Hartlöten - Fügeverfahren
Hartlöten ist ein Fügeverfahren, das auf dem Schmelzen, Fliessen und Erstarren eines füllenden Metalles (Filler Metal) beruht um eine starke metallurgische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Materialien herzustellen.
Geschichte des Hartlötens
Abgesehen von der mechanischen Befestigung ist das Hartlöten vielleicht die älteste bekannte Technik zum Verbinden von Metallen. Gold-, Silber- und Kupfermetalle, die in der Natur vorkommen, wurden bereits 5000 v. Chr. entdeckt und gesammelt. Das Schmelzen einfacher Erze wurde wahrscheinlich ab 4400 v. Chr. praktiziert. Archäologische Funde in Gräbern im Nahen Osten, Ägypten und sogar Irland beweisen, dass das Hartlöten zu dieser Zeit weit verbreitet war.
Die Entwicklung des Hartlötens setzte sich in den nächsten Jahrtausendenen fort, wobei Metallschmiede mit verschiedenen Verhältnissen von Gold, Silber und Kupfer experimentierten.
Um das Jahr 1100 wurden erstmals Rezepte zur Herstellung von Lötflussmitteln dokumentiert. Beschrieben wurden Flussmittel die aus Buchenholzasche, Schmalz und einer Mischung aus Kupfersalzen hergestellt wurden.
Zur Erhitzung der Materialien wurde bereits um das Jahr 1860 Acetylengas, das aus Kalziumkarbid und Wasser erzeugt wurde verwendet. Wissenschaftler begannen, Acetylen mit Sauerstoff zu mischen und hohe Flammtemperaturen erreichen zu können. So wurden die Vorgänge kontinuierlich perfektioniert, kommerzialisiert und stehen heute in einem breiten Anwendungsspektrum zur Verfügung.
Das Löt-Verfahren
Der Begriff “Löten” bezieht sich auf eine Gruppe von Prozessen, die durch das Zusammenfügen von Werkstoffen durch Erhitzen auf die Löttemperatur unter Zuführung eines Lotes definiert wird.
Hartlöten ist ein bewährtes kommerzielles Verfahren, mit dem starke Verbindungen hergestellt werden können. Es ist in der Industrie weit verbreitet, weil sich damit die meisten metallischen und keramischen Werkstoffe verbinden lassen.
Das Verfahren ist insofern einzigartig, als diese Verbindung nur durch das Schmelzen des Lotes entsteht; die zu verbindenden Komponenten werden nicht geschmolzen.
Es handelt sich um ein vielseitiges Verfahren, das sowohl mit manuellen Techniken als auch mit automatisierten Produktionsverfahren durchgeführt werden kann. Löten eignet sich für die Herstellung von Baugruppen, die auch aus verschiedenartigen Metallen bestehen können. Im Gegensatz zum Schweissen entsteht beim Hartlöten eine winzige, saubere Kehle. Neben der höheren Festigkeit von korrekt ausgelegten Lötstellen ein Vorteil, wenn ästhetische Faktoren eine Rolle spielen.
Das Löten oder Hartlöten eignet sich sowohl für die Serienproduktion, wie und auch für Einzelstücke.
Hartlöten und Löten haben viele wichtige Merkmale gemeinsam, aber der Begriff Hartlöten wird für Fügeverfahren verwendet, die bei Temperaturen über 450°C (840°F) durchgeführt werden, während sich das Weichlöten auf die Fügeverfahren bezieht, die unterhalb dieser Temperatur durchgeführt werden.
Die Lötprozesse werden in folgende Kategorien eingeteilt:
- bis 450°C weichlöten
- ab 600°C hartlöten
- ab 900°C hochtemperaturlöten
Das Hartlot verteilt sich durch Kapillarwirkung zwischen eng aneinanderliegenden Fügeflächen der Verbindung. Der Begriff Löttemperatur bezieht sich auf die Temperatur, auf die ein Material erhitzt wird, damit sich das Lot ausbreiten und am Grundwerkstoff haften oder diesen benetzen kann und eine Lötverbindung entsteht.
Qualität der Lötverbindung
Mehrere Faktoren beeinflussen die Qualität der Lötverbindung. Als Richtschnur gelten die sechs Grundlagen vom Löten und Hartlöten.
1. Passgenauigkeit und Lötspalt
Damit Lot zwischen zwei zu verbindenden Materialien fliessen kann, muss ein Spalt oder Zwischenraum vorhanden sein. Damit eine Kapillarwirkung entstehen und das Lot bei erreichen der Verarbeitungstemperatur fliessen kann, muss dieser Spalt genau definiert sein. Es gibt keine einfache Methode, um die Kapillarwirkung des Hartlotes zu beschreiben. Obwohl die Strömungslehre als Grundlage herangezogen werden kann, ist dieses Thema sehr komplex. Als Faustegel ist je nach Lot und Verfahren ein Lötspalt zwischen 0.02 bis maximal 0,1 mm anzustreben. Bei der Definition des Lötspaltes muss auch der Ausdehnungskoeffizient der Materialien berücksichtigt werden, sollten diese verschieden sein. Denn beim Hartlöten wird je nach Lot eine Temperatur von ca. 700°C erreicht. bei dieser Temperaturdifferenz kann es vorkommen, dass ein Lötspalt der bei Zimmertemperatur gemessen wurde auf null aufgeht, oder zu gross wird, je nach Materialpaarung. Die Mitarbeiter der Construtec AG beraten Sie gerne bei dieser Aufgabe.
