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Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers
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aus Aluminium Die Erfindung bezieht sich auf einen Aluminium-Wärmeaustauscher,
welcher als Kühler oder Verdampfer einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs oder für
andere Bauteile eines Kraftfahrzeugs, wie etwa einen Radiator, ölkühler u.dgl. verwendbar
ist. Des weiteren ist der Wärmeaustauscher auch für Wohnhäuser und industrielle
Anlagen u.dgl. verwendbar. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Verbesserung
der Korrosionsbeständigkeit eines solchen Wärmeaustauschers.
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Bislang bekannte Wärmeaustauscher slnd dadurch hergestellt worden,
daß ein Lötblech aus einem Kernwerkstoff der Klassifikation A 3003 gemaß der Japt
ischen Industrienorm (JIS) und einem Uberzag mit einem Lotwerkstoff aus einer Al-Si
Legierung sowie ein Rohr verwendet wird, welches aus einem Werkstoff der Klassifikation
A 1050 gemäß JIS hergestellt ist, und das Lötblech mit dem Rohr zusammengebaut und
aneinander durch Löten befestigt werden. Bei der Herstellung eines solchen Wärmeaustauschers
kann der Lötvorgang auf verschiedene Weise durchgeführt werden, wie beispielsweise
durch eine Ofenlötung, bei welcher der Lötvorgang unter
Verwendung
eines Flußmittels und in einer Ofenatmosphäre durchgeführt wird, durch Vakuumlötung,
bei welcher der Lötgang unter Vakuum und ohne Verwendung irgendeines.'Flußmittels
durchgeführt wird, sowie durch-Schutzgaslötung, bei welcher der Lötvorgang ohne
Verwendung eines Flußmittels u'nd in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa N2-Gas,
durchgeführt wird.
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Wärmeaustauscher im Automobilbau, wie etwa Radiatoren,Verder von Klimaanlagen
u.dgl. sind schweren Korrosionsbedingungen ausgesetzt und zwar aufgrund der Verwendung
von Salz zum Auftauen von mit Eis überzogenen Straßenflächen oder bei Fahrten in
Küstenbereichensowie .aufgrund von anhaftendem Schlamm. Bei konventionellen Wärmeaustauschern
aus Aluminium tritt aufgrund von anhaftendem Salz oder Schmutz sehr schnell eine
Grübchenkerrosion oder ein Lochfraß bei den Rohren aus Aluminiumlegierungen auf,
was schließlich zur Bildung von Löchern führt, wodurch die Wärmeaustauscher beschädigt
werden und bereits nach einer kurzen Betriebszeit nicht mehr einsatzbereit sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher aus Aluminium
mit einem Rippenblech und einem damit verlöteten.
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Rohr zu schaffen, bei dem, wenn Korrosion auftritt, diese sich in
erster Linie auf die Rippe konzentriert, um das Auftreten eines unerwünschten Lochfraßes
bzw. von Grübchenkorrosion im Rohr zu vermeiden.
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Der Wärmeaustauscher nach Maßgabe der- Erfindung wird'durch die folgenden
Schritte hergestellt: Ein geripptes oder gewelltes Rippenblech wird aus einem Lötblechwerkstoff
hergestellt ,'welches einen Kernwerkstoff aufweist, de'r mit einem Überzug aus einem
Lotwerkstoff aus einer Al Si Legierung überzogen ist, wobei der' Kern-Werkstoff
eine Aluminiumlegierung mit 0,5 bis 5,0 Gew.-% Zink besitzt. Des weiteren wird ein
Rohr aus einer Alu-
miniumlegieruny mit einem elektrischen Potential
hergestellt, welches edler als das des. Kerlenaterials des Bleches ist. Das Rohr
wird dann zu einem gewundenen Durchflußkanal für ein Arbeitsstromungsmittel geformt.
Dann werden das Blech und der Durchflußkanal zusammengesetzt. Das Blech wird dann
mit dem Durchflußkanal verlötet, indem dervormontierte Aufbau in einer Atmosphäre
erwärmt wird,welche das Verdamnfen des Zn-Anteils des Kernwerkstoffs verhindert,
so, daß der Lotwerkstoff auf dem Kernwerkstoff mit dem-Rohr verschmilzt, so daß
das Blech fest mit dem Durchflußkanal verbunden wird. Der Zn-Anteil des-Kernwerkstoffs
wird in den Überzug während des Lötvorgangs diffundiert.
