EP1951468A1 - Lötverfahren zum verbinden verschiedener metallischer grundwerkstoffe durch eine exotherme reaktion, sowie ein mit dem verfahren herstellbarer wärmetauscher - Google Patents

Lötverfahren zum verbinden verschiedener metallischer grundwerkstoffe durch eine exotherme reaktion, sowie ein mit dem verfahren herstellbarer wärmetauscher

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EP1951468A1
EP1951468A1 EP06828982A EP06828982A EP1951468A1 EP 1951468 A1 EP1951468 A1 EP 1951468A1 EP 06828982 A EP06828982 A EP 06828982A EP 06828982 A EP06828982 A EP 06828982A EP 1951468 A1 EP1951468 A1 EP 1951468A1
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EP
European Patent Office
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reactive substance
heat exchanger
solder
soldering method
soldering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06828982A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Snjezana Boger
Peter Englert
Sebastian Holler
Ingo Trautwein
Matthias TÜRPE
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof

Definitions

  • the invention relates to a soldering method for joining various metallic base materials to at least one solder joint by means of solder, which is melted by means of heat energy, a heat exchanger and a heat exchanger, which can be produced by a soldering process.
  • the entire component is usually heated in an oven.
  • the object of the invention is to simplify the production of heat exchangers.
  • the object is achieved in a soldering method for connecting various metallic base materials to at least one solder joint with the aid of solder, which is melted with the aid of heat energy, characterized in that at least a portion of the heat energy required for melting the solder.
  • An essential advantage of the present invention is the favorable energy balance.
  • the heat of fusion required to melt the solder no longer has to be introduced by energy-intensive furnace technology, but is controlled by the amount of substance applied to the respective part.
  • the component is heated only at the place of soldering itself to the required soldering temperature. The dissipation of heat through the component is compensated accordingly by the amount applied.
  • the same metallic base materials can be connected to the method, in particular by soldering.
  • the reactive substance or a reaction mixture which contains the reactive substance is added to the solder, in particular during the batch production process and / or shortly before the soldering process, in particular substantially in the vicinity of the solder joint.
  • Heat exchanger in particular exhaust gas heat exchanger and / or intercooler and / or coolant radiator and / or oil cooler and / or condenser of an air conditioner and / or evaporator of a refrigerant of an air conditioner, consisting of different metallic base materials, wherein at least one solder joint at least partially by means of solder, the can be melted by means of thermal energy, at least a portion of the heat energy required for melting the solder at the solder joint can be generated by an exothermic reaction, in which a reactive substance present at the solder joint is involved.
  • the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance is immiscible with the solder.
  • the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance can be applied to at least one surface to be soldered.
  • the surface to be soldered can be provided with a coating containing the reactive substance before the soldering process.
  • the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance can be applied to a solder-plated surface to be soldered.
  • the reactive substance contains silicon and / or silicon-containing compounds.
  • the exothermic reaction taking place at the solder joint can be started by providing an activation energy.
  • the reaction is started via a glow wire.
  • the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst used is a subgroup element or a subgroup element oxide.
  • the reactive substance reacts with nitrogen.
  • a reaction inhibitor Phlegmati- s istsstoff
  • the exothermic reaction which heats the component, in particular a heat exchanger, to the required temperature is inhibited in order to drain it too quickly - A - to avoid the exothermic reaction particularly advantageous. It is particularly advantageously avoided that there is not enough time available to completely melt the solder.
  • the reaction inhibitor should therefore keep the heat generated as long as possible.
  • the final temperature can be adjusted by means of the proportion of phlegmatizing agent used.
  • the final temperature can be adjusted to the component, for example, via the applied substance quantity of the exothermic mixture.
  • the temperature on the introduced amount of phlegmatizer is adjustable.
  • the temperature is adjustable by the type, in particular the composition of the phlegmatizing agent.
  • the nitrogen reacting with the reactive substance can be prepared in the atmosphere of a brazing furnace.
  • the temperature at the solder joint and / or the heat energy released at the solder joint during the exothermic reaction can be controlled by the amount of reactive substance present at the solder joint.
