NO885590L - Loddesystem for aluminiumelementer. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system for sammen-føyning av belagte aluminium- eller aluminiumlegeringselementer, og mer spesielt et system anvendbart for lodding av elementer i en aluminiumvarmeveksler.

Oppfinnelsen er også rettet mot en varmeveksler med høy termisk ytelse og høy korrosjonsmotstand fremstilt ved lodding av belagte Al-elementer ved bruk av systemet. En metode for slaglodding av aluminiumdeler hvor delene er sammenføyd ved hjelp av en AlSi slagloddingslegering med lavere smeltepunkt anvendes i dag ved fremstilling av automotive kon-struksjonskomponenter, f.eks. inntaksrør eller varmevekslere. For å fjerne oksydfilmer fra overflatene som skal sammenføyes for å forbedre flyteegenskapene (fukting) til den smeltede loddelegeringen anvendes kloridflussmidler.

Kloridbaserte flussmidler (loddepasta) er både løselige i vann og hygroskopiske, og denne ulempen forårsaker korrosjon av aluminiumelementene hvis rester av flussmiddel eller dets reaksjonsprodukter ikke er fullstendig fjernet fra de slag-loddede delene. Tross flere rense- og vasketrinn er det alltid fare for at noe av loddepastaen blir sperret inne i vanskelig tilgjengelige deler av den loddede konstruksjon og forårsaker korrosjonsproblemer. Videre vil fjerning av flussmidler, f.eks. ved hjelp av varmt vann og syre, resul-tere i økning av produksjonskostnadene, særlig fordi det er nødvendig også å behandle avløpet på grunn av miljømessige krav. For å unngå de ovennenvte ulemper er det i den senere tid blitt utviklet og anvendt flere flussmidler sammensatt av vannuløselige fluoaluminatkomplekser fremstilt ved smelting og blanding av fluoridene KF og A1F3samt andre fluorid-komponenter som beskrevet f.eks. i US patent nr. 4.475.960 og 4.579.605. Disse nye flussmidler kjennetegnes ved høy ak-tivitet, de kan brukes i mindre mengder, og siden de ikke er hygroskopiske er det mulig å forenkle eller sløyfe fluss-fj erningstrinnet.

Noen av disse kompleksene er allikevel veldig kostbare, de fleste må anvendes i en atmosfære av en tørr inert gass, og alle er utviklet for å bli brukt i forbindelse med slaglodding av Al-elementer. Dette representerer høy temperatur sammenføyning, typisk slagloddingstemperatur ligger mellom 555°C og 645C, noe som i tillegg til høyt energiforbruk også innebærer nødvendigheten av en nøyaktig temperaturkontroll for å oppnå stabil produktkvalitet i og med at smeltepunktet for de anvendte slagloddlegeringer ligger nær smeltepunktet for de loddede elementer av aluminium eller aluminiumleger-inger.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er følgelig å fremskaffe et ikke-korroderende loddestystem som kan anvendes ved lave temperaturer for sammenføyning av belagte aluminium- eller aluminiumlegeringselementer.

Et annet formål med oppfinnelsen er å fremskaffe en loddet Al- eller Al-legeringsvarmeveksler med høy termisk ytelse og korrosjonsmotstand med lave fremstillingskostnader.

Overraskende, og i motsetning til det som læres i teknikkens stand, ble det konstatert at loddede sammenføyninger mellom aluminiumelementer med høy pålitelighet og korrosjonsmotstand kan oppnås ved bruk av kloridflussmidler i kombinasjon med sinkbasert loddelegering anvendt som metallbelegg på de sammenstilte aluminiumelementer, hvor det kritisk formulerte (sammensatte) flusssmidlet kombinert med sinkbasert loddemateriale metallurgisk bundet til substratene former systemet ifølge foreliggende oppfinnelse.

