Lötverbindung: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 16. Februar 2008, 13:01 Uhr
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Inhaltsverzeichnis
Was ist Löten?
Löten ist ein thermisches Verfahren bei dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Grundwerkstoff und einem metallischen Zusatzwerkstoff (Lot) hergestellt wird. Die Grundwerkstoffe bleiben dabei in festen zustand nur das zugeführte Lot geht in den flüssigen Zustand über. Die Schmelztemperatur des Lotes liegt deshalb immer unterhalb der Schmelztemperaturen der zu lötenden Grundwerkstoffe. Voraussetzung für das Löten sind metallisch reine Oberflächen der Fügeteile. Ein mechanisches Reinigen ist notwendig reicht aber nicht aus, daher werden Flussmittel eingesetzt um die restlichen oder sich neu bildenden Oxydschichten zu beseitigen. Beim Löten ist die Materialpaarung von Bedeutung. Sie ist unter anderem von folgenden Faktoren abhängig:
- Benetzung des Lotes auf dem Bauteil
- Kapillarwirkung des Lotes in einem Spalt
- Entstehung von Bindungen zwischen den Stoffen
Fehlerquellen beim Löten
Anfänger machen beim Löten eine Reihe typischer Fehler, welche die Qualität der hergestellten Verbindung beeinträchtigen. Das heißt, die elektrische Verbindung ist schlecht (Wackelkontakt) und die mechanische Festigkeit gering (Gefahr des Abreißens).
Beispiele:
- Die Arbeitstemperatur der zu lötenden Teile sind nicht erreicht. ( kalte Lötstelle)
- Die zu verlötenden Teile sind nicht ausreichend sauber (blank):
- Die korrosionsbefreiende Wirkung des Flußmittels im Lötzinn reicht nicht aus.
- Nach Wegnehmen des Lötkolbens werden die zu verbindenden Teile bewegt, bevor das Lötzinn kalt und erstarrt ist.( risse im Lot)
- Nach dem Lötvorgang werden die Flussmittelrückstände nicht entfernt.( wirken korrodierend)
Das sind die häufigsten Fehlerquellen beim Löten, die gleichzeitig die Einflussgrößen beim Löten eines Bauteils beeinträchtigen.
Wann wird gelötet?
Eine Lötverbindung kommt in Betracht, wenn metallische Werkstoffe miteinander verbunden werden sollen. Es entsteht eine dichte, saubere und glatte Verbindungsstelle. In vergleich zum Schweißen ergeben sich einige besondere Vorzüge. Es können unterschiedliche Metalle miteinander verbunden werden. Die Arbeitstemperatur ist niedriger, die Erwärmung kürzer. Dadurch werden Gefügeveränderungen und Wärmeverspannung in den Werkstück weitgehend vermieden. Außerdem verziehen sich dünne Bauteile nicht so sehr wie beim Schweißen. Es sind jedoch auch Nachteile festzustellen. Festigkeit und Temperaturbeständigkeit einer Lötstelle sind begrenzt.
Vor- und Nachteille des Lötens
Vorteile:
- geringere Wärmeinbringung
- geringerer Verzug
- es können unterschiedliche Werkstoffe verbunden werden
- gute Wärmeleitfähigkeit der Verbindung
- gute elektrische Leitfähigkeit der Verbindung
- die Lötstellen müssen nicht zugänglich sein
- die Lötstellen müssen nicht zugänglich sein
- größere Toleranzen der Fügeteile möglich
- filigrane Fügeteile ohne Beschädigung lötbar
- keine Veränderung der Festigkeit durch Alterung
- keine Veränderung der Grundwerkstoffe durch niedriger Arbeitstemperatur
- automatisierbar
- es können mehrere Lötverbindungen gleichzeitig an einem Werkstück hergestellt werden
Nachteile:
- reduzierte Festigkeit der Lötstelle
- zusätzlicher Arbeitsgang der Oberflächenvorbereitung
- ausrichten nach dem Löten nicht möglich
- es ist fast immer eine Überlappung erforderlich
- galvanische Korrosion durch unterschiedliche Potentiale der Verbindungspartner ( besonders bei Aluminium)
- Nachbehandlung notwendig
- Lote meist teure Werkstoffe
Einteilung der Lötverbindung
Nach der Arbeits- bzw. Schmelztemperatur unterscheidet man folgende Lötverfahren.. .
- Weichlöten ( unter 450 °C )
- Hartlöten (über 450 °C)
- Hochtemperaturlöten ( über 900 ° C ) (im Vakuum oder unter Schutzgas; siehe DIN 8505 )
Ob eine Verbindung weich oder hart zu löten ist, richtet sich nach der erforderlichen Festigkeit der Lötnaht und nach dem zu verbindenden Grundwerkstoffen.
