Konstruktionselemente

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1 Konstruktionselemente Kapitel 02: Löten Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer Dipl.-Ing. Otto Olbrich Fakultät 06 Feinwerk- und Mikrotechnik, Physikalische Technik Version 3.06 vom Hinweis: Verbesserungs- und Korrekturvorschläge seitens der Leserschaft sind erwünscht. Haftungsausschluss: Die bereitgestellten Informationen sind mit großer Sorgfalt erstellt worden, Fehler sind jedoch nicht auszuschließen. Für Schäden durch Nutzung oder Nichtnutzung fehlerhafter und/oder unvollständiger in dieser Unterlage vermittelten Informationen haften wir nicht, es sei denn, es liegt nachweislich Vorsatz oder grob fahrlässiges Verschulden vor.

2 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Inhalt 2. Löten Begriffe und Grundlagen Ablauf des Lötens Materialien Lote Flussmittel Gegenflussmittel Lötbarkeit von Werkstoffen Lötverfahren Einteilung nach der Art der Erwärmung: Anwendung der Lötverfahren Gestaltung der Lötverbindungen Lötspalt Gestaltung von Lötverbindungen: Überlappverbindungen bei Behältern Verbindungen von Wellen und Achsen Verbindungen von Wellen und Achsen in Blech Verbindungen an elektrischen Leitern Lötstelle bedrahteter elektronischer Bauteile Lötstelle elektronischer SMD-Bauteile Verbindungen Glas/Metall (Glas im Fugenbereich metallbeschichtet) Berechnung Berechnung von Überlappverbindungen Richtwerte für das Überlappungsverhältnis von Lötverbindungen Anhaltswerte für Festigkeit von Lötungen Berechnung Muffenverbindung bei Rohren, Rundstange Berechnung Stumpfstoß Arbeitssicherheit Löten 2.1 Begriffe und Grundlagen 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 Solidustemperatur des Grundwerkstoffes wird nicht erreicht. Einteilung nach der Arbeitstemperatur: Weichlöten Hartlöten Hochtemperaturlöten Temp. < 450 C mit Zinn/Blei-Loten, zunehmend mit bleifreien Loten. Für nahezu alle Metalle, für geringe Kräfte auf die Lötstelle für Elektronik überwiegend mit Flussmittel, z.t. mit Schutzgas Temp. > 450 C mit Messing-, Silber-, Aluminium-, Nickel-Loten für Schwermetalle, für größere Kräfte auf die Lötstelle Rohre, Flansche, etc. überwiegend mit Flussmittel, z.t. mit Schutzgas Vorteile des Lötens - Verbindung verschiedenartiger Metalle - Keine schädigende Werkstoffbeein- Temp. > 900 C (ohne Flussmittel, unter Schutzgas oder Vakuum) z.b. Nickellegierungen im Flugzeugbau Nachteile des Lötens - Relativ hoher Verbrauch des teuren Lots - Mögl. Elektrolytische Zerstörung

3 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten flussung durch Erwärmung - Kaum Zerstörung von Schutzschichten - Gute elektrische Leitfähigkeit - Keine Schwächung durch Löcher, etc. - Dicht gegen Gase und Flüssigkeiten - Automatisierbar 2.2 Ablauf des Lötens 1. Vorbereitung der zu verbindenden Bauteile 2. Beseitigung Oxidschicht durch Flussmittel 3. Erwärmen der Lötfuge über die Schmelztemperatur des Lots 4. Zuführen des Lotes: dabei wird das Lot durch Berühren des heißen Teils geschmolzen und durch Kapillarwirkung in den Lötspalt hineingesaugt. (Indiz für gute Lötung) 5. Abkühlung der Bauteile 6. Reinigung der Lötverbindung Bemerkungen: - An der Lötfuge entsteht eine Diffusionsschicht: - Es kommt entweder zu Legierungsbildung oder zu Adhäsion zwischen Lot und dem jeweiligen Grundwerkstoff. - Grundwerkstoffe werden benetzt ohne geschmolzen zu werden. - Teilweise legiert oder diffundiert das Lot in die Werkstoffoberfläche ein. Dies ist ein Problem bei manchen Werkstoffen: z.b. dünne Kupferdrähte verspröden durch Lötzinn. durch Legierung (hoher Potentialunterschied Al - Lot) - Chem. Korrosion durch Flussmittelreste - Relativ aufwändige Vorbereitungsarbeit Hohlkehle Naht Legierungsschicht oder Adhäsion durch atomare Berührung - Beim Hartlöten von weichem Stahl diffundiert Kupfer zwischen die Korngrenzen und führt zu Lötbrüchigkeit. - Bei Halbleitern ändern sich die elektrischen Eigenschaften der Schichten. - Unter Vakuum ist auch Keramik und Kohlenstoffwerkstoff lötbar. - In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Teile vorzubeloten (wird überwiegend bei elektrischen und elektronischen Bauteilen angewendet)

