DE10032975B4

DE10032975B4 - Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen

Info

Publication number: DE10032975B4
Application number: DE10032975A
Authority: DE
Inventors: Stefan Felber; Albert Dipl.-Ing. Schmitz (FH); Jochen Straub
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: DE10032975A1

Abstract

Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen, bei dem als Lotzusatzwerkstoff ein Pulver (CD-Pulver) aus Aluminiumlotkügelchen (AlSi 12), die mit einem die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind, verwendet wird, das durch Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht wird und dann erhärtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme nur örtlich beschränkt durch einen Laserstrahl (3, 4) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen, bei dem als Lotzusatzwerkstoff ein Pulver (CD-Pulver) aus Aluminiumlotkügelchen (AlSi12), die mit einem die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind, verwendet wird, das durch Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht wird und dann erhärtet.

Ein Hartlötverfahren dieser Art ist aus der EP 0 703 846 B1 bekannt. Solche Hartlötverfahren werden in der Praxis bei der Herstellung von Wärmeübertragern im Kraftfahrzeugbau auch eingesetzt. Diese Verfahren, die unter dem Markennamen "Nocolok"-Verfahren bekannt sind, sehen vor, dass die zu verlötenden Aluminiumteile zunächst gereinigt und dann mit dem CD-Pulver versehen werden, das bsp. in einer Flüssigkeit gelöst oder pastenförmig vermischt aufgetragen wird. Die so präparierten und zusammengesteckten Teile werden dann in einem Lötofen erwärmt, wobei der Lotzusatzwerkstoff schmilzt und sich innig mit den zu verlötenden Aluminiumteilen verbindet. Wegen der Notwendigkeit die Teile in einen Lötofen zu bringen, ist dieses Verfahren sehr aufwendig und dann nicht einsetzbar, wenn bsp. nur örtliche Reparaturen an Wärmeübertragern vorgenommen werden sollen.

Für solche örtlichen Lötungen wird in der Regel das Flammlöten von Hand eingesetzt.

Bauteile mit sehr dünnen Wandstärken unter 1 mm, wie sie heute für die Herstellung von Kühlern im Kraftfahrzeugbau verwendet werden, können mit Flammlöten nur sehr schwer oder gar nicht bearbeitet werden, weil die Wärmeeinbringung zu groß und zu schlecht kontrollierbar ist. Dies führt dazu, dass viele reparaturbedürftige oder undichte Wärmeübertrager in der Produktion nicht repariert werden und verschrottet werden. Das Flammlöten ist außerdem arbeits- und zeitintensiv.

Es ist bei der Herstellung von Bauteilen aus Aluminium, auch bei der Herstellung von Wärmeübertragern im Kraftfahrzeugbau auch schon bekannt, die Teile durch Anwendung eines Laserstrahls zu verschweißen ( EP 0 660 064 B1 ). Das eingangs erwähnte Hartlöten unterscheidet sich vom Schweißvorgang jedoch dadurch, dass beim Löten nur der Lot-Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden soll und das Grundmaterial nicht anschmilzt. Das Hartlöten von Aluminium mit Hilfe von Materialbearbeitungslasern (CO2-Nd: YAG- oder Diodenlaser) ist bisher noch nicht prozesssicher beherrscht und wird daher auch nicht eingesetzt. Dabei treten zwei Hauptprobleme beim Aluminiumlöten mit dem Laser auf. Aluminiumoberflächen weisen nämlich eine hochschmelzende Oxidschicht auf und es muss daher eine große Leistungsdichte eingesetzt werden, um diese Oxidschicht aufzuschmelzen. Um die Schmelztemperatur der Aluminiumoxidschicht von etwa 2000° C zu erreichen, ist eine große Energiemenge notwendig. Zum zweiten besitzen Aluminiumoberflächen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit und reflektieren daher den Großteil einer auftreffenden Laserstrahlung. Diese reflektierte Strahlung geht dem Prozess verloren.

Bedingt durch den geringen Einkoppelgrad der Laserstrahlung in Aluminiumoberflächen und bedingt durch die hochschmelzende Oxidschicht kann es dazu kommen, dass der Laser entweder gar nicht einkoppelt oder dazu, dass nach erfolgter Einkopplung die Oxidschicht bei 2000° C schmilzt und der Grundwerkstoff, dessen Schmelzpunkt bei etwa 600° C liegt, gleich mit aufschmilzt. Ein Hartverlöten ist daher mit dem Laser auf die bisher bekannte Weise nur bedingt möglich. Möglich ist lediglich (siehe oben) ein Verschweißen oder auch ein Schneiden mit dem Laserstrahl.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde nach einem Hartlötverfahren der Eingangs genannten Art zu suchen, das sich insbesondere auch für Reparaturarbeiten oder für örtliche Bearbeitungen eignet.

