DE2757457A1

DE2757457A1 - Verfahren zum flussmittellosen hartloeten von aluminiumstrukturen

Info

Publication number: DE2757457A1
Application number: DE19772757457
Authority: DE
Inventors: Masakazu Nakamura
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1978-12-14
Also published as: FR2382302B1; DE2757457B2; FR2382302A1; US4172548A; DE2757457C3; GB1584580A; JPS5383952A

Description

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SUMITOMO PRECISION PRODUCTS CO., LTD., Amagasaki, Hyogo, Japan

Verfahren zu τι f luSmittello-sen Hartlöten von Aluminiumstrukturen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten und insbesondere ein Verfahren zum Hartlöten von groß dimensionierten Wärmeaustauschern.

Derzeit wendet man auf dem Gebiet der Hartlot-Technik in der Hauptsache das Ofen-Hartlöt-Verfahren oder das Tauch-Hartlöt-Verfahren unter Verwendung eines Flußmittels an. Das erstere Verfahren wird in der Hauptsache bei kleineren Erzeugnissen angewandt, während das letatere Verfahren bei mittleren und groß dimensionierten Erzeugnissen verwendet wird. Wenn nan ζ. Β. einen groß dimensionierten Wärmeaustauscher durch Tauch-Hartlöten herstellen will, so wird die zusammengesetzte Struktur zunächst in einem Luftofen auf etwa 550 ⁰C vorerhitzt. Sodann wird die Struktur in ein Flußmittelbad mit einer Temperatur von etwa 590 bis 620 ⁰C eingetaucht. Hier wird durch das Flußmittel die Oxidhaut an der Oberfläche der Aluniniumbauteile entfernt und eine Reoxydation verhindert. Gleichzeitig werden die Bauteile innerhalb sehr kurzer Zeit auf die Hartlöttemperatur erhitzt, und zwar dank der großen Wärmekapazität des Flußmittelbades. Bei dieser Hartlöttemperatur werden die Alurniniumbauteile zu einem einstückigen Körper zusammengelötet. Gro3 dimensionierte Wärmeaustauscher mit einer Breite von etwa 1200 mm, einer Höhe von etwa 1200 mm und einer Länge von etwa 7000 mm werden derzeit nach solchen Verfahren industriell hergestellt.

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Flußmittelbäder für Hartlötzwecke enthalten jedoch im allgemeinen in der Hauptsache Chloride und Fluoride. Diese haben eine stark korrodierende Wirkung auf Aluminiu.ii, so daß die gebildete Struktur unbedingt nach dem Hartlöten gereinigt werden nuß. Dieses bedingt hohe Material- und Lohnkosten. Man hat daher Bemühungen unternommen, das flußmittellose Hartlöten weiterzaentwickeln.

Das flußmittellose Lötverfahren wird entweder im Vakuun oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Die zu lötende Struktur wird im Falle der Vakuumerhitzung in einem Ofen durch Bestrahlung erhitzt oder im Falle einer geregelten Gasatmosphäre durch Bestrahlung und Konvektion. Der Hartlot-Zyklus ist im allgemeinen innerhalb einer Stunde beendet, wenn der zu lötende Gegenstand klein ist (z. B. im Falle eines Kühlers oder eines Verdampfers einer Automobil-Klimaanlage). Wenn groß dimensionierte Wärmeaustauscher auf diese Weise gelotet werden, so erfordert der gesa:nte Vorgang bis zu 24 h oder länger. Diese Zeit ist erforderlich, damit der zu lötende Gegenstand die Hartlöttemperatur von 590 bis 610 ⁰C erreicht, da die große Wärmekapazität eines Flußmittels in diesem Falle nicht ?ur Verfügung steht. Es v/'.u'de nun aber festgestellt daß bei einem solchen Hartlötprozeß mit langen Aufheizperioden, welche beim flußmittellosen Hartlöten von groß dimensionierten Strukturen erforderlich sind, Schwierigkeiten hinsichtlich des Verhaltens von Si, Mg oder anderen Elementen im Lot auftreten.

