Lötverbindungen

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Fertigstellung bis zum 01.Januar 2006

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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.

Frage: Was versteht man unter stoffschlüssigen Verbindungen? Antwort 1

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.

Frage: Was versteht man unter Diffusion? Antwort 2

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.

Frage: Welche Lötspaltbreite ist optimal? Antwort 3

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. 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. Das Lot wird in Form von Lotformteilen oder Lotpasten zugegeben. Als Wärmequelle dienen Durchlauföfen oder Vakuumöfen. Einsatzgebiet: Luft- und Raumfahrt, Reaktortechnik.

Frage: In welchem Bereich liegt die Arbeitstemperatur beim Hartlöten? Antwort 4

Einteilung nach der Lotzuführung

Löten mit angesetztem Lot: hierbei wird erst das Werkstück auf Arbeitstemperatur gebracht und dann wird das Lot durch Berührung mit dem Werkstück oder der Wärmequelle zum schmelzen gebracht. Diese Art der Lotzuführung wird häufig beim Weichlöten und Hartlöten verwendet.

Löten mit an- oder eingelegtem Lot: das Werkstück und eine abgemessene Menge Lot, welches meist in der Nähe des Lötspalts angebracht ist, werden gemeinsam auf Löttemperatur gebracht. Das eingelegte Lot wird als Lotformteil bezeichnet und wird der Form des Werkstücks angepasst.

Löten mit Lotdepot: das Lotdepot ist eine Aussparung im Werkstück, in die vor der Erwärmung das Lot eingelegt wird. Das Lot wird zusammen mit dem Werkstück auf Arbeitstemperatur gebracht, wobei aber direkte Flammeneinwirkung auf das Lot, durch das Depot, vermieden werden.Der Fließweg des Lotes ist von innen nach außen, wobei das Flussmittel aus dem Lötspaltverdrängt wird.

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? Antwort 5

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.

Frage: Was versteht man unter Liquidustemperatur? Antwort 6

Belastbarkeit

Die zulässige Beanspruchung einer Lötverbindung hängt von mehrern Faktoren ab: vom Lot, vom Grundwerkstoff, von den Vor- und Nachbehandlungen, von der konstruktiven Gestahltung sowie vom Lötspalt.

Bei einer Lötverbindung zwischen zwei Baustählen, die vorwiegend einer ruhenden Belastung ausgesetzt, ist kann man mit folgenden „Faustwerten“ rechnen :

Hartlötverbindungen

• σ_lzul = σ_lB, / S ≈200N/mm²

• τ_lzul = τ _lB / S ≈100N/mm²

Weichlötverbindung

• τ_lzul = τ_lB / S = 2N/mm²

Die Festigkeit von Hartlötverbindungen sinkt je nach Lot gerinfügig bei Langzeitbelastungen gegenüber Kurzzeitversuchen, dabei haben die Betriebstemperatur und die Schwingspielzahl einen großen Einfluß. Durch ein begrenztes Nachwärmen während des Lötvorgangs läst sich die Festigkeit erhöhen.

Kurzzeitversuch bei Weichlötverbindungen zeigen Scherfestigkeitswerte von 25 bis 35N/mm², diese fallen aber bei längeren Belastungen und steigenden Temperaturen schnell ab. Die Scherspannung ist bei Dauerbeanspruchung auf 2N/mm² zu begrenzen.

Berechnung

Stumpfstoßverbindungen

Überlappstoßverbindungen

Steckverbindungen

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.

Beispiele für Hartlote

Hochtemperaturlote

Bei Hochtemperaturlote unterscheidet man zwischen Nickelbasislote, zinkhaltig und zinkfrei, Kupferbasisloten und Gold-, Palladium- sowie Titanloten, wobei sich mit palladiumhaltigen Loten die höchsten Arbeitstemperaturen (1800 - 2000°C) erreichen lassen.

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

Herstellung einer Lötverbindung

Bei der Herstellung einer Lötverbindung geht man wie folgt vor :

• Die Lötflächen müssen von Fremdschichten (z.B. Farben) befreit werden, dieses kann mechanisch oder chemisch erfolgen.
• Die zu lötenden Teile müssen gegen verrutschen gesichert werden, dabei ist auf günstige Lötspaltbreiten (0,05-0,2mm) zu achten. In der Serienfertigung kommen hier Lötvorrichtungen zum Einsatz.
• Der Lötstoß und das Lot müssen auf Arbeitstemperatur gebracht werden, durch Zugabe von Flussmittel oder durch den Ausschluß von Sauerstoff werden Oxide beseitigt.
• Nachdem das Lot in den Lötspalt geflossen ist, muss die Lötverbindung langsam abkühlen
• Die Lötverbindung wird jetzt noch von Zunder und Flussmittelrückständen gereinig, damit später keine Korrusion entsteht.
• Zum Schluß wird die Lötverbindung noch auf ihre Qualität hin überprüft, um Beispiel ob der Füllgrad des Lötspalts inOrdnung ist, oder ob es Risse in der Lötnaht gibt.

Hersteller

Hier findet ihr einige Links zu Lieferanten von Loten, Flussmitteln und Gerätschaften, aber auch zu Schulungen und Datenblättern :

• BrazeTec Welt der Löttechnik

• Wullschleger AG Löttechnik und Edelmetalle

• ÖGUSSA Welt der Edelmetalle

• Gienger Lötmittel

• Armack Löttechnik

• Zevatron Löttechnik

• Stannol

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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