  • the base materials to be soldered contain aluminum or an aluminum alloy.
  • the heat exchanger is made by a soldering process.
  • a preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance, the solder is mixed. This has the advantage that the production process does not have to be changed.
  • Another preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance is applied to at least one surface to be soldered.
  • the reactive substance can also be applied to two surfaces to be soldered together.
  • soldering method is characterized in that the surface to be soldered is provided before the soldering process with a coating containing the reactive substance.
  • the coating is applied to the surface to be soldered by, for example, a roll coating method or a spray application method.
  • the temperatures develop through the local coating directly to the sites to be soldered. A heating of the surrounding atmosphere is therefore only necessary insofar as to provide the required activation energy. However, this is lower, in particular by 50% lower than the working temperature required in conventional soldering.
  • soldering method is characterized in that the reactive substance or a reaction mixture containing the reactive substance is applied to a solder-plated surface to be soldered.
  • the use of a solder-plated aluminum surface has proved to be particularly advantageous.
  • the reactive substance is silicon and / or silicon-containing Contains compounds.
  • silicon, silanes, silane oils, silicides, silicones, siloxanes and / or silicates are used as the reactive substance.
  • a further preferred embodiment of the soldering method is characterized in that 1 to 500 grams of the reactive substance are used per kilogram of the base materials to be soldered. Preferably, 1 to 500 grams of silicon are added as a reactive substance. In silicon compounds, the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is preferably 1 to 500 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 0.1 to 1 gram of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 0.1 to 200 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 1 to 10 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 10 to 50 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 50 to 100 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 100 to 200 grams of the reactive substance. In a further preferred embodiment, the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 200 to 500 grams of the reactive substance.
  • the silicon content per kilogram of the base materials to be soldered is 500 to 1000 grams of the reactive substance.
  • a further preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the exothermic reaction taking place at the soldering point is started by providing an activation energy.
  • the reactive substance is heated to a starting temperature which is significantly lower than the temperature normally required during soldering.
  • Another preferred embodiment of the soldering process is characterized in that the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst lowers the activation energy of the exothermic reaction. Through the catalyst, the starting temperature can be lowered to preferably 60 to 100 degrees Celsius.
  • Another preferred embodiment of the soldering process is characterized in that the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst lowers the activation energy of the exothermic reaction. Due to the catalyst, the starting temperature can be lowered to preferably 100 to 300 degrees Celsius.
  • Another preferred embodiment of the soldering process is characterized in that the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst lowers the activation energy of the exothermic reaction.
  • the starting temperature can be lowered to preferably 300 to 600 degrees Celsius.
  • Another preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst sets the activation energy of the exothermic reaction action down. Through the catalyst, the starting temperature can be lowered to preferably 600 to 1000 degrees Celsius.
  • Another preferred embodiment of the soldering process is characterized in that the reactive substance interacts with a catalyst.
  • the catalyst lowers the activation energy of the exothermic reaction. Through the catalyst, the starting temperature can be lowered to preferably 1000 to 1500 degrees Celsius.
  • the catalyst is a subgroup element, in particular scandium, titanium, zirconium, niobium, manganese, ruthenium, gold, silver, lanthanum, tungsten, yttrium, zinc, cerium, neodymium, or a Mauescenceele- mentoxide and / or a minor group element carbonate and / or a minor group element sulfate and / or a minor group element nitrate.
  • the catalyst preferably reacts with nitrogen used as inert gas to form silicon nitride, thereby liberating the heat of reaction used to melt the solder.
  • 1, 0 to 1, 5 weight percent catalyst based on the amount of silicon or silicon-containing substance used.
  • Another preferred embodiment of the soldering process is characterized in that the reactive substance reacts with nitrogen.
  • the nitrogen is preferably a protective gas used during soldering.
  • a further preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the reacting with the reactive substance nitrogen is provided in the atmosphere of a brazing furnace.
