Flussmittelfreies Löten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Metallbauteilen, bei welchem im Wesentlichen flussmittelfreie Metallbauteile in einer Schutzgasatmosphäre gelötet werden sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Löten von Metallbauteilen in einer Schutzgasatmosphäre.

Zum Löten von Metallbauteilen sind verschiedene Lötverfahren bekannt. Beim Vakuumlöten werden die Metallbauteile in einem Vakuum einer extrem reinen Lötatmosphäre während der Aufheiz- und Lötphase ausgesetzt. Der Einsatz von Flussmitteln ist beim Vakuumlöten nicht notwendig, jedoch zieht die Vakuumtechnologie hohe Investitionskosten nach sich, die sich in den Kosten für das gelötete Metallbauteil widerspiegeln. Beim flussmittelbehafteten Löten muss vor dem Lötprozess korrosives oder nicht korrosives Flussmittel auf die Metallteile appliziert werden. Auch hierdurch entstehen Investitions- und/oder Betriebskosten, insbesondere für die Flussmittelapplikation sowie für das Flussmittel selber. Zusätzlich kommt bei der Verwendung von korrosiven Flussmitteln eine aufwändige Reinigung der gelöteten Bauteile hinzu, um kein korrosives Flussmittel auf den Lötstellen zu hinterlassen. Insbesondere bei gelöteten Metallbauteilen, welche eine Vielzahl von Lötnähten oder schwer zugängliche Lotnähte umfassen, beispielsweise bei Wärmetauschern mit Rohr-Lamellen-Design ist der Reinigungsaufwand zumeist erheblich und verursacht zusätzliche Betriebskosten.

Beim Löten von Metallbauteilen aus einer

Aluminiumlegierung ist es darüber hinaus bekannt, auf das Flussmittel zu verzichten, sofern das Löten in einer Schutzgasatmosphäre stattfindet und die Lote aus einer Aluminiumlegierung mit benetzungsfordernden Legierungselementen wie Nickel, Lithium oder Berrylium bestehen. Entsprechende Aluminiumlegierungen sind jedoch hinsichtlich ihres Recyclings und damit ihres Einsatzes im Wertstoffkreislauf problematisch, da Standardlegierungen die oben genannten Legierungsbestandteile in der Regel nicht enthalten. Darüber hinaus beeinflussen die genannten Legierungselemente die Eigenschaften von

Standardlegierungen negativ, was bis zur Unbrauchbarkeit der rezyklierten Aluminiumlegierung führen kann.

Werden Metallbauteile bestehend aus einer Standardaluminiumlegierung flussmittelfrei in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise einer Stickstoff- Atmosphäre technischer Reinheit, gelötet, so weisen die Lötnähte erhebliche Qualitätsprobleme auf.

Von dem zuvor geschilderten Stand der Technik ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zum Löten von im Wesentlichen flussmittelfreien Metallbauteilen zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf ein aufwändiges Vakuumlöten verzichtet werden kann und dennoch eine ausreichend hohe Qualität der Lötstellen erzielt wird. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass das die Metallbauteile und/oder die Lötnähte unmittelbar umgebende Schutzgasvolumen und dessen

Wechselwirkung mit der übrigen Lötatmosphäre minimiert werden .

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die Minimierung des unmittelbar die Metallbauteile und/oder die Lötstellen umgebenden Schutzgasvolumens und durch die Minimierung der Wechselwirkung dieses Schutzgasvolumens mit der übrigen Lötatmosphäre trotz des Verzichts auf Flussmittel Lötnähte mit ausreichend guter Qualität hergestellt werden konnten. Insbesondere im Vergleich zu Lötungen, bei welchen das Volumen der Schutzgasatmosphäre, das in Kontakt mit den Lötstellen steht, nicht minimiert wurde, konnte eine deutlicher Anstieg der Lötnahtqualität festgestellt werden. Damit kann auf den Einsatz von Flussmitteln, aber auch auf ein kostenintensives Vakuumlöten, wie es bisher beim Löten von flussmittelfreien Metallbauteilen notwendig war, verzichtet werden. Offensichtlich bewirkt die Minimierung des Schutzgasvolumens auf die unmittelbare Umgebung der Metallbauteile bzw. der Lötnähte, dass die Benetzungseigenschaften, insbesondere auch von Standardlegierungen, ohne den Einsatz von Flussmitteln deutlich verbessert werden. Im Ergebnis kann ein kostengünstiges Lötverfahren zur Verfügung gestellt werden, welches trotz des Verzichts auf Flussmittel eine ausreichend hohe Lötstellenqualität erzielt. Selbstverständlich können zusätzlich benetzungsfordernde Legierungselemente in den zu lötenden Metallbauteilen verwendet werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit eröffnet, andere beispielsweise hinsichtlich des Recyclings weniger problematische benetzungsfordernde Legierungselemente zu verwenden.

