Reparaturprozess und Leistung von undichten vakuumgelöteten Aluminium-Wärmesenken durch WIG-Schweißen

Das Vakuum-Lötverfahren für Kühlkörper stellt extrem hohe Anforderungen an die Teilepräzision und die Parameterkontrolle. Darüber hinaus ist es aufgrund der langen Schweißnähte sehr schwierig, eine 100%ige Schweißqualifizierungsrate zu erreichen. Bei lokalisierten Leckstellen können Reparatur-Schweißverfahren zur Behebung eingesetzt werden. Im Folgenden werde ich, mit Schwerpunkt auf dem spezifischen und anspruchsvollen Verfahren "WIG-Reparaturschweißen für Aluminium-Vakuumgelötete Kühlkörper-Leckagen", eine systematische und detaillierte Einführung geben. Dies ist nicht nur einfaches Schweißen, sondern eine Präzisionsreparaturtechnik.

Zunächst ist es wichtig zu klären: Vakuumlöten ist ein Fügeverfahren, bei dem ein Lot mit einem Schmelzpunkt verwendet wird, der niedriger ist als der des Grundwerkstoffs (z. B. Aluminium-Silizium-Reihe), der in einem Vakuumofen gleichmäßig erhitzt wird und Lücken durch Kapillarwirkung füllt. Seine Eigenschaften umfassen gleichmäßiges Gesamterhitzen, minimale Verformung und glatte Schweißnähte. Im Gegensatz dazu ist das WIG-Reparaturschweißen ein lokales Schweißreparaturverfahren, das leicht zu Problemen wie *Spannungskonzentration, Verformung, Durchbrennen und sekundärer Leckage führen kann. Daher ist das Ziel des Reparaturschweißens: die thermische Belastung der ursprünglichen, intakten Bereiche zu minimieren und gleichzeitig die Anforderungen an Dichtigkeit und Festigkeit zu erfüllen.

I. Vorbereitung vor dem Schweißen

1. Lokalisierung und Bewertung von Defekten

Reinigen Sie die verdächtigen Bereiche mit Alkohol oder Aceton und untersuchen Sie sie sorgfältig auf Risse oder Leckstellen mit einer Hochleistungs-Lupe oder einem industriellen Endoskop.

Bewertung: Wenn sich die Leckstelle in Bereichen mit dichten Wasserkanälen oder Haupttragrippen befindet, kann das Reparaturschweißen Kettenleckagen oder starke Verformungen verursachen. Es sollte bewertet werden, ob sich eine Reparatur lohnt.

2. Oberflächenreinigung

Mechanische Reinigung: Verwenden Sie eine Edelstahldrahtbürste, um die Oxidschicht, den Zunder und Verunreinigungen von der Schweißfläche gründlich zu entfernen, bis ein metallischer Glanz erscheint. Verwenden Sie Feilen und Winkelschleifer vorsichtig, um übermäßiges Entfernen des Grundwerkstoffs zu vermeiden.

Chemische Reinigung: Verwenden Sie Aceton oder spezielle Aluminiumreiniger zum Entfetten. Für hartnäckige Oxidschichten kann ein milder alkalischer Reiniger verwendet werden, gefolgt von gründlichem Spülen mit sauberem Wasser und Trocknen.

Sofortiges Schweißen: Der gereinigte Bereich sollte innerhalb von 2 Stunden geschweißt werden, um eine übermäßige Bildung einer neuen Oxidschicht (Al₂O₃) zu verhindern.

3. Vorbereitung der Nut

Bei Rissen ist es notwendig, mit einer Mikrofräse, einer kleinen Schleifscheibe oder einem Schaber eine Nut zu erstellen.

Nuttyp: Eine U-Nut oder V-Nut wird empfohlen, um eine vollständige Freilegung der Nutwurzel zu gewährleisten, was das Eindringen und den Gasschutz erleichtert.

Stoppbohrungen: Bohren Sie Φ1-2mm Stoppbohrungen an beiden Enden des sichtbaren Risses, um eine Rissausbreitung während des Schweißens zu verhindern.

