Lötverbindungen
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Fertigstellung bis zum 01.Januar 2006
Inhaltsverzeichnis
Allgemeines
Löten ist, wie Kleben und Schweißen, ein Verfahren um stoffschlüssige Verbindungen herzustellen. Beim Löten lassen sich fast alle Metalle auf Stahl-,Kupfer- und Nickelbasis sowie Edelmetalle miteinander verbinden und beschichten.
Funktion
Entscheidend für das Löten ist das Benetzen des Grundwerkstoffs mit Lot. Das Lot verflüssigt sich, breitet sich aus und haftet nach dem Erstarren an der Oberfläche des Werkstücks. Im Gegensatz zum Schweißen wird beim Löten nicht der Grundwerkstoff geschmolzen, sonder nur das Lot als Zusatzstoff. Voraussetzung für das Benetzen der Oberfläche ist eine metallisch reine Oberfläche und die Arbeitstemperatur. Beim Benetzen der Oberfläche läuft eine Legierungsbildung zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lot ab. Das Lot diffundiert in den Grundwerkstoff, der wiederum in die Lotschicht. Das bedeutet, das kleinste Partikel des jeweiligen Stoffes sich in den anderen einlagern, wodurch eine Legierung entsteht. Die Tiefenausdehnung der Diffusionszone ist für die Festigkeit der Lötung entscheidend.
Kapillarwirkung
Flüssiges Lot besitzt genauso wie Wasser die Eigenschaft, sich in enge Spalten zuziehen. Diese Eigenschaft wird Kapillarwirkung genannt. Hierbei besteht zwischen Steighöhe des Lotes und Spaltbreite der Fuge ein direkter Zusammenhang. Je enger die Spaltbreite, desto höher zieht sich das Lot.
Datei:Kapillarer Fülldruck.jpg
Einteilung nach Löttemperaturen
Das Löten ist nach DIN 8505-2 in drei Verfahrensgruppen einteilen:
- Weichlöten (WL)
- Hartlöten (HL)
- Hochtemperaturlöten (HTL)
Die Einteilung erfolgt nach der Liquidustemperatur.
Weichlöten Beim Weichlöten (WL)liegt die Arbeitstemperatur unter 450°C. Die Lote bestehen meistens aus Legierungen weicher Metalle wie Zinn, Zink, Blei und Cadmium. Weichlöten wird angewendet, wen an die Festigkeit keine großen Anforderungen gestellt werden, die Verbindungen aber dicht oder leitfähig sein sollen. Einsatzgebiet: Elektroindustrie, Kälteindustrie und bei Rohrverbindungen im Kalt- und Warmwasserbereich und für Gase.
Hartlöten Die Arbeitstemperatur beim Harlöten (HL) liegt oberhalb von 450°C. Mit Hartlötungen lassen sich Festigkeitswerte von bis zu 500N/mm² erreichen, wobei diese von der Art des Lotes sowie von der Gestahltung der Lötverbindung abhängt. Einsatzgebiet: Maschinenbau und Fahrzeugbau.
Hochtemperaturlöten Beim Hochtemperaturlöten (HTL) wird ohne Flussmittel unter Luftabschluss gelötet. Es werden Loten verwendet, deren Arbeitstemperatur oberhalb von 900°C liegen. Meistens sind das Kupferbasislote, zinkhaltig und zinkfrei, Nickelbasislote und Gold-,Palladium- sowie Titanlote. Das Lot wird in Form von Lotformteilen oder Lotpasten zugegeben. Als Wärmequelle dienen Durchlauföfen oder Vakuumöfen. Einsatzgebiet: Luft- und Raumfahrt, Reaktortechnik.
Vorteile/Nachteile
Vorteile von Lötverbindungen
- Lötstellen sind gut elektrisch leitfähig
- Lötverbindungen sind größtenteils dicht gegen Gase und Flüssigkeiten
- Durch niedrige Arbeitstemperaturen wird der Werkstoff kaum geschädigt
- Lötvorgänge lassen sich je nach Verfahren automatisieren
- Bauteile werden nicht durch Bohrungen geschwächt, wie z.B bei Niet- und Schraubverbindungen
- Auch schwer erreichbare Verbindungsstellen lassen sich gut Löten
Nachteile bei Lötverbindungen
- Die Festigkeit von Lötverbindungen ist geringer als die von Schweißverbindungen
- Lötverbindungen sind im Bezug auf Schweißverbindungen aufwendiger in der Vorbearbeitung
- Flussmittelreste können zu chemischer Korrosion der Verbindung führen
- Größere Lötstellen benötigen viel des meist teuren Lotes, das meist aus Zinn oder Silber besteht
Frage: Warum ist Löten gerade in der Elektroindustrie interessant?
