Kapitel 3: Lötverbindungen

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1 Kapite 3: Lötverbindungen (nach Rooff Matek Kapite 5) 1 Einsatzgebiet unktion und Wirkung Lötverfahren Lötbarkeit der Materiaien Lotarten ussmitte Gestatung Gestatungsregen Berechnung Beanspruchung Scherfestigkeit Zeitstands- und Dauerfestigkeit Reduktion der estigkeit durch Wärmeeinwirkung Nachweis der Lötverbindung Scherbeanspruchter Überappungsstoss Torsionsbeanspruchte Lötverbindung Konstruktionsbeispiee Kontakt an Autoscheibe Muffenverbindung in Haustechnik Leiterpatten Patten - Wärmetauscher Lichtbogenöten von einbechen Lötverbindungen Seite 1 von

2 1 Einsatzgebiet 1.1 unktion und Wirkung Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschüssigen ügen und Beschichten von Werkstoffen. Das Lot wird durch Verfüssigung verarbeitet. Die Arbeitstemperatur iegt unter der Schmeztemperatur der Grundwerkstoffe. Es wird unterschieden zwischen: Weichöten (Arbeitstemperatur unter 450 C) Hartöten (Arbeitstemperatur C) Hochtemperaturöten (Arbeitstemperatur über 900 C) Vorteie Verbindung von unterschiedichen Metaen wenig thermische Beeinfussung des Werkstoffes (Weichöten) Gute Dichteigenschaften (auch gasdicht) Gute eektrische Leitfähigkeit Keine Spannungsspitzen (Kerbwirkung) Vergeichbare estigkeit wie die Grundwerkstoffe (Hartöten, Hochtemperaturöten) Keine estigkeitsreduktion durch Aterung Automatisierbar Nachteie Teures Lotmateria bei grossfächigen Lötsteen (Zinn oder Siber) Schecht anwendbar mit Auminium (grosse Potentiadifferenz) Chemische Korrosion durch ussmittereste estigkeit gering (Weichöten) Aufwendige Vorbereitungsarbeiten 1.2 Lötverfahren Das Weichöten wird vorwiegend für dichtende und/oder eektrisch eitende Verbindungen angewendet. Die Weichote sind Zinn oder Siber Legierungen mit Zusätzen wie Bei, Antimon oder Kupfer. Die Erwärmung der Lötstee erfogt hauptsächich durch Heizkoben, ammen oder im Ofen. Das Hartöten wird vorwiegend für Verbindungen angewendet die festigkeitsmässig beastet sind. Die Hartote sind Kupfer, Siber, Nicke, Paadium oder Auminium Legierungen mit Zusätzen wie Bei, Zinn, Siber oder anderen Stoffen. Die Erwärmung der Lötstee erfogt hauptsächich durch Induktion oder ammen. Das Hochtemperaturöten wird fussmittefrei im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. 3 Lötverbindungen Seite 2 von