4. Vorbereitung von Material und Ausrüstung

Auswahl des Zusatzdrahtes

Den Sorten, die dem Grundwerkstoff entsprechen, sollte Vorrang eingeräumt werden. Gängige Kühlkörpermaterialien sind Aluminiumlegierungen 3003/6063/6061, für die typischerweise ER4043 (gute allgemeine Verwendbarkeit, ausgezeichnete Fließfähigkeit, rissbeständig) oder ER5356 (höhere Festigkeit, größere Härte, etwas schlechtere Fließfähigkeit) ausgewählt werden.

Der Zusatzdraht sollte in speziellen Drahtboxen gelagert und sauber und trocken gehalten werden.

Ausrüstung:

AC/DC-Quadratwellen-WIG-Schweißgerät (AC-WIG): Unverzichtbar. Das Aluminiumschweißen erfordert den "Kathodenreinigungseffekt", um die Oxidschicht zu entfernen, was nur mit Wechselstrom erreicht werden kann.

Hochreines Argongas (Reinheit ≥99,99 %), mit trockenen Gasleitungen.

Wolfram-Elektrode: Ceriertes Wolfram (WC-20) wird empfohlen. Der Durchmesser wird basierend auf dem Strom gewählt (typischerweise 1,6 mm oder 2,4 mm).

Gaslinse: Ersetzt die Standard-Keramikdüse und bietet eine laminarere und effektivere Argon-Schutzgasschicht, die für das Aluminiumschweißen entscheidend ist.

5. Vorwärmen

Gesamtaufheizung: Für größere oder strukturell komplexe Kühlkörper wird eine Gesamtaufheizung im Ofen bei 200 °C empfohlen. Dies reduziert den Wärmeeintrag beim Schweißen erheblich, minimiert thermische Differenzspannungen, verhindert Heißrisse und unterstützt das Entweichen von Wasserstoff.

Lokales Vorwärmen: Ein Gasbrenner oder eine Heißluftpistole kann zum sanften Vorwärmen um den Reparatur-Bereich verwendet werden. Überschreiten Sie nicht 250 °C, um die Leistung der ursprünglichen Lötverbindung nicht zu beeinträchtigen.

II. WIG-Reparaturschweißverfahren – Parameter und betriebliche Grundlagen

1. Parameterreferenz (Beispiel für übliche 2-3 mm Dicke)

Strom: Verwenden Sie den AC-Modus. Strombereich ca. 80-120 A, erfordert Feinabstimmung basierend auf spezifischer Position und Wärmeableitungsbedingungen. Prinzip: Verwenden Sie den minimalen Strom und die höchstmögliche Geschwindigkeit, während die Verschmelzung sichergestellt wird.

Frequenz: Moderne Schweißgeräte ermöglichen die Frequenzeinstellung. Empfohlene Einstellung: 80-120 Hz. Höhere Frequenz konzentriert den Lichtbogen und reduziert die wärmebeeinflusste Zone (WEZ).

Reinigungsbreite (Balance): Im AC-Modus kann der "Reinigungs"-Prozentsatz (Elektrode positiv) auf 65-75 % eingestellt werden, um eine ausreichende Kathodenreinigungsaktion zu gewährleisten.

Argon-Durchflussrate: 8-15 l/min, geliefert über die Gaslinse.

Wolfram-Überstandslänge: So kurz wie möglich halten, etwa 3-5 mm, um die Abschirmung zu verbessern.

Zusatzdrahtdurchmesser: Üblicherweise Φ1,6 mm oder Φ2,0 mm.

2. Betriebstechniken

Haltung: Sorgen Sie für stabile Winkel für Brenner, Zusatzdraht und Werkstück. Die Vorhandtechnik (nach links) wird üblicherweise verwendet.

Lichtbogenzündung und -beendigung: Verwenden Sie einen Hochfrequenzstart oder einen Liftstart, um eine Kontamination durch Kontaktstart zu vermeiden. Verwenden Sie die Stromabklingfunktion des Schweißgeräts beim Beenden des Lichtbogens, um den Krater zu füllen und Kraterrisse zu vermeiden.

Wärmeeintragskontrolle: Verwenden Sie intermittierendes Heftschweißen oder schnelles segmentales Schweißen. Schweißen Sie einen kleinen Abschnitt (10-20 mm), stoppen Sie sofort, um die Wärmeableitung zu ermöglichen, warten Sie, bis die Temperatur auf ein für den Handrücken berührbares Niveau (ca. 50-60 °C) gesunken ist, und schweißen Sie dann den nächsten Abschnitt. Dies ist die Kernstrategie, um Verformungen und Durchbrennen zu verhindern!

