Lötverbindungen

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

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

Es lassen sich mehrere Lötverbindungen gleichzeitig an einem Werkstück herstellen

Es lassen sich unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbinden

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

Nach dem Löten ist kein Ausrichten mehr möglich

Für eine stabile Lötverbindung ist fast immer eine Überlappung erforderlich.

Frage: Warum ist Löten gerade in der Elektroindustrie interessant? Antwort 2

Funktion

Legierungsbildung

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 sich kleinste Partikel des jeweiligen Stoffes 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 3

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

Frage: Welche Lötspaltbreite ist optimal? Antwort 4

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 Lot sich ausbreitet, 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 Löttemperatur

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 5

Einteilung der Lötverbindungen

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. Es wird mit Kolben, im Ofen oder mit Flamme gelötet. Einsatzgebiet: Elektroindustrie, Kälteindustrie und bei Rohrverbindungen im Kalt- und Warmwasserbereich und für Gase.

Hartlöten Die Arbeitstemperatur beim Hartlöten (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 Gestaltung der Lötverbindung abhängt. Hartlotverbindungen werden mit Flamme oder durch Induktion gelötet. 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 6

Einteilung nach 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.

Frage: Welche Art der Lotzuführung wird bei einer automatisierten Fertigung gewählt? Antwort 7

Einteilung nach Art der Lötstelle

Man unterscheidet zwei Arten : das Auftragslöten und das Verbindungslöten.

Auftragslöten Beim Auftragslöten wird ein Werkstück durch ein Lot beschichtet

Verbindungslöten Das Verbindungslöten wird durch den vorhandenen Lötspalt unterteilt in das Spaltlöten (Spaltbreite < 0,5mm) und das Fugenlöten (Spaltbreite > 0,5mm)

Spaltlöten: Beim Spaltlöten ist der Lötspalt zwischen den Werkstücken kleiner als 0,5mm, durch die Kapillarwirkung dringt das Lot tief in den Lötspalt vor. Bei engem Lötspalt sind dünnflüssige Lote günstiger.

Fugenlöten: Der Lötspalt beim Fugenlöten ist größer als 0,5mm oder die Lötstelle ist V- oder X- förmig erweitert, dadurch hat die Kapillarwirkung keinen Einfluss mehr. Fugenlöten wendet man bei Reparaturarbeiten an Stahl- oder Gussteilen.

Frage: Welches Verfahren wählt man, wen man ein Rohr, der Länge nach auf eine Platte löten würde? Antwort 8

Auslegung / Gestaltung

Damit bei gelöteten Bauteile die Lötsicherheit gewährleistet ist, müssen schon bei der Konstruktion eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden.

Bei der Gestaltung von Lötverbindungen sollten ausreichend große Lötflächen (z.B. durch Überlappungen) vorsehen werden
Im Lötstoßbereich sollte möglichst keine Biegebeanspruchungen, Spannungskonzentrationen oder geometrische Kerbwirkungseffekte auftreten
Lötnähte sollten möglichst auf Schub beansprucht werden
Die Gestaltung der Lötverbindung sollte so ausgelegt sein, das Rückstände von Fluss- und Lötstoppmitteln gut zu entfernen sind (Hohlräume)
Die Oberflächen der Lötstellen sollten einen Mittenrauhwert von Ra ≤ 12,5μm aufweisen.
Bei einem geschlossen Hohlraum muss ein Druckausgleich vorhanden sein (z.B. durch eine Entlüftungsbohrung)

In der unteren Zeichnung sind einige Beispiele für geeignete Lötkonstruktionen:

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 Ausschuss 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 gereinigt, damit später keine Korrosion entsteht.
Zum Schluss wird die Lötverbindung noch auf ihre Qualität hin überprüft, um Beispiel ob der Füllgrad des Lötspalts in Ordnung ist, oder ob es Risse in der Lötnaht gibt.

Frage: Warum sollten Flussmittelrückstände von Lötstellen entfernt werden? Antwort 9

Beanspruchung

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

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

Hartlötverbindung

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 geringfügig 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

nach R/M 5.1

Überlappstoßverbindungen

nach R/M 5.2

Steckverbindungen

Scherspannung durch Schubbelastung nach R/M 5.3

Scherspannung durch Torsionsbelastung nach R/M 5.4

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 ausgelegt ist.

Hier geht es zum ausführlichen Lösungsweg

Übungsaufgabe 2:

Zwei Bauteile aus S235 sollen so miteinander verlötet werden, dass sie eine Schubkraft (Zugscherkraft) von 500 N halten können. Wie groß muss die Überlappungslänge l_ü sein, wenn die Lötfläche quadratisch ist? Zum Löten wird L-Ag30Cd verwendet, außerdem hat der Konstrukteur eine dreifache Sicherheit bestimmt.

(Benutze zur Lösung Roloff/Matek Formelsammlung und Tabellen)

Hier geht es zum ausführlichen Lösungsweg

Vorschlag: Berechne diese Aufgabe auch mal für Klebverbindungen

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. Im Fachhandel sind sie als Drähte, Stäbe, Pasten oder als Lotformteile zu erhalten.

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. Der Hauptbestandteil von Weichloten ist Zinn.

Gruppe A Blei-Zinn- und Zinn-Blei-Lote
Gruppe B Zinn-Blei-Weichlote mit Kupfer-, Silber- oder Phosphorzusatz
Gruppe C Sonder Weichlote
Gruppe D Weichlote für Aluminiumwerkstoffe

Weichlotverbindungen eignen sich nicht dafür Kräfte zu übertragen, da sie bei Dauerbelastungen zum kriechen neigen. Bei Weichlotverbindungen ist wegen der geringen Festigkeit auf ausreichend große Lötflächen zu achten.[

Herstellerseite für Weichlote

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 schwer benetzbaren 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.

Herstellerseite für Hartlote

Hochtemperaturlote

Bei Hochtemperaturloten unterscheidet man zwischen Nickelbasisloten, 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, des weitern wir die Benetzung der metallischen Oberfläche mit geschmolzenem Lot unterstützt. Flussmittel sind als Pulver, Pasten 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

Herstellerseite für Flussmittel zum Weichlöten

Herstellerseite für Flussmittel zum Hartlöten

Herstellung einer Lötverbindung