Weichlöten :
Das Weichlöten wird zum Verbinden von mechanisch nicht hoch belasteten Verbindungen bei gleichzeitiger Funktion der elektrischen Leitung oder des Dichtens der Verbindungen eingesetzt. Die Festigkeit der Lötverbindung nimmt mit der Dauer der Belastung ab, da Weichlote unter Last kriechen. Die erzielbare Scherfestigkeit liegt bei 2 N/mm² und die Zugfestigkeit bis 4 N/mm².
Wichtige Anwendungsbeispiele für das Weichlöten sind:
- Kupferrohrlötung mit Kapillarlötfittings in der Kalt- und Warmwasserinstallation
- Löten von Kupferblechen , verzinkten Stahlblechen und Titanzinkblechen in der Klempnerei.
- In der Auto- und Elektroindustrie
Welche metallischen Werkstoffe kann man Weichlöten:
- Blei, Zink, Kupfer; Kupferlegierungen, Aluminium
Hartlöten :
Das Hartlöten wird zum Verbinden höher belasteter Verbindungen eingesetzt. Scherfestigkeit bis ca. 100 N/mm²; Zugfestigkeit bis ca. 200 N/mm².
Wichtige Anwendungsbeispiele für das Hartlöten sind:
- Verbinden von Metallrohren für Gas-, Warmwasser- und Heizungsinstallation
- Löten von Blechen , Kühlern und Scheinwerfereinsätze im Fahrzeugbau
- Auflöten von Hartmetallschneidplatten auf Drehmeißel, Fräser und Kreissägeblätter
Welche metallischen Werkstoffe kann man Hartlöten:
- Unlegierte Stähle, Temperguss, Gusseisen, Aluminium, Kupfer
Hochtemperaturlöten:
Das Hochtemperaturlöten wird meist zum Fügen von thermisch und mechanisch hochbelasteten Bauteilen aus Keramik oder Edelstahl verwendet.Es ist bei diesem Verfahren möglich, die Zugfestigkeit bei Edelstahlverbindung bis zu 500 N/mm² zu erreichen. Bei diesem Verfahren wird kein Flussmittel verwendet, da man unter Luftabschluss lötet.Es werden Lote verwendet, deren Arbeitstemperatur oberhalb von 900°C liegen. Deshalb kommen Lotwerkstoffe wie Kupfer-, Nickel- und Kobaltlote zum Einsatz. Die Lötverbindungen werden in einem geschlossenen Vakuumöfen oder in Schutzgasöfen hergestellt.
Wichtige Anwendungsbeispiele für das Hochtemperaturlöten sind :
- Luft- und Raumfahrttechnik
Welche metallischen Werkstoffe kann man Hochtemperaturlöten:
- Nickel, Titan, Zirkonium, Cobalt, Stähle
Lötverfahren
- Kolbenlöten
- Flammlöten
- Badlöten
- Elektrisches Widerstandslöten
- Induktionslöten
- Strahllöten
- Diese 6 Lötverfahren findest du hier im Externen Link [1]
Lötvorgang
Der Lötvorgang wird in folgenden Arbeitsschritten durchgeführt:
- Die Werkstücke müssen an den Verbindungsstellen gereinigt werden.
Werkstücke reinigen
- Die Grundwerkstoffe müssen metallisch rein sein.
Das Lot kann sein Zweck nur dann erfüllen, wenn es mit den Werkstoff der Fügeteile eine Verbindung eingeht. Das Schmelzflüssige Lot muss hierzu die Werkstücke an den Verbindungsstellen benetzen. Beim Löten kann eine Benetzung durch das Lot nur dann erreicht werden, wenn an der Verbindungsstelle Verunreinigung ( z. B. Fett, Farbe, Schmutz usw.) entfernt werden. Außerdem ist zu beachten, dass durch Einwirken des Luftsauerstoffs Oberflächen unedler Metalle mit einer Oxidschicht überzogen sind. Diese Oxidschicht verhindert eine Benetzung des Grundwerkstoffes. Das Lot perlt auf der Oberfläche ab und haftet daher nicht. Die Reinigung der Werkstücke erfolgt durch Entfernung der Oxidschicht mit einer Feile, Stahlwolle oder mit Schmirgelpapier
Ein Flussmittel ist zuzugeben
Flussmittel zugeben
- Flussmittel lösen Oxidschichten auf Metalloberflächen auf und verhindern die Oxidation während der Lötvorgang.
Da sich nach der Reinigung der Oberfläche sofort wieder eine hauch dünne Oxidschicht bildet, muss zusätzlich ein Flussmittel aufgetragen werden. Durch das Flussmittel bleiben die Fügeflächen oxidfrei, so das das zugegebene flüssige Lot die Metalloberflächen benetzen kann. Dann weicht das Flussmittel vor dem flüssigem Lot zurück. Es kommt zum schnellen und großflächigen Ausbreiten, dem Fliesen des Lotes.
- Wirkungsweise von Flussmitteln.
