專利名稱：釬焊工件、釬焊方法和熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由鋁和/或鋁化合物制成的釬焊工件，一種釬焊方法以及用這種方法釬焊而成的換熱器。
前景技術(shù)為了通過釬接將兩個(gè)金屬工件連接在一起，必須在釬焊前將在工件表面形成的氧化層去掉至少一部分，并還要防止在釬焊過程中形成新的氧化層。通常，這個(gè)步驟是通過專門的金屬氧化物溶劑來完成的，即所謂的釬劑。目前，在對(duì)汽車熱交換器中的鋁部件進(jìn)行硬釬焊時(shí)，普遍采用專門的釬焊方法，特別是如所謂的“諾克洛克”(NOCOLOK)釬焊法，它就使用了以氟鋁酸鉀為基礎(chǔ)的釬劑。
但是僅釬劑的涂覆就需花費(fèi)很高的成本。此外，為了達(dá)到工業(yè)上對(duì)部件性能的要求，如具有耐腐蝕、親水性好和/或附著性好的表面和/或?qū)崈簟a(chǎn)品設(shè)計(jì)或外觀的要求，需要在釬焊工序后進(jìn)行成本高昂的清潔和/或其它表面處理工作，這就要求釬焊后在部件上涂覆釬劑。這樣，在對(duì)鋁部件進(jìn)行釬焊后，所謂的“諾克洛克”釬劑會(huì)留在表面上，并在表面上形成一個(gè)結(jié)晶層，而根據(jù)使用目的則需再對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的清潔和防腐處理。另外，使用釬劑會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，同時(shí)還損害儀器和設(shè)備，加快它們的磨損，縮短使用壽命。另外還使含鋅和/或鎂的材料難以得到應(yīng)用，因?yàn)殇\或鎂會(huì)與釬劑發(fā)生反應(yīng)，從而增加釬劑的消耗并影響材料的性能。
為了避免上述缺點(diǎn)，就需要提供一種釬焊方法，在這一方法中，由鋁或鋁化合物制成的釬焊工件的表面不再需要涂覆釬劑。
在不用釬劑的情況下，可以通過釬料的覆蓋，例如所謂的鎳-鋁-釬焊，或通過在真空釬焊時(shí)使例如鎂等元素從基材或釬料覆蓋層中蒸發(fā)出，來對(duì)相關(guān)工件進(jìn)行預(yù)處理，從而去除或破壞金屬表面所形成的氧化層。
在專門設(shè)計(jì)的電加熱真空爐中進(jìn)行無釬劑的硬釬焊和高溫釬焊時(shí)，真空起著一個(gè)還原性氣氛的作用。這樣就可以獲得一個(gè)裸露的金屬表面以用于在待連接的部件上對(duì)釬料進(jìn)行濕潤(rùn)，并防止金屬氧化層的擴(kuò)大。但是真空釬焊的缺點(diǎn)在于昂貴的釬焊設(shè)備以及為清潔釬焊工件所進(jìn)行的費(fèi)用高昂的預(yù)處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種釬焊工件以及一種無釬劑的釬焊方法，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、成本低廉，可在大規(guī)模生產(chǎn)中替代使用釬劑的釬焊方式。
具有權(quán)利要求1所述特征的工件、具有權(quán)利要求10或11所述的方法和權(quán)利要求15所述特征的換熱器實(shí)現(xiàn)了上述目的。
為了形成牢固的釬接，應(yīng)使釬料從工件或從外部流入到待連接的工件之間。為了能使釬料進(jìn)入氧化層和/或氫氧化層中的非均勻點(diǎn)如缺口、氣孔、裂紋等并保證被連接工件之間釬接的可靠性，它應(yīng)該破壞或去除至少一部分覆蓋在釬焊工件上的氧化層和/或氫氧化層。
與氧化層和/或氫氧化層接觸的工件基材具有與氧化層和/或氫氧化層不同的熱膨脹率，這樣，通過釬焊過程中的加熱，氧化層和/或氫氧化層中以及基材與氧化層和/或氫氧化層之間的邊界區(qū)域中就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。
