Verfahren zum Löten von Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder Knetlegierungen, in einem Lötofen, insbesondere einem Durchlauflötofen oder einem Batch-Type-Lötofen, der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen.

Das Löten von Aluminium-Wärmetauschern wird in so genannten Schutzgas-Durchlauföfen mit Flussmittel durchgeführt. Im Bereich der Ofenmuffel hat die Ofenatmosphäre zwischen einer Eintrittsöffnung und einer Ausgangsöffnung einen Sauerstoffgehalt von circa 500 ppm im Eingangsbereich und circa 40 ppm im so genannten Lötbereich. Mit einem derartigen Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre ist ein flussmittelfreies Löten kaum oder nicht möglich. Flussmittel sind nichtmetallische Stoffe, die vor Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes schmelzen und die zu lötende Oberfläche benetzen. Dadurch wird eine sich auf der Oberfläche von Aluminium und der Sauerstoffatmosphäre bildende Oxidschicht gelöst oder weggeschwemmt. Das Flussmittel verhindert gleichzeitig eine neue Oxidation der Oberfläche durch in der Ofenatmosphäre vorhandenen Restsauerstoff. Bekannte Lötverfahren mit Flussmittel sind das Nocolok-Verfahren und das CAB- Lötverfahren (Controlled Atmosphere Brazing). Das Aufbringen des Flussmit- tels ist aufwendig und kostenintensiv. Darüber hinaus sind die Bauteile nach

dem Löten mit Flussmittel beaufschlagt, was insbesondere bei der Verwendung von chloridischen Flussmitteln einen aufwendigen Reinigungsvorgang appliziert. Weitere Nachteile bei der Flussmittellötung sind: Kosten des Flussmittels, Invest- und Betriebskosten der Befluxungseinrichtung, Abfall- entsorgung, Staub und Umweltbelastung, Trocknen/Erhitzen der Bauteile nach der Befluxung, Energieaufwand, Invest- und Betriebskosten des Trockenofens, Platzbedarf, Flussmittel auf der Oberfläche der Werkstücke, Flussmittelrückstände im Medienkreislauf. Aus der europäischen Patentschrift EP 0 781 623 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von hartgelöteten Aluminiumwärmetauschern bekannt, bei dem spezielle Wärmetauscher in CAB-Lötöfen teilweise ohne Flussmittel gelötet werden.

Es ist auch möglich, die Wärmetauscher aus Aluminium in Ein- oder Mehrkammervakuumöfen unter Vakuum zu verlöten. Dabei erfolgt das Aufreißen der vorhandenen Oxidhaut durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Aluminiumoxid und reinem Metall, sowie das Abdampfen von Magnesium aus Lot und Grundwerkstoff bei hohen Temperaturen. Durch Evakuieren des Rezipienten wird Sauerstoff von den zu lötenden Teilen ferngehalten. Diese geringe Sauerstoffkonzentration im Ofensystem verhin- dert, dass die freigelegte Oberfläche der Grundwerkstoffe und die Oberfläche des schmelzflüssigen Lotes sich während des Lötens wieder mit einer Oxidhaut überziehen. Zum Löten im Vakuum sind jedoch technisch aufwendige und somit teuere Lötanlagen erforderlich. Des Weiteren müssen die zu verlötenden Teile absolut sauber sein, was nur durch eine kostenintensive Vorbehandlung zu gewährleisten ist. Weitere Nachteile beim Vakuum-Löten sind der hohe Wartungs- und Instandhaltungsaufwand sowie die hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität sowie die Passgenauigkeit der Bauteile.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Herstellung von gelöteten Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder Knetlegierungen, in einem Lötofen, insbesondere einem Durchlauflötofen oder einem Batch-Type-Lötofen, der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen, vereinfacht wird.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Löten von Bauteilen, insbesondere von Wärmeübertragern, insbesondere aus Aluminiumwerkstoffen, Aluminiumlegierungen oder Knetlegierungen, in einem Lötofen, insbesondere einem Durchlauflötofen oder einem Batch-Type-Lötofen, der eine Muffel umfasst, die mit Schutzgas gespült wird, um eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen, dadurch gelöst, dass der Lötofenmuffel beim Löten der Bauteile eine so stark überhöhte Menge Gas, insbesondere Schutzgas oder Reaktionsgas, zugeführt wird, dass eine sauerstoffarme Schutzgasatmosphäre geschaffen wird. Durch die Zuführung der stark überhöhten Schutzgasmenge wird die Schutzgasatmosphäre so verbessert, dass die Bauteile ohne Zusatz von Flussmitteln gelötet werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in so genannten Schutzgas-Durchlauföfen angewendet. Bei der Erfindung kann, aber muss nicht, vollständig auf den Einsatz von Fluss- mittein verzichtet werden. Eine partielle Zugabe von Flussmittel auf beziehungsweise an das Bauteil ist möglich und hat keinen negativen Einfluss auf Bereiche des Bauteils, die flussmittelfreie gelötet werden.