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Der Potentialunterschied zwischen dem Rohr und dem Blech sollte wenigstens
50 mV betragen. Der Zn-Gehalt des Kernwerkstoffs des Blechs macht nicht nur in vorteilhafter
Weise das Potential der Aluminiumlegierung unedel oder.
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gering, sondern ergibt auch einen außerordentlich höheren Dampfdruck
und eine vergrößerte Neigung zur Diffusion als die anderen Elemente des Kernwerkstoffs..
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Wenn somit das Blech mit dem Rohr in einer Atmosphäre, wie etwa Luft
oder einem Schutzgas, verlötet wird., wird der Zn-Anteil nicht abgedampft, sondern
diffundiert in, den Werkstoff des Überzugs. Der in den U,berzuq diffundier-'te -Zn-Anteil
macht das Potential des Überzugs unedel oder klein, welcher unmittelbar der korrosiven
Umgebung aus(je-, setzt ist. Da der noch im Kern verbleibende Zn-Gehalt das Potential
des Kerns ausreichend gering hält, wird das aus dem Kernwerkstoff' und dem Überzug
aufgebaute Blech auf einem ausreichend niedrigen Potential im Vergleich zum Rohr
gehalten. Dadurch wird'die Opferanodenwirkung des Blechs vergrößert, um den Schutz
des Rohrs gegen Korrosion sicherzustellen.
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Der Zn-Anteil des Kernwerkstoffs sollte wenigstens 0,5 Gew.-% betragen,
da für den Fall,daß derZn-Gehalt geringer als 0,5 Gew.-% ist, die Opferanodenwirkung
des Blechs nicht ausreichend ist, um das Auftreten von Lochfraß im Roh zu verhindern.
Andererseits bewirkt ein Zn-Gehalt hOher als 5 Gew.-t eine übermSßige Opferanodenwirkung
des Blechs, so daß ein Zustand entsteht, der mit "Über-Korroslonsschutzzustand bezeichnet
wird, bei dem die mechanische Festigkeit des Blechs in einer sehr kurzen Zeitspanne
verringert wird, so daß der Wärmeaustauscher nicht mehr betriebsbereit ist.
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Um das Auftreten von Grubchenkorrosion oder eines L6chfraßes im Rohr
zu verhindern, welches zusammen mit einem gewellten Blech verwendet wird, sollte
das Rohr ein Potential besitzen, welches wenigstens 50 mV edler ist als das des
Kernwerkstoffs des Bleches.Füx den Fall,daß das Rohr ein extrudiertes Rohr mit vielen
Bohrungen ist, ist eb zwcckmßig, daß der Werkstoff des Rohrs eine gute Extrudiereigenschaf't
besitzt. Es erübrigt sich der Hinweis, daß die Verwendung von Werkstoffen mit schlechten
Löteigenschaften nicht empfehlenswert ist. Allgemein ist es möglich, konventionell
verwendete Rohre mit guten Extrudiereigenschaften einzusetzen, wie etwa A 1050 gemäß
JIS, vorausgesetzt, daß mehr als 1 Gew.- Zink dem Kernwerkstoff des Bleches zugesetzt
ist. Falls der Zn-Gehalt des Kernwerkstoffs des Blechs geringer als 1 Gew.-% ist,
ist es erforderlich, dem Rohrwerkstoff, wie etwa A 1050, ein Element oder Elemente
zuzugeben, wie etwa -Cu, Mn oder ,dgl.', welche das elektrische Potential des Rohrwerkstoffs
edler machen, um die Potentialdifferenz zwischen dex Blech und dem Rohr auf wenigstens
50 mV zu halten. Dabei ist jedoch festzuhalten, daß der Zusatz eines Elements, wie
etwa Cu, Mn oder dgl. zwangsläufig mit einer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit
des Rohrs begleitet ist.