Im folgenden sollen diese Schwierigkeiten anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer zu lötenden Struktur mit Trennplatten 1. An beiden Seiten der Zwischenräume zwischen den Trennplatten 1 befinden sich Seitenkörper 3 und dazwischen befindet sich eine gewellte Rippe 2. Derartige Bauteile werden zusammengesetzt und bilden den Kern eines Wärmeaustauschers.

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Normalerweise bestellt der seitliche Körper 3 aus einer extrudierten Aluminiumstange und die Hippe besteht

aus einem dünnen Aluminiumblech mit einer Dicke von 0,1 bis 0,8 mm. Als Trennplatte 1 verwendet man meistens ein Hartlötblech. Daoei handelt es sich um ein Verbundblech aus einer Aluminiumlegierung als Grundmetallschicht und mit Lotmaterial auf beid.-η Seiten. Das Lotmaterial wird durch Pressen zum Anhaften gebracht. Es ist jedoch auch möglich, ein blankes Grundmaterial einzusetzen und Folien des Lots auf beiden Seiten desselben anzuordnen.

Wenn diese Bauteile zusammengesetzt und im Vakuum oder an einer Atmosphäre erhitzt werden, ^o schmilzt das Lot und es werden gemäß Fig. 2 in den Eckbereichen, in denen sich die Bauteile 1 und 2 berühren, keilförmige Lotbereiche 4 ausgebildet. Groß dimensionierte Wärmeaustauscher müssen jedoch, wie oben beschrieben, während etwa 24 h erhitzt werden, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Kerns und dem Äußeren des Kerns groß ist und etwa 100 bis 200 °C beträgt. Mehrere zusätzliche Stunden sind erforderlich, um den inneren Kernbereich auf die Hartlöttemperatur zu erhitzen, nachdem der äußere Kernbereich bereits die Hartlöttemperatur erreicht hat. Dies hat zur Folge, daß auf dem zunächst geschmolzenen Lot im äußeren Bereich des Kerns, welches sich ursprünglich im eutektischen Kristallzustand befand, Si, Mg oder andere Elemente durch Diffusion in das Grundmaterial des Trennblechs 1 oder der Rippe 2 einwandern, so daß diese Elemente während der langen Erhitzung verloren gehen und der Lotkeil zerstört wird.

Ferner wird durch diesen Diffusionsvorgang der Schmelzpunkt des Metalls herabgesetzt und das Metall beginnt zu schmelzen oder es erhält zumindest eine herabgesetzte Festigkeit, so daß das erhaltene Erzeugnis sich nicht mehr als Wärmeaustauscher eignet. Derartige Defekte treten leicht bei dünnen Blechbereichen auf. Im Falle eines Wärmeaustauschers wurde z. B. festgestellt, daß dieser Defekt hauptsächlich