Beim Vakuum-Löten bedingt das benötigte Hochvakuum für die Vakuum- ofensysteme einen sehr hohen technischen Aufwand. Daher sind Vakuumofensysteme sehr kostenintensiv in der Beschaffung und aufwendig im Betriebe. Auch an die Reinheit der Oberfläche der zu verlötenden Bauteile von Verunreinigungen (Schmutz, Staub, Späne, Oxidschichten, Reste und Spuren von Fertigungshilfsmitteln) werden hohe Anforderungen gestellt.

Die Nachteile bei der Verwendung von Flussmitteln zum Löten von Aluminium variieren je nach verwendetem Flussmittelsystem. Generell gilt, dass die Applikation des Flussmittels einen zusätzlichen Schritt in der Fertigungskette darstellt, der mit Aufwand in der Anlagentechnik und für das Bedienpersonal einhergeht. Zum Schutz der Mitarbeiter und der Umwelt vor Flussmittelflüssigkeit, Flussmittelnebel, Flussmittelstaub oder Flussmitteldampf muss ein entsprechender sicherheits- und umwelttechnischer Aufwand betrieben werden. Korrosive Flussmittel, wie zum Beispiel die chloridischen Flussmittel, müssen nach dem Lötvorgang umgehend wieder mit hohem Aufwand und großer Sorgfalt von dem Wärmetauscher entfernt werden, da sie ansonsten

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das Material und die Verbindungsstellen des gefertigten Wärmeübertragers auf Grund ihrer korrosiven Wirkung angreifen und so seine technische Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

Spezielle nichtkorrosive Flussmittel, wie das Nocolok-Flussmittell, benötigen für ihr Funktionieren eine Schutzgasatmosphäre mit einer sehr geringen Restsauerstoffkonzentration, die vorzugsweise kleiner als 200 ppm Sauerstoff ist. Dies ist nur in einer aufwendig hergestellten, ständig überwachten und nachgeregelten Atmosphäre eines geschlossenen und mit dem Schutz- gas in Stickstoff gefluteten Ofensystems möglich. Ein solches Lötofensystem wird als CAB-System (Controlled Atmosphere Brazing) bezeichnet.

Der Wirktemperaturbereich des Flussmittels muss den Arbeitsbereich des verwendeten Lotes abdecken. Erfolgt keine sorgfältige Abstimmung von Lot und Flussmittel, ist keine Verlötung möglich. Die Wirkdauer von Flussmitteln ist begrenzt. Daraus erfolgt, dass der Lötvorgang in einem eng begrenzten Zeitfenster abgeschlossen sein muss. Bei der Verwendung von Flussmitteln führen schon geringe Magnesiumgehalte in den Legierungen der Bauteile zu einer Verschlechterung der Lötbarkeit. Das geht zum einem auf eine dreimal höhere Oxidationsrate von Werkstoffen mit Magnesiumzusatz im Vergleich zu Magnesium freien Werkstoffen zurück. Zum anderen sind die sich bildenden einfachen und komplexen Oxide des Magnesiums, wie Magnesiumoxid (MgO) und Magnesium-Aluminium-Oxid (MgA^O ₄ ), in Flussmittel nur gering löslich. Des Weiteren reagieren diese Magnesiumoxide mit dem Flussmittel und bilden beispielsweise bei dem Produkt Nocolok Magnesiumflouride, welche die Wirksamkeit des Flussmittels zusätzlich stark einschränken.

