Verfahren und Vorrichtung zum Beloten eines metallischen Wabenkörpers

Die vorhegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Loten eines metal¬ lischen Wabenkörpers, der aus zumindest teilweise strukturierten Blechla¬ gen gewickelt, geschichtet oder geschlungen ist, und zumindest in Teilbe¬ reichen verlötet werden soll, so wie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Metallische Wabenkörper werden z.B. in verstärktem Masse als Träger¬ körper für katalytisch aktives Material in Abgasanlagen von Kraftfahr¬ zeugen mit Verbrennungsmotor eingesetzt. Für die Haltbarkeit solcher Katalysator-Trägerkörper und auch für die Eigenschaft von ähnhchen Wabenkörpern in anderen Einsatzgebieten kommt es darauf an, daß die einzelnen Blechlagen, aus denen diese Körper bestehen, durch hoch¬ wertige -Lötverbindungen, zumindest in Teilbereichen, miteinander ver¬ bunden sind. Überlicherweise bestehen solche Wabenkörper aus hoch- temperatur-korrosioήsfesten Stahlblechen und werden hochtemperatur- vakuum- gelötet.

Solche gelöteten Wabenkörper werden beispielsweise in der DE-A 23 02 746 oder der DE-A 29 24 592 geschrieben. In diesen Schriften sind bereits Verfahren zum Beloten erwähnt, welche jedoch im allgemeinen zu große -Lotmengen aufbringen, wodurch das Verfahren einerseits nicht wirtschaftlich ist und andererseits die Eigenschaften der Bleche durch Auflegieren mit dem Lot nachteilig beeinflußt werden.

In der EP-B 0 049 489 wird ein Verfahren zum Beleimen und Beloten solcher Wabenkörper beschrieben, welches schon das Aufbringen geringer Mengen von Lot zuläßt. Auch in der DE-A 38 18 512 sind Verfahren zum Beleimen und Beloten von solchen Trägerkörpern beschrieben. Diese Schrift enthält auch eine Übersicht der bisher bekannten Belotungsver- fahren.

Bisher angewendete Verfahren enthielten immer an irgendeiner Stelle einen problematischen Schritt, der zu Schwierigkeiten beim Herstellungs- prozeß oder zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führte. Bei einem Teil der Verfahren mußten die Bleche zunächst durch Beizen entfettet werden, was aufwendig ist und eine Entsorgung der entstehenden Reststoffe notwendig macht. Auch die Verwendung von Kleber oder Haftkleber führt im allgemeinen zum Einsatz organischer Lösungsmittel, was wieder- um zusätzliche Maßnahmen zum Schutz der Umwelt erforderlich macht und daher unwirtschaftlich ist. Auch können im Vakuumofen verdampfen¬ de Stoffe Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung des Vakuums hervor¬ rufen.

Aufgabe der vorMegenden Erfindung ist es, einen besonders einfachen Belotungsprozeß zu schaffen, welcher ohne chemische Behandlung gewalz¬ ter Bleche und ohne organische Lösungsmittel auskommt und dabei gleichzeitig schnell abläuft, so daß er in der Massenproduktion eingesetzt werden kann. Auch die Schaffung einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Aufgabe der vorhegenden Erfindung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Beloten eines metallischen Wabenkörpers, der aus zumindest teilweise strukturierten Blechlagen gewickelt, geschichtet oder geschlungen ist und zumindest in Teilbereichen verlötet werden soll, mit folgenden Schritten:

a) Zumindest die strukturierten Blechlagen werden mit einer dünnen Schicht eines Walzöls versehen, sofern sie nicht schon vom Herstel¬ lungsprozeß vorhanden ist; b) Die Walzölschicht wird thermisch behandelt zum Entfernen leicht- flüchtiger Bestandteile; c) Die Bereiche der Blechlagen, die mit Lot versehen werden sollen, werden mit einer wäßrigen Lösung eines Tensides in Kontakt ge¬ bracht; d) Die aus den Blechlagen hergestellten Wabenkörper werden mit Lotpulver in Kontakt gebracht, welches an Stellen; wo Fett und

Tensid gemeinsam vorhanden sind, haften bleibt.

