NO168345B

NO168345B - PROCEDURE FOR LOADING AL-COMPONENTS

Info

Publication number: NO168345B
Application number: NO894006A
Authority: NO
Inventors: Geoffrey Eamonn Doyle
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-11-04
Also published as: WO1991004825A1; AU6446390A; NO894006L; NO894006D0; NO168345C

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fluksløs lodding av Al-elementer hvor i det minste ett av de sammenføyde (loddede) elementene er belagt med et loddelag av sinklegering som er metallurgisk bundet til aluminiumsubstratet, og mer spesielt en fluksløs loddeprosess hvor det anvendes vibrasjon på utvalgte sammenstilte elementer. The present invention relates to fluxless soldering of Al elements where at least one of the joined (soldered) elements is coated with a solder layer of zinc alloy which is metallurgically bonded to the aluminum substrate, and more particularly a fluxless soldering process where vibration is used on selected assembled elements.

Problemer forbundet med lodding av aluminiumelementer pa grunn av at det dannes et seigt okdydlag på overflaten av Al-elementene er velkjente og er beskrevet i flere publikasjoner. For å oppnå sterke og pålitelige forbindelser anvendes det idag følgelig forskjellige fluksmaterialer, f.eks. kloridflukser, til loddeoperasjonen. Flukser som blir brukt til å fjerne oksydfilmer fra Al-overflåtene og til forbedring av fukteegen-skapene til de smeltede loddematerialene er vanligvis vannløse-lige og hygroskopiske, noe som medfører korrosjonsproblemer med Al-elementene hvis restfluksen ikke er fullstendig fjernet fra de sammenføyde elementene. Videre kan det også oppstå miljøproblemer, og prosesskostnadene øker på grunn av nødvendigheten av å behandle utslipp fra prosessen. Problems associated with soldering aluminum elements due to the formation of a tough oxide layer on the surface of the Al elements are well known and have been described in several publications. In order to achieve strong and reliable connections, different flux materials are therefore used today, e.g. chloride fluxes, for the soldering operation. Fluxes used to remove oxide films from the Al surfaces and to improve the wetting properties of the molten solder materials are usually water-soluble and hygroscopic, causing corrosion problems with the Al elements if the residual flux is not completely removed from the joined elements. Furthermore, environmental problems can also arise, and process costs increase due to the need to treat emissions from the process.

Faste forbindelser mellom de sammenføyde elementene under anvendelse av sink eller sinklegering som loddemateriale ble tidligere oppnådd ved å bruke en fremgangsmåte for sammenføy-ning av sinkbelagte Al-elementer med ubelagte Al-elementer slik det fremgår av US patent nr. 4.754.913 basert på multi-trinn vibrasjon av hele sammenstillingen av sammenføyde deler i en fikstur. Denne type vibrasjonsbehandling, f.eks. anvendt på en radiatorskjerne som typisk inneholder rundt 30.000 individuelle forbindelser og består av deler med vidt for-skjellig geometri og dimensjoner, kan ikke garantere at vibrasjonsenergi blir overført jevnt til alle de aktuelle forbindelser. Fixed connections between the joined elements using zinc or zinc alloy as brazing material were previously achieved by using a method for joining zinc-coated Al elements with uncoated Al elements as shown in US patent no. 4,754,913 based on multi -step vibration of the entire assembly of joined parts in a fixture. This type of vibration treatment, e.g. applied to a radiator core which typically contains around 30,000 individual connections and consists of parts with widely different geometry and dimensions, cannot guarantee that vibration energy is transferred evenly to all the relevant connections.

Videre er det vanskelig å opprettholde den nødvendige kontakten på hver forbindelse i en komplett kjerne, spesielt når det gjelder flatovale rør. Sammenbryting (kollaps) av slike rør erfares som et problem for den eksisterende fluksbaserte loddeteknologi. Furthermore, it is difficult to maintain the necessary contact on each connection in a complete core, especially in the case of flat-oval tubes. Collapse of such pipes is experienced as a problem for the existing flux-based soldering technology.

