DE4433548A1

DE4433548A1 - Verfahren zum flußmittelfreien Löten von Bauteilen aus Messing

Info

Publication number: DE4433548A1
Application number: DE4433548A
Authority: DE
Inventors: Bernd-Peter Dr Salzberg
Original assignee: Ingbuero Wolf & Partner GmbH
Current assignee: Ingbuero Wolf & Partner GmbH
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 1996-03-07

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Schutzgaslötverfahren zur Herstellung von Verbindungen an Bauteilen aus Kupfer- bzw. seinen Legierungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Das am häufigsten angewandte Verfahren für das Fügen von Bauteilen aus Messing ist das Flammenlöten unter Verwendung von Flußmitteln. Dabei ist es egal, ob ein modernes Flammenfeldverfahren benutzt wird, oder ob das traditionelle Handlöten zur Anwendung gelangt. Für das Löten bleihaltiger Messingsorten werden auf Grund der leichten Zinkausdampfung und der schlechten Benetzungsfähigkeit Lote mit einer niedrigen Arbeitstemperatur verwendet. Damit müssen Flußmittel mit einer niedrigen Wirktemperatur zur Anwendung gelangen, die zwangsläufig aggressiv sind. Diese Flußmittel bestehen in der Regel aus Halogenverbindungen. In Deutschland werden jährlich mehr als 15 t fluoridhaltige Flußmittel verarbeitet. Die dadurch bedingte Abgabe fluoridhaltiger Substanzen an die Umwelt beträgt mehr als 1 t im Jahr. Fluoridhaltige Flußmittel sind gesundheitsschädlich. Der Hautkontakt ist zu vermeiden. Die Werkstatt und der Arbeitsplatz sind hinreichend zu lüften. Die Flußmittelreste erzeugen in Verbindung mit Feuchtigkeit eine Korrosion des Grundwerkstoffs und müssen deshalb vom Bauteil entfernt werden. Das stellt einen erhöhten betrieblichen Aufwand dar und belastet die Umwelt. Aus diesen Gründen ist die metallverarbeitende Industrie bemüht, Fügeverfahren einzusetzen, die keine Flußmittel benötigen. Für das Löten von Bauteilen aus Kupfer ist das bereits gelungen. Durch die Anwendung phosphorhaltiger Lote (z. B. L Ag 15 P, L Ag 18 P oder L Cu P 8 ) sind Flußmittel nicht mehr nötig. Besteht aber ein Fügepartner aus einer Kupferlegierung (z. B. Messing), sind für den Fluß des Lotes Flußmittel nötig. Moderne Schutzgasofenlötverfahren können die Lücke in der Verfahrenstechnik für das Löten von Bauteilen aus Messing auch nicht zufriedenstellend schließen. Zum einen verbietet sich bei sperrigen Rohrkonstruktionen wegen der geringen Packungsdichte ein Löten im Ofen aus wirtschaftlichen Gründen oder aus technischen Erwägungen, weil bei einem derartigen Fügeverfahren eine Entfestigung des gesamten Bauteils die Folge ist. Des weiteren verursacht die Anschaffung eines Ofens beträchtliche Investitionen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fügeverfahren für das Löten von Kupferlegierungen zu schaffen, bei dem der gerätetechnische Aufwand gering gehalten und auf die Anwendung von Flußmitteln verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Es wird ein Schutzgasfügeverfahren angewandt, das ausschließlich für Bauteile aus Stahl und/ oder Cr-Ni-Stahl entwickelt wurde ( Salzberg, B. -Peter, Bogdahn, Heiner, Krell, Adolf:

Verfahren zur Herstellung von Stumpfverbindungen, WP 35 17 024). Die Erwärmung der Bauteile erfolgt mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung. Bei diesem Verfahren wird die zum Löten notwendige Löttemperatur durch den von einem hinreichend großen Strom durchflossenen Widerstand der Lötstelle im Sekundärstromkreis eines Transformators erzeugt. Ein in der Nähe des Lötspaltes deponierter Lotring, der guten wärmeleitenden Kontakt mit der Fügestelle besitzt, wird auf diese Weise zum Schmelzen gebracht. Das flüssige Lot füllt infolge der Kapillarwirkung den Lötspalt aus. Die so hergestellten Nahtqualitäten sind reproduzierbar. Der Löter hat kaum einen Einfluß auf die Qualität der Verbindung. Für den Fügeprozeß ist eine Vorrichtung zu verwenden, die bewirkt, daß die während der Erwärmungsphase infolge der Wärmedehnung der Bauteile entstehenden Kräfte so in der Art auf die Fügestelle wirken, daß eine gleichmäßige Erwärmung der Lötstelle erfolgen kann.

