosion resistance. The working methods that have become known up to now for flux-free soldering of aluminum W have not yet led to a practical or economical process. For example, in American patents or publications, procedures have been proposed according to which the oxide layer at the connection point is removed either by exothermic reactions or reduction processes or also in a high vacuum of 10 Torr or with a combination of reduction processes and
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einem zusätzlichen Vakuum von ca. 10 Torr gearbeitet werden soll. Dabei werden vielfach die Lote sowie die außerdem erforderlichen
weiteren Zusätze in Form von Pulvermischungen eingesetzt—4
an additional vacuum of approx. 10 Torr is to be used. In this case, the solders and the other necessary additives in the form of powder mixtures are often used
Abgesehen von der sehr zweifelhaften Wirksamkeit der Oxidbeseitigung der vorgeschlagenen Arbeitsmethoden sind diese wegen der " Schwierigkeiten, die sich aus den notwendigen Schutzmaßnahmen der Pulver vor Oxydation sowohl bei der Herstellung als auch der Lagerung und Aufbringung auf das Werkstück ergeben, für eine wirtschaftliche Fertigung, insbesondere Serienfertigung, ungeeignet. Einer allgemeinen Anwendung des Lötens im Hochvakuum stehen die dabei erforderlichen hohen Anlagen- und Betriebskosten entgegen. Eine derartige Verfahrensweise ist daher nur in ganz speziellen Anwendungsfällen wie z.B. Reaktor- und Raketentechnik wirtschaftlich vertretbar.Apart from the very dubious effectiveness of the oxide removal of the proposed working methods, these are because of the "difficulties arising from the necessary protective measures the powder result from oxidation both during manufacture and during storage and application to the workpiece, for a economical production, especially series production, unsuitable. A general application of high vacuum soldering the high system and operating costs required for this opposite. Such a procedure is therefore only possible in very special applications such as reactor and rocket technology economically justifiable.
In der Regel weisen die zum Löten von Aluminium geeigneten Lote den Nachteil einer relativ hohen Viskosität und Oberflächenspannung und damit ungünstiger Benetzungseigenschaften auf. DiesAs a rule, the solders suitable for soldering aluminum have the disadvantage of a relatively high viscosity and surface tension and thus unfavorable wetting properties. this
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gilt insbesondere für die Hartlote, die, wie vorstehend ausgeführt, von besonderer Bedeutung sind. Die dabei vorzugsweise eingesetzten Lote sind solche vom Typ Al-Si, denen gegebenenfalls noch weitere Zusätze wie Kupfer, Magnesium, Nickel, Zinn, Zink und Cadmium zulegiert werden. Ferner werden außer den handelsüblichen Weichloten noch Lote der Basis Zn-Al verwendet, die nach der jeweiligen Zusammensetzung und damit der Arbeitstemperatur entweder den Hart- oder Weichloten zuzurechnen sind.applies in particular to hard solders which, as stated above, are of particular importance. The solders preferably used in this case are those of the Al-Si type, where appropriate other additives such as copper, magnesium, nickel, tin, zinc and cadmium can be added. In addition to the customary Soft solders still used Zn-Al based solders, depending on the respective composition and thus the working temperature either hard or soft solders are to be assigned.
Um die Nachteile der hohen Viskosität und Oberflächenspannung auszugleichen, werden den Flußmitteln z.T. Zusätze, z.B. in Form von Zinksalzen, beigegeben, die zu Abscheidungen an der Metalloberfläche führen und die Benetzungsverhältnisse an der Verbindungsstelle günstig beeinflussen.To the disadvantages of high viscosity and surface tension To compensate for this, additives are sometimes added to the fluxes, e.g. in the form of zinc salts, which lead to deposits on the Lead metal surface and the wetting conditions on the Affect the connection point favorably.
Durch die deutsche Patentschrift 66 398 aus dem Jahre 1891 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Lot für reines oder nahezu reines Aluminium bekannt, darin bestehend, daß eine größere Menge reinen Aluminiums geschmolzen, dann die Oberfläche des geschmolzenen Metalls mit einer Schicht von Phosphorsäure, saurem Natriumsulfat, Fluorverbindungen oder anderen sauer reagierenden Salzen vollständig bedeckt, und schließlich dem geschmolzenen Metall eine geringere Menge von Kupfer und Zinn oder Kupfer, Wismut, Zink und Zinn oder auch Kupfer, Antimon, Wismut und Zink oder endlich Kupfer, Wismut, Antimon und Zinn zugesetzt wird.By the German patent specification 66 398 from the year 1891 a method for the production of solder for pure or Almost pure aluminum is known to consist in the fact that a large amount of pure aluminum is melted, then the surface of the melted Metal with a layer of phosphoric acid, acidic sodium sulfate, fluorine compounds or other acidic reacting agents Salts completely covered, and finally the molten metal a lesser amount of copper and tin or copper, Bismuth, zinc and tin or also copper, antimony, bismuth and zinc or finally copper, bismuth, antimony and tin is added.
