DE2757457C3

DE2757457C3 - Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten von Aluminiumbauteilen

Info

Publication number: DE2757457C3
Application number: DE2757457A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Takarazuka Hyogo 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: 1981-09-10
Also published as: FR2382302B1; US4172548A; JPS5383952A; DE2757457A1; FR2382302A1; GB1584580A; DE2757457B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fluümittellosen 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 letztere Verfahren bei mittleren und groß dimensionierten Erzeugnissen verwendet wird. Wenn man z. B. einen groß dimensionierten Wärmeaustauscher durch Tauch-Hartlöten herstellen will, so werden die zusammengesetzten Bauteile zunächst in einem Luftofen auf etwa 550⁰C vorerhitzt. Sodann werden die Bauteile in ein Flußmittelbad mit einer Temperatur von etwa 590 bis 620⁰C eingetaucht. Hier wird durch das Flußmittel die Oxidhaut an der Oberfläche der Aluminiumbauteile entfernt und eine Reoxydation verhindert. Gleichzeitig werden die Bauteile innerhalb sehr kurzer Zeit auf die Hartlöttemperatur erhitzt, und zwar mittels der großen Wärmekapazität des Flußmittelbades. Bei dieser Hartlöttemperatur werden die Aluminiumbauteile zu einem einstückigen Körper zusammengelötet. Groß 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.

Flußmittelbäder für Hartlötzwecke enthalten jedoch im allgemeinen hauptsächlich Chloride und Fluoride. Diese haben eine stark korrodierende Wirkung auf Aluminium, so daß das Erzeugnis unbedingt nach dem Hartlöten gereinigt werden muß. Dieses bedingt hohe Material- und Lohnkosten. Man war daher bemüht, das flußmittellose Hartlöten weiterzuentwickeln.

Das flußmittellose Lötverfahren wird entweder im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Die zu lötenden Bauteile werden entweder in einem Vakuumofen durch Bestrahlung erhitzt oder in einer geregelten Gasatmosphäre durch Bestrahlung und Konvektion. Der Hartlöt-Zyklus ist im allgemeinen innerhalb einer Stunde beendet, wenn der zu lötende Gegenstand klein ist, wie z. B. Kühler oder Verdampfer einer Automobil-Klimaanlage. Wenn groß dimensionierte Wärmeaustauscher auf diese Weise gelölet werden, so erfordert der gesamte Vorgang bis zu 24 h oder länger. Diese Zeit ist erforderlich, damit der zu lötende Gegenstand die Hartlöttemperatur von 590 bis 610⁰C erreicht, da die große Wärmekapazität eines Flußmittels in diesem Falle nicht zur Verfügung steht Es wurde nun aber festgestellt, daß bei einem solchen Hartlötprozeß mit langen Aufheizperioden, welche beim flußmittellosen Hartlöten von groß dimensionierten Bauteilen erforderlich sind, Schwierigkeiten hinsichtlich des Verhaltens von Silizium, Magnesium oder anderen Elementen im Lot auftreten.

Im folgenden sollen diese Schwierigkeiten anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt ein Beispiel von zu lötenden Bauteilen 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.

Normalerweise besteht der seitliche Körper 3 aus einer extrudierten Aluminiumstange und die Rippe besteht aus einem dünnen Aluminiumblech mit einer Dicke von 0,1 bis 0,8 mm. Als Trennplatte 1 verwendet man meistens ein Hartlötblech. Dabei handelt es sich um ein Verbundblech aus einer Aluminiumlegierung als Grundmetallschicht und mit Lot auf beiden Seiten. Das Lot wird durch Pressen zum Anhaften gebracht. Es ist jedoch auch möglich, ein blankes Grundmaterial einzusetzen und Folien des Lots auf dessen beiden Seiten anzuordnen.