- Nur das Rohrende mit den Flussmittel bestreichen. Dadurch gelangt kein unverbrauchtes Flussmittel in das Rohrinnere
- Die Werkstücke sind passgerecht zusammenzufügen.
- Die Werkstücke sind an der Fügestelle zu erwärmen.
- Das Lot wird zu gegeben
- Die Verbindungsstelle abkühlen lassen.
- Die Flussmittelrückstände sind zu entfernen
Temperaturen beim Löten
- Schmelzbereich:
Temperaturbereich des Lotes zwischen Liquidus - und Solidustemperatur.
- Arbeitstemperatur:
Niedrigste Oberflächentemperatur des Werkstückes an der Lötstelle (Liquidustemperatur).
- Maximale Löttemperatur ( Grenze):
Ausdampfen.
- Bindetemperatur:
Unterste Grenze der Benetzungstemperatur, 50....100°C unter der Arbeitstemperatur.
- Wirktemperatur des Flussmittels:
Temperatur, bei der die Benetzung der Oberfläche durch Lot ermöglicht wird.
- Benetzungstemperatur:
Temperatur, bei der sich das Lot wie eine Flüssigkeit verhält. ( Adhäsion, Kapillarwirkung)
- Oberer Grenze der Löttemperatur:
- Übermäßiges Kornwachstum
- Zersetzung des Flussmittels
Abhängige Faktoren
Beim Löten ist die Materialpaarung von großer Bedeutung. Sie ist unter anderem von folgenden Faktoren abhängig.
- Benetzung des Lotes auf dem Bauteil
- Kapillarwirkung des Lotes in einem Spalt
- Entstehung von Bindungen zwischen den Stoffen
Benetzung :
- Die Grundwerkstoffe müssen metallisch rein sein .
Das Lot kann sein Zweck nur dann erfüllen, wenn es mit den Werkstoff der Fügeteile eine Verbindung eingehtDas Schmelzflüssige Lot muss hierzu die Werkstücke an den Verbindungsstellen benetzen. Beim Löten kann eine Benetzung durch das Lot nur dann erreicht werden,wenn an der Verbindungsstelle Verunreinigung (z. B. Fett, Farbe, Schmutz usw.)entfernt werden. Außerdem ist zu beachten, dass durch Einwirken des Luftsauerstoffs wird die Oberflächen von unedler Metalle mit einer Oxidschicht überzogen sind. Diese Oxidschicht verhindert eine Benetzung des Grundwerkstoffes. Das Lot perlt auf der Oberfläche ab und haftet daher nicht. Die Reinigung der Werkstücke erfolgt durch Entfernung der Oxidschicht mit einer Feile, Stahlwolle oder mit Schmirgelpapier
Kapillarwirkung :
- Je enger der Spalt ist, umso größer ist die Kapillarwirkung.
Das Aufsteigen oder Hochsaugen von Flüssigkeiten in engen Spalten entgegen der Schwerkraft ist auf die Kapillar- oder Haarröhrchenwirkung zurückzuführen. Die Molekühle des Wassers ziehen sich durch die Adhäsion an den eng gegenüber- liegenden Wandungen des Spaltes nach oben. Das Wasser steigt soweit, bis sich die Adhäsionskraft und die Gewichtskraft der hängenden Wassersäule im Gleichgewicht befinden. Dort, wo der Spalt eng ist, wird eine größere Höhe erreicht, wo der Spalt breit ist, dagegen eine geringere. Diese Wirkung tritt nur bei benetzenden Flüssigkeiten auf. Nur dann überwiegt die Adhäsion gegenüber der Kohäsion.
Kapillarkräfte
Kapillarspalt
Schematische Darstellung
Bindungen :
- Je stärker die Legierungsbildung ist, umso höher ist die Festigkeit der Verbindung.
Bei Erreichen der Arbeitstemperatur wird das Lot an den Grundwerkstoff geführt und an diesem geschmolzen. Durch Kapillarwirkung dringt das Flüssige Lot in den Lötspalt ein. Es lösen sich die Atome des festen Grundwerkstoffes von ihren Plätzen und vermischen sich mit den ebenfalls vordringenden Atomen des schmelzflüssigen Lotes. Diesen Vorgang nennt man Diffusion. An der Grenzfläche des Grundwerk- stoffes entsteht dadurch eine Legierung aus Grundwerkstoff und Lot. Mit höherer Temperatur verstärkt sich die Diffusion. Dies ist ein Grund dafür, dass beim Hartlöten eine höhere Festigkeit erreicht wird. Lote können ihren Zweck nur erfüllen, wenn sie:
- im schmelzflüssigem Zustand besonders dünnflüssig sind,
- einen Schmelzpunkt haben, der unter denen der Grundwerkstoffe liegt,
- sich mit anderen metallischen Werkstoffen gut verbinden.
- Diffusion :ist ein physikalisches Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit vollständigen Durchmischung zweier Stoffe führt