在由鋁或鋁化合物制成的工件上，所有曝露在環(huán)境空氣中的表面自然生成的氧化層和/或氫氧化層的厚度小于10nm，在潮濕的空氣中可以達(dá)到20nm。由于厚度薄，氧化層和/或氫氧化層具有一種柔韌性，這樣就會(huì)降低氧化層和/或氫氧化層中的熱應(yīng)力。
本發(fā)明的基本思路是有目的地選擇氧化層和/或氫氧化層的厚度，如中等厚度，從而使熱應(yīng)力不再由于氧化層和/或氫氧化層中的柔韌性而降低。當(dāng)被加熱到釬焊溫度時(shí)，應(yīng)力變大，從而使非均勻點(diǎn)如缺口、氣孔和/或裂縫等在氧化層和/或氫氧化層中沿著特別是垂直于工件表面的方向形成，并使氧化層和/或氫氧化層至少部分地脫落。隨后液態(tài)釬料則可以滲透到裂縫中或工件與氧化層和/或氫氧化層之間。
本發(fā)明的目的也可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即布置在工件表面的氧化層和/或氫氧化層的厚度大于自然形成的氧化層和/或氫氧化層的厚度。大于25nm的厚度較好，特別優(yōu)選的厚度大于50nm。
如果氧化層和/或氫氧化層的厚度特別大，那么由于氧化層和/或氫氧化層的內(nèi)部穩(wěn)定性將難以形成所需要的裂縫，因此，小于1000nm的厚度較好，優(yōu)選的厚度小于500nm。
在通常鋁材釬焊條件下，即溫度大約在500℃和660℃之間時(shí)，處于80nm和250nm之間的氧化層和/或氫氧化層厚度，對(duì)于工件特別是由鋁或鋁化合物制成的熱交換器部件的無釬劑釬焊特別有利。
為了在釬焊前形成一個(gè)氧化層，可相應(yīng)地采用已知的方法，優(yōu)選的有化學(xué)法、電化學(xué)法或物理法。例如，在化學(xué)工藝法中可考慮使用勃姆石(Bhmit)法。在這個(gè)方法中，氧化層和/或氫氧化層主要由勃姆石構(gòu)成，而所選用的曝光時(shí)間為1分鐘到1小時(shí)，優(yōu)選為1分鐘到15分鐘，溫度為80℃到150℃，優(yōu)選為100℃到120℃。在這里通常可加入含有化學(xué)藥劑的水。同樣，當(dāng)工件溫度達(dá)550℃時(shí)，溫度可為15℃到80℃。作為替代的方法，也可對(duì)工件表面進(jìn)行電化學(xué)處理來形成氧化層。例如，可使用已知的鋁陽極氧化處理法，對(duì)鋁進(jìn)行電解氧化，它的曝光時(shí)間為1分鐘到1小時(shí)，優(yōu)選為1分鐘到10分鐘，溫度為20℃到50℃，電壓達(dá)40V。PVD方法(物理蒸發(fā)沉積)可以作為生成一個(gè)規(guī)定氧化層的物理法的實(shí)例。在這個(gè)方法中，偏置電壓優(yōu)選地設(shè)為-40V，涂覆壓力設(shè)為0.1mbar到1mbar。其它的方法還有生成混合氧化層，它由鋁和/或其它氧化物組成，可通過一個(gè)化學(xué)反應(yīng)生成。
由于在所形成的氧化層和/或氫氧化層會(huì)出現(xiàn)釬料滲透所需的非均勻點(diǎn)，所以這樣一種對(duì)待連接工件的預(yù)處理方法適合標(biāo)準(zhǔn)化的大批量生產(chǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)思路是，通過有目的地影響氧化層和/或氫氧化層的表面形狀來促進(jìn)它們的撕裂和/或剝落，并且為了用焊料進(jìn)行良好的濕潤(rùn)，必要時(shí)對(duì)工件的鋁表面進(jìn)行預(yù)處理。
按照一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述思路是借助于氧化層和/或氫氧化層中的非均勻點(diǎn)如缺口、氣孔和/或裂縫等等實(shí)現(xiàn)的。在這里，可優(yōu)選地通過對(duì)工件進(jìn)行化學(xué)和/或熱和/或機(jī)械處理使這些非均勻點(diǎn)在氧化層和/或氫氧化層中生成。