4 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten 2.3 Materialien Lote Legierungen, deren Zusammensetzung so eingestellt wird, dass die gewünschte Schmelztemperatur erreicht wird. Weichlote - Im wesentlichen Sn-Pb Legierungen - Nach dem Gesetz über Elektro- und Elektronikgeräte, (ElektroG), gemäß einer EU- Richtlinie, ist seit 7/2006 Blei- und Cadmium-freies Lot (mit Ausnahmen) für Elektrogeräte gefordert. - Bleifreies Lot besteht z.b. aus einer Sn-Ag-Cu oder Sn-Ag-Cu-Sb-Legierung. Durch die Wahl der Legierung wird die Solidustemperatur festgelegt. Liquidustemperatur flüssig fest Eutektikum teigig ρ=8,4 Solidustemperatur teigig fest fest Weichlote DIN , DIN EN ISO 9453 Zusammensetzung Gew% Kurzzeichen 1) Sn Pb Ag Andere Schmelz - bereich C S Sn96,5Ag3Cu0,5 96,5 3 Cu 0, Blei freie Ersatzlegierung für L-Sn63Pb in Elektroindustrie S-Sn63Pb37E 62,5-63,5 Rest gedruckte Schaltungen, Miniaturtechnik, Röhrenlot, Lötbäder bis 350 C S-Sn95Ag warmfest bis 150 C, Cu-Rohr Installation, Edelstähle S-In52Sn48 47,5-48,5 - - In Rest 118 niedrig schmelzendes Lot, geringe Festigkeit, Metall-Glas Lötung 1) Bis vor einigen Jahren wurde nach Norm statt S der Buchstabe L vorangestellt. Hartlote DIN EN 1044: früher DIN 8513 Kurzzeichen 2) Bestandteile Anwendung B-Ag55ZnCuSn-630/660 Ag 54-56; Cu 20-22; Sn 1,5-2,5; St, Cu u. Ni-Leg. Zn B-Ag49ZnCuMnNi-680/705 Ag 39-41; Cu 29-31; Sn 1,5-2,5; Zn Hartmetall auf St W- und Mo- Werkst. B-Ag63CuZn-690/730 Ag 62-64; Cu 23-25; Zn Edelmetalle B-Al88Si-575/585 Si 11-13,5; Al Rest Al und Al-Leg. B-Ni71CrSi-1080/1135 ρ=11,3 Cr 18,5-19,5; Si 9,75-10,5; Ni Rest ρ=7,4 Hochtemp.-Lot Ni, Co und Leg. St un- niedrig- u. hochlegiert.