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im Bereich der gewellten dünnen Blechrippe auftritt. Gewöhnlich beträgt die Dicke des Wärmeaustauscherrippenblechs 0,1 bis 0,8 mm. Dieses Blech wird zum Zwecke der Erweichung einer Hitzebehandlung unterzogen, bevor man es zur Herstellung der gewellten Rippe biegt. Die Korngröße beträgt bei der Rekristallisierung 30 ^u oder weniger. Wenn dieses Blech nach dem Wellen und vor dem Hartlöten einer Vorerhitzung unterworfen wird, so wachsen die Kristallkörner in dem mechanisch bearbeiteten Bereich 6 während die Korngröße in dem mechanisch nicht bearbeiteten Bereich 5 nicht verändert wird. Diese Verhältnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Wenn nun Si oder ein anderes Element des Lotes in das Aluminiummetall eindiffundiert, so findet diese Diffusion leichter in die Korngrenzen als in das Korn selbst statt, so daß die Elemente Si, Mg oder dgl. des Lotkeils vorwiegend in den Bereich mit kleinen Kristallkörnern 5 eindiffundieren. Dies führt zu einem Verfall des Lotkeils und zu einem Schmelzen der Rippe.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten von groß dimensionierten Aluminiumstrukturen zu schaffen, bei dem eine Zerstörung oder Schwächung der Aluminiumbauteile durch eindiffundierende Lotbestandteile sowie ein damit eingehergehender Zerfall der Lotschicht verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Kristallkorngröße der dünnen Bereiche oder des Rippenmaterials unmittelbar vor dem Hartlöten auf 60 u oder darüber bringt. Dieses Verfahren ist nicht nur auf Wärmeaustauscher anwendbar, sondern auch auf Verfahren zum Hartlöten von anderen Aluminiumstrukturen.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Kristallkorngröße der Aluminiumbauteile, insbesondere der aus dünnem Blech bestehenden Aluminiumbauteile zuvor auf einen durchschnittlichen Wert von 60 u oder darüber eingestellt, und zwar unmittelbar vor dem Hartlöten. Danach erfolgt die Erhitzung ohne Flußmittel im Vakuum oder an einer nicht-oxydierenden Atmosphäre auf die Hartlöttemperatur, wobei man eine einstückige gelötete Struktur erhält. Man erzielt mit diesem Verfahren ausgezeichnete Erzeugnisse ohne Defekte der Lotkeile und ohne Erweichung oder Schwächung der Aluminiumbauteile, selbst wenn man äußerst groß dimensionierte Strukturen auf diese Weise ohne Flußmittel hartlötet und hierzu durch Erhitzen während einer sehr langen Zeitdauer auf die Hartlöttemperatur bringt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.

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Es zeigen: Ay

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zu lötenden Kern eines Aluminiumwärmeaustauschers;

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Lotkeil nach dem Hartlöten;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch das Rippenmaterial nach dem Aufheizen auf die Hartlöttemperatur zur Veranschaulichung der Kristallstruktur;

Fig. 4 ein Beispiel eines Erhitzungsmusters für das Hartlöten;

Fgi.5a eine Mikrophotographie eines Schnittes der Rippe des Kerns A eines Vergleichsbeispiels;

Fig.5b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Hartlötbleche:=, des Kerns A eines Vergleichsbeispiels;

Fig.6a eine Mikrophotographie eines Schnittes der gewählten Rippe eines erfindungsgemäßen Kerns;

Fig.6b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Hartlötbleches des erfindungsgemäßen Kerns B und

Fig.7a, b und c Mikrophotographien von Schnitten des Kerns A bzw. des Kerns B bzw. eines Vergleichskerns C nach dem Zerstörungstest.

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Vergleichsbeispiel 1

Zunächst wird der Kern eines Wärmeaustauschers zusammengesetzt. Hierzu werden Trennplatten 1 verwendet, welche aus 1,2 mm dickem Hartlötblech bestehen (Grundmaterial: 3003, Lot: 4004; Lotdicke: 10 %; Kristallkorngröße: im Inneren etwa 50 ju). Ferner verwendet man Seitenstangen 3 (Material: 3003; Kristallkorngröße: etwa 35 ja) und Rippen 2 (Material: 3003; Dicke: 0,2 mm; Kristallkorngröße: etwa 35 ja). Diese Bauteile werden zusammengesetzt und zunächst in einem Vergleichsbeispiel ohne Flußmittel in einem Vakuumofen gelötet, und zwar mit einem Hartlöt-Zyklus von 21 h (6h bei einer Temperatur von 550 C oder darüber). Es wird eine beträchtliche Diffusion von Si in das Material des dünnen Rippenblechs beobachtet und der Kern zerbricht unter dem Testdruck, so daß die Festigkeit den für Wärmeaustauscher erforderlichen Wert nicht erreicht. Bei dem vorstehenden Vergleichsbeispiel handelt es sich um das herkömmliche Verfahren mit normalen Erhitzungsbedingungen, welche bisher als erforderlich zum Hartlöten von solch groß dimensionierten Wärmeaustauscherkernen angesehen wurden.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 und 3

Es wird der gleiche Wärmeaustauscher wie bei Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Dabei wird unter drastischeren Bedingungen gearbeitet (insgesamt 8-stündiges Erhitzen auf 550 ⁰C oder darüber, wobei etwa 4 h auf die Temperatur von 650 ⁰C entfallen. Der Aufheizvorgang wird in Fig. 4 in Form eines Heizdiagramms veranschaulicht.