Dieses Lot hat sich trotz der langen Zeit in der Praxis nicht eingeführt. Ein solches Lot wäre auch praktisch infolge der geringen Schmelzpunktdifferenzen von Lot und Grundwerkstoff nicht geeignet und wurde seinerzeit nur als Lot angesehen, da man davon ausging, daß nach den seinerzeitigen Erkenntnissen der Schmelzpunkt des Aluminiums bei 800°C liegt. (Vgl. S. 1, linke Spalte, Abs. 2 der Patentschrift 66 398.)This plumb bob has not been used in practice despite the long time. Such a plumb bob would also be practical due to the small size Melting point differences between solder and base material are not suitable and was only regarded as a solder at the time, since it was assumed that, according to the knowledge at the time, the melting point of the aluminum is at 800 ° C. (See p. 1, left column, paragraph 2 of patent specification 66 398.)
Wie eingangs bereits beschrieben, besteht beim Löten von Aluminium ein wesentliches Problem darin, daß der Werkstoff infolge der stets auf der Oberfläche vorhandenen Oxidhaut vom schmelzflüssigen Lot in nicht ausreichendem Maße benetzt wird. Daraus wurde bisher stets gefolgert, daß zur Erzielung einer gutenAs already described at the beginning, there is a soldering of aluminum A major problem is that the material is separated from the molten material due to the oxide skin that is always present on the surface Solder is not sufficiently wetted. From this it has always been concluded that in order to achieve a good
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Lötverbindung die Oxidhaut zerstört und beseitigt werden muß. Im Gegensatz zu dieser bisher allgemein vertretenen Ansicht wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Benetzungsverhältnisse an der Lötstelle gegenüber denjenigen bei der Verwendung bisher bekannter Zusatzwerkstoffe dadurch wesentlich verbessert werden, daß man dem jeweils eingesetzten Lot Elemente zulegiert, die die Viskosität und Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und gleichzeitig die Grenzflächenspannung zwischen schmelzflüssigem Lot und Grundwerkstoff in starkem Maße herabsetzen.Solder connection destroys the oxide skin and has to be removed. In contrast to this previously generally held view it has now been found, surprisingly, that the wetting conditions at the soldering point compared to those during use previously known filler materials are significantly improved by adding elements to the solder used in each case alloyed, which increases the viscosity and surface tension of the molten Solder and at the same time the interfacial tension between molten solder and base material in strong Reduce dimensions.
Wie Untersuchungen ergeben haben, kann eine starke Herabsetzung von Viskosität und Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes sowie der Grenzflächenspannung zwischen Lot und Grundwerkstoff b dadurch erreicht werden, daß man dem jeweils eingesetzten Lot Zusätze wie vorzugsweise Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon in Gehalten von 0,01 - 10 %, vorzugsweise 0,05 - 2 %, zulegiert. Als "jeweils eingesetztes Lot" kommen beispielsweise folgende Zusammensetzungen in Betracht:Studies have shown that the viscosity and surface tension of the molten solder and the interfacial tension between the solder and the base material b can be greatly reduced by adding additives to the solder used, such as preferably bismuth and / or strontium and / or barium and / or antimony in contents of 0.01-10 %, preferably 0.05-2 %, are added . The following compositions, for example, come into consideration as "solder used in each case":
a) 4 - 20 % Silicium, Rest Aluminium, gegebenenfalls mit schwankenden Mengen an weiteren Legierungskomponenten wie Kupfer, Magnesium, Nickel, Zinn, Zink und/oder Cadmium, odera) 4 - 20 % silicon, the remainder aluminum, optionally with fluctuating amounts of other alloy components such as copper, magnesium, nickel, tin, zinc and / or cadmium, or
b) Aluminium 2 - 26 %, Rest Zink, oderb) aluminum 2 - 26 %, remainder zinc, or
c) Aluminium mehr als 26 - 45 %, Rest Zink, gegebenenfalls als weitere Legierungs-Komponente Mangan bis 1 %. c) Aluminum more than 26 - 45%, the remainder zinc, optionally manganese up to 1 % as a further alloy component.
Den genannten oder anderen Basisloten werden erfindungsgemäß die -- oben angegebenen Mengen von vorzugsweise Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon zugesetzt.According to the invention, the abovementioned amounts of preferably bismuth and / or strontium are added to the above-mentioned or other base solders and / or barium and / or antimony added.
