Gränges tar hjälp av synkrotronljus för att slippa flussmedlet

2019-06-11 06:00  

Hur löder man en värmeväxlare i aluminium utan det besvärliga flussmedlet? Det ska Gränges ta reda på – med hjälp av världens ljusstarkaste synkrotronljusanläggning, Max IV i Lund.

Synkrotronljus ger möjlighet att studera hur material är sammansatta på molekylnivå. Aluminiumplåttillverkaren Gränges drar nu nytta av tekniken vid forskningsanläggningen Max IV för att finna ett sätt att löda värmeväxlare utan så kallat flussmedel.

Flussmedel används för att bryta upp oxider som finns naturligt på ytan som ska lödas. Oxiderna förhindrar en god sammanfogning. Men flussmedel har sina nackdelar. Det dammar och irriterar andningsvägar hos den som hanterar det. Eftersom det innehåller fluoridsalter är det troligt att det i framtiden kommer att ställas högre miljökrav på användningen.

En lödd värmeväxlare där något har gått fel, vilket syns som en öppning vid pekfingernageln. Foto: Johan Kristensson

Fluorididbaserade flussmedel – till skillnad från kloridbaserade – har dock fördelen att resterna efter lödning inte är korrosiva och därmed behöver tvättas bort. På senare tid har man dock upptäckt att moderna kylarvätskor till bilar reagerar med flussmedelsresterna och kan bilda en gel som riskerar att täppa till kylsystemet.

Industrin vill helt komma bort från flussmedel

Sedan tidigare har Gränges en lösning som kallas för Trillium och innebär att mängden flussmedel kan minskas rejält. Men nu hoppas företaget kunna skapa en lödprocess helt utan flussmedel.

Företaget tillverkar inte självt värmeväxlarna men däremot aluminiumbanden. Andra företag löder senare värmeväxlarna med en teknik som kallas för hårdlödning i skyddsgasatmosfär (eng: controlled atmosphere brazing, CAB). Temperaturen är hög, omkring 600 grader.

– Väldigt många kunder vill löda med minsta möjliga mängd flussmedel. Det finns dessutom vissa produkter där man inte kan använda det över huvud taget, som bränsleceller, säger Torkel Stenqvist, lödningsexpert på Gränges.

Det är nu metallen magnesium kommer in i bilden. Den har egenheten att den kan bryta upp aluminiumoxiderna. Så fungerar exempelvis vakuumlödning, en teknik som till skillnad från CAB inte kräver flussmedel. Nackdelen med vakuumlödning är att det är omöjligt att få till en kontinuerlig industriell process eftersom vakuum måste inneslutas. Dessutom överförs värme dåligt i vakuum.

Läs mer: Elbilsboom banar väg för skifte i lödteknik

Idén är därför att kombinera vakuumlödningens användning av magnesium som oxidbrytare med hårdlödningens användning av en kvävgasatmosfär för bättre värmeöverföring.

Problemet är bara att ingen riktigt vet hur magnesiumuppbrytningen fungerar i kvävgasatmosfär.

– Det är det vi försöker klura på. Vet vi hur det fungerar kan vi ta fram ett processfönster för våra kunder, säger Torkel Stenqvist.

Gränges är första industriföretag på Max IV

Till sin hjälp har företaget tagit forskningsanläggningen Max IV i Lund, världens starkaste synkrotronljusanläggning som invigdes 2016. Gränges är det första privata företaget utanför läkemedelsbranschen som köper dedikerad industriell forskningstid på Max IV.

Till en kostnad av 6 000 kronor per timme fick forskarteamet tillgång till en av experimentstationerna i 24 timmar. Ny Teknik var med under eftermiddagen.

Torkel Stenqvist i korridoren intill den stora lagringsringen på Max IV. Foto: Johan Kristensson

Max IV är förenklat ett enormt mikroskop där elektroner accelereras till nära ljusets hastighet och fås att vibrera med hjälp av magneter. Resultatet blir ett mycket intensivt röntgenljus som riktas mot det som ska undersökas – i det här fallet små bitar av aluminiumlegeringar.

Läs mer: Skånsk maskinbyggare får order från Cern

Den experimentstation som används heter Hippie. Funktionen den erbjuder är så kallad röntgenfotoelektronspektroskopi, på engelska förkortat till XPS. Med XPS får man veta vilka element en yta består av samt vilket tillstånd de befinner sig i.