Ein entscheidender Schritt bei der vorliegenden Erfindung liegt . darin, daß eine im allgemeinen durch den Walzprozeß der Bleche schon vor- handene Ölschicht nicht erst mühsam vollständig entfernt werden muß, sondern zumindest teilweise, nach einer thermischen Behandlung, schon als Basis für den folgenden Prozeß des Aufbringens von Lot dienen kann. Sollte durch den Walzprozeß nicht genug oder nicht geeignetes Öl vorhanden sein, so kann zwar dieses Walzöl später, z.B. vor dem Struk- turieren der Bleche aufgebracht werden, jedoch ist es natürlich am weitaus günstigsten, direkt beim Walzprozeß ein geeignetes Öl einzuset¬ zen und davon eine dünne Schicht während des ganzen Prozesses auf den Blechen zu belassen. Bei einer thermischen Behandlung werden leichtflüchtige Bestandteile entfernt, andere umgewandelt, es bleiben jedoch Reste des Walzöls vorhanden. Werden diese in Kontakt mit einer sehr stark verdünnten wäßrigen Lösung eines Tensides gebracht, so bildet sich eine Schicht, die nach dem Entfernen des Wassers durch Trocknung eine optimale Voraussetzung für das Aufbringen von Lotpulver bildet. Diese Schicht zieht sich insbesondere in den Bereich kleiner Spalte in der Nähe der zu verlötenden Kontaktstellen zwischen den Blechlagen

zurück und ist nicht so klebrig, daß an ihr überall Lotpulver hängen bleibt. Lediglich in dem Bereich der engen Spalte in der Nähe der zu verlötenden Stellen, kann Lotpulver haften bleiben. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, ist gerade dies die Voraussetzung für eine optimale Belotung. Hierdurch ist das Verfahren auch einem in der EP-B-0 136 514 beschriebenen Verfahren zum Trockenbeloten von Wabenkörpern überlegen. Die Ergebnisse sind besser reproduzierbar und mit geringerem apparativen Aufwand erreichbar.

Als geeignetes Öl hat sich ein handelsübliches Walzöl erwiesen, welches Mineralstoffe, Fettstoffe und Hilfsstoffe enthält. Zur Herstellung der wä߬ rigen Lösung eines Tensids kann insbesondere ein handelsübliches Kon¬ zentrat aus etwa 15 - 30 % nichtionischen Tensiden, Zitronensäure und Lösungsvermittler verwendet werden, wie z. B. in Spülmitteln enthalten ist. Dieses Konzentrat wird zu 85 - 97 %, vorzugsweise 92 - 95 %, mit Wasser verdünnt und kann dann bei einer Trägertemperatur von etwa 60 - 95°C, vorzugsweise von etwa 70 - 90°C mittels einer schwammartigen Vorrichtung, insbesondere mittels eines kurzflorigen Samtkissens, auf die Stirnseiten eines Wabenkörpers aufgetragen werden.

Die Vorbehandlung der Walzölschicht auf dem Wabenkörper erfolgt bei einer Temperatur von etwa 150 - 250°C, vorzugsweise etwa 200 - 230°C, wobei der Prozeß gerade so gesteuert werden kann, daß bei einer Resttemperatur des Wabenkörpers von etwa 70 - 90°C die Auftragung der wäßrigen Lösung eines Tensides erfolgt. Anschheßend wird der Körper zur Trocknung wieder auf 100 - 160°C, vorzugsweise etwa 130 - 150°C aufgewärmt, wobei die Erwärmung jeweils bevorzugt im Luftstrom erfolgt. Metallische Wabenkörper haben eine große Oberfläche und gute Wärmeleitung, so daß kurze Aufheizzeiten möglich sind und die Erwär- mung im Luftstrom problemlos ist.

Anschließend erfolgt die Belotung des Wabenkörpers, indem der Wa¬ benkörper in eine Ansammlung von Lotpulver in einem Wirbelbett getaucht wird. Typischerweise werden Nickelbasislote verwendet, was jedoch für die vorliegende Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung ist. Wichtig ist allerdings, daß die Korngröße bei 1 - 200 μm, vorzugs¬ weise bei etwa 38 - 125 μm Hegt, wobei Korngrößen in der unteren Hälfte dieses Bereiches häufiger vertreten sind als die in der oberen Hälfte. Kleine Korngrößen müssen deshalb stärker vorhanden sein, weil diese tief in die Spalte in der Nähe der zu verlötenden Bereiche ein- dringen können, was für die Qualität der Lotung von Wichtigkeit ist.

