Grundlagen des Hartlötens

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1 Grundlagen des Hartlötens Lutz Dorn Abstract The contribution comprises an overview about the most important terms and processes of brazing technology. Thereupon the fundamental mechanisms of the brazing process, the principle structure of brazements, the possibilities of removing surface layers and an overview about braze metals are presented. Finally the advantages and disadvantages of brazing are compared with the competitive joining processes welding and adhesive bonding. Zusammenfassung Der Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Begriffe und Verfahren der Löttechnik. Danach werden die Mechanismen des Lötvorganges, die prinzipielle Lotgefüge-Ausbildung, Möglichkeiten der Fremdschicht-Beseitigung an der Oberfläche und ein Überblick über geeignete Lotwerkstoffe dargestellt. Den Abschluss bildet ein Vergleich der Vor- und Nachteile des Hart- und Hochtemperaturlötens gegenüber den konkurrierenden Fügeverfahren Schweißen und Kleben. 1 Einführung Die technische Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Lote und Flussmittel, die intensive Forschungstätigkeit zum Festigkeitsverhalten von Hartlötverbindungen und die verfahrenstechnische Weiterentwicklung, insbesondere auf dem Gebiet des Schutzgas- und Vakuumlötens, haben diesem Fügeverfahren im Bereich konventioneller Anwendungsgebiete zu einer stetig zunehmenden Bedeutung verholfen und darüber hinaus in den neuen Gebieten der Technik wie Luft- und Raumfahrt, Strahltriebwerksbau und Kerntechnik zu neuartigen Anwendungen geführt. 1.1 Begriffe der Löttechnik Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Temperatur des Schmelzbeginnes (Solidustemperatur) des Grundwerkstoffes wird dabei nicht erreicht. Als Lot wird ein zum Löten geeignetes Metall oder eine geeignete Legierung bezeichnet. Der Schmelzbereich eines Lotes ist der Temperaturbereich vom Beginn des Schmelzens (Solidustemperatur) bis zur vollständigen Verflüssigung (Liquidustemperatur). Dagegen kennzeichnet die Arbeitstemperatur die niedrigste Oberflä- 1

2 chentemperatur der Lötstelle, bei der das Lot benetzt bzw. beim Diffusionslöten durch Grenzflächenreaktion die flüssige Phase entsteht. Die Arbeitstemperatur liegt stets höher als die Solidustemperatur des Lotes, sie kann jedoch sowohl ober- als auch unterhalb seiner Liquidustemperatur liegen oder mit dieser zusammenfallen. Flussmittel sind nichtmetallische Stoffe, die vorwiegend die Aufgabe haben, vorhandene Oxide von der Lötfläche zu beseitigen und ihre Neubildung zu verhindern. Sie sind durch einen Wirktemperaturbereich zwischen dem Beginn (untere Wirktemperatur) und dem Ende der Flussmittelwirkung(obere Wirktemperatur) gekennzeichnet. Lötschutzgase sind Gase, die beim Erwärmen sowohl das Werkstück als auch das Lot vor Oxidation schützen (inerte Schutzgase) und z. T. Oxidbeläge an der Werkstücksoberfläche entfernen (reduzierende Schutzgase). 1.2 Einteilung der Lötverfahren Die Lötverfahren können nach der Schmelz- bzw. Liquidustemperatur der Lote, nach dem Energieträger, der Lötatmosphäre, der Lötstellenform, der Lotzuführung und der Fertigungsart eingeteilt werden Einteilung nach der Schmelz- bzw. Liquidustemperatur der Lote a) Weichlöten mit Schmelz- bzw. Liquidustemperaturen der Lote unterhalb 450 C: Die niedrigen Arbeitstemperaturen erfordern nur eine geringe Wärmeeinbringung in die zu lötenden Teile. Die überwiegende Anzahl von Weichloten ist auf Zinnbasis aufgebaut. Das Weichlöten wird üblicherweise unter Verwendung von Flussmitteln vorgenommen. Bei Weichlötverbindungen stehen dichtende und/oder elektrisch leitende Verbindungen im Vordergrund, weil die erreichbare Verbindungsfestigkeit vergleichsweise gering ist, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. b) Hartlöten mit Liquidustemperaturen der Lote oberhalb 450 C: Hartlöten wird üblicherweise unter Verwendung von Flussmitteln vorgenommen; das flussmittelfreie Hartlöten an Luft ist auf Kupfergrundwerkstoffe unter Verwendung phosphorhaltiger Lote beschränkt. Als Lote werden für Schwermetalle überwiegend kupferhaltige, teilweise auch Edelmetallzusätze (Silber) enthaltende Nichteisenmetall-Legierungen verwendet. Infolge hoher Verbindungsfestigkeit liegt der Anwendungsschwerpunkt bei kraftübertragenden Verbindungen. c) Hochtemperaturlöten im Vakuum oder unter Schutzgas mit > 900 C Liquidustemperatur: Die meist verwendeten Lote sind Kupfer- und Nickel-Basislote sowie Edelmetalllote (z. B. Ag, Au, Pd). Das flussmittelfreie Löten führt zu weitgehender Fehlerfreiheit der Verbindungen und besonders hoher Verbindungsfestigkeit, welche die Festigkeit des Grundwerkstoffes (z. B. Stähle, Nickel- oder Aluminiumlegierungen) erreichen kann. 2