Man verwendet wiederum eine Hartlötplatte mit einer Dicke von 1,2 mm als Trennplatte (Grundmaterial: 3003; Lot: 4004; Lotdicke: 10 %). Ferner verwendet man wiederum die Seitenstange (Material: 3003) und das Rippenmaterial (Material: 3003; Dicke: 0,2 mm) wie bei dem Vergleichsbeispiel.

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Bei einem Testkern A wird die Kristallkorngröße der gewellten Rippe und der Hartlötplatte nicht eingestellt. Somit beträgt die Kristallkorngröße des nicht mechanisch bearbeiteten Bereiches der gewellten Rippe etwa 35 μ (siehe Fig. 5a) während die Kristallkorngröße des Grundmetalls der Hartlötplatte etwa 50^1 beträgt (Fig. 5b).

Andererseits wird bei einem Testkern B das Rippenmaterial einer Kaltbearbeitung von etwa 20 % unterworfen und vor der Wellung unter Bildung der gewellten Rippe einer Wiedererweichungsbehandlung unterzogen (rekristallisiertes Material). Dies führt zu einer Korngröße des nicht mechanisch bearbeiteten Bereichs (5 in Fig. 3) von etwa 300 u bis lOOO μ (siehe Fig. 6a) Das Hartlötblech für die Trennplatte wird ebenfalls einer 20%-igen Kaltbearbeitung unterworfen, wobei man eine Kristallkorngröße von 300 μ bis 1000 μ erhält (Fig. 6b), und zwar unmittelbar vor dem Hartlöten.

Bei einem weiteren Testkern C wird bei der gewellten Rippe die Kristallkorngrößensteuerung nicht vorgenommen, so daß eine Korngröße wie bei dem Testkern A vorliegt, während man für die Trennplatte ein Hartlötblech wie bei dem Testkern B einsetzt.

Sodann wird nach dem Hartlöten jeder der gebildeten Kerne einem Beständigkeitstest unterworfen. Hierzu wird wiederholt

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ein Druck von 15,8 kg/cm (225 psi) aufgebracht. Der Kern A wird bei 60 945 Zyklen zerstört. Der Kern B wird bei 738 0OO Zyklen zerstört und der Kern C wird bei nur einem Testzyklus zerstört. Diese Zerstörung wird zurückgeführt auf das eutektische Schmelzen des Rippenmaterials aufgrund der Eindiffusion von Si während der langen Erhitzungsperiode. Jeder der zerstörten Kerne wird aufgeschnitten, worauf der Hartlötbereich in Nachbarschaft der Rippe und des Hartlötblechs mikrophotographisch untersucht wird. Fig. 7a zeigt die Photographic des Kerns A; Fig. 7b zeigt die

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Photographie des Kerns B und Fig. 7c zeigt die Photographie des Kerns C.

Man erkennt aus den Mikrophotographien, daß im Falle des Kerns A der Zerfall des Lotkeils beträchtlich ist.
Beim Kern C werden sogar Kavitäten durch Herausfallen von eutektischen Kristallen aus dem Rippenmaterials gebildet. Im Falle des Kerns B treten keine derartigen Defekte auf. Der Kern B zeigt eine für Wärmeaustauscher ausreichende
Festigkeit und Beständigkeit.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten einer Aluminiumstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß man zuvor die Kristallkorngröße des Aluminiumlegierungsmaterials auf einen Wert von 60 μ oder darüber einstellt und unmittelbar danach die Hartlötung durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kristallkorngröße mindestens der dünneren Bauteile zuvor auf einen Wert von mindestens 60 μ einstellt und unmittelbar danach die Hartlötung durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kern eines groß dimensionierten Wärmeaustauschers zusammenlötet und unmittelbar zuvor die Kristallkorngröße des zu lötenden dünnen Rippenblechs einstellt.

ORIGINAL INSPECTED

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