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Für einige Beispiele des Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung ist
ein als CASS-test (JIS) -klassiFizierter Test durch führt worden. Nach einem 700-Stunden
CASS-Test, ist kein Loch im Rohr entstanden, so daß bestätigt wurde' daß der erfindungsgemäße
Wärmeaustauscher Korrosionsbedingungen standhalten kann, welche während. des Betriebs
des Wärmeaustauschers erwartet werden müssen. Der.sogenannte "CASS-Test ist ein
Test, welcher sich für die Beurteilung der Anti-Lochfraßeingenschraften von Aluminium
und Aluminiumlegierungen eignet und durch den Standard H 86&1 gemäß JIS (Japanische
Industrienorn) vorgesehen ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, Fig 2 einen Teilschnitt in vergrößerter
Darstellung des in Fig. 1 dargestellten ;färmea'ustauschers sowie Fig. 3A, 3B und
4A, 4B jeweils Verteilungen der .Zink-Gehalte der Wellbleche vor und nach dem Auf
löten der Bleche auf die Rohre.
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In Tabelle 1 sind chemische Zusammensetzungen und natürliche Elektrodenpotentiale
des Rohr- und des Kernwerkstoffs des Rippen- bzw. Wellblechs dargestellt.
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Tabelle 1
| ~I I j . i |
| r. Cu Si Fe |Mn 1Mg Zn Crl Ti Poten- Anmer- |
| . .~ | . 1 tial(V) kungen |
| I tial(V) kungen |
| Al 0,01 0,2 :0,210,01 0,02 0,02 - 10,01 -0,87 A 1050 |
| 'I- lo101 -0,84 |
| Xo 2'0,5 0,110,1 0,01 0,02 0,02 - 0,01 -0,84 |
| 3 0,15.0,20,31,2 - 0,03 ~ .~ -0,83 A 3003 |
| 1B.1 0,1516,2110,3 1,2 - 6,0 - - -1,2 |
| 0 |
| 2 B2 II | St 11 a 510 " I |
| 2 |
| 3 : n :: : .. I .. : -0,95 |
| B4 0, -0 90 |
| 1 II o~s II |
| t Bs II II II II 0,3 .. .. -0 86 |
(Chemische Zusammensetzungen in Gew.-%) Das natürliche Elektrodenpotential wurde
unter Verwendung einer Sättigungs-Kalomelelektrode (Spannungsnormalelektrode) in
einer wässrigen NA-Cl-Lösung gemessen.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers
dargestellt, welcher gewellte bzw. yerippe Rippenbleche 1 aufweist, die zwischen
den Lagen eines kontinuierlich gewundenen oder zick-zack-förmigen Rohrs 2 angeordnet
und dort verlötet sind. Ein EinlaB-rohr 3 ist auf ein Ende des Rohrs 2 aufgelötet,
wohingegen ein Auslaßrohr 4 mit dem anderen Ende des Rohrs 2 gleichfalls durcl1'Löten
verbunden ist. Wie aus Fig. 2 horvorgeht besteht das Rippen- oder Wellblech 1 aus
einem Kernwerkstoff 5 und einem Hartlotüberzug 6, welcher den Kernwerkstoff 5 bedeckt.
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Eine Vielzahl von Wärmeaustauscherkernen für die Verwendung als Kühler
von Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen
wurden durch eine Vielzahl
von Kombinationen der in Ta belle 1 angegebenen Rohre und Kernwerkstoffe hergestellt.
Der Zusammenbau und die Verlötung von Rohr u.Rippen-Kernblech erfolgten unter verschiedenen
Lötbedingungen.
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Die auf diese Weise hergestellten Wärmeaustauscherkerne wurden- im
Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit getestet. Die Ergebnisse der Tests sind
in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben.
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Tabelle 2
| Wärmeaus- Rohr Kern- ! Lötver- otential- CASS- |
| tauscher- werk- blech-l fahren differenz Korrosions- |
| kern Nr. stoff werk- berständig- |
| stoff , keit |
| Ofen- |
| 1 A1 B2 lötung 230 0,18 mm |
| Ofen- |
| 2 A1 B3 lötung 80 0,15 mm |
| N2-Gas- |
| 3 A2 B3 lötung 110 0,13 mm |
| N2-Gas- |
| 4 A3 B4 lötung 70 0,18 mm |
| Ofen- |
| 5 A1 B1 lötung 330 0,30 mm |
| N2-Gas- |
| 6 A1 B5 lötung 30 0,51 mm |
| Vakuum- |
| 7 Al B2 lötung 110 0,15 mm |
| Vakuum- |
| 8 A3 B4 lötung 30 0,60 mm |
| Trägergas- |
| 9 A1 B2 lötung 110 0,12 mm |
Tabelle 2 (Fortsetzung)
| Kernblech- Rückstän- Ofenver- Lötbar- Anmerkungen |
| festikeit diges Zn schmutzung keit |
| (kp/mm²) (%) |
| durch- |
| 4,0 100 nein schnitt- |
| lich |
| 4,5 100 nein gut |
| 4,4 100 nein gut |
| 4,6 100 nein gut |
| 2,3 100 nein gut |
| 5,2 100 nein gut |
| durch- |
| 4,3 40 ja schnitt- |
| lich |
| ja |
| 5,4 20 (stark) gut |
| durch- |
| 4,6 45 ja schnitt- |
| lich |
in Lot aus einer Al-Si Legierung wurde für den Lotüberzug 6 verwendet, denn die
Lötung im Rahmen einer Ofenlötung ausgeführt wurde. Wenn die Lötung unter'einer
N2-Gasatmosphäre erfolgte, wurde als Lotmaterial eine
Al-Si-Bi-Be-Legierung
verwendet. Das Überzugsverhältnis des Lotüberzugs betrug 10%.
