DE602004007034T2 - Verfahren zum schweissen von bändern aus aluminiumlegierung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das flussmittelfreie Verlöten unter kontrollierter Atmosphäre von Bändern aus Aluminiumlegierung, die auf einer oder beiden Seiten mit einer Lötlegierung beschichtet sind, insbesondere zur Herstellung von Wärmetauschern für die Automobilindustrie oder die Bauwirtschaft.
  • Stand der Technik
  • Die Verwendung von aushärtenden Kernlegierungen (insbesondere der Serie 6xxx: Al-Mg-Si) für Wärmetauscher war stark verbreitet, solange es sich bei dem eingesetzten Lötverfahren um Vakuumlöten handelte. Der Übergang zur Technologie des Lötens unter kontrollierter Atmosphäre mit einem nicht korrosiven Flussmittel Nocolok® in Verbindung mit den hohen Kosten der Vakuumöfen und ihrer Wartung setzte dieser Verwendung ein Ende. Das Nocolok®-Verfahren schreibt in der Tat strikte Regeln beim Einsatz von magnesiumhaltigen Legierungen vor, da dieses Element mit dem Flussmittel, das zur Auflösung der Oxidschicht bestimmt ist, reagiert und es unwirksam macht. Der generell als Höchstgrenze angegebene Gehalt liegt bei etwa 0,3 %. Darüber wäre eine sehr hohe Menge an Flussmittel notwendig, wodurch der Arbeitsvorgang extrem teuer würde.
  • Außerdem beruht die Korrosionsfestigkeit vieler Bänder für Wärmetauscher auf der Bildung einer Anodenschicht an der Grenzfläche Kern/Plattierung, die einen sehr geringen Gehalt an Silicium im Kern verlangt. Dies ist beispielsweise bei den im Patent EP 0326337 (Alcan) beschriebenen Legierungen der Fall.
  • Die Legierungen 6xxx wurden folglich in überwiegender Mehrheit durch die Legierungen 3xxx mit geringem Magnesium- und geringem Siliciumgehalt ersetzt, wobei der Aushärtungseffekt verloren ging.
  • Aushärtende Kernlegierungen vom Typ 3xxx wurden in letzter Zeit zum Beispiel im Patent EP 0718072 (Hoogovens Aluminium Walzprodukte) oder in der Anmeldung EP 1254965 (SAPA Heat Transfer) vorgeschlagen. In beiden Fällen wurde an den Bändern keine Veränderung vorgenommen, um ihre Lötbarkeit in einem standardmäßigen Nocolok®-Ofen zu verbessern. Folglich muss entweder der Magnesiumgehalt auf einen relativ geringen Wert begrenzt werden (zum Beispiel geringer als 0,35 % wie bei der Anmeldung EP 1254965 ), aber dann ist der Aushärtungseffekt relativ schwach ist, oder aber es muss die Menge an aufgebrachtem Flussmittel erhöht werden oder ein anderes Flussmittel verwendet werden, wie das im US-Patent 5771962 (Ford) verwendete cäsiumhaltige Flussmittel. In beiden Fällen äußert sich dies in einer bedeutenden Kostenerhöhung des Arbeitsvorgangs. Der Einsatz von Al-Mg-Si-Legierungen, die mit einer Lötlegierung 4xxx unter Vakuum oder mit einem Flussmittel plattiert werden, wird in FR-A-2489845 erwähnt.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die 1a und 1b zeigen in Draufsicht bzw. Seitenansicht die V-förmigen Proben, die in den Beispielen zur Bewertung der Lötbarkeit verwendet werden.
  • 2 zeigt die Bestimmung der Breite der Lötstelle bei dem in den Beispielen beschriebenen Lötbarkeitstest.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung beruht im Hinblick auf das flussmittelfreie Löten auf der Auswahl einer besonderen Zusammensetzung für die Kernlegierung, kombiniert mit der Zugabe eines oder mehrerer Elemente zu der Plattierungslegierung, die ihre Oberflächeneigenschaften wie Oberflächenspannung oder Zusammensetzung der Oxidschicht zu modifizieren vermögen.
