Einführung in das Vakuum-Aluminium-Löten

Schweißen

Das Schweißen geht beim Verbinden von Metallen noch etwas weiter. Anstatt nur den Schweißzusatz zu erhitzen, werden beim Schweißen auch die beiden zu verbindenden Metallteile so erhitzt, dass die beiden Metalle miteinander verschmelzen. Vielleicht haben Sie in einer Autowerkstatt schon einmal einen Schweißer in Aktion gesehen. Bei einem Autounfall kann ein Metallteil verformt werden, das entfernt und ersetzt werden muss. Ein Karosserietechniker kann dann einen Acetylenbrenner verwenden, um das beschädigte Teil abzuschneiden und durch ein neues Teil zu ersetzen, das so zugeschnitten ist, dass es mit dem Originalteil übereinstimmt und an dessen Stelle geschweißt wird.

Durch das Verschweißen zweier Metalle entsteht eine starke Verbindung, da die Metalle der beiden Teile an der Verbindungsstelle miteinander verschmolzen sind. Die kristalline Struktur der beiden unterschiedlichen Teile hat sich vermischt und kann so wirken, als wären sie immer Teil derselben Struktur gewesen. Optimale Schweißbedingungen setzen voraus, dass die beiden zu verschweißenden Teile eine ähnliche ursprüngliche kristalline Struktur aufweisen, was in der Regel bedeutet, dass sie aus der gleichen oder einer recht ähnlichen Metalllegierung hergestellt sind.

WARNUNG: Schauen Sie niemals direkt in einen Schweißfunken. Die Temperatur an der Schweißstelle kann weit über 6.000 Grad Fahrenheit betragen, und der Funke kann heller sein als die Sonne!

Das Hartlötmaterial kann ähnliche Eigenschaften wie das Ausgangsmaterial haben, ist aber so legiert, dass der Schmelzpunkt des Hartlotes etwas niedriger ist. Um sicherzustellen, dass der Zusatzwerkstoff schmilzt, ohne die Struktur des Ausgangsmaterials zu verändern, erfordert der Lötprozess ein höheres Maß an thermischer Gleichmäßigkeit und Prozesskontrolle. Durch diese Kontrolle kann der Lotwerkstoff vorhersehbar wirken und durch Kapillarwirkung Nähte oder Hohlräume gleichmäßig genug ausfüllen, um starke, luftdichte Verbindungen herzustellen.

Das Hartlöten hinterlässt in der Regel saubere, attraktive Verbindungen, die in der Regel keine nennenswerte Nachbearbeitung erfordern. Nach dem Hartlöten ist keine weitere Wärmebehandlung erforderlich, um die ursprünglichen metallischen Eigenschaften des Teils wiederherzustellen, da nur das Hartlot bis zum Punkt der Flüssigkeitsumwandlung erhitzt wurde - die Integrität des Metalls in den Originalteilen wurde nicht beeinträchtigt.

Gelötete Teile haben an der Verbindungsstelle einen gekrümmten Meniskus, der oft an einen frischen Wulst aus Dichtungsmasse um eine Badewanne herum erinnert. Dieser Meniskus verleiht dem Teil zusätzliche Stabilität, reduziert Spannungskonzentrationen und verbessert die Ermüdungseigenschaften an der Verbindung.

Warum Aluminiumlöten?

Während viele verschiedene Metalle zum Hartlöten von Teilen verwendet werden können - Kupfer, Silber, Messing und Nickellegierungen sind beliebte Hartlötmaterialien - bietet Aluminium ein leichtes, aber starkes Material, das sich mit einer Vielzahl anderer Metalllegierungen verbinden lässt.

Hartgelötete Aluminiumteile finden Sie überall dort, wo Wärme von einer Flüssigkeit an die Umgebungsluft in einem geschlossenen Flüssigkeitssystem übertragen werden muss. Dazu gehören beispielsweise Autokühler, Ladeluftkühler, Klimaanlagen oder Verdampfer. Die komplexen Geometrien von Rohren, die sich entlang eines strikten Pfades mit einer großen Oberfläche hin und her winden, sind eine ideale Situation für das Vakuum-Aluminiumlöten, um eine vollständige Abdichtung in den Biegungen und Tälern des Teils zu gewährleisten.

Das Vakuum-Aluminiumlöten ist auch für Teile interessant, bei denen es auf Sauberkeit ankommt - Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte oder andere hochpräzise Teile. Da die Teilereinigung ein notwendiger Schritt vor dem Lötprozess ist, wird ein atmosphärenfreier Prozess wahrscheinlich zu einem oxidfreien, sauberen Endprodukt führen.