Endelig medfører nødvendigheten av å anvende flere vibra-sjonsperioder at hele kjernen holdes ved forhøyet loddetemperatur i 5 til 6 minutter, noe som kan resultere i alvorlige problemer med diffusjon av sink til Al-substratene. Finally, the necessity of using several vibration periods means that the whole core is kept at an elevated soldering temperature for 5 to 6 minutes, which can result in serious problems with the diffusion of zinc to the Al substrates.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en forbedret fremgangsmåte for fluksløs lodding av Al-elementer under anvendelse av vibrasjonsenergi som sikrer at vibrasjonen overføres jevnt til alle forbindelser uansett deres geometri, og som videre sikrer god kontakt mellom alle de samlede deler og opprettholdelse av denne kontakten ved loddetemperaturer i en forutbestemt tidsperiode. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for fluxless soldering of Al elements using vibration energy which ensures that the vibration is transmitted uniformly to all connections regardless of their geometry, and which further ensures good contact between all the assembled parts and maintenance of this contact at soldering temperatures for a predetermined period of time.

Et annet formål med oppfinnelsen er å fremskaffe en fremgangsmåte ved lodding uten skadelige røykutslipp, uten behov for avsluttende rensetrinn samt en fremgangsmåte som anvender en konvensjonell ovn med normal atmosfære. Another object of the invention is to provide a method for soldering without harmful smoke emissions, without the need for a final cleaning step and a method that uses a conventional oven with a normal atmosphere.

Disse og andre formål oppnås i samsvar med foreliggende oppfinnelse ved en fremgangsmåte basert på en kombinasjon av metallurgisk bundet sinklegeringsloddelag tilveiebragt på i det minste ett av de sammenføyde elementene og mekanisk ekspansjon av rør ved forhøyet loddetemperatur ved hjelp av en vibrerende dor. These and other objects are achieved in accordance with the present invention by a method based on a combination of metallurgically bonded zinc alloy solder layer provided on at least one of the joined elements and mechanical expansion of tubes at elevated soldering temperature by means of a vibrating mandrel.

Fremgangsmåten vil nå bli nærmere forklart i den følgende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen og ved hjelp av de vedlagte tegninger, fig. 1-3, hvor The method will now be explained in more detail in the following detailed description of the invention and with the help of the attached drawings, fig. 1-3, where

Fig. 1 viser skjematisk prinsippet med innføring av Fig. 1 schematically shows the principle with the introduction of

en dor i de sammenstilte rør, a mandrel in the assembled tubes,

Fig. 2 er et fotografisk bilde av de resulterende forbindelser mellom kjølelameller (finstock) Fig. 2 is a photographic image of the resulting connections between cooling fins (finstock)

og rør, og and tube, and

Fig. 3 illustrerer klarere dannelse av kompakte forbindelser med høy styrke mellom rørene og lamellene. Fig. 3 illustrates more clearly the formation of compact connections with high strength between the tubes and the lamellae.

Den fremlagte fremgangsmåte for fluksløs lodding av Al-elementer er spesielt egnet for kommersiell produksjon av varmevekslere omfattende rør, lameller og topp- og sideplater, hvor i det minste rørene og fortrinnsvis også platene er belagt på den ene siden med et sinklegeringslag som er metallurgisk bundet til Al-substratene. The presented method for fluxless soldering of Al elements is particularly suitable for the commercial production of heat exchangers comprising tubes, fins and top and side plates, where at least the tubes and preferably also the plates are coated on one side with a metallurgically bonded zinc alloy layer to the Al substrates.

Den ovennevnte sammenstilling av komponenter er plassert i en konvensjonell ovn med normal atmosfære for å smelte det anvendte loddematerialet. Det vises til fig. 1 hvor, etter at man har nådd den forutbestemte temperatur, en vibrerende dor 7 kjøres gjennom rørene og trekkes ut igjen. Figur 1 viser skjematisk den sammenstilte varmevekslerkjerne 1 omfattende topplater 2 utstyrt med åpninger 21 som huser et flertall av parallelle flatovale rør 3. Belagte eller ubelagte lameller 4 er anbragt i et sikksakk mønster mellom de sinkbelagte flate rørene 3. Sideplater 5 er anordnet mellom topplatene 2 for å lukke inn kjernesammenstillingen. Etter uttrekking av den vibrerende dor 7 fra de individuelle rørene 3 luftkjøles hele sammenstillingen for å danne loddesømmer etterfulgt av bråkjøl-ing i vann. The above assembly of components is placed in a conventional furnace with normal atmosphere to melt the solder used. Reference is made to fig. 1 where, after the predetermined temperature has been reached, a vibrating mandrel 7 is driven through the pipes and pulled out again. Figure 1 schematically shows the assembled heat exchanger core 1 comprising top plates 2 equipped with openings 21 which house a plurality of parallel flat-oval tubes 3. Coated or uncoated lamellae 4 are arranged in a zigzag pattern between the zinc-coated flat tubes 3. Side plates 5 are arranged between the top plates 2 to enclose the core assembly. After extraction of the vibrating mandrel 7 from the individual tubes 3, the entire assembly is air-cooled to form solder seams followed by quenching in water.