Günstige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind im kennzeichnenden Teil der Unteransprüche aufgezeigt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anschließend an vier Ausführungsbeispielen erläutert werden.

1. Beispiel

Ein Rohr aus Kupfer der Abmessung 18 × 0,75 soll mit einem Flansch aus Messing mit 3% Blei verlötet werden. Die Lötung wird als Einsteckverbindung ausgeführt. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte notwendig:

- Trennen des Rohres senkrecht zur Rohrachse
- Planparalleles Vorbereiten der Rohrstirnflächen
- Entfetten bzw. Reinigen der am Lötprozeß beteiligten Bauteile, so daß diese den Erfordernissen des Lötens entsprechen
- Bestücken des Rohres mit einem Lotring aus L Ag 18 P oder L Cu P 8 und anschließend mit dem Flansch aus Messing
- Aufweitung der so montierten Bauteile mit einem Dorn, so daß ein leichter Klemmsitz vorhanden ist (Lötspalt < 0,1 mm). Ist der Lötspalt größer, dann entstehen beim Montieren der Lötstelle ungleichmäßige Lötspalte. Durch den engeren Spalt, den sogenannten Lotsenken, erfolgt ein verstärkter Transport des flüssigen Lotes in das Rohrinnere. Das kann dazu führen, daß für die Bildung der Hohlkehle bzw. zum Ausfüllen des Spaltes nicht mehr genügend Lot zur Verfügung steht und es zu einer Fehllötung kommt.
- Einlegen der montierten Lötteile in eine Lötvorrichtung mit Lötadapter, so daß die Lötstelle und der Adapter den Sekundärstromkreis eines Transformators schließen. Der Lötadapter muß im wesentlichen zwei Bedingungen genügen. Die Fläche des Adapters muß genügend groß sein, um den Strom zu leiten, ohne sich elektrisch zu erwärmen. Zum anderen soll der Adapter aber eine geringe Masse besitzen, so daß die Lötstelle nicht gekühlt wird. Diese entgegengesetzten Bedingungen werden am besten durch ein Bauteil mit zusammengesetztem Querschnitt erfüllt. An der Berührungsseite zur Lötstelle ist er so ausgeführt, daß zwischen Lötstelle und Adapterkopf in etwa gleiche Massen vorhanden sind. 10 mm entfernt von der Berührungsfläche besitzt er einen massiven Schaft, der entsprechend den elektrischen Verhältnissen dimensioniert ist. Die Position der Berührung zwischen Lötstelle und Adapter ist so zu wählen, daß in etwa gleiche Widerstände vorliegen.

Die Lötvorrichtung ist so beschaffen, daß durch Federelemente während des Erwärmens eine gleichmäßige Anlage zwischen Lötadapterfläche und Messingflansch erreicht wird. Um die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff an der Fügestelle zu verhindern, wird um den Fügebereich eine Schutzgaskammer positioniert. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Mit dem Schutzgas soll eine Reoxidation der Fügestelle während der Erwärmungsphase verhindert werden. Das Kammervolumen ist vorzugsweise so zu wählen, daß es maximal 200 cm³ beträgt und sollte 25 mal größer sein als das in der Kammer erwärmte Bauteilvolumen.

- Fluten der Schutzgaskammer mit Argon 4.6 oder Stickstoff mit ähnlicher Reinheit
- Innenformieren des Rohres mit dem gleichen Schutzgas
- Einschalten des Lötgerätes und Erwärmen der Fügestelle
- Das Unterbrechen der Wärmezufuhr erfolgt, wenn das Lot geschmolzen ist und durch Kapillarwirkung in den Lötspalt geflossen ist. Das kann manuell durch Betrachtung des Lötvorganges erfolgen oder automatisch. Zu diesem Zweck ist die Löteinrichtung mit einer SPS oder einem Industrie PC auszurüsten. Durch die Verwendung eines Zeit/Stromgesetzes besteht die Möglichkeit einer automatischen Unterbrechung des Lötprozesses. Dazu wird nach einer frei gewählten Zeit der Lötstrom gemessen und einer Abschaltzeit zugeordnet, die aus statistischen Untersuchungen ermittelt wurde. (Die entstandene Lötverbindung zeichnet sich überraschenderweise als eine qualitätsgerechte Lötverbindung aus. Zu vermuten war, daß durch die oben beschriebene Technologie Zink aus dem Messing verdampft und der Zinkdampf die Schutzgasatmosphäre so verseucht, daß kein Lotfluß zustande kommt.)
- Nach etwa 20 Sekunden Nachströmzeit wird der Schutzgasstrom abgestellt.
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen der gefügten Bauteile aus der Vorrichtung.

2. Beispiel

Rohre aus Messing der Abmessung 10 mm × 2 mm sollen mit einem Gewindeanschlußelement mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung gefügt werden. Die hierzu notwendigen Verfahrensschritte stimmen in Bezug auf die Vorbehandlung der Fügestelle und die Arbeit mit der Schutzgaskammer mit dem Beispiel 1 überein. Unterschiede ergeben sich für das Einspannen der Rohrenden und in der Verwendung des Lotes. Bei diesem Beispiel sollte ein Lot aus L Ag 40 Sn zur Anwendung gelangen. Der Lötadapter und die Lötvorrichtung entsprechen den im Beispiel 1 aufgeführten Eigenschaften.

- Nach etwa 20 Sekunden Nachströmzeit Abstellen des Schutzgasstromes
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen des gefügten Bauteiles aus der Vorrichtung.

3. Beispiel

Rohre aus Kupfer sollen mit Bauteilen aus Kupfer unter Schutzgas mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung und unter Verwendung der Vorrichtung und Schutzgaskammer aus dem Beispiel 1 und 2 gefügt werden. Dazu sind die gleichen Vorbehandlungen der Fügestelle erforderlich, wie sie im 1. oder 2. Beispiel schon beschrieben worden sind. Das Einspannen in die Vorrichtung ist jedoch etwas anders vorzunehmen. Die zu fügenden Bauteile weisen in etwa gleiche spezifische elektrische Widerstände auf. Der entsprechende Bauteilwiderstand ist aufgrund der geometrischen Verhältnisse aber unterschiedlich. Deshalb ist eine Ankopplung so vorzunehmen, daß die im Beispiel 1 erwähnten Bedingungen eingehalten werden.

- Nach dem Fließen des Lotes wird der Lötvorgang unterbrochen.
- Nach weiteren 20 Sekunden wird auch der Schutzgasstrom abgestellt.

4. Beispiel

Rohre aus Messing der Abmessung 10 mm × 2 mm sollen artgleich mittels direkter elektrischer Widerstandserwärmung gefügt werden. Die hierzu notwendigen Verfahrensschritte stimmen in Bezug auf die Vorbehandlung der Fügestelle und die Arbeit mit der Schutzgaskammer mit dem Beispiel 1 überein. Unterschiede ergeben sich für das Einspannen der Rohrenden und in der Verwendung des Lotes. Bei diesem Beispiel sollte ein Lot aus L Ag 40 Sn zur Anwendung gelangen. Der Lötadapter wird hierbei nicht verwendet. Die Lötvorrichtung entspricht den im Beispiel 1 aufgeführten Eigenschaften. Die Konstruktion der Fügestelle ist eine Muffenverbindung. Die Muffe ist vorzugsweise aus dem Rohrmaterial zu wählen.