Det går att göra motsvarande undersökning med hjälp av enklare röntgenkällor. Men det kan ta dagar i anspråk jämfört med minuter på Max IV. På experimentstationen Hippie finns dessutom möjligheten att skapa en gasatmosfär runt det som ska undersökas, till exempel kvävgas. Det går också att värma provet med hjälp av en laserstråle. På så sätt kan forskarna efterlikna de förhållanden som råder när värmeväxlarna löds industriellt – och undersöka i realtid vad som sker på atomnivå.

”Det här är helt nytt – ingen har studerat det tidigare”

Själva stationen är ett gytter av prylar, rör och kablar. Det är inte helt enkelt att förstå hur de hänger ihop. Det mesta är dessutom invirat i aluminiumfolie på ett sätt som ger ger snudd på ett komiskt intryck. Folien används för att isolera utrustningen vid uppvärmning, vilket görs med jämna mellanrum för att bli av med vatten som ansamlas i vakuumkammaren.

Framför de många skärmarna inne i experimentstationens kontrollrum sitter utöver Torkel Stenqvist också Lars-Åke Näslund, XPS-expert på Gränges.

Torkel Stenqvist framför experimentstationen Hippie på Max IV. Foto: Johan Kristensson

På en av skärmarna syns två kurvor, en röd och en svart, som jämför de senaste resultaten från synkrotronljusexponeringarna av provbiten, med respektive utan kvävgasatmosfär. Den ena kurvan är förskjuten i förhållande till den andra. Datan är långt ifrån färdiganalyserad men Lars-Åke Näslund, som har lång erfarenhet från liknande studier, har redan en klar idé om vad kurvorna visar.

– Jag är rätt säker på att det vi ser i det svarta spektrumet är en blandning av aluminiumoxid och aluminiumhydroxid. När vi läckte in kvävgas försvann hydroxiden. Förmodligen är hydroxiden stabil eftersom det ligger vatten på ytan. Vatten stabiliserar hydroxid. När kvävgasen läckte in drev den bort vattnet och hydroxiden sönderföll till oxid. Det är orsaken till det här skiftet som kurvorna visar, säger han och fortsätter:

– Det är ingen som har studerat det här tidigare, det är helt nytt. Men vi får göra en ordentlig analys när vi kommer hem.

Så vad kommer ni berätta för era chefer när ni kommer tillbaka till Finspång?

– Att det här var en jättesuccé! Men det blir ännu intressantare när vi i nästa steg även värmer provet. Då kan det hända en hel del saker hoppas vi, med magnesium som kommer upp till ytan. Men vi har egentligen ingen aning. Det är det som är så spännande.

Forskningen finansieras genom stöd från Vinnova. Gränges har fått medel för ytterligare ett projekt, kallat 3d-karakterisering av kornorienteringsinducerad lodvätning. Företaget använder sig förutom anläggningen Max IV i Lund också av Spring-8 i Japan och Desy i Hamburg.

Läs mer: Världen följer efter Max IV

Det finns bara en handfull svenska företag med kompetens nog att utföra den här typen av undersökningar mer eller mindre på egen hand, berättar Magnus Larsson, chef för industriella relationer på Max IV.

– Gränges är ett speciellt företag. De kan teknikerna i grunden och kan analysera datan. Vi vill lyfta fler företag att nå den nivån, säger han.

Forskningen använder Max IV gratis – med publiceringskrav

Det finns flera vägar in på Max IV. En av dem är att som Gränges helt enkelt köpa sig tid. Med i bilden finns också ett så kallat mediatorföretag som projektleder experimenten, Det heter Uppsala Synchrotronix och är tänkt att fungera som en länk mellan industriföretag och synkrotronljusanläggningen.

– Vi på Max IV har inte så mycket tid att själva hjälpa till med dataanalys. Därför är det bra att komma hit med någon som kan bistå med det, säger Magnus Larsson.

En annan väg in på Max IV är genom akademien. Det är billigare – men man får leva med att få sina resultat offentligt publicerade.

Läs mer: Landskampen om grundämnena

Inom det privata näringslivet ligger läkemedelsbranschen överlägset längst fram vad gäller att dra nytta av Max IV och liknande anläggningar. Den använder sig regelbundet av tekniken i arbetet för att utveckla nya läkemedel genom att bland annat kartlägga proteinstrukturer.

– Sen är det ett jättegap ner till övriga branscher. Vi försöker att närma oss dem men i brist på resurser får vi ta det stegvis. Skogsindustrin har redan närmat sig oss och vi jobbar även med metall-, mat- och förpackningsindustrin, säger Magnus Larsson.

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt