Maschinenelemente: Definition

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1 Maschinenelemente: Lötverbindungen Inhalt Allgemeines Technologische Grundlagen Lötverfahren-Übersicht Gestaltung von Lötverbindungen Haltbarkeit von Lötverbindungen & Berechnung Folie ME dsf

2 Maschinenelemente: Definition Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion eines Lotes an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Lote haben eine niedrigere Schmelztemperatur als die zu verbindenden Werkstoffe. Folie ME dsf

3 Lötverbindung von Stahl mit Kupferlot Zustand vor dem Löten Kupferlot 2 Zugfestigkeit 200 N/mm Maschinenelemente: Stahl Zugfestigkeit 600 N/mm 2 Stahl Zugfestigkeit 600 N/mm 2 Zustand nach dem Löten Legierungsschicht Diffusionszone Diffusionszone Diffusionszone Diffusionszone Zugfestigkeit der Legierung 450 N/mm 2 Folie ME dsf

4 Maschinenelemente: Flussmittel Flussmittel zum Weichlöten Flussmittel nach DIN 811: F-SW11 und F-SW 12 Zinkchlorid, Ammoniumchlorid Flussmittel F-SW 31 und F-SW 32 Kolophonium Mischtypen F-SW21 und F-SW 26 Flussmittel zum Hartlöten Fluoride zum Hartlöten von Leichtmetallen -Werktemperaturen C- Borverbindungen und Fluoride zum Hartlöten von Schwermetallen (Borax) -Werktemperaturen C- Borverbindungen, Silikate und Phosphate -Werktemperaturen über 1100 C- Chloride und Fluoride (ohne Borverbindungen) -Werktemperaturen C- Folie ME dsf

5 Definition Lotwerkstoffe (Lote) Maschinenelemente: Lote sind metallische Stoffe (Metalle oder Metall-Legierungen) in Form von Drähten, Stäben, Blechen, Formteilen, Stangen, Schnitzeln, Körnern, Pasten usw. Die charakteristischen Eigenschaften der Lote sind ihre Arbeitstemperaturen, die von den Zusammensetzungen der Lote abhängen. Lotwerkstoffe Weichlote : Liquidustemperatur 450 C > für Leichtmetalle (Al, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si) für Schwermetalle (Sn-Pb, Sn-Ag) Hartlote: Liquidustemperatur 450 C für Leichtmetalle (Sonderfälle) für Schwermetalle einschließlich Stahl (Messing-, Kupfer-, Silber- u. Cadmium-Legierungen) Hochtemperaturlote : Liquidustemperatur 900 C > Kupferlote, Nickelbasis-Lote > Folie ME dsf

6 Maschinenelemente: Arbeitstemperaturen von Loten Die Arbeitstemperatur eines Lotes ist die niedrigste Oberflächentemperatur des Werkstücks an der Lötstelle, bei der sich das Lot ausbreiten und mit dem Grundwerkstoff verbinden kann. Die Arbeitstemperatur eines Lotes ist immer höher als seine Solidustemperatur Beispiele Lot Bezeichn. Bestandteile Arbeitstemp. Bleilot L-PbSn % Blei 230 C 40 % Zinn Messinglot L-CuZn % Kupfer 900 C 40 % Zink Silberlot L-Ag % Silber 730 C 30 % Kupfer 26 % Zink Folie ME dsf

7 Maschinenelemente: Zustandsschaubild Blei-Zinn und Mikrogefügeaufnahmen von verschiedenen Weichloten L-PbSn30Sb L-Sn50Pb L-Sn63Pb L-Sn70Pb Folie ME dsf

8 Maschinenelemente: Brennelement-Abstandshalter für Leichtwasser-Reaktor Nickellegierung Inconel X750, dichtgelötet mit Lötpaste L-Ni7 im Hochvakuum mit thermischer Nachbehandlung Folie ME dsf

9 Maschinenelemente: Temperatur-/Zeit-Verlauf bei einem gekoppelten Löt- Diffusions- und Aushärtungsprozess Temperatur am Werkstück Aufheizen und Durchwärmen Löten 15 min 1190 C Lösungs- u. Diffusionsglühen 20 h 1120 C Gas- Abschrecken dickwandige Teile Bauteil: Nimonic 80 A Lot: L-Ni 5 Aushärten 16 h 710 C Zeit Temperatur-/Zeit-Verlauf beim Hochtemperaturlöten dünnwandiger Bauteile mit engen Lötspalten Temperatur am Werkstück Aufheizen Löten min Abkühlen Verzögert abkühlen zwecks Aushärtung Zeit Folie ME dsf

