Lithiumhaltige Hartlote für das flussmittelfreie Löten von Aluminiumlegierungen im silandotierten Schutzgasofenprozess
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das flussmittelfreie Ofenlöten von Aluminiumwerkstoffen ist bislang nur in anlagen- sowie verfahrenstechnisch aufwändigen Hochvakuumprozessen möglich und aufgrund der hierfür verwendeten Hartlote auf Al-Si-Basis nur für wenige Legierungstypen mit für Aluminiumlegierungen vergleichsweise hohen Schmelzbereichen einsetzbar. Die notwendige Bauteilaktivierung wird durch den Zusatz von Magnesium zu den hierfür eingesetzten Al-Si-Loten erzielt. Der weitaus größere Teil der Aluminiumkonstruktionswerkstoffe wird in Schutzgasprozessen gelötet, wobei insbesondere die höherlegierten, zum Teil aushärtbaren Werkstoffgruppen unter Verwendung von Zinkbasisloten gefügt werden. Das industrielle Aluminiumlöten in Schutzgasöfen ist gegenwärtig mit dem Einsatz von Flussmitteln zur Bauteilaktivierung verbunden, welche in einem dem Lötprozess vorgeschalteten Arbeitsschritt aufzubringen sind. Das hierfür gängige Verfahren ist der so genannte CAB-Prozess, bei dem Al-Si- Basislote in Kombination mit Fluoroaluminaten als Flussmittel verarbeitet werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen erfolgreiche Entwicklungschritte zum flussmittelfreien Ofenprozess beim Aluminiumlöten mit Hartlotlegierungen aus dem quaternären System AlLiSiZn. Wesentlicher Ansatzpunkt bei der Lotentwicklung war das Zulegieren von hochsauerstoffaffinem Lithium als Aktivelement zur Realisierung der Benetzung von Aluminiumoberflächen und zur Verbesserung der Fließfähigkeit in Kombination mit einer „in situ“-Schutzgasreinigung durch Zugabe von Monosilan in die Prozessatmosphäre. Ausgehend vom bekannten Zweistofflot B-Al88Si-575/585 wurden zunächst ternäre Lotlegierungen aus dem System AlLiSi hinsichtlich ihrer Schmelzbereiche mit Hilfe der thermochemischen Software „FactSage“ modelliert. Aus den Berechnungen wurden zwei Simplexmischungspläne mit einem Zusammensetzungsfenster erstellt, entsprechende Legierungen hergestellt und zur Überprüfung der Schmelzbereiche thermoanalytisch untersucht. Im weiteren Projektverlauf wurden quaternäre Legierungen aus dem System AlLiSiZn ebenfalls unter Verwendung oben genannter Software „FactSage“ simuliert, wobei sich der Zinkgehalt im quaternären System an Zusammensetzungen orientierte, die auf der eutektischen Rinne des 3-Stoffsystems AlSiZn liegen, so dass die Legierungen einen geringen Schmelzbereich aufweisen und somit bei der Anwendung als Lote die Ausbildung einer Grundwerkstofferosion (im Vergleich zu einem größeren Schmelzbereich) möglichst verhindert wird. Es resultieren AlLiSiZn-Legierungen mit Stoffmengenanteilen zwischen 0,6% Lithium und 1,2% Lithium und Stoffmengenanteilen von 0% Zink bis zu 17,9% Zink. Je nach Zusammensetzung weisen die Hartlotlegierungen Verarbeitungstemperaturen zwischen 537 °C und 578 °C auf. Korrosionsuntersuchungen am Dreistofflot zeigen, dass das Lithium im untersuchten Zusammensetzungsbereich sich positiv auf das Korrosionsverhalten auswirkt, da sich im Vergleich zu dem binären Lot auf Al-Si-Basis ein ausgedehnterer Passivbereich einstellt. Somit ergibt es sich, dass die Lotlegierungen und der Grundwerkstoff in Bezug auf ihr Korrosionsverhalten auf eine unbedenkliche Werkstoffkombination deuten. Die mechanisch technologischen Untersuchungen gefügter und benetzter Proben, sowohl mit Loten aus dem Dreistoffsystem AlLiSi, ofengelötet sowie beim Projektpartner BIAS lasergelötet, als auch mit Loten aus dem Vierstoffsystem AlLiSiZn, zeigen, dass bei den lithiumhaltigen Loten vergleichbare oder höhere Festigkeiten erwartet werden können, wie die zu fügenden Grundwerkstoffe und das häufig verwendete Lot B-Al88Si-575/585 aufweisen. Insgesamt weisen die in diesem Projekt hergestellten und untersuchten Lotlegierungen aus den Systemen AlLiSi und AlLiSiZn vergleichbare Eigenschaften wie das binäre Al-Si-Hartlot auf, mit der positiven Eigenschaft, dass sie ohne den Einsatz von Flussmitteln verwendet werden können. Sie können wie die konventionellen Al-Si-Hartlote als Drähte und Formteile eingesetzt werden und sind somit für das flussmittelfreie Löten im Schutzgasdurchlaufofen von Aluminiumknet- und Gusslegierungen geeignet. Erste Untersuchungen mit laserstrahlgelöteten Proben deuten an, dass auch dort für die Zukunft eine Anwendbarkeit gegeben sein kann. Best Paper Award 2013 anlässlich der LÖT 2013, lectures and posters of the 10th international conference taking place in Aachen on 18th to 20th June 2013 für den Beitrag “Development of flux free filler metals and processes for brazing of aluminum, In: Brazing, high temperature brazing and diffusion bonding” Düsseldorf, 2013, S. 205–211 (Preisträger André Langohr)
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Developments of brazing solder and processes for flux less joining of aluminum, 65th Annual Assembly & International Conference, 2012, Denver, paper no. XVII-C-0004-2012
Möller, F., Swider, M. A., Langohr, A., Hassel, T., Möhwald, K., Bach, Fr-W.
- Entwicklung flussmittelfreier Lote und Prozesse zum Löten von Aluminiumlegierungen, Schweißen und Schneiden 64 (2012) Heft 8; S.490-496
Swider, M. A., Langohr, A., Möller, F., Möhwald, K., Bach, Fr-W., Hassel, T.
- Development of flux free filler metals and processes for brazing of aluminum, In: Brazing, high temperature brazing and diffusion bonding. LÖT 2013, lectures and posters of the 10th international conference taking place in Aachen on 18th to 20th June 2013. Als Ms. gedr. Düsseldorf: DVS Media (DVS-Berichte, 293), 2013, S. 205–211 – Best Paper Award –
Langohr A.; Swider M.A; Möller F.; Wulf E.; Möhwald K.; Hassel T.; Maier H. J.
- Novel aluminum brazing alloys for laser beam processes. IIW 2013 Annual Assembly Com. XVII, Essen (2013) IIW-Doc. XVII-A-0036-13
Möller, F.; Tang, Z.; Langohr, A.