Hier zur Lösung
Temperaturen beim Löten
Schmelzbereich des Lotes
Der Temperaturbereich vom Beginn des Schmelzens (Solidustemperatur) bis zur vollständigen Verflüssigung (Liquidustemperatur)wird als Schmelzbereich des Lotes bezeichnet.
Arbeitstemperatur
Die Arbeitstemperatur ist die niedrigste Temperatur, die an den Berührungsflächen zwischen Lot und Werkstück herrschen muss, damit das Lost sich aus breitet, fließt und am Grundwerkstoff binden kann.
Die Arbeitstemperatur ist immer höher als die Solidustemperatur. Sie kann gleich sein mit der Liquidustemperatur, aber auch darüber oder darunter liegen.
Maximale Lötemperatur
Die maximale Löttemperatur ist die Temperatur,oberhalb der das Lot oder das Werkstück oder das Flussmittel geschädigt wird. Der Bereich der Löttemperatur wird nach unten hin durch die Arbeitstemperatur und nach oben hin durch die maximale Löttemperatur begrenzt.
Wirktemperatur
Unter dem Wirktemperaturbereich versteht man den Temperaturbereich, innerhalb dessen ein Flußmittel oder Lötschutzgas das Benetzen von Werkstücken durch flüssige Lote ermöglicht.
Berechnung
Stumpfstoßverbindungen
Datei:Stumpfstoßverbindung neu 1.JPG Datei:Löten Formel1.jpg Datei:Normalspannung neu 1.JPG
Al | Lötnahtfläche = Bauteiquerschnittsfläche b*tmin | |
σl | Normalspannung in der Lötnaht | |
S | Sicherheit (2..3) |
Überlappstoßverbindungen
Datei:Überlappstoßverbindung neu 2.JPG
KA | Anwendungsfaktor (nach Tabellenbuch 3-5 Roloff/Matek) | |
Fnenn | zu Übertragende Nennscherkraft | |
Al | Lötnahtfläche | |
τlB | Scherefestigkeit der Lötnaht (nach Tabellenbuch 3-5 Roloff/Matek) | |
S | Sicherheit (2..3) |
Steckverbindungen
KA | Anwendungsfaktor (nach Tabellenbuch 3-5 Roloff/Matek) | |
Tnenn | zu übertragendes Nenntorisonsmoment | |
d | Durchmesser des Lötnahtrings = Durchmesser des eingelöteten Rundstabes | |
lü | Überlappungslänge (Einstecktiefe) | |
τlB | Scherefestigkeit der Lötnaht (nach Tabellenbuch 3-5 Roloff/Matek) | |
S | Sicherheit (2..3) |
Rohrsteckverbindungen
Datei:Löten Formel3.jpg Datei:Löten Formel4.jpg
Übungsaufgaben
Übungsaufgabe 1:
Eine Kaltwasserleitung aus Kupferrohr 54 x 2 wird nach Skizze mit einer weich aufgelöteten Kappe verschlossen. Es ist zu prüfen, ob die Spaltlötverbindung für einen höchsten Wasserdruck von 8 bar sicher auslegen.
Hier geht es zum ausführlichen
Lösungsweg
Lote und Flussmittel
Lote
Das Lot ist ein metallischer Zusatzstoffwerkstoff, mit dessen Hilfe metallische Teile miteinander verbunden werden. Dabei ist es wichtig, das der Schmelzpunkt des Lotes unterhalb desjenigen der zu verbindenden Teile liegt. Lote bestehen aus Legierungen oder seltener aus reinen Metallen.