  • Die Kernlegierung enthält Mangan und Kupfer sowie Silicium und Magnesium, um eine Härtung durch Ausscheidung von Mg2Si zu ermöglichen.
  • Der Siliciumgehalt muss zur Bildung einer genügenden Menge Mg2Si höher als 0,3 % sein, aber unterhalb 1 % bleiben, wenn ein ausreichend großer Unterschied zwischen den Schmelztemperaturen der Kernlegierung und der Plattierungslegierung bewahrt werden soll. Der Magnesiumgehalt liegt zwischen 0,3 und 3,0 % und vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,7 %. Er muss hoch genug sein, um die Bildung von Mg2Si zu ermöglichen, und ist nicht begrenzt durch die Gefahr der Reaktion mit dem Flussmittel wie in der Anmeldung EP 1254965 , da kein Flussmittel vorhanden ist. Im Gegensatz zur Empfehlung in der Patentanmeldung EP 1254965 wird zur Bildung von Mg2Si nicht ein Überschuss an Silicium bezogen auf die stöchiometrische Menge angestrebt, sondern vielmehr ein Überschuss an Magnesium. Da Magnesium jedoch einen ungünstigen Einfluss auf die Formbarkeit hat, sollte es bei Anwendungen, die eine starke Formgebung erfordern, auf 0,7 % begrenzt werden.
  • Kupfer erhöht die mechanische Festigkeit der Legierung, wenn sie in fester Lösung vorliegt. Im Gegensatz zur Lehre von EP 1254965 stellte die Anmelderin keine Abnahme der Korrosionsfestigkeit oberhalb 0,3 % fest, wenn der Grenzwert von 1 %, ab dem Kupfer präzipitiert, nicht überschritten wird. Die Anwesenheit von Kupfer in fester Lösung erhöht vielmehr das Korrosionspotential. Ein zusätzlicher Grund für das Nichtüberschreiten von 1 % liegt darin, dass die Schmelztemperatur der Legierung nicht zu stark herabgesetzt wird.
  • Bei der Plattierungslegierung handelt es sich gewöhnlich um eine Aluminiumlegierung mit 4 bis 15 % Silicium und eventuell weiteren Legierungselementen wie Cu, Mg oder Zn. Eines der Merkmale der Erfindung besteht darin, dass der Plattierungslegierung zur Verbesserung ihrer Benetzbarkeit ein oder mehrere Elemente zugesetzt werden, die der Gruppe bestehend aus Ag, Be, Bi, Ce, La, Pb, Pd, Sb, Y oder Mischmetall, bei dem es sich um ein Gemisch aus nicht getrennten seltenen Erden handelt, angehören. Durch diese bessere Benetzbarkeit kann auf ein Flussmittel beim Löten verzichtet werden, ohne dabei unter Vakuum zu arbeiten.
  • Die Lötlegierung wird zumeist durch Walzplattieren auf die Kernlegierung aufgebracht. Falls die Lötlegierung nur auf eine Seite aufgebracht wird, kann die andere Seite in an sich bekannter Weise mit einer Opferlegierung beschichtet werden, in der Regel vom Typ Al-Zn, welche die Korrosionsfestigkeit der Kernlegierung verbessern soll.
  • Die Lötlegierung kann auch in Form von Partikeln, insbesondere Al-Si-Partikeln aufgebracht werden, wie zum Beispiel im Patent EP 0568568 (Alcan International) beschrieben. Beim Löten unter Schutzatmosphäre sind die Partikel der Lötlegierung im Allgemeinen mit Partikeln des Flussmittels, insbesondere eines Flussmittels auf Basis von Fluoriden wie Kaliumfluoraluminat, und eines Bindemittels wie Polymerharz verbunden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in diesem Fall darin, dass das Vorhandensein von Flussmittel in der Beschichtung vermieden wird.
  • 0,05 bis 0,5 % Wismut und/oder 0,01 bis 0,5 % Yttrium können der Kernlegierung ebenfalls zusätzlich beigemischt werden.