5 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten 2) Bis vor einigen Jahren wurde nach Norm statt B der Buchstabe L vorangestellt. Die durch einen Schrägstrich getrennten Zahlen sind die Solidus- und Liquidustemperatur. Glaslote - Gläser mit unterschiedlichen Schmelzbereichen verfügbar als Pulver oder Stäbchen. - Lot muss möglichst gleichen Wärmeaudehnungskoeffizienten haben wie der zu lötende Werkstoff - Glaslot wird je nach Art bei einer Temperatur zwischen 350 C und 700 C verarbeitet (typisch: 500 C) Flussmittel Eigenschaften von Flussmitteln - Lösen der Oxide (nicht zum Reinigen) - Schutz der Oberfläche vor Oxidation während des Lötens - Verdrängbar vom Lot Problem: - Flussmittel verunreinigen die Lötstelle und - bilden Dämpfe, deren Niederschlag auf benachbarten Teilen schädlich sein kann. - Sie müssen meist nach dem Löten abgewaschen werden. Alternativen: - Bei geringen Oxidschichten gelingt es in manchen Fällen unter reduzierendem Schutzgas oder Vakuum die Oxide zu entfernen. - Beim Vakuumlöten verdampfen wegen des höheren Dampfdrucks die Metalloxide. Diese Verfahren ergeben sehr saubere Lötungen. - Ebenfalls für geringe Oxidschichten gibt es völlig verdampfende Flussmittel, z.b. Ameisensäure Flussmittel zum Weichlöten (Buchstabe W) von Schwermetallen (Buchstabe H) DIN EN z.z. gültig, DIN zurückgezogen Kurzzeichen DIN EN Beschreibung Anwendung DIN F-SW F-SW F-SW F-SW26 Lösung aus Zink- und Ammoniumchlorid, Salz-, Schwefel-, Salpeter-, Flusssäure (Lötwasser) Rückstände sorgfältig abwaschen! Zinkchlorid in Fett (Lötfett), mäßig korrosiv, abwaschen Ähnlich F-SW21, aber ohne Ammoniumchlorid Kolophonium * + Aktivator (organische Säuren) auf Buntmetall nicht korrosiv Kolophonium * modifiziert mit Aktivator Salizylsäure, nicht korrosiv Zerfällt bei Löttemperatur, rückstands- Für stark oxidierenden Oberflächen, z.b. Zn-Dachrinnen, E- delstahl, Klempnerarbeiten Klempnerarbeiten Für Cu-Rohrinstalltion, Trinkwasserleitungen Meist Röhrenlot mit Flussmittelseele Für Wellenlöten F-SW32 Ameisen-, Für empfindliche Lötung bei Adipinsäure frei sehr geringer Oxidschicht * Kolophonium: ist ein natürliches Harz von Kiefern, Fichten, Tannen, bei dem das Terpentinöl entfernt ist. Es enthält hauptsächlich Abietinsäure und andere Harzsäuren und Harzsäureester. Es wird zum Auftragen meist in Alkohol gelöst. Kann Alergien auslösen. Flussmittel zum Hartlöten (Buchstabe H) für Schwermetalle DIN EN 1045 z.z. gültig, DIN zurückgezogen Bezeichnung Beschreibung Wirktemperaturbereich DIN EN 1045 DIN FH11 Bor- und Fluor-Verbindung, korrosiv F-SH1 FH21 Bor-Verbindung, nicht korrosiv