10 Maschinenelemente: Lote und ihre Anwendungen - Grobübersicht - Benennung Arb.-Temp. Bauteil Anwendungen Löt-Methode L-PbSn 8 Sb 305 C St, Cu Kühlerbau Lötkolben- L-PbSn20Sb 270 C Cu-Leg. Lötungen aller Brenner-,Tauch- Art löten L-PbSn 40Sb 235 C Zn-Leg. Verzinnungen, Widerstands-L. Zink-Bl.-Löten Leichtmetall-Hartlote L-AlSi C Al, Al-Leg. Bleche, Drähte, Profile,G-AlSi12 Silberlote L-Ag C St, GT, Cu Kontakte, Cu-Leg.,Ni, korrosionsfest u. Ni. Ni-Leg. hohe Belastung Ms Hochtemperaturlote L-Cu; L-SCu 1100 C unleg. St Gerätebau L-Ms60;So-Ms 900 C St, GT, Cu Rohrleitungsb. Cu-Leg., Fahrzeugbau Ni; Ni-Leg. Inst.-Haltung Brennerlöten, Ofenlöten, Widerstandslöten, Induktionslöten, Tauchlöten Nickelbasislote z.b.:l-ni C Nimonic 80 Reaktorbau Vakuumlöten Folie ME dsf

11 Temperaturen beim Löten Maschinenelemente: Schmelzbereich: Temperaturbereich des Lotes zwischen Liquidus- und Solidustemperatur. Arbeitstemperatur: Niedrigste Oberflächentemperatur des Werkstücks an der Lötstelle ~ Liquidustemperatur. Maximale Löttemperatur (Grenzen): Ausdampfung Bindetemperatur: Unterste Grenze der Benetzungstemperatur, 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 Obere Grenze der Löttemperatur: Übermäßiges Kornwachstum Zersetzung des Flußmittels Folie ME dsf

12 Maschinenelemente: Einteilung der Lötverfahren Arbeitstemperatur Weichlöten Hartlöten Hochtemperaturlöten < 450 C > 450 C C Lötmethode Kolbenlöten Flammlöten Widerstandslöten Badlöten im Lotbad (Tauchlöten) im Salzbad (Depot-Löten) Induktionslöten Lötstellenform Spaltlöten Fugenlöten Auftragslöten 0, ,2 mm V-, X-Naht (Beschichtungen) Folie ME dsf

13 Lötstellenformen Maschinenelemente: Auftragslöten Beschichtungen von Oberflächen mit Lotwerkstoff Fugenlöten Spaltweiten größer als 0,5 mm in V- oder X-Form - vorzugsweise für Hartlötungen geeignet.. Spaltlöten Der Lötspalt hat eine konstante Weite zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, ausnahmsweise 0,25 mm. Kontaktlöten Hochtemperaturlöten im Vakuumofen. Bei sehr geringen Spaltweiten ergeben sich hohe Festigkeiten. Folie ME dsf

14 Einfluss der Spal tweite Maschinenelemente: Einfluss der Spaltweite auf den kapillaren Fülldruck Kapillarer Fülldruck Spalt zu eng für das Löten mit Flussmittel Spaltweite richtig für mechanisches Löten zulässig für das Fugenlöten von Hand 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Spaltweite in mm Folie ME dsf

15 Maschinenelemente: Lötspaltweiten bei verschiedenen Arbeitstemperaturen Temperatur Temperatur Temperatur vor dem Löten 20 C beim Weichlöten 200 C beim Hartlöten 650 C Stahlnippel Stahlnippel Stahlnippel Æ100,3 Æ100,7 Æ101,3 Cu - Rohr Ø 100 Ø 100,45 Cu - Rohr Cu - Rohr Ø 101,4 Spaltweite Spaltweite Spaltweite (100,3-100) / 2 = 0,15 mm (100,7-100,45) / 2 = 0,125 mm (101,3-101,4) / 2 = -0,05 mm Folie ME dsf

16 Maschinenelemente: Gestaltung von Lötverbindungen Stoßformen > Stumpfstoß - Lötverbindungen > Schrägstoß - Lötverbindungen > T - Stoß - Lötverbindungen > Überlappungsstoß-Lötverbindungen Fließrichtung des Lotes in Fuge/Spalt Oberflächen der Fügeteile Gestaltungsbeispiele (Anwendungen) Folie ME dsf

17 Maschinenelemente: Formen von Stumpfstoß-Lötverbindungen Bei Weichlötung keine Stumpfstöße, wenn die Mindestdicke von 2mm unterschritten wird! Folie ME dsf