3 1.3 Lötbarkeit der Materiaien Werkstoff Schmezpunkt Lötbarkeit Lote ca. C Weichöten Hartöten Weichot Hartot Stah unegiert 1520 mitte gut Sn Ms, Ag Stah egiert gut sehr gut Sn, Zn/Cd Cu, Ms, Ag GJL, GJS 1250 schecht gut Sn Ms, Ag Kupfer (Cu) 1083 Sehr gut sehr gut Sn, Pb, Zn Ms, Ag Cu Legierungen Sehr gut sehr gut Sn Ms, Ag Auminium (A) teiweise A-Hartote, 660 schecht A/Sn, A/Zn A Legierungen gut Speziaote Hartmeta bis gut - Cu, Ms, Ag 1.4 Lotarten Weichote: Legierung Anwendung Zinn Bei Eektronik, einbech, hochegierte Stähe (+Wismut), Küherbau (+Antimon) Luftfahrt (+Siber) Kabe (+Cadmium) Zinn Kupfer einwerktechnik Kupferrohrinstaation (Heizung, Sanitär) Zinn Iridium Gas Meta Kombination Hartote: Legierung Anwendung (CU) Kupfer hohe Arbeitstemperatur hohe estigkeit (CP) Kupfer Phosphor Materiaien der Wärme- u. Kätetechnik (AG) Siber hohe Warmfestigkeit gute Benetzung (automatisierbar) (NI) Nicke und Kobat hohe Warmfestigkeit (PD) Paadium hohe Warmfestigkeit breite Werkstoffpaette (AL) Auminium Auminiumwerkstoffe gute ugenfüung Hochtemperaturote: Legierung Anwendung (CU) Kupfer hohe Arbeitstemperatur hohe estigkeit (AU) God hohe Warmfestigkeit gute Benetzung (automatisierbar) (NI) Nicke und Kobat hohe Warmfestigkeit (Turbinenschaufe) 1.5 ussmitte As ussmitte werden nicht metaische Stoffe as Pasten, Puver oder üssigkeiten verwendet. Das ussmitte verhindert die Oxidation der Lötstee und ermögicht es dem Lot in den Lötspat einzudringen (Kapiarwirkung). Das ussmitte hat einen Schmezpunkt der ca. 50 C unterhab dem Schmezpunkt des Lotes ist. 3 Lötverbindungen Seite 3 von

4 2 Gestatung 2.1 Gestatungsregen 1) Die erforderiche Lötspatbreite so bei der Arbeitstemperatur erreicht werden. Im katen Zustand ist somit der Spat etwas keiner. Optimae Lötspatdicke [mm] Grundwerkstoff Weichote Hartote Kupfer-Lote Messing-Lote Siber-Lote Stah unegiert Stah egiert Kupfer und Kupfer- Legierungen Hartmeta ) Lötnähte mögichst auf Schub beanspruchen 3) Kerbwirkungen vermeiden (sanfte Übergänge) 4) Lötnahtoberfäche so mit Rauheit Ra 12.5 µm ausgeführt werden. 5) Lötverbindung so konstruieren, dass ussmittereste beseitigt werden können. 6) Überappungsänge ü = (3 6) x Materiadicke genügt. t ü 7) Lötfussgerechte Gestatung: ungünstig günstig Lötfussverhaten: - ussweg so kurz wie mögich - Spaterweiterungen vermeiden Lotfiessweg: - Habierter ussweg durch Depot - Rändespaten begünstigen iessen und erhöhen estigkeit ussmitte: - Lot fiesst von innen nach aussen - ussmitte kann entweichen durch Entüftungsbohrung 8) Entastung der Lötstee durch ormschuss: ungünstig günstig Entastung der Lötstee: - ormschuss übernimmt Last - Lötstee übernimmt Dichtfunktion 3 Lötverbindungen Seite 4 von

5 3 Berechnung 3.1 Beanspruchung Lötverbindungen sind konstruktiv so zu gestaten, dass sie mögichst nur auf Scherung beansprucht werden. Ungünstig sind Zug-, Biege- und Schäbeanspruchungen. Schubbeanspruchung Schäbeanspruchung Lötstee reisst auf 3.2 Scherfestigkeit Scherfestigkeit: B A b ü ü A b Der estigkeitswert B ist abhängig vom Lot, vom Grundwerkstoff und der Lötspatbreite. Ist eine bestimmte estigkeit erforderich, wird dies durch Hartöten oder Hochtemperaturögen erreicht. Richtwerte für Hartötverbindungen sind im Rooff Matek TB 5-10 zu finden. Grössenordnung: Weichötverbindungen: IB = N/mm 2 Hartötverbindungen: IB = N/mm Zeitstands- und Dauerfestigkeit Bei Dauerbeastungen werden durch Kriechen die Weichötverbindungen zerstört, da die estigkeit bis auf 2 N/mm 2 sinken kann. Hartotverbindungen weisen bedeutend höhere Dauer-estigkeitswerte auf. Bei Dauerbeastung kann mit 30 N/mm 2 Wechsefestigkeit (Richtwert für Siberot) auf Scherung und Torsion gerechnet werden. 3.4 Reduktion der estigkeit durch Wärmeeinwirkung Die estigkeit der Lötverbindungen nehmen mit zunehmender Temperatur stark ab. Die entsprechenden Werte sind den Hersteerangaben zu entnehmen. 3 Lötverbindungen Seite 5 von