6 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten F-SH2 FH30 F-SH3 Bor-Verbindung, Phosphate, Silikate, nicht korrosiv FL20 F-LH2 Flussmittel zum Hartlöten für Aluminium Bezeichnung Beschreibung DIN EN 1045 DIN FL10 Chloride und Fluoride und Lithiumverbindg., F-LH1 korrosiv, abwaschen mit verdünnter Salpetersäure und Wasser Fluoride, nicht korrosiv, wenn Löststelle trocken bleibt Wirktemperatur >550 > Gegenflussmittel Abdecken von Stellen, die lotfrei bleiben müssen (z.b. mit Kreide, Ton, Eisenoxid). Anwendungsbeispiel: - Weichlöten von Elektronik-Leiterplatten im Tauchbad Lötstoplack verwenden Lötbarkeit von Werkstoffen - Fast alle Metalle (Ausnahme Magnesium), Hartmetalle, Gläser, Ferrite, Keramik, Kohlenstoffwerkstoffe, Diamant sind lötbar. - Gut lötbar sind Buntmetalle, Edelmetalle, Hartmetalle und Ferrite mit Glaslot (z.b. Tonköpfe von Magnetbandgeräten). - Schwierig zu löten sind die Leichtmetalle und Edelstähle, besonders beim Weichlöten. - Aber kleine Teile lassen sich im Ultraschallbad ausreichend gut vorbeloten. - Gut löten lassen sich chemisch vernickelte Leichtmetalle. - Unter Vakuum sind auch sonst schwierig zu lötende Metalle wie Titan, Zirkon, Tantal und Niob sowie die Stoffe Diamant, Saphir, Rubin lötbar. - Zur Verbesserung der Lötfähigkeit beim Weichlöten werden häufig galvanische Überzüge aufgebracht, hauptsächlich Sn wenn es nur um die Weichlötbarkeit geht, aber auch Cu und Au oder Ni, auch chemisch Ni, wenn es zusätzlich um Korrosions- oder Verschleißschutz geht. - Die Lagerzeit sollte weniger als ½ Jahr sein, da sich Oxidschichten bilden, die die Lötbarkeit beeinflussen. Oberflächen müssen frei von Schmutz, Fett, Farbe, sein. Beispiele: Werktstoff Schmelzpunkt Lötbarkeit Lote (ca. C) Weichlöten Hartlöten Weichlot Hartlot St unlegiert 1520 mittel gut Sn Ms, Ag St legiert gut sehr gut Sn, Zn/Cd Cu, Ms, Ag GG;GGG 1250 schlecht gut Sn Ms, Ag Cu 1083 sehr gut sehr gut Sn, Pb, Zn Ms, Ag Cu sehr gut sehr gut Sn Ms, Ag Legierungen AI/AI- Legierungen 660 schlecht teilweise gut Al/Sn, Al/Zn AI-Hartlote, Speziallote Hartmetall bis gut - Cu, Ms, Ag Werkstoffbedingte Probleme beim Hartlöten von Schwermetallen - Kaltverfestigung, Härtung, Vergütung der Teile geht verloren. - Bei hoch legierten unstabilisierten Chrom- und Chrom/Nickelstählen kann interkristalline Korrosion auftreten. - Bei sauerstoffhaltigem Kupfer tritt die Wasserstoffkrankheit (Versprödung) auf. - Hohe Korrosionsbeständigkeit bleibt bei Edelstählen nur erhalten, wenn Ni oder Au/Ni- Lote verwendet werden und im Vakuum hartgelötet wird.2.3 Lötverfahren

7 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten 2.3 Lötverfahren Einteilung nach der Art der Erwärmung: Kolbenlöten Kolbenspitze vereisent (wegen geringer Löslichkeit von Eisen in Lötzinn; Spitzen nur mit feuchtem Schwamm reinigen. Erst Verbindungspartner erwärmen, dann, Lötzinn zuführen. Meist wird Röhrenlot verwendet. Wenn ungenügender Kontakt vorher etwas Lötzinn auf die Lötspitze bringen. Bügellöten (Hot Bar Reflow oder Gang Bonding) meist Lötautomat zum Weichlöten Zum Anlöten von Drähten auf Lötflecke oder zum Auflöten vielpoliger Elektronikbauteile wie Mikropack, Flat-Pack, Quad- Flat-Pack mit mehreren 100 Anschlussbeinchen. Der dem Bauteil angepasste Heizkörper wird auf den Draht oder die Bauteilbeinchen gedrückt, erwärmt, das Lot schmilzt, erkaltet bis unterhalb der Erstarrungstemperatur des Lotes, abgehoben. Das genaue Aufsetzen solch hochpoliger Bauelemente übernimmt eine Automatik, die über Bildverarbeitung die Zuordnung automatisch steuert (Pick and Place). Tauchbadlöten Im Bad ist geschmolzenes Lot. Das mit Flussmittel versehene Lötgut wird langsam in das Bad getaucht. Am positiven Meniskus (mit ausgebildeter Hohlkehle hochsteigendes Lot) zwischen Lotspiegel und Bauteil erkennt man sichtbar, wann die Löttemperatur erreicht ist. Wird ohne Flussmittel gearbeitet, bildet sich i.a. ein negativer Meniskus aus. Anwendung Abisolieren + verzinnen von Drahtenden Tauchbadlöten mit Ultraschall Beim Ultraschall Löten erzeugt eine mit 20kHz schwingende Sonotrode im flüssigen Lot Kavitation. Durch das Zusammenschlagen winziger Kavitationsbläschen in der Druckphase ensteht eine kräftige Druckwelle, die die Oxide und Verunreinigungen von der Oberfläche des Lötteils entfernt. Das blanke Teil benetzt somit unter Luftabschluss. Es kann auch mit Flussmittelunterstützung gearbeitet werden. Man kann mit US auch Al weichlöten. Anwendung: Verzinnen von Bauteilanschlüssen mit hoher Fertigungssicherheit Wellenlöten = Schwalllöten für Weichlöten von Elektronikbaugruppen mit bedrahteten und schwallbaren SMD-Bauteilen Das Lot wird in einem Bad geschmolzen und von einer Pumpe durch eine Düse so umgepumpt, dass sich eine ca. 10 mm hohe Lotwelle ausbildet. Für bedrahtete Bauteile soll die Welle möglichst glatt und ruhig sein, für SMD`s rauh und gegenläufig. Daher werden oft 2 Wellen vorgesehen. Wellenlötanlagen arbeiten im Durchlauf. Die mit