Dieser erzwungene Verzicht der Magnesiumlegierung führt jedoch zu deutlichen Nachteilen bei den Eigenschaften der verwendeten Aluminiumlegierun- gen im Bezug auf Festigkeitseigenschaften sowie der Korrosionsbeständigkeit.

Die Erfindung nutzt beim Löten von Wärmetauschern die Vorteile der aktuellen Techniken aus dem Stand der Technik, Flussmittellöten und Vakuum- Löten, ohne ihre Nachteile aufzuweisen, in Kombination mit der Anwendung

spezieller Werkstoffe. Zugleich entfallen durch das erfindungsgemäße Lötverfahren sämtliche Flussmittel und die mit ihnen verbundenen Nachteile, wie zusätzlicher Arbeitsaufwand, zusätzliche Fertigungsanlagen oder Reini- gungs- und Schutzmaßnahmen.

Darüber hinaus stellt die Verwendung von magnesiumhaltigen Wellrippenlegierungen kein Problem mehr für die Fertigung von Wärmeübertragern dar, wie dies bei der Verwendung von Flussmittelsystemen der Fall ist. Dadurch wird die Verwendung von Aluminiumlegierungen mit Magnesiumgehalten größer 0,2 % und kleiner 2,0 %, vorzugsweise kleiner 1 ,0 % beim flussmittel- freien Löten von Wärmeübertragern in CAB-Lötöfen möglich. Das führt zu entscheidenden Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften sowie der Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Aluminiumwerkstoffe. Des Weiteren können durch Einschränkungen von speziellen Elementen im Grund- Werkstoff, wie auch im Lot, die Benetzungseigenschaften des Grundwerkstoffs beziehungsweise des Lotes gezielt verbessert werden. Zu den Elementen, die sich hierbei als besonders kritisch erweisen, zählen Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Chrom (Cr), Titan (Ti) und Strontium (Sr). Zwar kann durch eine gezielte Lötprozesssteuerung auch ohne die im Folgenden aufgeführten bevorzugten Bereiche eine unter Umständen ausreichende Lötverbindung erzielt werden, jedoch ist dies unter wirtschaftlichen Aspekten nicht sinnvoll, da sowohl die Ofenatmosphäre kleinere Sauerstoffgehalte als 20 ppm haben sollte, als auch die Lötzeit verlängert werden muss.

Für das erfindungsgemäße Lötverfahren wird bevorzugt ein CAB- Ofensystem (Durchlaufofen oder Batch-Ofen) verwendet, auf dem flussmit- telfrei ohne aufwendiges Vakuum-Ofensystem gelötet werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekenn- zeichnet, dass das Gas mindestens ein Edelgas der achten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak und/oder Spaltgasprodukte aus Erdgas umfasst.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Muffel beim Löten der Bauteile eine so stark über-