例如，在氧化期間或之后，優(yōu)選地在釬焊工件上，即在氧化層和/或氫氧化層上涂上一種含有鹵化物的潤(rùn)滑劑。在隨后的釬焊加熱工序中，通過這種對(duì)氧化層的改性促進(jìn)了非均勻點(diǎn)的形成，而通過鹵化物對(duì)所暴露的鋁表面的活性化處理，使表面能被焊料濕潤(rùn)。
在工藝步驟中取消了釬劑的涂覆，則可以使熱除脂和釬焊一同在釬焊爐如連續(xù)式爐中進(jìn)行。特別具有的優(yōu)點(diǎn)是，這兩個(gè)工藝步驟是在一個(gè)唯一的加熱工序中進(jìn)行的。
熱處理也被優(yōu)選地與一個(gè)必需的除脂工序合并，這個(gè)除脂工序是用于去掉潤(rùn)滑劑的。特別優(yōu)選的是，熱處理，必要時(shí)還有熱除脂，被合并到釬焊工序中，這樣所需要進(jìn)行的就只是一個(gè)加熱。通過這種方式就進(jìn)一步降低了工藝成本。
為了簡(jiǎn)化工藝步驟，可優(yōu)選地在之前的工件加工工序如深拉伸、裁切、沖壓等中，將含有鹵化物的潤(rùn)滑劑涂到工件上，而從工藝要求來說這些工序本來就要求進(jìn)行潤(rùn)滑。
此外，應(yīng)在不大幅度增加額外費(fèi)用的情況下防止氧化層中已分解的位置再次氧化。為此，可在含鹵化物的潤(rùn)滑劑中加入添加劑，這種添加劑在加熱時(shí)分解并含有親氧組分，這樣它在待釬接工件的周圍環(huán)境中自行與氧氣結(jié)合，從而改善了釬焊環(huán)境以及釬料流動(dòng)。在這里，可考慮采用羧酸、胺、硫化物和/或磷化物作為與氧氣結(jié)合的添加劑或組分。并且這種添加劑或組分對(duì)釬焊工序有著積極影響。
在保護(hù)氣體的環(huán)境下，相對(duì)來說會(huì)有大量的鎂殘留，也就是說它不象在真空中那樣大量蒸發(fā)，因此，一方面它可以使液態(tài)釬料的分散更容易并改善釬焊后工件的強(qiáng)度性能。另一方面，通過鎂的部分蒸發(fā)可促進(jìn)前面所述的氧化層的分解，并且當(dāng)鎂在表面擴(kuò)散時(shí)，它與在表面殘余的氧反應(yīng)生成氧化鎂(MgO)，從而防止了鋁表面的再次氧化。所以釬焊時(shí)可以相應(yīng)地采用由含較多鎂成分的鋁構(gòu)成的基材。在特別具有優(yōu)點(diǎn)的方法中，基材由鋁構(gòu)成，鋁中含有的鎂成分大于0.2％，優(yōu)選的是大于0.5％，特別優(yōu)選的是小于2％。
在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不斷衰減的保護(hù)氣體環(huán)境有助于使鋁表面不再重新氧化并防止已有的氧化層繼續(xù)擴(kuò)大。在加熱和釬焊時(shí)所采用的保護(hù)氣體優(yōu)選為氫氣、氬氣或氮?dú)?，其中氮?dú)獾某杀居葹榈土４送?，使用保護(hù)氣體連續(xù)式爐可以提高制造過程的自動(dòng)化程度。
前面所述的對(duì)鋁部件如管、板、翅片或半成品如帶料的無釬劑釬焊法可用于汽車上的熱交換器。如本發(fā)明所述的釬焊工件優(yōu)選地具有一個(gè)釬料層，它由一種鋁化合物構(gòu)成。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)特別在于，在保護(hù)氣體釬焊前，使由鋁和/或鋁化合物構(gòu)成的工件的表面形成一個(gè)氧化層和/或氫氧化層，并在氧化期間或之后涂上含鹵化物的潤(rùn)滑劑，從而可以在釬焊時(shí)不再使用釬劑。這樣可以減少對(duì)環(huán)境的危害，降低設(shè)備的損耗并提高設(shè)備的使用壽命。此外，這樣還可以在保護(hù)氣體釬焊中使用含鋅和/或含鎂的材料，或至少使它們的使用變得容易。