  • the soldering furnace is preferably an inert gas continuous soldering furnace, in particular a CAB (controlled atmosphere brazing) soldering furnace.
  • a further preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the temperature at the solder joint and / or the heat energy released at the solder joint in the exothermic reaction is controlled by the amount of reactive substance present at the solder joint. Preferably, the amount of the reactive substance is chosen so that locally just the temperature required to melt the solder is reached.
  • Another preferred embodiment of the soldering method is characterized in that the base materials to be soldered contain aluminum or an aluminum alloy.
  • the method according to the invention can be carried out with all solderable metals, in pure form, as an alloy and with or without solder plating.
  • not all of the component to be soldered is heated to the high temperature necessary to melt the solder.
  • only the solder is locally melted by a direct generation of heat energy takes place locally at the solder joint.
  • the heating times can be reduced and thus the throughput times in the soldering oven can be shortened.
  • the ope- rating temperature can be lowered and temperature tolerances can be increased. Due to the lower requirements, the furnace technology can be made more cost-effective overall.
  • soldering method in the reaction of silicon or certain silicon compounds, for example silanes, silane oils, suicides, silicones, siloxanes and silicates, with Nitrogen very high energies are released.
  • silicon or silicon compounds are applied to the solder joint in such a way that the silicon, with the aid of catalysts, reacts with the nitrogen used as protective gas to form silicon nitride.
  • the released heat of reaction ensures that the required melting temperature is achieved in the solder.
  • a CAB (controlled atmosphere brazing) soldering oven is preferably used.
  • Such a soldering oven is operated with a protective gas atmosphere containing nitrogen.
  • activation energy must be supplied. With the aid of catalysts, starting temperatures of 60 to 100 degrees Celsius have been found to be sufficient in the context of the present invention.
  • the starting temperature does not have to be set as accurately on all areas of the heat exchanger, as is the case with conventional soldering.
  • the silicon or the silicon compounds are added to the solder in an amount, so that just the desired temperature required for melting the solder is generated locally.
  • a reaction mixture containing silicon or silicon compounds can also be applied to a solder-plated aluminum surface. Additives of 1 to 500 grams of silicon or silicon in silicon compounds are used per kilogram of aluminum or aluminum solder.
  • the invention can be applied to all solderable metals. These metals may be in pure form, as an alloy, with and without solder plating. With the help of a nickel solder paste, for example, it is possible to solder stainless steel at temperatures of about 1000 degrees Celsius.
  • the temperature increase required to melt the solder can be produced by any form of exothermic reaction.
  • reaction products have a negative effect on the soldering process or the properties of the soldered material.
  • the formation of brittle intermetallic phases can have a negative influence on the soldering process.
  • Such phases like other detrimental substances, for example, by copper-containing materials or copper- or silver-containing additives, can be avoided with the aid of the invention.
  • the released energy is insufficient to achieve sufficiently high temperatures with small amounts of substance.
  • conventional aluminum-silicon alloys are preferably used as solder.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden verschiedener metallischer Grundwerkstoffe an mindestens einer Lötstelle mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufgeschmolzen wird. Um die Fertigung von Wärmeübertragern zu vereinfachen, wird zumindest ein Teil der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen Wärmeenergie an der Lötstelle durch eine exotherme Reaktion erzeugt, an der eine an der Lötstelle vorhandene reaktive Substanz beteiligt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauschen, der insbesondere nach diesem Verfahren hergestellt sein kann.

Description

LOTVERFAHREN ZUM VERBINDEN VERSCHIEDENER METALLISCHER GRUNDWERKSTOFFE DURCH EINE EXOTHERME REAKTION, SOWIE EIN MIT DEM VERFAHREN HERSTELLBARER WÄRMETAUSCHER
10
15 Die Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden verschiedener metallischer Grundwerkstoffe an mindestens einer Lötstelle mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufgeschmolzen wird, einen Wärmetauscher sowie einen Wärmetauscher, der durch ein Lötverfahren herstellbar ist.