höhte Gasmenge zugeführt wird, dass der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre, insbesondere in einem Eintrittsbereich des Lötofens, deutlich geringer als 500 ppm (parts per million) ist. Durch den Einsatz der höheren Gasmenge, insbesondere Stickstoffmenge, wird das Eindringen bezie- hungsweise Einschleppen von Luft oder deren Bestandteile in den Lötofen verhindert oder zumindest stark reduziert.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Muffel beim Löten der Bauteile eine so stark über- höhte Gasmenge zugeführt wird, dass der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre, insbesondere in einem Lötbereich des Lötofens, geringer als 50 ppm (parts per million), insbesondere deutlich geringer als 40 ppm (parts per million), ist. Besonders bevorzugt enthält die Schutzgasatmosphähre oder Lötofenatmosphäre weniger als 30 ppm (parts per million) Sauerstoff. Durch den Einsatz der höheren Gasmenge wird die Menge von Oxid bildenden Substanzen, wie Sauerstoff, in der Schutzgasatmosphäre deutlich verringert.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre beim Löten über Raum- temperatur aufgeheizt wird. Eine vorhandene Oxidschicht wird beim Aufheizen aufgerissen. Durch die dabei entstehenden oxidfreien Spalte, Risse oder Flächen kann zum Beispiel Magnesium aus einem Kernwerkstoff und/oder einer Lotplattierung der Bauteile an die Oberfläche gelangen. Das Magnesium wirkt an der Oberfläche als Benetzungsförderer.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Objekttemperatur im Lötofen oberhalb 300 Grad Celsius liegt. Bei dieser Objekttemperatur ist der Feuchtigkeitsanteil in der Lötofenatmosphäre zu beachten.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunkt in der Lötofenatmosphäre unterhalb von minus 45 Grad Celsius liegt. Dieser Wert hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheizphase im Lötofen in einem Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius eine minimale Zeit von drei Minuten nicht unterschritten wird. Besonders bevorzugt werden für den Tempe- raturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius Zeiten von vier bis acht Minuten eingestellt. Durch das erfindungsgemäße Zeit-Temperatur-Profil im Lötofen wird die Lotbenetzung verbessert beziehungsweise ermöglicht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SQ, der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge, durch den Querschnitt des Lötofens entspricht, größer als 250 Meter pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert SQ Werte zwischen 500 und 750 Meter pro Stunde eingestellt. Die Einstellung eines höheren Kennwerts ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SO, der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge, durch das beheizte VoIu- men des Lötofens entspricht, größer als 25 pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert SO Werte zwischen 45 und 70 pro Stunde eingestellt. Die Einstellung eines höheren Kennwerts ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SB, der dem Quotient einer Division der Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge, durch die Größe der Bauteiloberfläche entspricht, kleiner als 6 Meter pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert SB Werte eingestellt, die klei- ner als 1 ,5 Meter pro Stunde sind.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert SM, der dem Quotient einer Division der

Gasmenge, insbesondere der Schutzgasmenge, durch die Größe der be- heizten Muffelinnenoberfläche des Lötofens entspricht, größer als 3 Meter