I motsetning til forventningene og publikasjoner relatert til teknikkens stand viste det seg at en vannsuspensjon av flussmiddel sammensatt av sinkklorid, ammoniumklorid og natriumfluorid anvendt på overflater av Al-elementer belagt med sinkbasert loddelegering ga en perfekt fukting av de belagte overflatene og loddeforbindelser med en ideell konfigurasjon som sikrer en pålitelig kontakt med høy termisk konduktivitet. Ingen av de utførte korrosjonstester har avdekket noen innvirkning fra flussmiddelrester eller angrep på de loddede Al-elementene.

Foreliggende oppfinnelse, som skissert ovenfor, vil nå bli beskrevet mer detaljert i det følgende under henvisning til utførte tester, foretrukne sammensetninger av de anvendte lodde- og flussmaterialene og Figur 1, som i et tverrsnitt viser en loddet forbindelse oppnådd mellom et sinkbelagt rør og tosidig belagt kjølelamell (finstock).

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan de metalliske elementer, som danner varmeveksleren, f.eks. rør, topp- og sideplater laget av Al eller Al-legeringer, være belagt med sinkbasert loddelegering ved hjelp av hvilken som helst teknikk som sikrer en ordentlig metallurgisk binding mellom loddemateriale og Al-substrater. Generelt forlanges det i en slik be-leggingsprosess at den sinkbaserte legering anvendes i smeltet tilstand ved f.eks. spraying, spruting, skvetting eller neddypping som vist i US patent nr. 4.615.952. Andre teknikker kan allikevel være aktuelle, f.eks. kan den sinkbaserte legering anvendes på Al-overflaten ved hjelp av trykk (såkalt strip cladding prosess), og den endelige ønskede tykkelsen på belegget oppnås ved en etterfølgende (ned)valsing.

Fordelaktig kan det sinkbaserte loddemateriale inneholde fra 2,0 til ca. 6,0 vektprosent aluminium, og vilkårlig, bort-sett fra naturlig forekommende urenheter, noen struktur-modererende elementer, f.eks. Ti eller Mg. Tilsetning av aluminium nedsetter smeltepunktet for loddemidlet betrakte-lig sammenlignet med rent sink, for eksempel er det eutekt-iske smeltetpunktet ved 5% Al bare 382°C. Denne sammensetning forbedrer tilsynelatende til og med den korrosjonspro-tektive virkning av rent sink på aluminiumsubstrat (anode offer effekt), forbedrer flytbarheten til det smeltede loddemateriale og forhindrer en utstrakt diffusjon av sink til aluminium og oppløsning av tynnveggede Al-elementer, noe som er viktig for de etterfølgende formingsoperasjoner. Alle de ovenfor nevnte trekk resulterer i en enklere og lettere prosesskontroll både mht. loddetemperatur og holdetid.

Flussmidlet ifølge oppfinnelsen kan inneholde fra 80-95% ZnCl2, fra 5 til 15% NH4Cl og i tillegg opptil 5% NaF. Den aktuelle (faktiske) sammensetning er optimalisert mht. smeltepunkt slik at flussmidlet kan anvendes over det aktuelle området av loddetemperaturer fra 380 til 430°C. Flussmidlet kan formålstjenlig fremstilles i flytende form innblandet i vann, og den resulterende suspensjon eller slurry påføres Al-elementenes overflate ved hjelp av hvilken som helst egnet metode (pensling, spruting, dypping). Mengden av det påførte flussmidlet er tilpasset den aktuelle loddeoperasjon og dens betingelser.

Eksempel 1

En serie på ti aluminiumradiatorer omfattende valsepletterte (roll clad) topp- og sideplater, belagte trukne og valsede Al-rør og valsepletterte Al-lameller var sammenstilt og loddet sammen ved hjelp systemet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Pletterings-/beleggsammensetning:

5% Al, resten hovedsakelig sink.

Typiske områder for de anvendte pletteringsforhold og be-leggtykkelser:

topp-/sideplater: 7,5% av (vegg)tykkelse,

ca. 13 0/um pletteringslag tosidig pletterte lameller: 10/80/10,

ca. 10/um pletteringslag rørbelegg (coating): 20-80/um

Variasjoner i flussmiddelsammensetning:

vannsuspensjon (15-20%) omfattende 80-95 g ZnCl2, 4-15 g NH4C1 og fra 0-5% NaF.