Um dieses Eindringen in die Spalte zu begünstigen, sollte der Wabenkör¬ per im Wirbelbett noch bewegt, insbesondere hin- und herbewegt, hin- und hergedreht oder taumelnd bewegt werden. Wichtig ist, daß die Bewegung so erfolgt, daß die Körner in die vorhandenen Spalte neben den zu verlötenden Bereichen gedrückt werden.

Ein wirtschaftlich wichtiger Aspekt der Erfindung liegt darin, daß mit dem beschriebenen Belotungsverfahren weitaus weniger Lot für eine qualitative hochwertige Lötung benötigt wird, als bei herkömmlichen Verfahren. Zwar verarmt das Lotpulver mit der Zeit an kleineren Korn¬ größen, da diese in den Spalten hängen bleiben, jedoch kann das ver¬ bleibende grobkörnige Lotpulver nach einiger Zeit ausgetauscht und für andere Zwecke verwendet werden

Um zu verhindern, daß nach der Belotung bei folgenden Handhabungs¬ schritten das nur leicht haftende Lotpulver wieder aus dem Wabenkörper herausfällt, ist es vorteilhaft, einen Haftstoff aufzusprühen, vorzugsweise Iso-Propanol (CHS - CHOH - CH3).

Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, enthält eine Vorrichtung zum Beloten eines mit solchen metallischen Wabenkörpers folgende Teile:

a) eine Heizstation (15) zur Durchströmung des Wabenkörpers mit heißer Luft, in welcher eine Ölschicht thermisch behandelt werden kann bei einer Temperatur von etwa 150 - 250°C, vorzugsweise 200 - 230°C; b) eine Auftragsstation (16), welche das Auftragen einer wäßrigen Lösung eines Tensides mit einem saugfähigen Material (17) auf eine oder beide Stirnseiten des Wabenkörpers ermöglicht; c) einer Trocknungsstation (18) zur nachfolgenden Trocknung im Luftstrom bei etwa 100 - 160°C, vorzugsweise 130 - 150°C; d) eine Lotauftragsstation (12, 13, 14) mit einer Ansammlung von Lotpulver (14), welches von unten so mit einem Gas durch- strömt wird, daß sich ein Wirbelbett bildet.

Zum besseren Verständnis werden, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre, bestimmte Ausführungsbeispiele, Teile und Einzelheiten der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, und zwar zeigen

Figur 1 einen teilweise fertig gewickelten Wabenkörper,

Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch einen solchen

Wabenkörper bei richtiger Belotung, Figur 3 einen entsprechenden Ausschnitt bei unzureichender Belo- tung,

Figur 4 einen entsprechenden Ausschnitt bei falsch verteiltem Lot,

Figur 5 einen schematischen Schnitt durch einen Behälter mit einem

Wirbelbett für Lotpulver,

Figur 6 ein Diagramm mit einer typischen Korngrößenverteilung des in der Vorrichtung nach Figur 5 zur Belotung von Waben- körpern benutzten Lotpulvers, und

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Belotungsvorrichtung.

Figur 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Wabenkörpers 1, wie er insbesondere als Abgaskatalysator-Trägerkörper eingesetzt wird. Ein gewelltes Blech 2 und ein glattes Blech 3 werden zu einem spiraligen Körper aufgewickelt, wobei typische Berührungsstellen 5, 6 zwischen den Blechlagen 2, 3 entstehen. Diese Berührungsstellen haben eine zwickel¬ artige und keilartige Form. Die Oberfläche des gewellten Bleches 2 und/oder glatten Bleches 3 ist mit einer Schicht Walzöl 4 bedeckt. Der fertig gewickelte Wabenkörper 1 wird einer thermischen Behandlung unterzogen, bevor er bis zu einer Tiefe t stirnseitig mit einer wäßrigen Lösung eines Tensides kontaktiert wird. Der dargestellte Wabenkörper steht stellvertretend für jede Art von gewickelten, geschichteten oder anderweitig zusammengestellten Wabenkörper aus strukturierten Blechen, für die die vorliegende Erfindung gleichermaßen anwendbar ist, z.B. bei Wärmetauschen oder dergleichen.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen, worauf es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ankommt. Die in den drei Figuren schematisch dargestellten Ausschnitte aus einem Querschnitt durch einen solchen Wabenkörper zeigen die typischen Berührungsstellen zwischen einem gewellten Blech 2 und einem glatten Blech 3. Ähnliche Berührungsstellen treten auch bei etwas anders strukturierten Blechen auf, insbesondere auch dann, wenn der Wabenkörper aus unterschiedlich gewellten Blechlagen aufgebaut ist. Figur 2 zeigt eine richtige Lotansammlung 7 im Bereich der Berühungs- stellen, während Figur 3 eine zu geringe I-Λtansammlung 8 und Figur 4 falsch verteiltes Lot 9 zeigt. Die erfindungsgemäße Kombination aus