18 Maschinenelemente: Formen von Schrägstoß-Lötverbindungen Kabellötungen sind ziehfähig Folie ME dsf

19 Maschinenelemente: Formen von T-Stoß-Lötverbindungen Folie ME dsf

20 Maschinenelemente: Formen von Überlapp-Lötverbindungen Überlappung u τ τ Nabe Welle Welle Muffe Rohr Folie ME dsf

21 Maschinenelemente: Fließen des Lotes beim Spaltlöten Infolge der Kapillarwirkung zieht das Lot in den engen Spalt und verdrängt darin befindliche Luft und Flußmittel gute Gestaltung Depotlötung gut gute Gestaltung schlechte Gestaltung Luft und Flussmittel können nicht entweichen schlechte Gestaltung Lot fließt nicht in die Spalterweiterung Rillen oder Riefen, die quer zur Fließrichtung verlaufen, behindern den Lotfluss (Kantenwirkung). Riefen in Fließrichtung stören nicht. Empfohlene Spaltweiten: 0,05...0,2 mm Oberflächengüte N6...N9 ( µ m) Folie ME dsf

22 Maschinenelemente: Bedingungen für haltbare Lötverbindungen Metallisch saubere Fügeflächen Ausreichende Anwärmung von Lot und Grundmaterial (Benetzungs- und Fließfähigkeit) Verwendung von Loten, die den Eigenschaften des Grundwerkstoffs angepaßt sind (Benetzungs- und Legierungsfähigkeit) Vermeidung oder Ausschwemmen von Reaktionsprodukten (Oxiden) durch Flussmittel (Benetzung und Bindung) Einwirkdauer der Temperatur (Diffusion) Lötgerechte Gestaltung Herabsetzung der Korrosionsgefahr durch Säuberung (Flussmittel) Folie ME dsf

23 Maschinenelemente: Statische Festigkeiten von Lötverbindungen F Zugfestigkeit A σ B = F B A F Zug-Scherfestigkeit A τ F B B = A * ) Randspannungseinfluß * F Biegefestigkeit σ B = M b W Zug-Scherfestigkeit τ B = F B A F F M b A= d. π. U Torsionsschubfestigkeit M τ t B = r. A Kerbschlagversuch M t A= d. π. U Beispiele σ B legierter Stahl / Kupferhartlot legierter Stahl / Messing-Hartlot legierter Stahl / Silberlot (20%) l σ = 300 N/mm 2 Β σ 450 N/mm 2 Β = σ Β 500 N/mm 2 Folie ME dsf

24 Festigkeit von Lötverbindungen Zugfestigkeit von Lötproben, gelötet mit L-Ni5 unter Vakuum Maschinenelemente: Scherfestigkeit von Lötproben (Spaltlötung unter Vakuum) Ermüdungsverhalten von gelöteten Zugproben im Zugschwellversuch Grundwerkstoff Nimonic 80A; Lot L-Ni5, mit Kontaktspalt im Vakuum gelötet k Folie ME dsf

25 Maschinenelemente: Festigkeitswerte von Spaltlötverbindungen Zulässige Nennspannungen für Spaltlötverbindungen bei ruhender Beanspruchung Hartlötung von unlegiertem Baustahl (z. B. St 60) σ zul = 200 N/mm 2 τ zul = 100 N/mm 2 Weichlötung von unlegiertem Baustahl σ zul = 10 N/mm 2 τ zul = 5 N/mm 2 Dauerfestigkeiten von Spaltlötverbindungen Scherfestigkeit Torsionsfestigkeit (Welle/Nabe) Biegefestigkeit Hartlötung von unlegiertem Baustahl z. B. St 60 mit L-Ag 40 Cd τ aw τ tw σ bw N/mm 60 N/mm N/mm Folie ME dsf

26 Maschinenelemente: Vor- und Nachteile des Lötens Vorteile Keine schädlichen Gefügeänderungen und Wärmespannungen Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit Gute Dichtung Verbindung unterschiedlicher Metalle Gleichmäßiger Kraftfluß wegen flächiger Verbindungen Nachteile Mangelhafte Lötung nicht sofort erkennbar Begrenzte Festigkeit (geringe Warmfestigkeit bei Weichlötungen) Anwendungen E-Geräte Stahlrahmen (Fahrräder) Kfz-Teile: Kühler, Karosserien Behälterbau Plattierungen Werkzeugbau Gedruckte Schaltungen Folie ME dsf