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Die Lötbedingungen der Ofenlötung waren wie folgt: Zusammensetzung
des Flußmittels: 45% LiCl, 25% NaCl sowie 5% LiF Flußdichte: 30% Taupunkt des lötofen:
- 400C Erwärmungsbediengung <Heizzustand): 5 Minuten bei 6100C Die LöLbedingungen
bei einer Lötung in einer N2-Gasatmosphäre waren wie folgt: ,f2-Gasdruck: 700 Torr.
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Heizzustand 7 Minuten bei 6000C Die Lötbedingungen bei der Vakuumlötung
waren wie folgt; Vakuumzustand: 5 x 10 Torr Heizbedingungen: 3 Minuten bei 6000C
Die Lötbedingungen beim Trägergaslöten waren wie folgt: N2-Gasdruck: 3 Torr ijeizbedin'gungen:
3 Minuten bei 6000C Die CASS Korrosionsbeständigkeit gemäß Tabelle 2 ist durch maximale
Tiefen von Einfressungen oder Grübchenbildungen in den Rohrwänden angegeben, welche
nach 700 S.tunden des CASS-Tests gemessen wurden. Vor dem CASS-Test waren die Rohrwände
etwa 1,0 mm dick. Maximale Lochfraßtiefen, die nicht größer als 0,25 mm waren, wurden
als akzeptabel: gewertet. Es ist ersichtlich, daß der zufriedenstellende kathodische
Schutz des Rohrs dann erzielt wird, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem Rohr
und dem Rippen-
Blech größer als 50 mV ist.
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Ferstigkeiten des Rippenblechs, die nach 2 Wochen des CASS-Tests noch
höher als 3 kp/mm² sind, sind aus praktischen Gesichtspunkten akzeptierbar Das "ruckständi.ge
Zn" in Tabelle 2 ist dadurch festgelegt: Zn-Gehalt (g) nach dem Löten x x 100 Zn-Gehalt
des Kernwerkstoffs vor dem Löten Die Lötbarkeit wurde durch visuelle Beurteilung
des Ausmaßes der Bildung einer Lötnaht bestimmt.
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Fig. 3A und 3B zeigen den Zn-Gehalt des Rippenblechs des Wärmeaustauscherkerns
der Nr. 2 und 3 aus Tabelle 2 vor und nach dem Löten. Daraus geht hervor, daß vor
dem Löten ein Zn-Gehalt im Kern lediglich des Rippenblechs existiert, wie in Fig.
3A dargestellt ist. Nach dem Löten ist allerdings der Zn-Gehalt des Kerns des Rippenblechs
teilweise in die Überzugsschicht des Blechs diffundiert, so daß der mit dem Kernwerkstoff
verlötete Überzug nunmehr ungefähr.
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1,6 Gew.-% Zn enthält, wie klar aus Fig. 3B hervorgeht.
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Die beschriebene Verteilung des Zinks über das gesamte t?ippenblech
vergrößert in vorteilhafter Weise die Opferanodenwirkung des Rippenblechs, obgleich
der ppferanodeneffekL auch bis zu einem gewissen Grad gewährleistet sein kann, falls
der Zn-Gehalt lediglich im Kernwerkstoff des Rippenblechs vorhanden ist.