Warum einen speziellen Vakuum-Aluminiumlöt-Ofen kaufen?

Das Vakuum-Aluminiumlöten kann technisch gesehen in praktisch jedem Vakuumofen mit einer metallischen Heizzone durchgeführt werden, wird aber nicht empfohlen. Ein spezieller Vakuum-Aluminiumlötofen, wie der VAB-Ofen von Ipsen, verfügt über Eigenschaften, die ein Standard-Vakuumofen nicht hat, und das Verfahren ist für einen Ofen auf eine Weise hart, wie es bei vielen anderen Wärmebehandlungsverfahren nicht der Fall ist.

Während die meisten Ipsen-Vakuumöfen für den Betrieb bei Temperaturen zwischen 540 °C und 1320 °C (1.000 °F und 2.400 °F) optimiert sind, ist der VAB-Ofen auf den Betrieb zwischen 320 °C und 650 °C (600 °F und 1.200 °F) ausgerichtet, wo der Liquiduszustand der meisten Aluminiumzusatzwerkstoffe auftritt.

Zusätzliche Thermoelementkontrollen sorgen dafür, dass die Temperaturen in der gesamten Kammer einen engen Bereich von 10 °C (50 °F) von vorne nach hinten und von oben nach unten einhalten. Diese hohe Präzision bei niedrigeren Temperaturen ist notwendig, um die anspruchsvollen Standards von Branchen wie der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen.

Beim Löten von Aluminium in einem Vakuumofen ist die Bildung von Magnesiumoxid eines der größten Probleme, mit denen die Betreiber zu kämpfen haben. Magnesium wird als Zusatzstoff für das Aluminium-Zusatzmaterial verwendet und wirkt ähnlich wie ein Flussmittel. Aluminiumlegierungen, die Magnesium enthalten, haben einen niedrigeren Schmelzpunkt als reines Aluminium oder andere gängige Legierungen. Wenn sich das Hartlötmaterial erhitzt, verdampft das freigesetzte Magnesium und sucht im Vakuumofen nach verbleibenden Sauerstoffatomen, die es von der Verbindung fernhält. Magnesium greift auch jegliches Aluminiumoxid an, das sich auf der Oberfläche des Aluminiums befindet, um sicherzustellen, dass das verbleibende Hartlot gleichmäßig an den Teilen haftet.

Diese chemischen Reaktionen treten auf, wenn der Ofen eine Temperatur von 570 °C (1.060 °F) erreicht und überschreitet, was zu einem "Magburst" führt - einem Ausgasungssprung. Das optimale Ofendesign zur Bewältigung dieses Ausgasungssprungs muss über ein ausreichend robustes Pumpsystem verfügen, um ein Vakuum von 10^-4 bis 10^-5 Torr. Da der Vakuumofen weiterhin die neuen Gase abpumpt, kann der Prozess Ausgasungsrückstände an den Wänden der heißen Zone hinterlassen.

Der Umgang mit Magnesiumoxidrückständen ist schwierig, da diese Rückstände eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben wie eine Straßenfackel. Die meiste Zeit der Wartung eines Vakuumofens, in dem Aluminium gelötet wird, wird für die Reinigung dieser Magnesiumoxidablagerungen aufgewendet. Das Abschaben der Kammerwände und der Abschirmungen der heißen Zone muss mit einem eisenfreien Schabematerial erfolgen, um zu vermeiden, dass ein Funke entsteht, der das schnell brennende Oxid entzünden würde. Sind die Magnesiumoxidablagerungen zu schwer und lassen sich nur schwer abkratzen, muss möglicherweise ein Luftausbrennzyklus durchgeführt werden, um die größeren Magnesiumoxidcluster aufzubrechen. Sobald der Großteil der Rückstände entfernt ist, ist ein normaler Vakuumausbrand erforderlich, um den Ofen für die künftige Lötproduktion vorzubereiten. Auch die Diffusionspumpen müssen regelmäßig gereinigt werden, wobei die Angaben des Herstellers zu beachten sind.

Derzeit produziert Ipsen VAB-Öfen, die mit Magnesium-Kollektorplatten ausgestattet sind. Diese Konstruktionsinnovation hilft den Kunden, die Ausfallzeiten bei der Wartung zu reduzieren, und verhindert Magnesiumablagerungen in Bereichen wie der Stromdurchführung des Ofens und den Thermoelementdurchführungen - Bereiche, die schwer sauber zu halten sind.

Einige der chemischen Reaktionen, die während des Aluminiumlötprozesses ablaufen, sind:
Mg + H2O → MgO + H2
Mg + O2 → 2 MgO
Mg + Al2O3 → MgO + Al
Mg + N2 → Mg3N2