pro Stunde eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert SM Werte zwischen 6 und 9 Meter pro Stunde. Die Einstellung eines höheren Kennwerts ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennwert MB, der dem Quotient einer Division der Größe der beheizten Muffelinnenoberfläche durch die Größe der Bauteiloberfläche entspricht, kleiner als 0,7 eingestellt wird. Besonders bevorzugt werden für den Kennwert MB Werte, die kleiner als 0,3 sind.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens betrifft das Löten von Wärmeübertragern mit Leiteinrichtungen, insbesondere Wellrippen, aus einem Aluminium-Grundwerkstoff. Besonders bevorzugt bestehen Rohre und/oder Scheiben der Wärmeübertrager ebenfalls aus genau einem oder mehreren Aluminium-Grundwerkstoffen, insbesondere dem Aluminium- Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 1 ,2 Prozent Silizium enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen 0,2 bis 0,6 Prozent Silizium.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis 0,7 Prozent Eisen enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium- Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,4 Prozent Eisen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,3 Prozent Kupfer enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 2,0 Prozent, bevorzugt bis zu 1 ,0 Prozent Mangan enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 1 ,0 Prozent Magnesium enthält. Besonders bevorzugt enthält der A- luminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,5 Prozent Magnesi- um.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,5 Prozent Chrom enthält. Besonders bevorzugt enthält der Alumini- um-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Chrom.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 4,5 Prozent, bevorzugt bis zu 2,5 Prozent Zink enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Titan enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Zinn enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,2 Prozent Zirkonium enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,05 Prozent Bismut oder Wismut enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Leiteinrichtungen bis zu 0,05 Prozent Strontium enthält.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens betrifft das Löten von Wärmeübertragern mit Rohren und/oder Scheiben aus einem Aluminium- Grundwerkstoff.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 1 ,2 Prozent Silizium enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,7 Prozent Eisen enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,3 Prozent Eisen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben 0,1 bis 1 ,2 Prozent Kupfer enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben 0,3 bis 0,8 Prozent Kupfer.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 2,0 Prozent Mangan enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 2,0 Prozent, bevorzugt bis zu 1 ,0 Prozent Magnesium enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben 0,1 bis 0,3 Prozent Magnesium.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,5 Prozent Chrom enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,2 Prozent Chrom.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 5,0 Prozent Zink enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,3 Prozent Titan enthält. Besonders bevorzugt enthält der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,1 Prozent Titan.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Zinn enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,2 Prozent Zirkonium enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Bismut oder Wismut enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Grundwerkstoff der Rohre und/oder Scheiben bis zu 0,05 Prozent Strontium enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens betrifft das Löten von Wärmeübertragern mit Leiteinrichtungen, insbesondere Wellrip- pen, und/oder Rohren und/oder Scheiben, die mit einer Lotplattierung versehen sind. Vorzugsweise enthält die Lotplattierung hauptsächlich Aluminium.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung 6 bis 20 Prozent Silizium enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung 7 bis 11 Prozent Silizium.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,8 Prozent Eisen enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,2 Prozent Eisen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 1 ,0 Prozent Kupfer enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,3 Prozent Kupfer.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,15 Prozent Mangan enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 2,5 Prozent Magnesium ent- hält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,2 Prozent, bevorzugt bis zu 0,1 Prozent Magnesium.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,05 Prozent Chrom enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 4,5 Prozent, bevorzugt bis zu 4,0 Prozent Zink enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 2,0 Prozent Zink.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,2 Prozent Titan enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,1 Prozent Titan.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,05 Prozent Zinn enthält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,05 Prozent Zirkonium ent- hält.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,3 Prozent Bismut oder Wismut enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,1 Prozent Bismut oder Wismut.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lotplattierung bis zu 0,2 Prozent Strontium enthält. Besonders bevorzugt enthält die Lotplattierung bis zu 0,05 Prozent Stronti- um.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt zum Löten von Wärmeübertragern mit Strömungseinrichtungen, insbesondere Rohren und/oder Scheiben, und/oder Leiteinrichtungen, insbesondere Wellrippen, jeweils mit oder ohne eine Lotplattierung, aus einem oder mehreren Aluminium-Grundwerkstoffen.

Bevorzugt enthält einer der Aluminium-Grundwerkstoffe 0,7 bis 2 Prozent, bevorzugt 1 bis 1 ,5 Prozent Mangan. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften des Aluminium-Grundwerkstoffs positiv beeinflusst.

Der Erfindung liegt unter Anderem die Erkenntnis zugrunde, dass ein höherer Eisen-Gehalt einer guten Benetzbarkeit des Kernwerkstoffs mit Lotmaterial entgegen steht, da offenbar benetzungshemmende Eisen-Mangan- Ausscheidungen gebildet werden können. Vorteilhafterweise enthält daher der Aluminium-Grundwerkstoff weniger als 0,40 Prozent, bevorzugt weniger als 0,25 Prozent, besonders bevorzugt weniger als 0,20 Prozent Eisen. Ein Eisen-Gehalt über 0,20 Prozent kann durch eine erhöhte Lötzeit kompensiert werden, wobei ab etwa 0,25 Prozent Eisen-Gehalt gegebenenfalls ein Tem- peraturprofil über die Lötdauer leicht angepasst werden muss, um ein gutes Lötergebnis zu erreichen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Muffel aus einem Muffelwerkstoff gebildet ist, der Edelstahl umfasst. Der Muffelwerkstoff besteht dabei bevorzugt aus Edel-