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Fig. 4A und 4B zeigen den Zn-Gehalt des Rippen-'bzw. Wellblechs der
Wärmeaustauscherkerne mit den Nr. 7 und 8 vor und nach dem Vakuumlöten. Das anfänglich
im Kernwerkstoff (siehe Fig. 4A) enthaltene Zn wird während des Vakuumlötens verdampft,
so daß der Zn-Gehalt des Rippenblechs insgesamt beträchtlich nach dem Va,kumiöten
reduziert ist, wie klar aus Fig. 4B hervorgeht. Dieu trllLL ,lucll ftlJ.
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das Trägergaslöten (Kern mit der Nr. 9) zu. Die Reduzierung des Zn-Gehalts
des Rippen- bzw. Wellblechs senkt die Potentialdifferenz, die ihrerseits die Korrosionsbeständigkeit
der Rohre der Wärmeaustauscherkerne verringert.
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Zus;itz.lich tritt beim Vakuumlöten und beim Trägergaslöten (Kerne
mit der Nr. 7 bis 9) eine Ofenverschmutzung auf.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besitzen die Wärmeaustauscher mit den,Nr.
1 bis 4 eine gute Korrosionsbeständigkeit.
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Jedoch wurde beim Wärmeaustauscher mit der Nr. 6, bei dem der anfängliche
Zn-Gehalt des Kernwerkstoffs 0,3% betrug, eine schwere Grübchenbildung beobachtet,
da in diesem' Fall die Potentialdifferenz geringer als 50 mV war.
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Andererseits korrodierte das Rippenblech beim Wärmeaustaüscherkern
mit der Nr. 6 bei einem anfänglichen Zn-Gehalt von 6% in einer kurzen Zeitspanne
aufgrund eines Uber-Korrosionsschutzes. Nach Verstreichen einer vorbestimmton ZL
wurde deshalb der kathodische Schutz des Rohrs unwirksam. Zusätzlich verringert
die rapide Korrosion des Rippenblechs die Festigkeit des Blechs, was nicht nur die
mechanische Festigkeit sondern auch die Wärmeabstrahlleistung des Wärmeaustauschers
in nachteilhafter Weise beeinträchtigt. Darüberhinaus senkt ein übermäßig hoher
Zn-Gehalt den Schrottpreis von verwendeten Wärmeaustauschern, was wiederun ein Ansteigen
der Preise der Wårmeaustauscher mit sich bringt.
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in der beschriebenen Weise wird der Opferanodeneffekt des Rippenblechs
durch Zusatz von 0,5 bis 5 Gew.-% von Zn zum Kernmaterial des Rippenblechs vergrößert,
so daß Lochfraß' bzw. Crübchenbildung des Rohrs verhindert und eine lange Lebensdauer
des Wärmeaustauschers gesichert wird.
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Obgleich das dargestellte Rippenblech durch Ofenlötung oder Lötung
unter Stickstoff-Atmosphäre an das Rohr gelö-Let worden ist, kann auch jedes andere
geeignete Lötver-
fahren verwendet werden, vorausgesetzt, daß ein
Abdampfen des Zinks während des Lötens sicher verhindert werden kann.
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Es wird somit ein Vorfahren zur Herstcllung eines Wö rmetauschers
aus Aluminium beschrieben, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Präparieren
einer gewellten Rippe aus einem Lötblech, das aus einem Kernwerkstoff aus einer
Aluminiumlegierung mit 0.5 bis 5.0 Gew.-,°Ó Zink und einem Überzug aus Lotwerkstoff
aus einer Al-Si-Legieruflg bes.teht, Präparieren eines Rohrs, das aus einer Aluminiulnlegierung
besteht, deren Elektrodenpotential edler als das des' Kernwerkstoffs ist, Zusammenbauen
von Rippe und Rohr, Verlöten der Rippe mit dem Rohr durch Frhitzen cey vormontierten
Baugruppe in einer Atmosphäre, die die Verdampfung des Zn-Anteils des Kernwerkstoffs
yerhindurch, so daß der Lotwerkstoff an das Rohr angeschmolzen wird, um die Rippe
mit dem Rohr zu verbinden. Der Zn-Anteil des Kernwerkstoffs diffundiert während
des Lötvorgangs in den Überzug. Die Rippe liegt auf einem Potential, das ausreichend
gering ist, so daß sie zum Schutz des Rohrs gegen Korrosion, als Opferanode wirken
kann.