De pletterte/belagte Al-elementene ble sammenstilt og holdt fast i forhold til hverandre ved hjelp av en egnet jigg. Etter avfetting med trikloretylen var alle overflater som skulle loddes, påsprøytet den ovennevnte flusskomposisjon og overført til et tørketrinn av prosessen. De sammenstilte elementene ble etterpå satt inn i en ovn og holdt ved en temperatur på 43 0°C over en periode på 8-10 minummter, fjernet fra ovnen og bråkjølt til romtemperatur. Prosessen ble avsluttet ved en enkel vaskeoperasjon av radiatorene uten at noen spesiell rensing eller syrevasking ble utført. Mikroskopisk undersøkelse av de resulterende loddeforbindelser mellom rør og lameller, lameller og plater viser høy-kvalitetsforbindelser med minimal porøsitet og innesperrede oksyder og flussrester - se Figur 1.

Figuren viser i tverrsnitt en typisk loddet forbindelse 3 mellom en sinkbelagt rørvegg 1 og tosidig plettert lamell 2. Konfigurasjon av loddeskjøten (sømmen) med lav kontaktvinkel mellom loddematerialet og de sammenføyde Al-elementene demonstrerer klart de ypperlige fuktingsforhold. Loddematerialet er dradd fra overflaten av de sammenstilte Al-elementene til sømmen ved hjelp av kapillare krefter, og bare et tynt lag av beskyttende sinkmateriale er etterlatt på Al-elementene utenfor loddesømmene. Det finnes praktisk talt ingen oppløsning av lamellmaterialet, og selv med den relativt store loddefilet (kilen) som dannes, er forekomsten av porøsitet nesten lik null.

De åpenbare fordeler ved slike loddeforbindelsr er en ypper-lig varmeovergang mellom rør og lameller på grunn av stort kontaktareal og ingen porøsitet, ypperlige korrosjons- og utmatningsegenskaper i loddeforbindelsen (ingen sprekker eller innleiringer). Det resterende tynne sinklaget, som dekker alle komponentene, sikrer en effektiv beskyttelse mot hullkorrosjon på Al-elementene.

Radiatorene ble deretter utsatt for korrosjon saltsprøyte-test (SS DIN 50021). Etter 1.000 timers eksponering i salt fantes det ingen hull (pitting) korrosjon på Al-elementene. En supplerende fuktighetstest (KK DIN 50017) ble videre utført med radiatorene - eksponering til 100% fuktighet i 1.000 timer og ingen hullkorrosjon ble registrert på det sinkbelagte aluminium.

Eksempel 2

En tilsvarende loddetest ble utført med den samme fluss-sammensetning og under de samme forhold som i Eksempel 1. Lameller av aluminiumlegering AA 3 003 uten belegg isteden-for valsepletterte lameller ble brukt sammen med trukne Al-rør belagt med lag fra 20-80/um bestående av 5% Al og resten sink. De resulterende loddesømmene mellom lamellene og rørene ble av liknende kvalitet som i Eksempel 1.

Tilsynelatende er det mulig å anvende sammenføyningssystemet ifølge oppfinnelsen på visse Al-legeringer til og med for lodding av belagte Al-elementer til Al-elementer uten (Zn) belegg. Imidlertid oppnår man ingen korrosjonsbestyttelse fra sink på Al-elementer uten belegg, og det er fare for at det forekommer rester av flussmiddel og oksyd fra lameller innleiret i loddesømmene. Det anvendte flussmiddel skal i dette tilfelle også ha det høyeste testede innhold av NaF for å forbedre fuktingen av bare Al-overflater.