Auf besonders einfache Weise kann eine Minimierung des die Metallbauteile und/oder die Lötnähte unmittelbar umgebenden Schutzgasvolumens sowie eine Minimierung der

Wechselwirkung des genannten Schutzgasvolumens mit der übrigen Lötatmosphäre dadurch erreicht werden, dass zumindest während des Lötens das die Metallbauteile und/oder die Lötstellen unmittelbar umgebende Schutzgasvolumen von der übrigen Lötatmosphäre durch Trennmittel zumindest teilweise räumlich getrennt wird. Als räumlich getrennt wird erfindungsgemäß keine gasdichte Trennung des unmittelbar die Metallbauteile und/oder die Lötstellen umgebenden Schutzgasvolumens von der übrigen Lötatmosphäre verstanden. Ein minimaler Austausch der Schutzatmosphäre und der Lötatmosphäre kann weiterhin ermöglicht werden.

Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Aufwand der Trennung des Schutzgasvolumens von der übrigen Lötatmosphäre dadurch weiter verringert werden, dass zumindest während des Aufheizens und des Haltens auf Löttemperatur das die Metallbauteile und/oder die Lötstellen unmittelbar umgebende Schutzgasvolumen durch Trennmittel von der übrigen Lötatmosphäre zumindest teilweise räumlich getrennt ist.

Werden zur räumlichen Trennung des die Metallbauteile und/oder die Lötstellen unmittelbar umgebenden Schutzgasvolumens von der übrigen Lötatmosphäre Behälter, Hauben und/oder Folien verwendet, kann ein Löten von im Wesentlichen Flussmittel freien Metallbauteilen unter einer Schutzgasatmosphäre mit hoher Lötnahtqualität auf besonders einfache Weise zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise können die Metallbauteile von Hand oder automatisch in einen Behälter eingebracht werden und samt Behälter eine Lötstraße durchlaufen oder in einem Batch- Ofen gelötet werden. Anschließend werden die gelöteten Metallbauteile wieder aus dem Behälter entnommen. Alternativ dazu wird auch durch eine Umwicklung des zu

lötenden Metallbauteils mit einer Folie oder die Verwendung einer Haube auf einem Förderband eines Durchlauflötofens eine ausreichende Trennung der Schutzgasvolumina erreicht, so dass gute Lötergebnisse erzielt werden.

Vorzugsweise werden, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, Behälter, Hauben und/oder Folien verwendet, deren Solidustemperatur größer als die Löttemperatur ist. Beispielsweise sind Edelstahlbehälter vorteilhaft beim Verlöten von Metallbauteilen aus einer Aluminiumlegierung, da sie bei den Löttemperaturen des Aluminiumlots keine Wechselwirkungen mit den zu lötenden Bauteilen zeigen und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Andererseits können auch Aluminiumbehälter beim Löten von Aluminiumlegierungen verwendet werden, wobei die Solidustemperatur der Aluminiumlegierung des Behälters größer als die Löttemperatur sein muss. Aluminiumbehälter, -hauben oder Folien sind zwar in ihrer maximalen Anwendungstemperatur beschränkt, haben allerdings den Vorteil, dass diese aufgrund der besseren Wärmeleitung die von außen eingebrachte Hitze schneller an den Innenraum zu den Lötstellen abgeben.

Als Schutzgas kann ein beliebiges inertes Gas, insbesondere Stickstoff, verwendet werden, wobei Stickstoff als preisgünstigstes inertes Gas bevorzugt verwendet wird. Alternativ können auch inerte Gasgemische oder Gemische aus einem inerten Gas und einem reduzierend wirkendem Gas als Schutzgas verwendet werden.