Schweißbadbeobachtung: Die Farbänderung des Aluminiumschweißbades ist nicht offensichtlich. Beobachten Sie die Bildung von Oberflächenspannung und Randbenetzung. Fügen Sie Zusatzdraht erst hinzu, nachdem der Grundwerkstoff ein helles, flüssiges Bad bildet.

Zusatzdrahtzufuhr: Der Zusatzdraht sollte sich immer innerhalb der Argon-Schutzzone befinden. Fügen Sie ihn mit einer "Tupf"- oder "kontinuierlichen Zufuhr"-Methode mit sanfter und gleichmäßiger Bewegung hinzu.

III. Nachbehandlung und Inspektion nach dem Schweißen

1. Reinigung nach dem Schweißen: Verwenden Sie eine Edelstahldrahtbürste, um Verfärbungen durch Oxidation und Spritzer von der Schweißoberfläche zu entfernen.

2. Dichtheitsprüfung:

Drucklecktest: Verschließen Sie alle Anschlüsse des Kühlkörpers, führen Sie Druckluft (oder Stickstoff) mit dem erforderlichen Produktdruck ein, tauchen Sie ihn in Wasser ein und beobachten Sie, ob sich Blasen bilden. Dies ist die direkteste Testmethode.

Druckhalteprüfung: Lassen Sie es nach dem Aufblasen eine Weile stehen und beobachten Sie, ob der Druckanzeiger abfällt.

Fluoreszierende Eindringprüfung oder Helium-Massenspektrometrie-Lecktest: Wird für Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen verwendet.

3. Zerstörungsfreie Prüfung (optional): Für kritische Bereiche kann die Farbeindringprüfung (PT) verwendet werden, um Oberflächenrisse zu überprüfen.

4. Richten (falls erforderlich): Wenn geringfügige Verformungen auftreten, ist eine Kaltkorrektur mit einer Form auf einer Presse akzeptabel. Vermeiden Sie das Hämmern.

IV. Häufige Probleme und Gegenmaßnahmen beim WIG-Reparaturschweißen

V. Besondere Vorsichtsmaßnahmen und Empfehlungen für das Reparaturschweißen

1. Sicherheit geht vor: Das Schweißen von Aluminium erzeugt stärkere ultraviolette Strahlung. Tragen Sie dunkle Schutzgläser (≥ #12), Handschuhe und flammhemmende Kleidung. Sorgen Sie für eine gute Belüftung, um das Einatmen von Aluminiumdämpfen zu vermeiden.

2. Denkweise: Das WIG-Reparaturschweißen von Aluminium-Kühlkörpern ist eine "präzise, stickereiartige" Aufgabe. Vermeiden Sie es, den Schweißvorgang in einem einzigen Durchgang abzuschließen. Geduld und sorgfältige Vorbereitung sind wichtiger als der Schweißvorgang selbst.

3. Bewertung alternativer Lösungen: Bei sehr geringfügigen Leckagen sollten Sie die Verwendung von Aluminium-Niedertemperatur-Lötzusatz (Brennerlöten) oder speziellem Epoxidharz zum Abdichten in Betracht ziehen, die weniger thermische Auswirkungen und Verformungen haben. Die Festigkeit und Haltbarkeit müssen jedoch anhand der Betriebsbedingungen bewertet werden.

4. Aufzeichnungen: Dokumentieren Sie die Defektstelle, die Schweißparameter und die Betriebssequenz, um die Zusammenfassung der Erfahrungen zu erleichtern.

Schlussfolgerung: Das WIG-Reparaturschweißen für vakuumgelötete Aluminium-Kühlkörper ist eine präzise Wiederaufbereitungstechnik. Sein Erfolg beruht nicht auf sehr schwierigen Schweißkenntnissen, sondern auf einer sorgfältigen Vorbereitung vor dem Schweißen, einer äußerst strengen Wärmeeintragskontrolle und einem systematischen Inspektionsprozess. Bei hochwertigen Kühlkörpern ist es, wenn die Bedingungen dies zulassen, eine klügere Wahl, die Aufgabe einem erfahrenen professionellen Techniker anzuvertrauen.