stahl 316L oder 316LL. Es kann jedoch auch ein anderer als Muffelmaterial geeigneter Edelstahl verwendet werden. Auch bezüglich des Ofendesigns sind alle typischen Varianten, wie zum Beispiel ein reiner Strahlungslötofen, ein Ofen mit einer Konvektionvorheizzone, die mit einer nachfolgenden Strahlungszone gekoppelt ist, oder ein Ofentyp mit kompletter Konvektions- technik geeignet.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass während einer Aufheizphase im Lötofen in einem Temperaturbereich von minus 30 bis minus 50 Kelvin vor Erreichen der SoIi- dustemperatur des Lotes eine minimale Zeit von zwei Minuten nicht unterschritten wird. Besonders bevorzugt werden für den Temperaturbereich von minus 30 bis minus 50 Kelvin vor Erreichen der Solidustemperatur des Lotes Zeiten von zwei bis fünf Minuten eingestellt. Zeiten oberhalb von sechs Minu- ten sind ebenfalls möglich, jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich- nung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigt:

Figur 1 eine Tabelle mit Werkstoffen und Loten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendbar sind.

Die Erfindung betrifft das Löten von Aluminiumwärmetauschern in Schutzgas-Durchlauflötöfen. Ein Schutzgas-Durchlauflötofen umfasst ein Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang für Bauteile. Der Gehäuseeingang für die Bauteile wird auch als Eintrittsbereich des Lötofens bezeichnet. Der Gehäuseausgang für die Bauteile wird auch als Austrittsbereich des Lötofens bezeichnet. Zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich ist in dem Innenraum des Lötofens eine Muffel ausgebildet, die mit Schutzgas gespült wird.

Bei herkömmlichen Schutzgas-Durchlauflötöfen herrscht im Betrieb im Bereich der Ofenmuffel zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung eine Ofenatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von circa 500 ppm (parts per million) im Eingangsbereich und circa 40 ppm im Lötbereich. Mit derarti- gen Sauerstoffgehalten in der Ofenatmosphäre ist ein flussmittelfreies Löten nicht möglich. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch eine stark erhöhte Zugabe des Schutzgases, vorzugsweise Stickstoffs, die Schutzgasatmosphäre in dem Lötofen so verbessert, dass Wärmetauscher ohne Zusatz von Flussmitteln gelötet werden können.

Durch die stark überhöhte Stickstoffmenge wird in dem Lötofen eine so sauerstoffarme Atmosphäre geschaffen, dass das Löten der Bauteile ohne Flussmittel erfolgen kann. Durch den Einsatz der höheren Stickstoffmenge wird das Eindringen beziehungsweise Einschleppen von Luft oder deren Be- standteile in den Lötofen verhindert. Dadurch kann der Gehalt an Oxid bildenden Substanzen, insbesondere Sauerstoff, im Lötofen deutlich verringert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann, aber muss nicht vollständig auf den Einsatz von Flussmitteln verzichtet werden. Eine Dotierung des einströmenden Schutzgases mit Flussmittel oder reduzierenden Substanzen in fester, flüssiger oder gasförmiger Form kann frei gewählt werden. Durch den massiven Einsatz des Schutzgases wird während des Lötprozesses im Temperaturbereich über Raumtemperatur eine unerwünschte Oxidation der Aluminiumoberfläche extrem verringert beziehungsweise praktisch unterbunden. Eine vorhandene Oxidschicht wird beim Aufheizen aufgerissen. Durch die entstehenden oxidfreien Spalte, Risse und/oder Flächen kann Magnesium, das aus dem Kernwerkstoff und/oder einer Lotplattierung stammt, an die Oberfläche gelangen. Das Magnesium an der Oberfläche wirkt als Benetzungsförderer. Anstelle von Magnesium können auch Elemente der zweiten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente einzeln oder in Kombination sowie in unterschiedlichen Mischungen und Konzentrationen eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert unter anderem den Vorteil, dass die Kosten für das Flussmittel eingespart werden können. Darüber hinaus können die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb einer Befluxungseinrich- tung entfallen. Des Weiteren werden die Kosten für die Abfallentsorgung re- duziert. Außerdem verringert sich die Staub- und Umweltbelastung. Das Erhitzen der Bauteile zur Trocknung nach der Befluxung kann entfallen. Dadurch reduziert sich der erforderliche Energieaufwand erheblich.