在這個(gè)方法中涂上含鹵化物的潤(rùn)滑劑，可以促進(jìn)氧化層和/或氫氧化層的分解和/或脫落，并使鋁表面活性化以有利于提高釬料的濕潤(rùn)，并且特別是通過它所含有的親氧添加劑或組分，至少使暴露的鋁表面難以再次氧化。最后，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不斷衰減的保護(hù)氣體環(huán)境也發(fā)揮了作用。在加熱時(shí)所形成的非均勻點(diǎn)相應(yīng)地被釬料充滿，從而可以形成牢固持久的釬接。
這樣就提供了一種特別經(jīng)濟(jì)并相對(duì)簡(jiǎn)單的鋁或鋁化合物的無釬劑釬焊法，它尤其保證了熱交換器的鋁部件間形成特別牢固的釬接，并在重復(fù)生產(chǎn)中保證了同樣的質(zhì)量，從而滿足了大規(guī)模生產(chǎn)特別是汽車工業(yè)中批量生產(chǎn)的要求。


下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。其中圖1中為如本發(fā)明所述的一個(gè)釬焊工件，圖2中為如本發(fā)明所述的一個(gè)釬焊工件，圖3中為使用本發(fā)明所述的釬焊方法時(shí)的一個(gè)釬焊工件。
具體實(shí)施例方式
在未按比例畫出的圖1中是一個(gè)釬焊工件10，它的本體20由一種鋁合金構(gòu)成，并帶有一個(gè)由一種鋁合金構(gòu)成的釬料覆蓋層30，厚度大約為0.1mm。在釬料覆蓋層30的表面是一個(gè)厚度大約為100nm的勃姆石層40。
使用潤(rùn)滑劑50可以簡(jiǎn)化釬焊工序前的切割或沖壓工序。潤(rùn)滑劑50的涂布可以在生成勃姆石層的氧化過程中或之后進(jìn)行。
圖2中為一個(gè)釬焊工件110，它具有一個(gè)本體120和一個(gè)釬料覆蓋層130，后者表面帶有一個(gè)非均勻的氧化層和/或氫氧化層140。氧化層和/或氫氧化層140具有缺口、氣孔和/或裂縫160。在這些位置，釬料覆蓋層130只被一個(gè)自然形成的、厚度為1nm到5nm的氧化層和/或氫氧化層170覆蓋。非均勻點(diǎn)160是在例如熱除脂過程中形成的，特別是在去除含鹵化物的潤(rùn)滑劑過程中。在高溫條件下，鹵化物促進(jìn)了這些非均勻點(diǎn)的形成。
首先采用已公開的方法對(duì)兩個(gè)經(jīng)上述方式預(yù)處理的待連接工件的釬焊位置進(jìn)行定位(圖中未示)。接下來將整個(gè)部件放入到一個(gè)保護(hù)氣體爐中，出于自動(dòng)化的考慮優(yōu)選采用保護(hù)氣體連接式爐，經(jīng)過預(yù)處理的工件在爐中被加熱。
在這個(gè)過程中，一方面(見圖1)，在勃姆石層40以及釬料覆蓋層30和勃姆石層40之間的交界區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力在含鹵化物的潤(rùn)滑劑50的支持下，使缺口、氣孔和/或裂縫在勃姆石層40中優(yōu)選地沿垂直于釬料覆蓋層30的表面的方向形成，并使勃姆石層40部分地從釬料覆蓋層30上脫落。另一方面(見圖2)，由于缺口、氣孔和/或裂縫160，氧化層和/或氫氧化層140同樣部分地從釬料覆蓋層130上脫落。
如圖3所示，釬料覆蓋層的釬料230在釬焊過程中圍繞著勃姆石層或氧化層和/或氫氧化層脫落的碎片流動(dòng)或沖刷。液態(tài)釬料230可以通過這種方式對(duì)工件210的鋁制本體230進(jìn)行濕潤(rùn)，從而形成所要求的釬接。
權(quán)利要求
1.一種釬焊工件，由鋁和/或鋁化合物構(gòu)成，具有一個(gè)布置在工件表面的氧化層和/或氫氧化層，其特征在于，該氧化層和/或氫氧化層的厚度d大于自然形成的氧化層和/或氫氧化層的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬焊工件，其特征在于，25nm＜d＜1000nm，尤其是50nm＜d＜500nm，最好是80nm＜d＜250nm。