20 Zum Erzielen einer Lötverbindung ist es notwendig, die zu verlötenden Einzelteile auf die Schmelztemperatur des verwendeten Lots zu erwärmen und diese eine bestimmte Zeit zu halten. Bei kleinen Bauteilen ist es möglich, die Erwärmung, zum Beispiel mittels induktivem oder Widerstandslöten, lokal vorzunehmen. Bei großen Bauteilen, wie zum Beispiel Wärmeübertragern,
25 mit vielen Lötstellen wird in der Regel das ganze Bauteil in einem Ofen erwärmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Fertigung von Wärmeübertragern zu vereinfachen.
30
Die Aufgabe ist bei einem Lötverfahren zum Verbinden verschiedener metallischer Grundwerkstoffe an mindestens einer Lötstelle mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufgeschmolzen wird, dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen Wärmeener-
35 gie an der Lötstelle durch eine exotherme Reaktion erzeugt wird, an der eine an der Lötstelle vorhandene reaktive Substanz beteiligt ist. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der günstigen Energiebilanz. Die zum Aufschmelzen des Lots benötigte Schmelzwärme muss nicht mehr durch energieintensive Ofentechnik eingebracht werden, sondern wird durch die auf das jeweilige Teil aufgebrachte Substanzmenge gesteuert. Das Bauteil wird nur am Ort der Lötung selbst auf die notwendige Löttemperatur erwärmt. Die Ableitung von Wärme durch das Bauteil wird entsprechend durch die aufgebrachte Menge ausgeglichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung gleiche metallischen Grundwerkstoffe mit dem Verfahren verbindbar, insbesondere durch Löten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die reaktive Subtanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, dem Lot bei- gemischt, insbesondere beim Lotherstellungsprozess und/oder kurz vor dem Lötprozess insbesondere im Wesentlichen in der Nähe der Lötstelle.
Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher und/oder Ladeluftkühler und/oder Kühlmittelkühler und/oder Ölkühler und/oder Kondensator einer Klimaanlage und/oder Verdampfer eines Kältemittels einer Klimaanlage, bestehend aus verschiedenen metallischen Grundwerkstoffe, wobei an mindestens einer Lötstelle zumindest bereichsweise mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufschmelzbar ist, zumindest ein Teil der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen Wärmeenergie an der Lötstelle durch ei- ne exotherme Reaktion erzeugbar ist, an der eine an der Lötstelle vorhandene reaktive Substanz beteiligt ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, dem Lot bei- mischbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wärmetauschers ist die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf mindestens eine zu verlötende Oberfläche aufbringbar. In einer weiteren Ausführung des Wärmetauschers ist die zu verlötende O- berfläche vor dem Lötvorgang mit einer Beschichtung versehbar, welche die reaktive Substanz enthält.
In einer Weiterbildung des Wärmetauschers ist die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf eine lotplattierte zu verlötende Oberfläche applizierbar.
In einer weiteren Ausführung des Wärmetauschers enthält die reaktive Sub- stanz Silizium und/oder siliziumhaltige Verbindungen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Wärmetauschers sind pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 1 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz verwendet.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Wärmetauschers ist die an der Lötstelle stattfindende exotherme Reaktion durch Bereitstellen einer Aktivierungsenergie startbar. Beispielsweise wird die Reaktion über einen Glühdraht gestartet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Wärmetauschers wirkt die die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammen.
In einer weiteren Ausführung des Wärmetauschers ist als Katalysator ein Nebengruppenelement oder ein Nebengruppenelementoxid verwendet.
In einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers reagiert die reaktive Substanz mit Stickstoff.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der reaktiven Substanz, insbesondere dem reaktiven Substanzgemischgemisch, ein Reaktionshemmer (Phlegmati- sierungsmittel) beigemischt. Insbesondere wird auf diese Weise die exotherme Reaktion, die das Bauteil, insbesondere einen Wämetauscher, auf die erforderliche Temperatur aufheizt, gehemmt, um ein zu schnell Ablaufen - A - der exothermen Reaktion besonders vorteilhaft zu vermeiden. Besonders vorteilhaft wird dadurch vermieden, dass nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, um das Lot vollständig zum Schmelzen zu bringen. Durch den Reaktionshemmer soll also die entstehende Wärme möglichst lange gehalten wer- den.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels des Anteils an verwendetem Phlegmatisierungsmittel die Endtemperatur einstellbar. Die Endtemperatur ist beispielsweise über die aufgebrachte Substanzmenge des exotherm reagierenden Gemisches auf das Bauteil einstellbar. In einer anderen Ausführung ist die Temperatur über die eingebrachte Menge an Phlegmatisierungsmittel einstellbar. In einer weiteren Ausführung ist die Temperatur über die Art, insbesondere die Zusammensetzung des Phlegmatisie- rungsmittels, einstellbar.
Vorteilhafterweise wird durch die Erfindung neben der reaktiven Substanz keine weitere Substanz benötigt, um eine Reaktion zu ermöglichen.
In einer Weiterbildung des Wärmetauschers ist der mit der reaktiven Sub- stanz reagierende Stickstoff in der Atmosphäre eines Lötofens bereitstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Temperatur an der Lötstelle und/oder die an der Lötstelle bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeenergiemenge durch die an der Lötstelle vorhandene Menge der reaktiven Substanz steuerbar.
In einer Weiterbildung des Wärmetauschers enthalten die zu verlötenden Grundwerkstoffe Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Der Wärmetauscher ist durch ein Lötverfahren hergestellt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, dem Lot beigemischt wird. Das hat den Vorteil, dass der Fertigungsprozess nicht verändert werden muss.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf mindestens eine zu verlötende Oberfläche aufgebracht wird. Die reaktive Substanz kann auch auf zwei miteinander zu verlötende Oberflächen aufgebracht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötende Oberfläche vor dem Lötvorgang mit einer Beschichtung versehen wird, welche die reaktive Substanz enthält. Die Beschichtung wird zum Beispiel durch ein Walzenauftragsverfahren oder ein Sprühauftragsverfahren auf die zu verlötende Oberfläche aufgebracht. Die Temperaturen entwickeln sich durch die lokale Beschichtung direkt an den zu verlötenden Stellen. Eine Aufheizung der umgebenden Atmosphäre ist daher nur insoweit notwendig, um die benötigte Aktivierungsenergie zu lie- fern. Diese liegt jedoch niedriger, insbesondere um 50% niedriger, als die bei herkömmlichen Lötverfahren benötigte Arbeitstemperatur.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf eine lotplattierte zu verlötende Oberfläche appliziert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich die Verwendung einer lotplattierten Aluminiumoberfläche als besonders vorteilhaft erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind andere Werkstoffe und/oder Werkstoffoberflächen, die insbesondere lotplattiert sind, verwendbar wie Stahl, Edelstahl, Eisen, Eisenlegierungen und/oder andere Metalle.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz Silizium und/oder siliziumhaltige Verbindungen enthält. Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Silizium, Silane, Silanöle, Silicide, Silikone, Siloxane und/oder Silikate als reaktive Substanz verwendet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 1 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz verwendet werden. Vorzugsweise werden 1 bis 500 Gramm Silizium als reaktive Substanz zugesetzt. In Siliziumverbindungen beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe vorzugsweise 1 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 0,1 bis 1 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 0,1 bis 200 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 1 bis 10 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziuman- teil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 10 bis 50 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 50 bis 100 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 100 bis 200 Gramm der reaktiven Substanz. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 200 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz.