thermischer Behandlung von Walzöl und Kontaktierung mit der wäßrigen Lösung eines Tensides führt bei richtiger Trocknung gerade zu einer richtigen Lotansammlung 7, während andere Methoden zu einer zu geringen I^tansammlung 8 führen, insbesondere aber zu einer falschen Lotverteilung 9, wie sie typischerweise aussieht, wenn die Stirnseiten bis zu einer bestimmten Tiefe t mit einem Kleber oder Binder versehen und dann belotet werden. Die Belotung nach Figur 4 verbraucht unnötig viel Lot, ohne die Qualität der Lötverbindungen entsprechend zu verbessern. Bei der vorliegenden Erfindung soll die Lotaufnahme bei stirnseitiger Belotung eines Wabenkörpers beispielsweise etwa 0,1 g pro cm ² für einen Wabenkörper mit 100 Zellen pro Square inch (cpsi) hegen, bei etwa 0,15 g/cm ² bei 400 cpsi und bei etwa 0,2 g/cm ² bei 600 cpsi. Dies ist deutlich weniger, als mit den im Stand der Technik bekannten Belotungsmethode bei guter Lötqualität erreichbar ist.

Figur 5 zeigt einen Behälter 10, welcher in seinem unteren Bereich einen Einlaß 11 für getrocknete Luft oder ein trockenes Inertgas auf¬ weist. Diese Luft wird von einem Gasraum 12 durch eine Sintermetall¬ platte 13 fein verteilt in eine Loφulveransammlung 14 geblasen, welche dadurch ein Wirbelbett bildet, in welchem die Lotkörner quasi schweben und sich an einem Wabenkörper, welcher in das Wirbelbett getaucht wird, sehr leicht festsetzen können.

Figur 6 zeigt eine typische, geeignete Verteilung der Korngrößen eines solchen Lotpulvers, wobei bevorzugt für Abgaskatalysator-Trägerkörper Nickelbasislote eingesetzt werden. In dem Diagramm ist der Anteil (in %) gegen die Korngröße (in μm) aufgetragen. Der Maßstab der x-Achse ist nicht linear und die Kurve nicht symmetrisch, so daß insgesamt ein überwiegender Anteil an Korngrößen zwischen 38 und 75 μm vorhanden ist, was für eine richtige Lotansammlung gemäß Figur 2 wichtig ist.

Figur 7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung. Ein Manipulator 19 dient zum Transportieren eines Wabenkörpers 1 zu den einzelnen Stationen: der Heizstation 15 zum thermischen Behandeln des Walzöls an der Oberfläche des Wabenkörpers 1, der Auftragsstation 16, in welcher mit einem saugfähigen Material, vorzugsweise einem kurzflorigen Samtkissen 17, die wäßrige Lösung eines Tensides aufgetragen wird, der Trocknungsstation 18, zum Trocknen des Auftrags und der Lotauftragsstation mit einer von unten 12 mit Gas durchströmten Ansammlung von -Lotpulver 14, welches über einer Sintermetallplatte 13 ein Wirbelbett bildet.

Die vorliegende Erfindung eignet sich für eine wirtschaftliche Belotung von metallischen Wabenkörpern in Großserien und führt zu einer spar¬ samen -Lotverwendung bei gleichbleibend hoher Qualität der Lötung. Besonderes Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Metallträgern für Abgaskatalysatoren in Kraftfahrzeugen.