Wenn diese Bauteile zusammengesetzt und im Vakuum oder in einer Atmosphäre erhitzt werden, so schmilzt das Lot und es werden gemäß F i g. 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 200⁰C 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, Silizium, Magnesium 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; das Metall

beginnt zu schmelzen oder es erhält zumindest eine geringere Festigkeit, so daß das 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 im Bereich der gewellten dünnen Blechrippe auftritt. Gewöhnlich beträgt die Dicke des Wärmeaustauscherrippenblechs 0,1 bis 0,8 mm. Dieses Blech wird weichgeglüht, bevor man es zur Herstellung der gewellten Rippe biegt. Die

*>■> Korngröße beträgt bei der Rekristallisierung 30 μιη 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 F i g. 3 dargestellt Wenn nun Silizium oder ein anderes Element des Lotes in das Aluminiummetall eindiffundiert, se findet diese Diffusion leichter in die Korngrenzen als in das Korn selbst statt, so daß die Elemente Silizium, Magnesium 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 Aluminiumbauteilen zu schaffen, bei dem eine Zerstörung oder Schwächung der Aluminiumbauteile durch eindiffundierende Lotbestandteile, sowie ein damit einhergehender Zerfall der Lotschicht verhindert wird.

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

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Kristallkorngröße der Aluminiumbauteile, insbesondere der aus dünnem Blech bestehenden Aluminiumbauteile zuvor auf einen durchschnittlichen Wert von 60 μπι oder darüber eingestellt, und zwar unmittelbar vor dem Hartlöten. Danach erfolgt die Erhitzung ohne Flußmittel im Vakuum oder in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre auf die Hartlöttemperatur, wobei man ein einstückiges gelötetes Erzeugnis 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 Teile auf diese Weise ohne Flußmittel hartlötet und sie hierzu während einer sehr langen Zeitdauer auf die Hartlöttemperatur erhitzt.

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

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines zu lötenden Kerns eines Aluminiumwärmeaustauschers;

F i g. 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Lotkeil nach dem Hartlöten;

F i g. 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;

Fig.5a eine Mikrophotographie eines Schnittes der Rippe des Kerns A eines Vergleichsbeispiel!,;

Fig.5b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Haftlötbleches des Kerns A eines Vergleichsbeispiels;

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

F i g. 6b eine Mikrophotographie eines Schnittes des Hartlötbleches des erfindungsgemäßen Kerns B und

F i g. 7a, b und c Mikrophotographien von Schnitten des Kerns A bzw. des Kerns B bzw. eines Vergleichskerns Cnach dem Zerstörungstest.

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 μπι). Ferner verwendet man Seitenstangen 3 (Material: 3003; Kristallkorngröße: etwa 35 μπι) und Rippen 2 {Material: 3003; Dicke: 0,2 mm; Kristallkorngröße: etwa 35 μπι). Diese Bauteile werden zusammengesetzt und zunächst in einem Vergleichsbeispiel ohne Flußmittel in einem Vakuumofen gelötet, und zwar mit einem Hartlöt-Zyklus von 21 h (6 h bei einer Temperatur von 550° C oder darüber). Es wird eine beträchtliche Diffusion von Silizium in das Material des dünnen Rippenblechs beobachtet 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 verschärften Bedingungen gerabeitet: insgesamt 8stündiges Erhitzen auf 550° C oder darüber, wobei etwa 4 h auf die Temperatur von 650° C entfallen. Der Aufheizvorgang wird in F i g. 4 in Form eines Heizdiagramms veranschaulicht.

Man verwendet wiederum eine Hartlötplatte mit einer Dicke von ! ,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.

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 μπι (siehe F i g. 5a) während die Kristallkorngröße des Grundmetalls der Hartlötplatte etwa 50 μηι beträgt (F ig. 5b).

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

Bei einem weiteren Testkern Cwird 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 ein Druck von 15,8 kg/cm² aufgebracht. Der Kern A wird bei 60 945 Zyklen zerstört. Der Kern B wird bei 738 000 Zyklen zerstört und der Kern C wird bei nur einem Testzyklus zerstört. Diese Zerstörung wi:d zurückgeführt auf das eutektische Schmelzen des Rippenmaterials aufgrund der Eindiffusion von Silizium 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 Photographie des Kerns A; Fig. 7b zeigt die Photographie des Kerns B und F i g. 7c zeigt die Photographie des Kerns C.

Man erkennt us 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 Rippenmaterial gebildet. Im Falle des Kerns B treten keine derartigen Defekte auf. Der Kern B zeigt eine für Wärmeaustauscher ausreichende Festigkeit und Beständigkeit.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum flußmittellosen Hartlöten von Aluminiumbauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß man zuvor die Kristallkorngröße der Aluminiumlegierungsteile auf einen Wert von 60 μπι 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 μΐη 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.