6 3.5 Nachweis der Lötverbindung Zugbeanspruchte Lötverbindungen sind zu vermeiden. Der rechnerische Nachweis ist zwar mögich, jedoch nicht zweckmässig Scherbeanspruchter Überappungsstoss B A b S ü : Scherkraft [N] b: Breite Lötfäche [mm] ü : Länge Lötfäche [mm] A : Lötfäche [mm 2 ] S: Sicherheit: S = 2 3 K : Schubbeastung Lötstee [N/mm 2 ] B : Scherfestigkeit der Lötnaht [N/mm 2 ] Längsbeastetes Rohr: A d ü S B Torsionsbeanspruchte Lötverbindung T 2 T B 2 r A d b S T: Drehmoment [Nmm] b: Breite Lötfäche [mm] d: Durchmesser Lötfäche [mm] r: Radius [mm] A : Lötfäche [mm 2 ] S: Sicherheit: S = 2 3 : Schubbeastung Lötstee [N/mm 2 ] B : Scherfestigkeit der Lötnaht [N/mm 2 ] 3 Lötverbindungen Seite 6 von

7 4 Konstruktionsbeispiee 4.1 Kontakt an Autoscheibe Weichöten: Lötung eines Anschusskontaktes an der beheizbaren Rückscheibe. Der Lötvorgang wird durch eine automatisierte Lötstation ausgeführt. 4.2 Muffenverbindung in Haustechnik Weichöten / Hartöten: Kupferrohre werden durch Muffenverbindungen dicht verötet. Die mechanischen Beastungen werden durch die Muffe aufgenommen. Thermisch hoch beastete Verbindungen (z.b. bei Sonnenkoektoren) werden durch Hartötung hergestet. Kupfer - itting 3 Lötverbindungen Seite 7 von

8 4.3 Leiterpatten Weichöten: Die Bauteie werden mit der Leiterpatte verötet. Meist geschieht dies mit dem Ween-Löten. Hauptzweck der Lötstee ist die eektrische Verbindung zum Print und die mechanische Patzierung des Bauteis. SMD - Bauteie 4.4 Patten - Wärmetauscher Hartöten: Pattenwärmetauscher weisen eine grosse Wärmeübertragungsfäche mit einer kompakten Bauform auf. Die grösseren Patten-WT sind meist geschraubt und die Patten sind mit Gummi-Dichtungen abgedichtet. Die geschraubten Patten-WT können zur Reinigung demontiert werden. Keinere Patten-Wärmetauscher werden meist geötet. Dadurch entsteht eine kostengünstige Bauweise, die absout dicht ausgeführt werden kann (z.b. Wärmepumpen). Patten WT geschraubt Patten WT geötet 3 Lötverbindungen Seite 8 von

9 4.5 Lichtbogenöten von einbechen Hochtemperaturöten: Durch die niedrige Schmeztemperatur des Lotes (910 bis 1040 C) wird eine geringe Schädigung der Beschichtung, sowie eine geringe thermische Beastung der Bauteie erreicht. Die verwendeten Zusatzwerkstoffe sind weitgehend unempfindich gegen Korrosion. Beim Lichtbogenöten kommt es zu keiner wesentichen Aufschmezung des Grundwerkstoffes und es sind übicherweise keine ussmitte erforderich. Vortei ist der geringe Verzug, der geringe Energieaufwand sowie der geringe Lotverbrauch. Lichtbogenöten as Aternative zum Schweissen im Karosseriebau 3 Lötverbindungen Seite 9 von