8 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Bauteilen bestückte Leiterplatte wird zuerst über eine Fluxereinheit geführt. Hier wird Flussmittel, z.b. F-SW32 in Alkohol gelöst, aufgesprüht. Anschließend wird getrocknet. Danach fährt die Baugruppe leicht (ca. 7 ) schräg über die Lotwelle, wobei sie an der Unterseite von Lot bespült wird. Damit benetzt das Lot die vorverzinnten Lötstellen, erwärmt sie und wird in die Spalte eingesaugt. Das Wellenlöten ist ein sehr ausgereiftes Verfahren. Es wird eine Lötzuverlässigkeit von wenigen dpm (defects per million) erreicht. Ofenlöten Geschlossene Durchlauföfen verwenden; Vorteil ist die gleichmäßige und durchgehende Erwärmung, mehrere Teile gleichzeitig lötbar. Achtung, dass beim Herausnehmen Lötstellen erschütterungsfrei erstarren können. - Ofenerwärmung an Luft - Ofenerwärmung unter Schutzgas: daher Löten ohne möglich, Schutzgas Propan, NH 3, etc. Vakuumofen für Hart- und Hochtemperaturlötung. Grundsätzlich ohne Flussmittel für Teile mit nur geringen Oxidschichten. Die Oxide haben einen relativ hohen Dampfdruck und verdampfen im Vakuum während des Erhitzens vor dem Schmelzen des Lotes. Die meisten Lote fließen im Vakuum besser. Damit sind sehr enge Spalte füllbar. Die Teile sind nach dem Löten metallisch blank. Mit Wolframwendeln im Kaltwandofen sind Temperaturen bis 2300 C möglich.

9 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Elektrisches Widerstandslöten Für Weich- oder Hartlöten Lot (2) und Flussmittel wird in kaltem Zustand eingelegt. Das Lötteil (1) wird zwischen Elektroden (3) aus Graphit, Molybdän, Wolfram oder Kupfer geklemmt und durch Stromdurchfluss erwärmt. Induktionslöten Für Weich- oder Hartlöten Lot und Flussmittel wird in kaltem Zustand eingelegt, Erwärmung durch Induktion: Dabei erzeugt eine von Wechselstrom durchflossene Spule ein magnetisches Wechselfeld, das im Lötteil einen Wirbelstrom induziert. Dieser Strom erwärmt das Teil. Gearbeitet wird Mittelfrequenz von 0,15 bis 10kHz und Hochfrequenz von 0,4 bis 3MHz. Damit kann die Eindringtiefe des Wirbelstroms zwischen 0,1 und 10mm gesteuert werden. (Beispiel: Die Eindringtiefe in Al beträgt bei 10kHz etwa 1mm) Flammlöten Vielfältig anwendbar, nicht für ganz kleine Teile. Flamme nicht direkt auf Flussmittel richten. Je größer die Teile sind und je höher ihre Wärmeleitfähigkeit ist, umso mehr muss auch die Umgebung der Lötstelle erwärmt werden, damit die gesamte Lötstelle auf Löttemperatur ist. Lange Nähte auch fortlaufend lötbar. Lot nicht in die Flamme halten und erst nach Erwärmen zuführen. Beim Hartlöten ist Zeitpunkt für Lötmittelzugabe am Verglasen des Flussmittels erkennbar. Infraroterwärmung für Weichlötung Für Infrarot-Punkterwärmung mit Parabolspiegel kommen kleine Teile der Großserie in Frage. Durchlaufanlagen mit Flächen- oder Heizstrahlern werden schwerpunktmäßig zum Reflow-Löten von Elektronikleiterplatten mit SMD`s eingesetzt. Bild 7.6 Betrieb mit Luft und Schutzgast z.b. N 2 möglich.

