Lötverbindungen
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.
Frage: Nennen sie drei Arten von 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
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 Vollständigkeit der Legierung ist entscheidend für die Festigkeit der Lötung.
Frage: Was versteht man unter Diffusion? Antwort 3
Kapillarwirkung
Flüssiges Lot besitzt genauso wie Wasser die Eigenschaft, sich in enge Spalten zu ziehen. 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 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, wenn 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 500 N/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 Lote 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 Lötspalt verdrängt 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 < 0,5 mm) und das Fugenlöten (Spaltbreite > 0,5 mm)
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 0,5 mm 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, wenn 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, dass Rückstände von Fluss- und Lötstoppmitteln gut zu entfernen sind (Hohlräume)
- Die Oberflächen der Lötstellen sollten einen Mittenrauhwert von Ra ≤ 12,5μm aufweisen.
- Bei einem geschlossenen Hohlraum muss ein Druckausgleich vorhanden sein (z.B. durch eine Entlüftungsbohrung)
In der unteren Zeichnung sind einige Beispiele für geeignete Lötkonstruktionen:
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Hinweise :
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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
- σlzul = σlB, / S ≈200N/mm²
- τlzul = τ lB / S ≈100N/mm²
Weichlötverbindung
- τlzul = τlB / 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
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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 lü 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 beim Löten miteinander verbunden werden. Dabei ist es wichtig, das der Schmelzpunkt des Lotes unterhalb des niedrigsten 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.
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- und manganhaltige Hartlote
- Nickel- und 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 Nickelwerkstoffen entstehen allerdings spröde Übergangszonen und sind daher nicht geeignet.
Hochtemperaturlote
Bei Hochtemperaturloten unterscheidet man zwischen Nickelbasisloten, zinkhaltig und zinkfrei, Kupferbasisloten und Gold-, Palladium- sowie Titanloten, wobei sich mit palladiumhaltigen Loten die höchsten Arbeitstemperaturen (1.800-2.000°C) erreichen lassen.
Flussmittel
Die Aufgabe von Flussmitteln ist es die Oberfläche der Lötstelle von Oxidationen zu befreien und ihre Neubildung zu verhindern, des weiteren wird die Benetzung der metallischen Oberfläche mit geschmolzenem Lot unterstützt. Flussmittel sind als Pulver, Pasten oder flüssig erhältlich. Der Schmelzpunkt von Flussmitteln muss ca. 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
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Bei der Herstellung einer Lötverbindung geht man wie folgt vor:
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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, Seite 82-92
Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag, 7. Aufl. 2003. ISBN 3-528-64482-6, Seite 26-29
--Whiteguard 11:32, 5. Nov 2005 (CET)