3 1.2.2 Einteilung nach Energieträgern (Wärmequellen) a) Löten durch einen festen Körper, wie Lötkolben oder -pinzette (Kolbenlöten), Heizbügel (Bügellöten), Heizplatte (Blocklöten) oder belotete Rolle (Rollenlöten), Bild 1. Diese Lötverfahren werden vorzugsweise für das Weichlöten eingesetzt. b) Löten durch eine Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit nicht nur als Wärmeträger, sondern gleichzeitig als Flussmittel (Salzbadlöten) oder als Lot (Lotbadlöten) dienen kann, Bild 2. Anstelle des Tauchens in ein Bad kann auch das Lötbauteil durch eine Lotwelle (Wellenlöten) oder ein Lotbad (Schlepplöten) hindurch bewegt werden, Bild 3. Beim Ultraschallöten wird eine Oxidbeseitigung an der Werkstücksoberfläche durch eine Ultraschallbeaufschlagung des Lotbades herbeigeführt, Bild 4, so dass auf Flussmittel u. U. verzichtet werden kann. Dem gleichen Ziel dient das Reiben der mit flüssigem Lot beaufschlagten Werkstückoberfläche z.b. mit einer Stahlbürste (Reiblöten). Bild 1: Rollenlöten Bild 2: Lotbadlöten 3

4 Bild 3: Wellenlöten Bild 4: Ultraschalllöten c) Löten durch Gas: Beim Warmgaslöten dient ein elektrisch beheizter Luftstrom zur Erwärmung von Weichlötstellen. Das Flammlöten mit Azetylen, Propan, Butan, Erdgas oder Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff oder Luft als Heizgas wird dagegen bevorzugt zum Hartlöten angewandt, Bild 5. d) Löten durch Gasentladung (Lichtbogenlöten): Als Wärmequelle zum Hartlöten dient ein zwischen Elektrode und Werkstück brennender Lichtbogen, Bild 6. Bei nichtabschmelzenden Elektroden (Kohle, Wolfram) wird das Lot getrennt zugegeben, Abschmelzelektroden dienen dagegen als Lotzusatz. 4

5 Bild 5: Flammlöten Bild 6: Fugenlöten mit Kohle-Lichtbogen e) Löten durch Strahl: Als Energieträger dienen entweder gebündelte Elektronen im Vakuum (Elektronenstrahllöten), Bild 7, oder durch Linsen gebündelte elektromagnetische Strahlung in oder nahe dem sichtbaren Frequenzbereich. Beim Lichtstrahllöten wird das z.b. von Quarzlampen (Punkt- oder Bandstrahler) erzeugte Licht verwendet, Bild 8, beim Laserstrahllöten dagegen der besonders gut fokussierbare monochromatische Strahl eines Festkörper- oder Gaslasers, Bild 9. 5