10 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Laserlöten für Weich- und Hartlöten Gezielte Erwärmung durch Laserstrahl. Vorteil: minimale Wärmebelastung des Bauteils Problem: unterschiedliche Geometrie und Reflexion der Lötstellen bewirkt Streuung der Wärmeeinbringung Dampfphasenlöten (VP = Vapour Phase Reflow) für Weichlöten Ein Reflowlöten, bei dem eine inerte Flüssigkeit (z.b. Perfluoropolyether wie Fluorinert von 3M) zum Sieden gebracht wird. Das Lötgut z.b. Elektronikleiterplatten, wird in den gesättigten Dampf oberhalb der siedenden Flüssigkeit gebracht. Der Dampf kondensiert auf dem zunächst kalten Teil. Es erwärmt sich hier exakt auf die konstante Sattdampftemperatur, z.b. 230 C für bleifreie Lote. Um den Dampfverlust klein zu halten, wird meist eine sekundäre Dampfzone darüber angeordnet. Glyzerinbad für Weichlöten Anwendung für versilberte oder verzinnte Teile bei großflächigen Lötungen, weil die Arbeitstemperatur gleichmäßig über das Teil verteilt ist. Teile müssen anschließend gewaschen werden. Salzbad für Hartlöten von Aluminium Das Salzbad wirkt als Flussmittel. Löten großer Teile möglich. Zurückgebliebene Badreste wirken stark korrodierend Anwendung der Lötverfahren Lötverfahren Anwendung Beseitigung Für Hartlöten Für Weichlöten Für Metall Für Glas, Keramik Oxidschicht mit Kolbenlötung X E F Flussmittel Flammlötung X X E F E Flussmittel Tauchlötung X X M F O Flussmittel Ofenlötung X X M F M Flussmittel Schutzgas Widerstandslötung X X M F Flussmittel Induktionslötung X X M Flussmittel Vacuumlöten X E Wellenlöten X M Flussmittel

11 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Bügellöten X O Flussmittel Infrarotlötung X M M F Flussmittel Reflowlötung Dampfphasenlötung X X Laserlöten X X X Flussmittel E Einzelfertigung, M Massenfertigung, F typische Anwendung in Feinwerktechnik X Lötung gut möglich, (X) selten O Lötung im Prinzip möglich 2.4 Gestaltung der Lötverbindungen Lötspalt Durch Kapillarwirkung dringt das Lot in den Spalt zwischen den Fügeflächen. Daher kommt der Dicke des Lötspaltes besondere Bedeutung zu: Lötspalt zu klein: Flussmittel kann nicht in Lötspalt eindringen Lötspalt zu groß: ungenügende Kapillarwirkung für Lot Grundwerkstoff Optimale Lötspaltdicke [mm] Hartlote Weichlote Kupfer-Lote Messing-Lote Silberlote St unlegiert 0, ,2 0,05...0, ,3 0,05 0,2 St legiert 0,1...0,25 0,1...0,2 0,1 0,35 0,1 0,25 Cu, Cu-Legierungen 0, ,2 0,05 0,25 Hartmetall 0,3... 0,5 0,3 0,5 Die Oberflächenrauheit R z sollte 6,5 25 µm betragen für optimale Lötverbindung. Bei großen Werkstücken und/oder unterschiedlichen Werkstoffen können Wärmedehnungen die Spaltdicke wesentlich beeinflussen. Bei Welle-Nabenverbindung mit Presssitz Rändel 0,2 0,3 tief in Fließrichtung Gestaltung von Lötverbindungen: ungünstig günstig beachte Schälbeanspruchung vermeiden und Teile am Lötspaltende dünn. Längere Überlappung erhöht die Tragfähigkeit nicht proportional, ist aber proportional teurer.