Zu Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Wärme nur örtlich beschränkt durch einen Laserstrahl aufgebracht wird. Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, dass der an sich bekannte Lotzusatzwerkstoff, wie er beim sog. "Nocolock"-Verfahren verwendet wird, sich besonders gut durch einen Laserstrahl schmelzen lässt, wobei eine relativ geringe Wärmeenergie zuzuführen ist. Dieser Effekt ist wohl darauf zurückzuführen, dass das aufgebrachte Pulver als Lotzusatzwerkstoff eine rauhe graue Oberfläche aufweist, in die die Laserstrahlung wesentlich besser einkoppelt als in blanke Aluminiumoberflächen. Die aufgebrachte CD-Pulverschicht bildet eine Art "Kugelgebirge", in der der Strahl durch Vielfachreflexionen gefangen wird. Es wird dadurch möglich einen höheren Energieanteil der Laserstrahlung in das Pulver einzukoppeln und es entstehen kaum Reflexionsverluste. Die aufgebrachte CD-Pulverschicht kann damit als eine Art Strahlenfalle bezeichnet werden. Die darunter liegende blanke Oberfläche des Aluminiumteils reflektiert die Laserstrahlung. Der Laser koppelt damit nicht in die Oberfläche des Grundwerkstoffes ein und es schmilzt in gewünschter Weise nur die Lotbeschichtung auf.

Dabei sorgt die Beschichtung der Aluminiumlotkugeln dafür, dass die Oxidschicht auf dem Grundwerkstoff reduziert wird, so dass die Lötverbindung zustande kommt.

Das neue Verfahren öffnet dabei die Möglichkeit, kleinste aber auch größere Bereiche von Aluminiumbauteilen mit geringster Wärmebelastung zu verlöten. Das neue Verfahren kann daher sowohl in der Produktion, als auch für Reparaturverfahren eingesetzt werden.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Laserstrahl defokussiert werden, um Lötspuren größerer Breite zu erreichen. Die aufgebrachte Energie reicht immer noch aus um den Lotzusatzwerkstoff aufzuschmelzen.

Die Wärmezufuhr erfolgt zweckmäßig unter Schutzgas. Um zu vermeiden, dass ein aufgestreutes Pulver vor dem Aufschmelzen durch den Schutzgasstrom weggeblasen wird, kann vorgesehen werden, dass das als Lotzusatzwerkstoff vorgesehene Pulver vor dem Auftrag mit einen Kleber oder Binder gemischt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, das Pulver mit dem Binder zu einer Paste zu mischen, die durch übliche Auftragsverfahren auf die Aluminiumteile aufbringbar ist. Durch die Maßnahme kann das Lotpulver gezielt aufgebracht werden und bsp. auch in einer Breite, die kleiner ist als die Breite des defokussierten Laserstrahls. Damit wird die Sicherheit gegeben, dass der gesamte aufgebrachte Lotzusatzwerkstoff aufschmilzt und keine Reste verbleiben, die nach dem Lötvorgang entfernt werden müssen.