Vorzugsweise werden Mittel verwendet, um in dem das Metallbauteil und/oder die Lötstellen umgebenden Schutzgasvolumen eine reduzierende Schutzgasatmosphäre einzustellen. Typischerweise werden mit einer

reduzierenden Schutzgasatmosphäre oxidische Reaktionen mit in der Schutzgasatmosphäre verbliebenem Sauerstoff des Metallbauteils verringert, so dass die Qualität der Lötnähte und deren Korrosionsanfälligkeit deutlich verbessert wird. Beispielsweise können beim Löten von Aluminiumbauteilen Magnesiumstreifen oder -partikel mit in die unmittelbar die Lötstellen umgebende Schutzatmosphäre eingebracht werden, welche als Getter-Materialien für Sauerstoff dienen. Denkbar ist aber auch der Einsatz von organischen Getter-Materialien, sofern diese beständig gegenüber den hohen Löttemperaturen sind.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass mindestens ein Metallbauteil aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer gut rezyklierbaren Standard-Aluminiumlegierung, besteht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine gute Lötbarkeit auch bei aus einer Standard-Aluminiumlegierungen bestehenden Metallbauteilen in einer Schutzgasatmosphäre erzielt. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung von gelöteten Metallbauteile, beispielsweise Wärmetauschern, die wiederum gut rezyklierbar sind.

Werden Wärmetauscher oder wärmetauscherähnliche Bauteile gelötet, kann aufgrund der kompakten Bauweise von Wärmetauschern oder wärmetauscherähnlichen Bauteilen und der Anzahl an Lötstellen das erfindungsgemäße Verfahren besonders effektiv angewendet werden.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Löten von Metallbauteilen zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens dadurch gelöst, dass Mittel zur Minimierung des die Metallbauteile und/oder die Lötstellen umgebende Schutzgasvolumens und zur Minimierung der Wechselwirkung zwischen dem Schutzgasvolumen und der

übrigen Lötatmosphäre vorgesehen sind. Durch die entsprechenden Mittel kann das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden, so dass auf den Einsatz von Flussmitteln sowie die Verwendung eines Vakuumlötens beim Löten von Metallbauteilen verzichtet werden kann.

Das Volumen und die Wechselwirkung mit der übrigen Lötatmosphäre des die Metallbauteile und/oder die Lötstellen unmittelbar umgebende Schutzgases kann auf einfache Weise dadurch minimiert werden, dass Mittel zur zumindest teilweisen räumlichen Trennung des unmittelbar die Metallbauteile und/oder die Lötstellen umgebenden Schutzgasvolumens von der übrigen Lötatmosphäre vorgesehen sind.

Als besonders einfache Mittel zur zumindest teilweisen räumlichen Trennung des unmittelbar die Metallbauteile und/oder die Lötstellen umgebenden Schutzgasvolumens ist, gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ein Behälter, eine Haube und/oder eine Folie für die zu lötenden Metallbauteile vorgesehen, in welchem bzw. in welcher die Metallbauteile gelötet werden.

Beim Löten von Metallbauteilen aus einer

Aluminiumlegierung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass die Behälter, Haube oder Folie aus einem Metall besteht, welches eine Solidustemperatur aufweist, die größer als die Löttemperatur ist. Beispielsweise kann der Behälter, die Haube oder die Folie aus Edelstahl aber auch aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Edelstahl weist, wie bereits ausgeführt, eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und ist beständig auch bei sehr hohen Löttemperaturen. Die Aluminiumlegierung besitzt dagegen eine weit höhere Wärmeleitfähigkeit, so dass das Erwärmen der Lötstellen

innerhalb beispielsweise des Behälters wesentlich beschleunigt wird.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 9 nachgeordneten Ansprüchen sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der Zeichnung .

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur in einer Schnittansicht einen Behälter mit einem Metallbauteil wie er im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wurde.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein kühlerähnliches Bauteil 1 in einem Behälter 5 aus Edelstahl, welcher minimal größere Abmessungen aufweist als das kühlerähnliche Bauteil 1 selbst, einem Schutzgaslöten in einer Stickstoffatmosphäre 4,6 bei etwa 600 ⁰ C unterzogen worden.