Vorraussetzungen für die Eignung eines Lotes sind:
- Das Lot muss gut am Grundwerkstoff haften bzw. ihn benetzen
- Das Lot muss gute Kapillar- und Diffusionseigenschaften aufweisen
- Das Lot sollte einen geringeren Wärmeausdehnungsunterschied zum Grundwerkstoff besitzen
- Der Schmelzpunkt des Lotes sollte ca. 50°C unterhalb des Schmelzpunktes vom Grundwerkstoff liegen
Weichlote
Weichlote sind nach DIN 1707 in vier Gruppen eingeteilt.
- Gruppe A Blei-Zinn- und Zinn-Blei-Lote
- Gruppe B Zinn-Blei-Weichlote mit Kupfer-,Silber- oder Pospohrzusatz
- Gruppe C Sonder Weichlote
- Gruppe D Weichlote für Aluminiumwerkstoffe
Weichlotverbindungen eignen sich nicht dafür Kräfte zu übertragen, da sie bei Dauerbelastungen zum kriechen neigen.
Hartlote
Hartlote lassen sich nach ihren Bestandteilen für unterschiedliche Aufgaben unterteilen
cadmiumhaltige Hartlote
- Hartlote die aus Silber, Zink und Cadmium bestehen,ermöglichen ein werkstück- und werkstoffschonendes löten, bei kurzen Lötzeiten. Das Cadmium hat dabei die Aufgabe die Arbeitstemperatur auf 610°C herab zu setzen. Werden cadmiumhaltige Lote stark Überhitzt, so entstehen gesundheitsschädliche Cadmiumdämpfe.
nickel- manganhaltige Hartlote
- Nickel- manganhaltige Hartlote werden zum Auflöten von Hartmetallen auf Stahlträgern und zum löten von schwerbenetzbaren Werkstoffen, wie Wolfram und Molybdän, verwendet.
phosphorhaltige Hartlote
- Phosphorhaltige Hartlote besitzen einen Selbstfließeffekt, der es ermöglicht Kupferwerkstoffe an der Atmosphäre ohne Flußmittel zu löten. Bei Eisen und Nickelwerkstoffe entstehen allerdings spröde Übergangszonen und daher nicht geeignet.
Hochtemperaturlote
Flussmittel
Die Aufgabe von Flußmitteln ist es die Oberfläche der Lötstelle von Oxidationen zu befreien und ihre Neubildung zu verhindern, desweitern wir die Benetzung der metallischen Oberfläche mit geschmolzenem Lot unterstützt. Flußmittel sind als Pulver, Paste oder Flüssig erhältlich. Der Schmelzpunkt von Flussmitteln muss 50°C unter der des Lotes liegen. Die Wirksamkeit von Flussmitteln ist zeitlich begrenzt, da nach einer Zeit keine Oxide mehr gelöst werden können.
Folgende Aspekte sind bei der Auswahl von Flussmitteln zu berücksichtigen:
- der praktische Nutzen
- mögliche Korrosion durch Flussmittelrückstände
- Gesundheitsschäden durch Dämpfe
- die Entsorgung
Hersteller
Hier findet ihr einige Links zu Lieferanten von Loten, Flussmitteln und Gerätschaften, aber auch zu Schulungen und Datenblättern :
DIN Normungen
DIN 1912-4 | Zeichnerische Darstellung Schweißen, Löten; Begriffe und Benennungen für Lötstöße und Lötnähte | ||||
DIN 8505-1 | Löten; Allgemeine Begriffe | ||||
DIN 8505-2 | Löten; Einteilung der Verfahren, Begriffe | ||||
DIN 8505-3 | Löten; Einteilung der Verfahren nach Energieträgern,Verfahrensbeschreibungen | ||||
DIN 8514-1 | Lötbarkeit; Begriffe | ||||
DIN 8593-7 | Fertigungsverfahren Fügen; Fügen durch Löten; Einordnung, Unterteilung | ||||
DIN EN 1044 | Hartlote | ||||
DIN EN 29453 | Weichlote; chemische Zusammensetzung und Lieferformen | ||||
DIN EN 29454-1 | Flussmittel zum Löten metallischer Werkstoffe; Flussmittel zum Weichlöten |
Quellenangabe
Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 17. Aufl. 2005, ISBN 3-528-17028-X
Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 7. Aufl. 2003. ISBN 3-528-64482-6
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