Die Erfindung wird im folgendem anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer nach der Erfindung mit einem Lotzusatzwerkstoff beschichteten Oberfläche und mit einem auf diese Oberfläche gerichteten Laserstrahl vor dem Aufschmelzen
1a die Darstellung nach 1 jedoch nach dem Aufschmelzen der Schicht
2 eine Darstellung ähnlich 1, jedoch mit einem Lotzusatzwerkstoff der nur in einem bestimmten Bereich aufgetragen ist und vor dem Aufschmelzen
2a die Anordnung nach 2 nach dem Aufschmelzen
3 die schematische Darstellung einer Verbindungslötung zwischen zwei aneinandergrenzenden Teilen nach dem Einbringen des Lotzusatzwerkstoffes in die Fuge
3a die Darstellung nach 3 nach dem Lötvorgang
4 ein Anwendungsbeispiel für das neue Hartlötverfahren beim Löten einer Rohr/Rohrbodenverbindung
5 die Anwendung des neuen Verfahren bei einer Deckel/Bodenverbindung und
6 die Anwendung des Verfahrens bei einer Verbindung zwischen einem Halter und einem Gehäuse.
1 zeigt zunächst den Grundwerkstoff 1 d.h. eine Aluminiumplatte. Die Oberseite dieser Aluminiumplatte ist mit einem Lotzusatzwerkstoff 2 in der Form eines CD-Pulvers beschichtet. Dieses CD-Pulver, das in bekannter Weise bsp. nach der Lehre des US-Patentes 5,749,938 hergestellt wird, in dem das Lot aus einer flüssigen Schmelze unter Stickstoffatmosphäre verdüst wird. Dabei entstehen kleine Lotkugeln, die noch unter Stickstoffatmosphäre mit flüssigen "Nocolok" d.h. mit einem die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind. Dieses Flussmittel hat beim Löten die Eigenschaft, dass es die Aluminiumoxidschicht reduziert und damit eine Verlötung zweier Aluminiumbauteile ermöglicht.
Vor dem Auftrag wird das CD-Pulver zweckmäßig mit einem Bindersystem abgemischt, so dass es in einfacher Weise aufgetragen werden kann.
Diese so gebildete, aus kleinsten Kügelchen aufgebaute Schicht wird mit einem Laserstrahl beaufschlagt, dessen Fokus 3 oberhalb der Oberfläche der Schicht 2 liegt. Der Laserstrahl ist daher defokussiert, was mit Hilfe des Abstands Linse 4/Werkstoffoberfläche einstellbar ist. Die vom Laser aufgebrachte Intensitätsverteilung ist daher, da der Laserstrahl nicht gebündelt mit seinem Fokus auftrifft, geringer als beim üblichen Laserschweißen.
Die 1a zeigt das Ergebnis des Wärmeeintrags über den Laser. Es ist eine Lötnaht 5 entstanden, an die geschmolzene Flussmittelreste 6 angrenzen. Außerhalb dieser so entstandenen Lötspur befinden sich noch unaufgeschmolzene Reste des Lotzusatzwerkstoffes 2.
Die Anwendung sieht vor, dass der Lotzusatzwerkstoff als durchgehende Schicht aufgetragen ist.
Die 2 zeigt nun, dass der Lotzusatzwerkstoff 2 in Form einer Lotspur nur in einer Breite auf den Aluminiumgrundwerkstoff 1 aufgebracht ist, die kleiner ist als die Breite b des Laserstrahls beim Auftreffen auf den Grundwerkstoff 1. Durch diese Maßnahme wird, wie 2a erkennen lässt, erreicht, dass die auftragsgelötete Lötnaht 5 mit seitlichen geschmolzenen Flussmittelresten 6 entsteht, dass aber keine unaufgeschmolzenen Reste des CD-Pulvers wie beim Beispiel der 1a verbleiben. Es empfiehlt sich daher, den Lotzusatzwerkstoff 2 immer begrenzt nur in den Bereichen aufzutragen, in denen auch eine Verlötung stattfinden soll. Dies bedingt die entsprechende Auswahl eines Klebers oder Binders, der auch in der Lage ist, das CD-Pulver fest auf der Oberfläche haften zu lassen. Dies ist wichtig – wie vorher schon ausgeführt – um ein Wegblasen des Pulvers durch das während des Lötvorgangs zugeführte Schutzgas zu verhindern. Jedes dieser Bindersysteme besteht dabei aus einem Kleber und einem Lösemittel. Je nach Art des Lösemittels und des Binders muss die Beschichtung getrocknet werden oder nicht.
Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn ein Bindersystem der Fa. Degussa – Hüls, Nr. 10 verwendet wird. Dieser Binder muss für 3 Minuten auf 150° C erhitzt werden, damit er abbindet. Nur dann hat er seine volle Haftung durch Polymerisation. Mit einem solchen Binder wurden sehr gute Lötergebnisse erzielt. Da auch hier organische Bestandteile verbrannt werden können, wird mit Schutzgas gearbeitet.
Die Spur des Lötzusatzwerkstoffes 2 nach 2 kann auf verschiedene Weise aufgebracht werden. Sie kann mit einem Pinsel, mit einer Rolle, mit einer Handspritzpistole oder auch mit Lackierautomaten appliziert werden.
Gemäß 3 ist Lot-Zusatzwerkstoff 2 zwischen zwei zu verlötende Aluminiumteile 7 und 8 eingebracht. Der Lotzusatzwerkstoff 2 befindet sich im Spalt zwischen den zu verbindenden beiden Aluminiumteilen 7 und 8. Wird hier wiederum mit einem Laser, der defokussiert ist, nur der Bereich dieses Spaltes beaufschlagt, dann schmilzt der Lotzusatzwerkstoff und bildet die komplett geschmolzene Lotnaht 9. Das geschmolzene Lot dringt dabei durch Kapillarwirkung in den Spalt ein, so dass eine Lotnaht 9 (3a) ensteht. Im Bereich 10 kann es dabei je nach Wärmeeinwirkung aber auch zur Tropfenbildung kommen.
Die 4 zeigt die Anwendung des neuen Lötverfahrens für das Einlöten eines Rohres 11 in einen Rohrboden 12. Die 4 zeigt, dass in diesem Fall eine Lotdepottasche in der Form einer umlaufenden Vertiefung 13 im Bereich der das Rohrende umgebenden Öffnung des Rohrbodens 12 geschaffen werden kann. Die Lotdepottasche kann dazu benutzt werden, Lötpaste gezielt und in richtiger Menge aufzunehmen und festzuhalten, ehe das Aufschmelzen des Lotzusatzwerkstoffes durch den schematisch mit dem Pfeil 14 angedeuteten Laserstahl erfolgt.
Die 5 zeigt, dass ein Deckel 15 passgenau in eine Ausnehmung eines Rohrbodens 16 eingesetzt wird und im Übergangsbereich zwischen Deckel und Rohrboden 16 Lötpaste 17 ringförmig aufgebracht wird. Auch in diesem Fall kann eine gezielte Menge ohne Probleme an der richtigen Stelle angebracht werden, die dann durch Anwendung des Laserstrahls die Verlötung sichert.
Die 6 schließlich zeigt den Teil 18 eines Gehäuses, an dem ein Halter 19 angebracht werden soll. Am Fuß 19a dieses winkelförmigen Halters 19 wird dabei umlaufend oder nur an gegenüberliegenden Kanten Lotpaste 20 in ähnlicher Weise in den Winkel zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen eingefügt, wie das auch anhand von 5 schon geschildert wurde. Nach Anwendung des Lasers entsteht eine stabile Lotverbindung.
Bei allen Hartlötungen der bisher geschilderten Art, aber auch bei allen noch weiter denkbaren Anwendungsmöglichkeiten kann als Schutzgas Helium oder Argon verwendet werden.
Denkbar ist es auch, das CD-Pulver mit einem Binder in die Form von ausgehärteten Lotringen zu bringen, die dann durch Einwirkung des Lasers an der gewünschten Stelle schmelzen.
Eine solche Anwendung dürfte sich besonders vorteilhaft für das Einlöten von Rohren in Rohrböden von Wärmeübertragern und für das Auflöten von Wasserkästen eignen.