Bei der flussmittelfreien Lötung ist ein Sauerstofflevel kleiner 50 ppm ober- halb 300 Grad Celsius Objekttemperatur im Lötofen anzustreben. Des Weiteren ist der Feuchtigkeitsanteil in der Lötofenatmosphäre zu beachten. Es ist ein Taupunkt kleiner minus 45 Grad Celsius in der Lötofenatmosphäre anzustreben. Des Weiteren sind die folgenden Kennwerte zu beachten.

Schutzgasmenge [Nm ³ /h]/Ofenquerschnitt [m ² ] = Kennwertkürzel SQ [m/h]. Der Kennwert SQ ist > 250 m/h einzustellen. Normalerweise sollte der Wert zwischen 500 m/h und 750 m/h eingestellt werden. Die Einstellung eines höheren Kennwerts ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Die Bezeichnung Nm steht im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Normmeter. Als Normmeter wird ein Maß von 1 ,0 m bei einer Normtemperatur von 20 Grad Celsius und einem Normdruck von 1 bar bezeichnet.

Schutzgasmenge [Nm ³ /h]/beheiztes Ofenvolumen [m ³ ] = Kennwertkürzel SO [1/h]. Der Kennwert SO ist > 25 1/h einzustellen. Optimalerweise sollten Werte zwischen 45 1/h und 70 1/h eingestellt werden. Die Einstellung eines höheren Kennwerts ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Schutzgasmenge [Nm ³ /h]/Bauteiloberfläche [m ² ] = Kennwertkürzel SB [m/h]. Der Kennwert SB ist < 6 m/h einzustellen. Optimaler Weise sollten Werte < 1 ,5 m/h eingestellt werden.

Schutzgasmenge [Nm ³ /h]/beheizte Muffelinnenoberfläche [m ² ] = Kennwertkürzel SM [m/h]. Der Kennwert SM ist > 3 m/h einzustellen. Optimaler Weise

sollten Werte zwischen 6 m/h und 9 m/h eingestellt werden. Die Einstellung eines höheren Kennwertes ist möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.

Muffelinnenoberfläche [m ² ]/Bauteiloberfläche [m ² ] = Kennwertkürzel MB. Der Faktor MB ist < 0,7 einzustellen. Optimalerweise sollte der Faktor < 0,30 eingestellt werden.

Bei dieser Erfindung kann, aber es muss nicht, vollständig auf den Einsatz von Flussmittel verzichtet werden. Partielle Zugabe von Flussmittel auf be- ziehungsweise am Bauteil sind möglich und haben keinen negativen Einfluss auf Bereiche des Bauteils, welche flussmittelfrei gelötet werden. Eine Dotierung des einströmenden Schutzgases mit Flussmittel oder reduzierenden Substanzen (fest / flüssig / gasförmig) kann frei gewählt werden. Durch den massiven Einsatz eines Schutzgases wird während des Lötprozesses im Temperaturbereich über Raumtemperatur, eine weitere Oxidation der Aluminiumoberfläche extrem vermindert beziehungsweise praktisch unterbunden. Die bestehende Oxidschicht wird beim Aufheizen aufgerissen. Durch die entstehenden oxidfreien Spalte / Risse / Flächen, ist eine Benetzung des Lotes zu den Oberflächen möglich.

Durch ein entsprechendes Zeit-Temperatur-Profil im Lötofen, wird die Lotbe- netzung verbessert beziehungsweise ermöglicht. Dabei sollte während der Aufheizphase im Lötofen im Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius eine minimale Zeit von 3 Minuten nicht unterschritten werden. Optimaler- weise werden für den Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius Zeiten von 4 bis 8 Minuten eingestellt. Das Zeit-Temperatur-Fenster im Temperaturbereich von 400 bis 615 Grad Celsius ist abhängig von Legierungselementen im Grundwerkstoff sowie Schutzplattierungen als auch im Lot. Das Zeitintervall beeinflussende beziehungsweise die Lotbenetzung fördernde Elemente sind zum Beispiel Silizium, Kupfer, Strontium, Bismut oder Wismut, Magnesium.