Uten å ha en fullstendig forklaring på alle de enestående og synergetiske egenskaper ved foreliggende sammenføyningssys-tem er det åpenbart den velbalansert mengde av en optimalisert fluss-sammensetning som sikrer at kloridene er utsatt for en fullstendig dekomposisjon i det smeltede sinkbaserte loddematerialet. Flussmidlet er aktivisert ved en temperatur som ligger like under smeltepunktet for loddelegeringen og fukter og penetrer det ytre sinkoksydlaget. Sink fra ZnCl2er redusert til metallisk sink og pletteres på sinkunderlag. En blanding av klorider og oksyklorider fra de andre komponentene frigjøres i den følgende gassutvikling, noe som sammen med ovennevnte pletteringsoperasjon løfter oksydlaget fra sinkoverflaten og sikrer derved at ingen rester av flussklorider er oppdaget på overflaten av de loddede elementene. Nesten samtidig smelter det metallurgisk bundne sinkloddede materialet, og takket være en optimal flusskomposisjon mht. smeltepunktet finnes det ikke tid til re-ok-sydasjon av loddematerialet.

I fravær av oksydlag flyter loddematerialet fritt og danner loddesøm. Således er det en signifikant forskjell mellom anvendelse av kloridflussmiddel på bar aluminium og sinkbelagte Al-elementer. Et mindre aggressivt flussmateriale kan anvendes i sistnevnte tilfelle både mht. komponenter og deres konsentrasjon, f.eks. kan innholdet av NaF reduseres vesentlig og til og med muligens sløyfes når alle de sammenføyde Al-elementene er plettert eller belagt med et sinklag. Ved å bruke sinkbasert loddemateriale inneholdende opptil 6% Al sikres at bare en minimal oppløsning av tynnveggede lameller og forekomst av sprø faser finner sted i løpet av loddeprosessen. Noe aluminium fra substratene kan allikevel løses opp i loddematerialet slik at Al-innholdet i belegget kan være noe lavere enn det tilsiktede sluttnivå.

Det er flere klare fordeler forbundet med bruk av foreliggende system for fremstilling av aluminiumvarmevekslere. Lodding er en lavtemperatur prosess - 380 til 430°C sammenlignet med den nåværende brukte slaglodding som opererer i området fra 550 til 645°C. Produksjonssyklusen er redusert til 8-10 minutter, og det trengs ingen forlenget holdetid ved topptemperaturen. Man har ingen spesielle krav til ovns-atmosfære eller behov for etterrensingstrinn som vasking med syre. Et spesielt trekk ved varmevekslere fremstilt ved lodding basert på systemet ifølge oppfinnelsen er muligheten for en lettvint reparasjon av defekte forbindelser ganske enkelt ved å bruke f.eks. blåselampe på det defekte området.

Claims (3)

1. System for sammenføyning av belagt aluminium eller aluminiumelementer, karakterisert ved at systemet omfatter sinkbasert loddemateriale skaffet tilveie in situ mellom sammenføyde aluminiumelementer ved å smelte i det minste en del av belegget på elementene omfattende opptil 6 vekt% Al og resten hovedsakelig sink, og flussmiddel omfattende fra 80 til 95% ZnCl2 , fra 2 til 15% NH4 C1 og fra 0 til 5% NaF beregnet som solid løsning.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at loddematerialet omfatter fra 4-6 vekt% Al og flussmidlet omfatter fra 85 til 90 vekt% ZnCl2 , fra 8 til 12% NH4 C1 og fra 1 til 3% NaF.

3. Aluminiumvarmeveksler omfattende i det minste ett aluminiumelement belagt eller plettert med sinkbasert loddemateriale og hvor i det minste én overflate er forbundet med andre aluminiumelementer ved hjelp av loddeforbindelser, karakterisert ved at loddeforbindelsene er formet in situ ved smelting av loddebeleggsmaterialet omfattende fra 2 til 6 vekt% Al og resten hovedsakelig sink og hvor loddebelegget er forbehandlet med en flussmiddel-suspensjon omfattende i vektprosent som solid løs-ning fra 80 til 95% ZnCl2 , fra 5 til 15% NH4 C1 og opptil 5% NaF.