Wie in der Schnittansicht der Fig. 1 zu erkennen ist, umfasst das kühlerähnliche Bauteil 1 Lammellen 2 und anzulötende Rohre 3 aus einer recyclingfreundlichen Aluminiumlegierung mit der Bezeichnung EN-AW 3003, welche flussmittelfrei waren. Das kühlerähnliche Bauteil 1 ist erfindungsgemäß in einem mit Schutzgas 4 gefüllten Edelstahlbehälter 5 verlötet worden. Beim Löten wird der Behälter 5 geschlossen, um das die Metallbauteile umgebende Schutzgas bzw. Schutzgasvolumen 4 von der übrigen Lötatmosphäre 6, welche sich außerhalb des Behälters 5 befindet, zu trennen. Als Schutzgas wurde bei beiden Versuchen Stickstoff verwendet. Es ist aber auch

denkbar jedes andere Inertgas, beispielsweise ein Edelgas, ein Inertgasgemisch oder ein Gemisch aus Inertgas und einem reduzierend wirkenden Gas, als Schutzgas einzusetzen .

Im Vergleich dazu wurde ein gleiches kühlerähnliches Bauteil 1, bestehend aus den gleichen Werkstoffen in dem gleichen Lötofen ebenfalls unter einer

Stickstoffschutzgas-Atmosphäre bei 600 ⁰ C flussmittelfrei verlötet, ohne dass sich das kühlerähnliche Bauteil 1 in einem Behälter 5 befand. Anschließend ist eine Analyse der Lötfehler durchgeführt worden.

Bei dem konventionell unter Schutzgasatmosphäre gelöteten Bauteil sind die Bereiche der Innenverlötung in den Rohren 3 erwartungsgemäß in guter Qualität. Allerdings zeigt sich in den äußeren Bereichen der Lötnähte zwischen den Lamellen 2 und den Rohren 3 ein deutlicher Abfall der Lötqualität. Als fehlerhaft werden die Lötstellen bezeichnet, welche die Lamelle 2 und das Rohr 3 nicht in vollständiger Breite miteinander verbinden.

Zur Beurteilung der Lötnahtqualität ist ein Bewertungsschema für die Rohr-Lamellen-Verbindung aufgestellt worden, bei welchem die Fehler in vier Fehlerklassen entsprechend dem in Vierteln aufgeteilten Anteil der angelöteten Rippenbreite einer Lammelle 2 eingeteilt werden.

Wie aus den unten stehenden Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, ist der angelöteten Rippenbreite ein Fehlerfaktor C zugeordnet worden, welcher sich aus dem Anteil der nicht angelöteten Rippenbreite ergibt. Ist die Rippe komplett nicht angelötet, ergibt sich ein Fehlerfaktor C von 1, bei einer zu drei vierteln angelöteten Rippenbreite ergibt sich ein Fehlerfaktor C von 0,25. Aus dem Produkt der

Anzahl der Fehllötstellen B und des zugehörigen Fehlerfaktors wird nun eine Fehlergröße FC erhalten, dessen Summe einen dem Bauteil zugeordneten Fehler E ergibt. Da die Anzahl der Lötstellen in dem kühlerähnlichen Bauteil proportional zur Lötnahtlänge des Bauteils ist, kann aus der Summe der Fehlergrößen und dem Gesamtlötnahtlänge des Bauteils ein prozentualer Fehler hinsichtlich der Lötstellen berechnet werden. Die Gesamtlötnahtlänge des gelöteten Bauteils betrug 143,56 cm.

Tabelle 1

Am häufigsten trat bei dem konventionell gelöteten Bauteil der Fehler auf, dass nur die halbe Rippenbreite angelötet wurde. Unter diesem Fehlermerkmal wurden insgesamt 68 Fehllötstellen gefunden. Insgesamt ergab sich eine summierte Fehlergröße E von 64,25, welche normiert auf die Gesamtlötnahtlänge des kühlerähnlichen Bauteils einen prozentualen Lötfehler von 44,75 % ergibt. Dieses Ergebnis ist für kommerzielle Anwendungen inakzeptabel.

Im Vergleich dazu zeigt ein gleiches kühlerähnliches Bauteil, gelötet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, einen sehr viel geringeren Lötfehler. Als häufigster Fehler wurde eine nicht angelötete Rippenbreite von einem Viertel gemessen. Insgesamt ergab sich eine summierte Fehlergröße E von 3, welche im Verhältnis zur Lötnahtlänge

des kuhlerahnlichen Bauteils einen Lotfehler von 2,09 ergab .

Tabelle 2

überraschenderweise kann durch eine einfache Maßnahme, beispielsweise dadurch, dass das kuhlerahnliche Bauteil in einem Edelstahlbehalter mit Abmessungen, welche nur wenig großer als die des zu lotenden Bauteils liegen, gelotet wird, die Qualität der Lotnahte deutlich gesteigert werden .