Claims

Verfahren zum Hartlöten von Aluminiumteilen, bei dem als Lotzusatzwerkstoff ein Pulver (CD-Pulver) aus Aluminiumlotkügelchen (AlSi 12), die mit einem die Oxidschicht reduzierenden Flussmittel beschichtet sind, verwendet wird, das durch Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht wird und dann erhärtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme nur örtlich beschränkt durch einen Laserstrahl (3, 4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4, 3) defokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr unter Schutzgas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das als Lotzusatzwerkstoff (2) vorgesehene Pulver in einer Breite aufgebracht wird, die kleiner ist als die Breite (b) des defokussierten Laserstrahls (3, 4).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das als Lotzusatzwerkstoff (2) vorgesehene Pulver vor dem Auftrag mit einem Kleber oder Binder gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mit dem Binder zu einer Paste gemischt wird, die durch üblich Auftragsverfahren auf die Aluminiumteile (1) aufbringbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass als Binder das Bindersystem Nummer 10 der Fa. Degussa – Hüls vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Argon oder Helium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an einem der miteinander zu verbindenden Teile (12) und angrenzend zum zweiten Teil eine Lotdepottasche (13) angebracht wird, die zur Aufnahme und Halterung einer für die Verlötung ausreichenden Menge des Lotzusatzwerkstoffes dient.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Lotdepottasche als eine umlaufende Nut (13) zwischen dem Ende eines Rohres (11) und einer Öffnung in einem Rohrboden (12) ausgebildet ist und mit Lotpaste gefüllt wird.