Besonders bevorzugt sollte während der Aufheizphase im Lötofen im Temperaturbereich von minus 30 bis minus 50 K vor Erreichen der Solidustempe- ratur des Lotes eine minimale Zeit von 2 Minuten nicht unterschritten wer-

den. Optimalerweise werden für den Temperaturbereich von Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K Zeiten von zwei bis fünf Minuten eingestellt. Zeiten oberhalb 6 Minuten sind ebenfalls möglich, jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll.

Der Vorteil einer bestimmten Verweilzeit im Temperaturintervall Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K sind Diffusionsvorgänge von Elementen aus dem Kernwerkstoff in die Lotplattierung sowie die Homogenisierung des Lotes wie auch des Grundwerkstoffs bezüglich unerwünschter intermetallischer Pha- sen, die im oberflächennahen Bereich benetzungshemmend wirken können.

Des Weiteren wurde im Zusammenhang mit bestimmten Werkstoffkombinationen von Kern- und Lotwerkstoffen bei Einhaltung der Verweilzeit Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K von mindestens 2 Minuten, ein teilweises An- schmelzen des Lotes beobachtet. Das heißt, gewisse Anteile des Lotes werden bereits vor den bekannten Solidustemperaturen des Lotes, für AISiIO zum Beispiel 577 Grad Celsius, flüssig. Hierdurch wird ein mechanisches Aufbrechen der Oxidschichten auf dem Lot erheblich erleichtert. Das Zeit- Temperatur-Fenster im Temperaturbereich Solidus Lot minus 30 bis minus 50 K ist daher abhängig von Legierungselementen im Grundwerkstoff sowie Schutzplattierungen als auch im Lot. Das Zeitintervall beeinflussende beziehungsweise die Lotbenetzung beeinflussende Elemente sind zum Beispiel Silizium, Kupfer, Strontium, Bismut oder Wismut, Magnesium und Eisen.

Für das erfindungsgemäße Lötverfahren wird besonders bevorzugt ein CAB- Ofensystem (Durchlaufofen oder Batch-Ofen) verwendet, auf beziehungsweise in dem flussmittelfrei ohne aufwendiges Vakuumofensystem gelötet werden kann. Die notwendige Lötofenatmosphäre sollte zum Erzielen qualitativ guter Lötverbindungen kleiner oder gleich 50 ppm Sauerstoff enthalten, besonders bevorzugt weniger als 30 ppm Sauerstoff.

In Figur 1 sind in einer Tabelle die verwendbaren Werkstoffe und Lote, die sich unter den vorab beschriebenen Randbedingungen mit vergleichbarer

Qualität der Lötverbindungen wie beim Vakuum-Löten oder beim CAB-Löten erzielen lassen, zusammengestellt. Die Buchstaben GW stehen für Grund-

werkstoff. Die Buchstaben WR stehen für Wellrippe. Der Buchstabe R steht für Rohr. Der Buchstabe LP steht für Lotplattierung. Der Buchstabe RW steht für Rohrwerkstoff.

Die in der Tabelle dargestellten Werkstoffe und Werkstoffkombinationen ermöglichen die Verwendung von Legierungen mit einem durch Magnesiumzusatz verbesserten beziehungsweise den jeweiligen Anforderungen ange- passtem Eigenschaftsbild. Die Verbesserungen in Bezug auf Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ermöglichen entweder festere und langlebigere Bauteile oder durch Materialreduktion leichtere Wärmeübertrager. Bei fluss- mittelfreier Produktion entfällt Zusatzaufwand wie Befluxungs- und Trocknungsanlagen sowie Aufwendungen zum Umwelt- und Mitarbeiterschutz. Die flussmittelfreie Fertigung in einem CAB-Ofen kommt ohne die aufwendigen technischen Anlagen eines Ein- oder Mehrkammervakuumofens aus.