  • Das Löten erfolgt ohne Flussmittel unter kontrollierter Stickstoff- oder Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 580 bis 620°C, die das Schmelzen der Lötlegierung bewirkt, aber auch das Lösungsglühen der Kernlegierung gewährleistet. An dieses Lösungsglühen schließt sich ein rasches Abkühlen an, zum Beispiel mit Gebläseluft. Eine Auslagerung des zusammengefügten Bauteils kann bei einer Temperatur von 80 bis 250°C durchgeführt werden.
  • Bei der Herstellung von Wärmetauschern ist es zuweilen möglich, die Auslagerung im Betrieb in den wärmsten Bereichen des Wärmetauschers durchzuführen, zum Beispiel in den Kühlerrohren von Automotoren.
  • Beispiel
  • Es wurden mehrere Platten aus Kernlegierungen gegossen, deren jeweilige Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind: Tabelle 1
    Legierung Si Fe Cu Mn Mg Ti Bi Y Ca
    M 0.40 0.22 0.63 0.57 0.47 0.08 -
    M + Bi 0.39 0.22 0.62 0.59 0.49 0.09 0.15 -
    M + Y 0.39 0.24 0.61 0.57 0.47 0.09 0.05
    M + Ca 0.40 0.22 0.63 0.57 0.47 0.08 - 0.05
  • Des Weiteren wurden Platten aus der Plattierungslegierung 4047 (Al-12%Si) bzw. 4047 + 0.19% Bi bzw. 4047 + 0.05% Y bzw. 4047 + 0.05% Ca gegossen.
  • Aus diesen Platten wurden Plattenverbunde hergestellt, derart, dass die Dicke der Plattierungslegierung 10 % der Gesamtdicke ausmacht. Diese Verbunde werden warm- und dann kaltgewalzt, um plattierte Bänder von 0.3 mm Dicke zu gewinnen. Diese Bänder werden anschließend einer 10-stündigen Erholungsbehandlung bei 260°C unterworfen.
  • Die in 1 beschriebene Probe wurde zur Bewertung der Lötbarkeit dieser Werkstoffe eingesetzt. Das "V" besteht aus einem unbeschichteten Band aus der Legierung 3003 im Zustand H24 von 0.3 mm Dicke. An dem zu lötenden Metall wird eine 15-minütige Entfettungsbehandlung bei 250°C durchgeführt.
  • Eine weitere Oberflächenbehandlung findet nicht statt und insbesondere wird auch kein Flussmittel aufgebracht. Das Löten erfolgt in einem doppelwandigen Ofen aus Glas, der es ermöglicht, die Bewegungen des flüssigen Lots und die Bildung der Lötnähte im Verlauf der Behandlung zu visualisieren. Der Wärmezyklus besteht aus einer Aufheizphase auf 610°C mit einer Geschwindigkeit von etwa 20°C/min, einem 2-minütigen Halten bei 610°C und einem Temperaturabstieg bei etwa 30°C/min. Das Ganze erfolgt unter kontinuierlicher Stickstoffspülung mit einer Durchsatzleistung von 8 l/min.