- Trennen der Rohre senkrecht zur Rohrachse
- Planparalleles Vorbereiten der Rohrstirnflächen
- Entfetten bzw. Reinigen der am Lötprozeß beteiligten Bauteile, so daß diese den Erfordernissen des Lötens entsprechen
- Bestücken der Rohrenden jeweils mit einem Lotring aus L Ag 18 P oder L Cu P 8
- Bestücken der Rohrenden mit einer Schiebemuffe (Lötspalt 0, 1 mm)
- Einlegen der montierten Lötteile in eine Lötvorrichtung, so daß die Lötstelle in etwa mittig zwischen den Elektroden angeordnet wird und den Sekundärstromkreis eines Transformators schließt.

Um die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff an der Fügestelle zu verhindern, wird um den Fügebereich eine Schutzgaskammer positioniert. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen. Mit dem Schutzgas soll eine Reoxidation der Fügestelle während der Erwärmungsphase verhindert werden. Das Kammervolumen ist vorzugsweise so zu wählen, daß es maximal 200 cm³ beträgt und sollte 25 mal größer sein als das in der Kammer erwärmte Bauteilvolumen.

- Fluten der Schutzgaskammer mit Argon 4.6 oder Stickstoff mit ähnlicher Reinheit
- Innenformieren des Rohres mit dem gleichen Schutzgas
- Einschalten des Lötgerätes und Erwärmen der Fügestelle
- Das Unterbrechen der Wärmezufuhr erfolgt, wenn das Lot geschmolzen ist und durch Kapillarwirkung in den Lötspalt geflossen ist. Das kann manuell durch Betrachtung des Lötvorganges erfolgen oder automatisch. Zu diesem Zweck ist die Löteinrichtung mit einer SPS oder einem Industrie PC auszurüsten. Durch die Verwendung eines Zeit/Stromgesetzes besteht die Möglichkeit einer automatischen Unterbrechung des Lötprozesses. Dazu wird nach einer frei gewählten Zeit der Lötstrom gemessen und einer Abschaltzeit zugeordnet, die aus statistischen Untersuchungen ermittelt wurde.
- Nach etwa 20 Sekunden Nachströmzeit Abstellen des Schutzgasstromes
- Öffnen der Schutzgaskammer und Herausnehmen des gefügten Bauteiles aus der Vorrichtung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Lötverbindungen an Bauteilen aus Kupfer und/ oder Kupferlegierungen, wobei die zu verbindenden Bauteile in eine Lötvorrichtung eingespannt werden und worauf eine elektrische Erwärmung der Fügestelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestelle durch ein bekanntes gut regelbares elektrisches Erwärmungsverfahren auf Löttemperatur zwischen 650°C und 850°C gebracht wird und dabei die Zufuhr von Sauerstoff an die Fügestelle weitestgehend verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestelle durch das Prinzip der direkten elektrischen Widerstandserwärmung erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die weitestgehende Zufuhr von Sauerstoff, durch Umspülung der Fügestelle mit einem Schutzgas, vorzugsweise Argon 4.6 oder Stickstoff mit ähnlicher Reinheit, verhindert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Indikatoren oder Kriterien vorgesehen sind, die es ermöglichen, den Zeitpunkt für die Beendigung der Wärmezufuhr an der Fügestelle zu bestimmen.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Kriterium zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Beendigung der Wärmezufuhr das Fließen des an der Lötstelle positionierten Lotes verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Zeitpunktes für die Beendigung der Wärmezufuhr an der Fügestelle die Temperatur im Bereich der Fügestelle gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Löteinrichtung mit einer SPS oder einem Industrie PC ausgerüstet ist und dadurch der Zeitpunkt für die Beendigung der Wärmezufuhr durch Verwendung eines Zeit/Stromgesetzes durch Zuordnung der Abschaltzeit zum gemessenen Strom während des Lötprozesses.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Einspannen der Bauteile in zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten elastischen Elektroden erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zum Löten von kurzen Bauteilen (Messingflansch) und langen Bauteilen (Rohr) ein Lötadapter mit zusammengesetztem Querschnitt verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß eine Lötvorrichtung verwendet wird, die durch federnde Elemente erreicht, daß die entstehenden Wärmedehnungskräfte so abgefangen werden, daß während des Lötens eine gleichmäßige Erwärmung der Fügestelle erreicht wird.