12 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Lotfluss und Flussmittelabfluss sicherstellen; Luftpolster verhindert vollständige Füllung der Fuge. Lot fließt zu sichtbarer Stelle. Entlüftungsbohrung oder Anflachung der Welle. Kurze Lotfließwege vorsehen. Hohlräume verhindern Kapillarwirkung. Luft drückt Bolzen heraus. Durch dünner gewordene Lotscheibe steht Bolzen nach Lötung über. Ring rutscht durch Wärmedehnung. Lagesicherung, z.b. Absatz. Große Lotmengen und damit Schwindungslunker vermeiden.

13 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Überlappverbindungen bei Behältern Verbindungen von Wellen und Achsen Achtung: - Bei Sacklöchern immer Entlüftungsbohrungen vorsehen! - Auf Kraftfluss achten (evtl. Entlastungskerben anbringen) - Bei Pressverbindungen ggf. zusätzlich Rändeln (Lötspalt) Verbindungen von Wellen und Achsen in Blech Verbindungen an elektrischen Leitern Lötstelle bedrahteter elektronischer Bauteile - Die Bauteile werden in eine Bohrung der Leiterplatte gesteckt.

14 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten - Cu- Leiterbahn ist um die Durchsteckbohrung zu einem Auge erweitert. - Durchkontaktierung bessere Festigkeit, aber höhere Kosten. Auch auf der Bauteileseite befindet sich ein Lötauge und die Bohrungswandung ist von Lötauge zu Lötauge verkupfert. - Die Leiterbahnen außerhalb des Lötauges sind mit Lötstop abgedeckt. - Vor dem Löten werden die Lötaugen galvanisch mit ca. 5µm verzinnt - Gelötet wird im Schwallbad (siehe Lötverfahren) - Bei Durchkontaktierung zieht das Lot kapillar durch die Bohrung. Lötstopp Cu Beinchen Bauteil bestückt Einseitig kaschiert gelötet Kupfer Lötstoppabdeckung Lot doppelseitig kaschiert und durchkontaktiert Lötstelle elektronischer SMD-Bauteile (SMD = Surface Mounted Device; SMT = Surface Mounted Technology) - z.b Widerstände, Kondensatoren - können auf der Lötseite bei Leiterplatten mit bedrahteten Bauteilen eingesetzt werden. - SMD`s werden mit einem Klebepunkt auf die Leiterplatte geklebt - Sie werden im gleichen Durchlauf mit der Lotwelle des Schwallbades gelötet. - SMD Bauteile mit eng beieinander liegenden Lötanschlüssen wie PLCC (= Plastic Lead Chip Carrier) können nur mit Reflow-Löten aufgelötet werden. - Mit Reflow-Löten lassen sich auch die im Schwall lötbaren SMD`s auflöten. - Für Reflow-Löten Lotpaste in einer Dicke zwischen 100 und 300µm auf die Lötflecke auftragen. - In die frische Lotpaste das Bauteil platzieren (klebt). - Durch Wiederaufschmelzen des Lotes (Reflow) erfolgt die Lötung. - Die Erwärmung durch Infrarot, über Vapor Phase, mittels Lötbügel oder durch Laserstrahl. Doppelseitig kaschiert und SMD Fixierung über Klebpunkte, Verbindung durch Löten Verbindungen Glas/Metall (Glas im Fugenbereich metallbeschichtet)