  • Die Ergebnisse werden mit A bis E gemäß folgender Skala benotet:
    Note A B C D E
    Gebildete Nahtlänge bezogen auf die Gesamtlänge 100% 90% 75% 50% 0%
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
    Kern Plattierung Lötbarkeit
    M 4047 E
    M 4047 + Bi B
    M+Bi 4047 + Bi A
    M + Y 4047 + Y B
    M 4047 + Ca E
  • Die Festigkeitseigenschaften werden an den Verbunden M/4047+Bi, M+Bi/4047+Bi und M+Y/4047+Y nach erfolgtem Verlöten sowie nach verschiedenen Auslagerungsbehandlungen gemessen. Tabelle 3 präsentiert die erhaltenen Werte und vergleicht sie mit einer klassischerweise für Bänder für Wärmetauscher verwendeten Legierung N der Zusammensetzung:
    Legierung Si Fe Cu Mn Mg Ti
    N 0.19 0.15 0.68 1.38 - 0.08
    Tabelle 3
    Verbund Zustand Rm (MPa) R0.2 (MPa) A (%)
    M/4047 + Bi nach Verlöten 202 95 9,3
    M/4047 + Bi nach Verlöten + 4 h bei 180°C 236 169 5,8
    M/4047 + Bi 8 h bei 180°C nach Verlöten + 236 191 3,3
    M + Bi/4047 + Bi nach Verlöten 210 100 8,4
    M + Bi/4047 + Bi 4 h bei 180°C nach Verlöten + 231 172 4,8
    M + Bi/4047 + Bi 8 h bei 180°C nach Verlöten + 245 196 4,1
    M + Y/4047 + Y nach Verlöten 207 95 9,4
    M + Y/4047 + Y 4 h bei 180°C nach Verlöten + 240 170 6,4
    M + Y/4047 + Y 8 h bei 180°C nach Verlöten + 256 198 5,2
    N/4045 nach Verlöten 166 64 18,0
    N/4045 4 h bei 180°C nach Verlöten + 164 60 16,9
    N/4045 nach Verlöten + 8 h bei 180°C 163 60 17,0
  • Es wird der sehr günstige Effekt der Aushärtung auf die mechanische Festigkeit festgestellt, vor allem nach erfolgter Auslagerung.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Verbinden von Blechen aus Aluminiumlegierung, umfassend ein flussmittelfreies Löten unter kontrollierter Stickstoff- und/oder Argonatmosphäre bei einer Temperatur von 580 bis 620°C, ein schnelles Abkühlen und eventuell ein Auslagern bei einer Temperatur von 80 bis 250°C, bei welchem Verfahren mindestens eins der Bleche aus einer Kernlegierung besteht mit der Zusammensetzung (Gew.-%): Si: 0,3 – 1,0 Fe < 1,0 Cu: 0,3 – 1,0 Mn: 0,3 – 2,0 Mg: 0,3 – 3,0 Zn < 6,0 Ti < 0,1 Zr < 0,3 Cr < 0,3 Ni < 2,0 Co < 2,0 Bi < 0,5 Y < 0,5, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt 0,15, Rest Aluminium, und auf mindestens einer Seite mit einer Aluminium-Lötlegierung beschichtet ist, welche 4 bis 15 % Silicium und 0,01 bis 0,5 % mindestens eines der Elemente Ag, Be, Bi, Ce, La, Pb Sb, Y oder Mischmetall enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt der Kernlegierung zwischen 0,35 und 1 % liegt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mangangehalt der Kernlegierung zwischen 0,3 und 0,7 % liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesiumgehalt der Kernlegierung zwischen 0,35 und 0,7 % liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkgehalt der Kernlegierung unterhalb 0,2 % liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wismutgehalt der Kernlegierung zwischen 0,05 und 0,5 % liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Yttriumgehalt der Kernlegierung zwischen 0,01 und 0,5 % liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernlegierung folgende Zusammensetzung hat: Si: 0,3 – 1,0 Fe < 0,5 Cu: 0,35 – 1,0 Mn: 0,3 – 0,7 Mg: 0,35 – 0,7 Zn < 0,2 Ti < 0,1 Zr < 0,3 Cr < 0,3 Ni < 1,0 Co < 1,0 Bi < 0,5 Y < 0,5, weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt 0,15, Rest Aluminium.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötlegierung durch Walzplattieren auf die Kernlegierung aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötlegierungsschicht aus Partikeln besteht, die eventuell in einer Harzschicht eingebettet sind.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Herstellung von Wärmetauschern verwendet wird und das Auslagern während des Betriebs der Wärmetauscher in deren warmen Bereichen erfolgt.
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FR0314000A FR2862984B1 (fr) 2003-11-28 2003-11-28 Bande en alliage d'aluminium pour brasage
FR0314000 2003-11-28
PCT/FR2004/003002 WO2005061743A1 (fr) 2003-11-28 2004-11-24 Procede de brasage de bandes en alliage d’aluminium

Publications (2)

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