In einem weiteren bevorzugten Ausfϋhrungsbeispiel beträgt der Siliziumanteil pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 500 bis 1000 Gramm der reaktiven Substanz.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an der Lötstelle stattfindende exotherme Reaktion durch Bereitstellen einer Aktivierungsenergie gestartet wird. Dazu wird die reaktive Substanz auf eine Starttemperatur erwärmt, die deutlich unter der normalerweise beim Löten benötigten Temperatur liegt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammenwirkt. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der exothermen Reaktion herab. Durch den Katalysator kann die Starttemperatur auf vorzugsweise 60 bis 100 Grad Celsius gesenkt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammenwirkt. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der exothermen Reaktion herab. Durch den Katalysator kann die Starttemperatur auf vorzugs- weise 100 bis 300 Grad Celsius gesenkt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammenwirkt. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der exothermen Re- aktion herab. Durch den Katalysator kann die Starttemperatur auf vorzugsweise 300 bis 600 Grad Celsius gesenkt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusam- menwirkt. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der exothermen Re- aktion herab. Durch den Katalysator kann die Starttemperatur auf vorzugsweise 600 bis 1000 Grad Celsius gesenkt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammenwirkt. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der exothermen Reaktion herab. Durch den Katalysator kann die Starttemperatur auf vorzugsweise 1000 bis 1500 Grad Celsius gesenkt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator ein Nebengruppenelement, insbesondere Scandium, Titan, Zirkonium, Niob, Mangan, Ruthenium, Gold, Silber, Lanthan, Wolfram, Yttrium, Zink, Cer, Neodym, oder ein Nebengruppenele- mentoxid und/oder ein Nebengruppenelementcarbonat und/oder ein Neben- gruppenelementsulfat und/oder ein Nebengruppenelementnitrat verwendet wird. Der Katalysator reagiert vorzugsweise mit als Schutzgas verwendetem Stickstoff zu Siliziumnitrid, wobei die zum Aufschmelzen des Lots verwendete Reaktionswärme frei wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 0,1 bis 1 ,0 Ge- wichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 1 ,0 bis 1 ,5 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 5,0 bis 10,0 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 10,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausfϋhrungsbeispiel werden 20,0 bis 30,0 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 30,0 bis 40,0 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizium enthaltende Substanz verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 40,0 bis 50,0 Gewichtsprozent Katalysator bezogen auf die Menge an Silizium oder Silizi- um enthaltende Substanz verwendet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit Stickstoff reagiert. Bei dem Stickstoff handelt es sich vorzugsweise um ein beim Löten verwendetes Schutzgas.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der mit der reaktiven Substanz reagierende Stickstoff in der Atmosphäre eines Lötofens bereitgestellt wird. Bei dem Lötofen han- delt es sich vorzugsweise um einen Schutzgas-Durchlauflötofen, insbesondere einen CAB (controlled atmosphere brazing) Lötofen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Lötstelle und/oder die an der Lötstelle bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeenergiemenge durch die an der Lötstelle vorhandene Menge der reaktiven Substanz gesteuert wird. Vorzugsweise wird die Menge der reaktiven Substanz so gewählt, dass lokal gerade die zum Aufschmelzen des Lots erforderliche Temperatur erreicht wird. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lötverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötenden Grundwerkstoffe Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch mit allen lötbaren Metallen, in Reinform, als Legierung und mit oder ohne Lotplattierung durchgeführt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Beim Löten von Wärmeübertragern in einem Lötofen liegt ein Hauptproblem darin, dass die guten Wärmeleiteigenschaften des Wärmeübertragers dazu führen, dass die im Lötofen eingebrachte Wärme sofort von der Lötstelle abgeleitet wird. Bei herkömmlichen Lötverfahren wird ein großer Teil der Wärmeenergie darauf verwendet, das Wärmeübertragungsnetz des Wärmeübertragers und dessen Peripherie, wie zum Beispiel Rohre und Anschlusskästen, zu erwärmen. Dabei werden zwangsläufig auch die im Ofen befindli- chen Teile, wie ein Förderband, erhitzt, wofür zusätzliche Energie benötigt wird.
Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird nicht das ganze zu lötende Bauteil auf die hohe Temperatur aufgeheizt, die zum Schmelzen des Lots notwendig ist. Gemäß der Erfindung wird nur das Lot lokal aufgeschmolzen, indem eine direkte Erzeugung von Wärmeenergie lokal an der Lötstelle erfolgt. Dadurch können die Aufheizzeiten verringert und so die Durchlaufzeiten im Lötofen verkürzt werden. Das hat zur Folge, dass die O- fentemperatur gesenkt und Temperaturtoleranzen vergrößert werden kön- nen. Durch die geringeren Anforderungen kann die Ofentechnik insgesamt kostengünstiger gestaltet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Lötverfahren wird ausgenutzt, dass bei der Reaktion von Silizium beziehungsweise bestimmten Siliziumverbindungen, zum Beispiel Silanen, Silanölen, Suiziden, Silikonen, Siloxanen und Silikaten, mit Stickstoff sehr hohe Energien frei werden. Das Silizium oder die Siliziumverbindungen werden so an der Lötstelle appliziert, dass das Silizium, auch unter Zuhilfenahme von Katalysatoren, mit dem als Schutzgas verwendeten Stickstoff zu Siliziumnitrid reagiert. Die dabei freiwerdende Reaktionswärme sorgt dafür, dass in dem Lot die nötige Schmelztemperatur erreicht wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens wird vorzugsweise ein CAB (controlled atmosphere brazing) Lötofen verwendet. Ein derartiger Lötofen wird mit einer Schutzgasatmosphäre betrieben, die Stickstoff enthält. Um die erfindungsgemäße Reaktion zu starten, muss Aktivierungsenergie zugeführt werden. Unter Zuhilfenahme von Katalysatoren haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung Starttemperaturen von 60 bis 100 Grad Celsius als ausreichend erwiesen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel haben sich unter Zuhilfenahme von Katalysatoren im Starttemperaturen von 100 bis 300 Grad Celsius als ausreichend erwiesen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel haben sich unter Zuhilfenahme von Katalysatoren im Starttemperaturen von 300 bis 600 Grad Celsius als ausreichend erwiesen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel haben sich unter Zuhilfenahme von Katalysatoren im Starttemperaturen von 600 bis 1000 Grad Celsius als aus- reichend erwiesen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel haben sich unter Zuhilfenahme von Katalysatoren im Starttemperaturen von 1000 bis 1500 Grad Celsius als ausreichend erwiesen.
Die Starttemperatur muss nicht so exakt auf alle Bereiche des Wärmeübertragers eingestellt werden, wie dies bei herkömmlichen Lötverfahren der Fall ist. Das Silizium beziehungsweise die Siliziumverbindungen werden dem Lot in einer Menge beigemischt, so dass gerade die gewünschte, zum Aufschmelzen des Lots erforderliche Temperatur lokal erzeugt wird. Ein Silizium oder Siliziumverbindungen enthaltendes Reaktionsgemisch kann auch auf eine lotplattierte Aluminiumoberfläche appliziert werden. Pro Kilogramm Aluminium beziehungsweise Aluminiumlot werden Zusätze von 1 bis 500 Gramm Silizium beziehungsweise Siliziumanteil in Siliziumverbindungen verwendet. Durch geeignete Rezepturen kann die Erfindung auf sämtliche lötbare Metalle angewendet werden. Diese Metalle können in Reinform, als Legierung, mit und ohne Lotplattierung vorliegen. Mit Hilfe einer Nickellotpaste ist es zum Beispiel möglich, Edelstahl bei Temperaturen von circa 1000 Grad Celsius zu löten.
Theoretisch kann die zum Aufschmelzen des Lots erforderliche Temperatur- erhöhung durch jede Form von exothermen Reaktionen erzeugt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich aber herausgestellt, dass viele Reaktionsprodukte sich negativ auf den Lötprozess oder die Eigenschaften des verlöteten Werkstoffs auswirken. Insbesondere kann die Bildung von spröden intermetallischen Phasen einen negativen Einfluss auf den Lötpro- zess haben. Solche Phasen können wie andere nachteilige Substanzen, beispielsweise durch kupferhaltige Werkstoffe oder kupfer- bzw. silberhaltige Zusätze, mit Hilfe der Erfindung vermieden werden. Bei vielen bekannten exothermen Reaktionen reicht die freiwerdende Energie nicht aus, um mit kleinen Substanzmengen hinreichend große Temperaturen zu erzielen. Bei dem erfindungsgemäßen Lötverfahren werden vorzugsweise übliche Aluminiumsiliziumlegierungen als Lot verwendet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Lötverfahren zum Verbinden verschiedener metallischer Grundwerkstoffe an mindestens einer Lötstelle mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen Wärmeenergie an der Lötstelle durch eine exotherme Reaktion er- zeugt wird, an der eine an der Lötstelle vorhandene reaktive Substanz beteiligt ist.
2. Lötverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Sub- stanz enthält, dem Lot beigemischt wird.
3. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf mindestens eine zu ver- lötende Oberfläche zumindest bereichsweise aufgebracht wird.
4. Lötverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötende Oberfläche vor dem Lötvorgang mit einer Beschichtung versehen wird, welche die reaktive Substanz enthält.
5. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf eine lotplattierte zu verlötende Oberfläche appliziert wird.
6. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz Silizium und/oder silizi- umhaltige Verbindungen enthält.
7. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 1 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz verwendet werden.
8. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Lötstelle stattfindende exotherme
Reaktion durch Bereitstellen einer Aktivierungsenergie, insbesondere mit Hilfe eines Glühdrahts, gestartet wird.
9. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zusammenwirkt.
10. Lötverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator ein Nebengruppenelement oder ein Nebengruppenelement- oxid verwendet wird.
11. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit Stickstoff reagiert.
12. Lötverfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der mit der reaktiven Substanz reagierende Stickstoff in der Atmosphäre eines Lötofens bereitgestellt wird.
13. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Lötstelle und/oder die an der Lötstelle bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeenergiemenge durch die an der Lötstelle vorhandene Menge der reaktiven Substanz gesteuert wird.
14. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reaktiven Substanz mindestens ein Phlegmatisierungsmittel beigemischt wird.
15. Lötverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötenden Grundwerkstoffe Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthalten.
16. Wärmetauscher bestehend aus verschiedenen metallischen Grund- Werkstoffen, wobei an mindestens einer Lötstelle zumindest bereichsweise mit Hilfe von Lot, das mit Hilfe von Wärmeenergie aufschmelzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der zum Aufschmelzen des Lots erforderlichen Wärmeenergie an der Lötstelle durch eine exotherme Reaktion erzeugbar ist, an der eine an der Löt- stelle vorhandene reaktive Substanz beteiligt ist.
17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, dem Lot beimischbar ist.
18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf mindestens eine zu verlötende Oberfläche aufbringbar ist.
19. Wärmetauscher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötende Oberfläche vor dem Lötvorgang mit einer Beschich- tung versehbar ist, welche die reaktive Substanz enthält.
20. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz oder ein Reaktionsgemisch, das die reaktive Substanz enthält, auf eine lotplattierte zu verlötende Oberfläche applizierbar ist.
21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz Silizium und/oder silizium- haltige Verbindungen enthält.
22. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass pro Kilogramm der zu verlötenden Grundwerkstoffe 1 bis 500 Gramm der reaktiven Substanz verwendet sind.
23. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch ge- kennzeichnet, dass die an der Lötstelle stattfindende exotherme Reaktion durch Bereitstellen einer Aktivierungsenergie startbar ist.
24. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit einem Katalysator zu- sammenwirkt.
25. Wärmetauscher nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Katalysator ein Nebengruppenelement oder ein Nebengruppenelementoxid verwendet ist.
26. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Substanz mit Stickstoff reagiert.
27. Wärmetauscher nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der reaktiven Substanz reagierende Stickstoff in der Atmosphäre eines Lötofens bereitstellbar ist.
28. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der reaktiven Substanz mindestens ein Phlegma- tisierungsmittel beimischbar ist.
29. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der Lötstelle und/oder die an der Lötstelle bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeener- giemenge durch die an der Lötstelle vorhandene Menge der reaktiven Substanz steuerbar ist.
30. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch ge- kennzeichnet, dass die zu verlötenden Grundwerkstoffe Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthalten.
31. Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein Lötverfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, hergestellt ist.
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