Dorens virkemåte og funksjon er todelt. For det første bryter den anvendte vibrasjonen opp oksyden på overflaten av den smeltede sinklegeringen, noe som tillater fri flyt av loddematerialet til sammenføyningene. For det andre sikrer en viss mekanisk ekspansjon av rørene, som oppnås samtidig, god og pålitelig kontakt under loddeoperasjonen og resulterer videre 1 utdriving av sinkoksyd og eventuelt overskudd av loddemateriale fra sammenføyningene. De resulterende loddesømmene oppviser høy styrke og perfekte loddekiler, som illustrert i figurene 2 og 3. Doren's mode of operation and function is twofold. First, the applied vibration breaks up the oxide on the surface of the molten zinc alloy, allowing free flow of the solder to the joints. Secondly, a certain mechanical expansion of the pipes, which is achieved at the same time, ensures good and reliable contact during the soldering operation and further results in the expulsion of zinc oxide and any excess solder material from the joints. The resulting solder seams exhibit high strength and perfect solder wedges, as illustrated in Figures 2 and 3.

Eksempel Example

Små varmevekslere i laboratorieskala, omfattende Small laboratory-scale heat exchangers, comprehensive

2 sinklegeringskledde topplater 2 zinc alloy clad top plates

2 sinkkledde sideplater 2 zinc-clad side plates

8 flatovale rør belagt med sinklegering 8 flat oval tubes coated with zinc alloy

5 lamellseksjoner kledd med sink, 5 lamellar sections clad with zinc,

ble satt sammen og den resulterende sammenstillingen plassert i en enkel fikstur i en laboratorieovn med normal atmosfære tilkoblet måle termoelementer. Prøven ble videre varmet opp til was assembled and the resulting assembly placed in a simple fixture in a normal atmosphere laboratory oven connected to measuring thermocouples. The sample was further heated to

420°C for å smelte ned loddematerialet med sinklegering. Etter smelting av loddematerialet ble den vibrerende doren ført inn i rørene, kjørt gjennom og trukket ut igjen. Prøven ble luftkjølt for å størkne loddematerialet og videre bråkjølt i vann. 420°C to melt down the zinc alloy solder. After melting the solder material, the vibrating mandrel was introduced into the tubes, driven through and pulled out again. The sample was air-cooled to solidify the solder material and further quenched in water.

Det ble foretatt metallografisk undersøkelse av den resulterende kjerne. Høykvalitets loddesømmer mellom lameller og rør med utmerket fukting og loddekiler som viser minimal oppløsning av lameller og minimal (søm) porøsitet ble oppnådd (se fig. 2 og 3). Dette betyr fremskaffelse av sterke koherente forbindelser mellom de loddede elementer, noe som resulterer i forbedret varmeledningsevne og utmatningsegenskaper. Dette er igjen veldig viktige egenskaper for mange anvendelser av den foreliggende nye metode for fluksløs lodding, f.eks. ved fremstilling av radiatorer. A metallographic examination of the resulting core was carried out. High-quality solder seams between lamellae and tubes with excellent wetting and solder wedges showing minimal dissolution of lamellae and minimal (seam) porosity were achieved (see Figs. 2 and 3). This means providing strong coherent connections between the brazed elements, resulting in improved thermal conductivity and fatigue properties. These are again very important properties for many applications of the present new method for fluxless soldering, e.g. in the manufacture of radiators.

Claims

1. Procedure for fluxless soldering of aluminum elements during the production of heat exchanger cores comprising tubes, lamellae, top and side plates, where at least one of the elements of the core is provided with a metallurgically bonded solder layer, the elements are assembled and the resulting assembly is heated to a temperature above the melting point of the used solder layer material and solder seams are formed between the assembled elements, characterized by the fact that the solder seams are formed by means of simultaneous mechanical expansion and vibration of the pipes during the introduction of vibrating mandrels in the pipes, bg where the entire assembly is cooled to ambient temperature.

2. Method according to claim 1, characterized in that the soldering process is carried out by using a vibration frequency of from 3,000 to 5,000 oscillations per minute.

3. Method according to one or more preceding claims, characterized in that the vibration time is from 20 to 60 seconds.