15 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten 2.5 Berechnung - Für das Übertragen von Kräften kommt hauptsächlich die Hartlötung in Frage. - Weichlote kriechen unter Last. Die zulässige Spannung bei Dauerbelastung ist daher sehr niedrig. - Weichlötverbindungen haben daher meist eine andere Hauptfunktion, wie gute elektrische Leitfähigkeit oder Dichtheit Berechnung von Überlappverbindungen Lötstellen sollen möglichst auf Scherung beansprucht werden. Die wichtigste Kenngröße ist die Abscherfestigkeit des Lotes τ Lot F Scherspannung τ = τ l zul b mit τ zul = τ Lot / S; σ zul = σ Lot / S S = Sicherheitsfaktor je nach Anforderung 2 3, für Druckbehälter 4 Hoher Sicherheitsfaktor auch, weil in langen engen Spalten Flussmittelreste eingeschlossen bleiben Richtwerte für das Überlappungsverhältnis von Lötverbindungen Weichlöten l/b = 6 8 (12) bis 12 bei einseitiger Lasche Hartlöten l/b = 3 6 Hochtemperaturlöten l/b = (2) Anhaltswerte für Festigkeit von Lötungen (alle Werte in in N/mm 2 ) Weichlot Kurzzeitbelastung Dauerbelastung bei 20 C Zugfestigkeit σ Lot Scherfestigkeit τ Lot Zugfestigkeit σ Lot L-Sn60Pb ,5 L-Sn60PbAg Bei Dauertemperaturen über 50 C sinkt die Dauerstandsfestigkeit gegen 0. Nur Ag- und Sbhaltige Lote haben auch bei diesen Temperaturen noch eine Dauerstandsfestigkeit von ca. 3 N/mm 2. Hartlot Zugfestigkeit Scherfestigkeit N/mm 2 N/mm 2 bei Werkstoff L-CuZn S235JR (St37) E295 (St50) L-Ag55Sn S235JR (St37) E335 (St60) X12CrNi Hartmetall/Stahl Diese Festigkeitswerte gelten bis etwa 200 C. Die Dauerwechselfestigkeit von Hartloten beträgt etwa die Hälfte der in der Tabelle aufgeführten statischen Festigkeit.

16 Konstruktionselemente Kapitel 02 - Löten Berechnung Muffenverbindung bei Rohren, Rundstange Bei Torsion Bei Zug M τ = d π l d 2 F τ = τ d π l τ Berechnung Stumpfstoß (möglichst vermeiden vor allem bei Weichlot) zul zul F σ = σzul s b Häufig treten zusätzlich zur Dehnbeanspruchung Biegungen auf, die an der Lötstelle hohe Randspannungen ergeben. Eine so beanspruchte Lötung versagt dann viel früher, als es die Berechnung auf Zug erwarten ließ. Regel: - Lötverbindungen möglichst nur auf Schub beanspruchen - auf ausreichende Überlappung der Bauteile achten. 2.6 Arbeitssicherheit Unfallverhütungsvorschriften beachtet (folgende Hinweise sind nicht vollständig): Flammlöten - Gefahr von Verbrennungen, Bränden und Explosionen. - Schutzbrillen tragen. - Vorschriften über Umgang mit Gasflaschen beachten. Induktionslöten: - Keinen Handschmuck (Ringe, Armreif) tragen (Aufheizung!) Allgemein - Absaugen bei Lötplätzen mit großen Teilen, langer Zeit, bei stark dampfenden Flussmitteln und Hartlotflussmitteln - Hartlötflussmittel bilden gesundheitsschädigende Dämpfe und bei Haut- oder Augenkontakt schwer heilende Verletzungen. - Zink- oder cadmiumhaltige Lote oder Oberflächen bilden bei Überhitzung hochgiftige Rauche. - Viele Weichlotflussmittel enthalten Säuren. - Spritzgefahr (Schutzbrille tragen). - Kolophonium ist in brennbarem Alkohol gelöst Rauchverbot. - An Lötarbeitsplätzen nicht essen - Vor dem Essen Hände waschen. - Schutzbrillen, Schutzhandschuhe Schutzkleidung wo erforderlich, unbedingt verwenden.