3.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，氧化層和/或氫氧化層由勃姆石構(gòu)成。
4.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，氧化層和/或氫氧化層具有包括缺口、氣孔和/或裂縫的非均勻點(diǎn)。
5.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，非均勻點(diǎn)通過對(duì)工件的化學(xué)和/或熱和/或機(jī)械處理在氧化層和/或氫氧化層中形成。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，工件上涂有含有特別是鹵化物的潤(rùn)滑劑。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，潤(rùn)滑劑中含有包括羧酸、胺、硫化物和/或磷化物的添加劑或組分。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，該釬焊工件具有一個(gè)由鋁化合物構(gòu)成的釬料層。
9.根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊工件，其特征在于，該工件的基材含有的鎂成分大于0.2％，特別是大于0.5％，優(yōu)選的是小于2％。
10.用于將至少兩個(gè)工件相互連接的釬焊方法，其特征在于，使用了至少一個(gè)根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所形成的釬焊工件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的釬焊方法，在該方法之前至少一個(gè)工件的加工工序?yàn)樯罾臁⒉们泻?或沖壓，其特征在于，在這些前面的工序中將含有鹵化物的潤(rùn)滑劑涂到工件上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的釬焊方法，其特征在于，潤(rùn)滑劑中含有包括羧酸、胺、硫化物和/或磷化物的添加劑或組分。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中的任一項(xiàng)所述的釬焊方法，其特征在于，熱除脂和釬焊工序被合并在一個(gè)唯一的加熱工序中進(jìn)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中的任一項(xiàng)所述的釬焊方法，其特征在于，在加熱和/或釬焊時(shí)使用包括氫氣、氬氣或氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣體，。
15.一種用于汽車的熱交換器，其特征在于，該熱交換器至少部分地根據(jù)前面權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的釬焊方法釬焊而成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種由鋁和/或鋁化合物制成的釬焊工件，一種釬焊方法以及用這種方法釬焊而成的換熱器。在釬焊工件的一個(gè)表面有一個(gè)具抗彎作用的氧化層。
文檔編號(hào)B23K35/28GK1849195SQ200480026274
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2004年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ず诓? 沃爾夫?qū)た藘?nèi)德勒, 科德·弗爾克爾 申請(qǐng)人:貝洱兩合公司