Wie Versuche ergeben haben, eignen sich die auf diese Weise erhaltenen Lote überraschenderweise zum flußmittellosen Löten von Aluminium, wenn dieses in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bzw. in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil durchgeführt wird. Einmal kann es sich dabei um ein inertes Lötschutzgas, wie z.B. Schweißargon, Stickstoff handelsüblicher Reinheit, Formiergas oder Ammoniak, zum anderen um ein niedriges Vakuum von beispielsweise 10~ bis iO Torr handeln. Vakua von 10 bis 10 Torr, wie diese in den oben beschriebenen bisher vorgeschlagenen Methoden zum flußmittellosen Löten z.T. gefordertAs tests have shown, those obtained in this way are suitable Surprisingly, solder for flux-free soldering of aluminum, if this is in a non-oxidizing atmosphere or carried out in an atmosphere with a low oxygen content will. On the one hand, it can be an inert soldering shielding gas, such as welding argon, nitrogen of commercial purity, Forming gas or ammonia, on the other hand a low vacuum of, for example, 10 ~ to 10 Torr. Vacuums from 10 to 10 Torr as suggested so far in those described above Methods for flux-free soldering are sometimes required
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werden, sind bei dem beanspruchten Verfahren keinesfalls erforderlich. Die Lötstelle muß zwar auch bei der beanspruchten Verfahrensweise vorher gründlich gereinigt und getrocknet werden, doch sind hierbei keine über das bisher Übliche hinausgehende Maßnahmen erforderlich. Es werden jedoch sämtliche mit dem flußmittellosen Löten verbundenen Vorteile erzielt, d.h. insbesondere ist eine Nachbehandlung zur Beseitigung von Flußmittelresten nicht erforderlich.are by no means required in the claimed process. The soldering point must also be used in the case of the claimed Procedure must be thoroughly cleaned and dried beforehand, but this does not go beyond what has been customary up to now Measures required. However, all of the advantages associated with fluxless soldering are obtained; In particular, post-treatment to remove flux residues is not necessary.
Die vorstehend beschriebene Verminderung von Oberflächenspannung und Viskosität und damit der Benetzungseigenschaften durch die beanspruchten Zusätze zum Lot sind natürlich auch beim Löten mit Flußmittel von Vorteil. Beim Einsatz derartiger Lote kann dann auf die speziellen Zusätze zum Flußmittel, die die Benetzungsverhältnisse verbessern sollen, verzichtet werden. Außerdem kann dann die Zusammensetzung der Flußmittel derart geändert werden, daß sich beim Entfernen der Flußmittelreste Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahrensweisen ergeben.The above-described reduction in surface tension and viscosity and thus the wetting properties through the claimed additives to the solder are of course also advantageous when soldering with flux. When using such solders the special additives to the flux, which are intended to improve the wetting conditions, can then be dispensed with. In addition, the composition of the flux can then be changed in such a way that when the flux residues are removed Advantages over the previous procedures result.
Lote mit den beanspruchten Zusätzen können in allen handelsüblichen Formen, wie z.B. Drähte, Stäbe, Formteile, Folien, Lotplattierungen usw. verwendet werden.Solders with the claimed additives can be found in all commercially available Shapes such as wires, rods, molded parts, foils, solder plating, etc. can be used.
Rest AluminiumRemainder aluminum
108831/0996-108831 / 0996-
7,2 io 0,07 % 0,03 io 0,63 io 0,04 % 0,18 % 0,11 $ 1,95 % 7.2 io 0.07 % 0.03 io 0.63 io 0.04 % 0.18% $ 0.11 1.95 %
Rest AluminiumRemainder aluminum
8,1 % 0,05 io 0,02 % 0,49 % 0,02 % 0,13 % 0,09 % 2,13 % 0,76 %8.1 % 0.05 OK 0.02 % 0.49 % 0.02 % 0.13 % 0.09 % 2.13% 0.76%
Rest AluminiumRemainder aluminum
15,8 % 0,03 % 0,04 % 0,41 % 0,03 £ 0,11 % 0,18 % 1,11 # 1,37 %15.8 % 0.03 % 0.04 % 0.41 % £ 0.03 0.11% 0.18 % 1.11 # 1.37%
Rest AluminiumRemainder aluminum
Verunreinigungen 0,09Impurities 0.09
109831/0996109831/0996
Die LÖtversuohe wurden mit Reinaluminium- und Al-Mn-Blechen und Loten mit den in den vorstehenden Beispielen angeführten Zusammensetzungen im elektrisch beheizten Ofen durchgeführt. In allen Fällen, in denen ohne Zusatz von Flußmitteln gelötet wurde, erfolgte dies unter einer Schutzgasatmosphäre wie z.B. Argon und Stickstoff. Die Löttemperatur lag dabei zwischen 590 und 6O5°C, die Lötzeit betrug jeweils 2 min. Bei allen Lötversuchen konnten einwandfreie Lötungen erzielt werden.The soldering versions were made with pure aluminum and Al-Mn sheets and soldering carried out with the compositions listed in the preceding examples in an electrically heated oven. In all cases in which soldering was carried out without the addition of flux, this was done under a protective gas atmosphere, e.g. Argon and nitrogen. The soldering temperature was between 590 and 605 ° C. and the soldering time was 2 minutes in each case Flawless soldering could be achieved during soldering tests.
Im Gegensatz dazu ergab sich keine Lötung bei Verwendung des handelsüblichen Lotes L-AlSi12 ohne die beanspruchten Zusätze, wenn kein Flußmittel benutzt wurde. Auch ein Rütteln der Probe während des Lötvorganges erbrachte kein besseres Ergebnis.In contrast, there was no soldering when using the commercial solder L-AlSi12 without the claimed additives, if no flux was used. Even shaking the sample during the soldering process did not produce a better result.
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