2. Reinigung
Um eine gute Verbindung mit einem der Lötverfahren zu erzielen, müssen die zu verbindenden Komponenten gereinigt werden. Hier ist grösste Vorsicht geboten. Die Teile dürfen nach der Reinigung nicht mehr mit blossen Händen berührt werden. Der kleinste Fingerabdruck verhindert das Fliessen des Lotes an dieser Stelle. Mit Flussmitteln und Atmosphären können beim Hartlöten zwar eine gewisse Reinigungswirkung erzielt werden, dies ist jedoch nicht ihr Hauptzweck. Sie sollten daher nicht als Ersatz für Vorreinigungsarbeiten verwendet werden. Reinigungsmittel auf Erdölbasis, wie z.B. Reinbenzin sollten vermieden werden.
3. Flussmittel oder Atmosphäre
Flussmittel sind Gemische von Chemikalien, die dazu dienen die Bildung von Oxiden und anderen unerwünschten Stoffen im geschmolzenen Hartlot und auf den festen Oberflächen des Grundmetalls zu verhindern und solche Unterstoffe aufzulösen oder auf andere Weise zu entfernen. Der Zweck von Flussmitteln besteht darin, das Grundmetall und das Hartlot vor Oxidation schützen. Indem es die Oberflächenoxide entfernt, verringert das Flussmittel die Oberflächenspannung und fördert das freie Fliessen des Hartlotes.
Flussmittel schmelzen bei einer Temperatur, die unterhalb der des Hartlotes liegt und fliessen in die Verbindung um sie für das Lot vorzubereiten. Das Lot muss beim Schmelzen das Flussmittel verdrängen während das Lot durch Kapillarwirkung in die Verbindung gezogen wird. Wenn der Abstand zu klein ist, wird das Flussmittel so fest in der Verbindung gehalten, dass eine Verdrängung durch das flüssige Lot schwierig oder unmöglich ist. Dadurch können Lunker entstehen. Wenn der Abstand zu gross ist, wandert das flüssige Lot ungleichmässig und erzeugt übermässige Flussmitteleinschlüsse.
Schutzatmosphären haben die gleiche Funktion wie die Flussmittel. Zu den verschiedenen Arten von Schutzatmosphären gehören verbranntes Brenngas, Wasserstoff, Stickstoff, Vakuum und Argon.
4. Fixierung der zu verbindenden Komponenten
Bauteile, die durch Löten verbunden werden sollen, müssen während des Lötvorganges in ihrer Position gehalten werden. Der Zusammenbau oder die Fixierung der zu lötenden Teile hängt von dem zu verwendenden Lötverfahren, den zu verbindenden Werkstoffen und der Anordnung der einzelnen Teile ab. Die Construtec AG baut die Vorrichtungen für die Fixierung der Komponenten für Einzelteile und Serien in der eigenen Werkstatt spezifisch für jeden Auftrag.
5. Wärmequelle (Flammlöten, Induktionslöten, Ofen usw.)
Die Construtec AG hat sich auf das Induktionslöten spezialisiert. Beim Induktionslöten werden die Bauteile im Bereich der zu verbindenden Bauteile örtlich auf die Löttemperatur erhitzt. Dies geschieht durch die Einbringung von elektrischer Energie mittels einer Induktionsspule oder eines Induktors. Da nur der Verbindungsbereich erwärmt wird, ergeben sich erhebliche Energieeinsparungen. Das Induktionslöten kann in manuellen, mechanisierten, halbautomatischen und automatisierten Produktionsverfahren eingesetzt werden.
Das Induktionslöten eignet sich sowohl für Einzelteile als auch für die Serienproduktion die eine örtliche Erwärmung der Verbindung erfordern. Dieses Lötverfahren wird unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Elektronik- und Elektroindustrie zur Herstellung von Industrie- und Konsumgütern eingesetzt.
Die Löttemperatur wird berührungslos über ein Pyrometer gemessen und an die Steuerung übertragen. Diese regelt die Temperatur innerhalb einer engen Toleranz.
6. Reinigung der Lötstelle und entfernen von Flussmittel
Flussmittel sind mitunter sehr aggressiv und können mit der Zeit die Oberflächen angreifen, speziell wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Darum ist es wichtig, Flussmittelrückstände nach dem Lötprozess zu entfernen. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen.
- Mechanisches Entfernen durch schleifen, sandstrahlen oder ähnliche Vorgänge
- Eintauchen in Reinigungsflüssigkeiten im Ultraschallbad
Kontrolle der Lötstellen
Die Kontrolle der Lötstelle ist der letzte Schritt des Lötvorgangs. Zusammen mit den vorangegangenen Kontrollen in den verschiedenen Phasen des Produktionsprozesses ist die Endkontrolle entscheidend für die Gewährleistung der Qualität. Die Prüfverfahren sind bereits in der Planungsphase zu definieren. Es muss sichergestellt werden, dass die Baugruppe den Anforderungen entsprechend hergestellt, aber auch dass sie später ordnungsgemäss geprüft werden kann. Es muss gewährleistet werden können, dass alle Qualitätsanforderungen erfüllt wurden.
Welches Prüfverfahren für die Bewertung des Lötvorganges gewählt wird, hängt von den Anforderungen an das Bauteil ab. In vielen Fällen werden die Prüfmethoden vom Endanwender oder durch Normen oder beides festgelegt.
Sichtprüfung
Die visuelle Prüfung einer Lötverbindung ist die am häufigsten verwendete Methode der zerstörungsfreien Prüfung. Sie ist auch eine geeignete Vorprüfung, wenn andere Untersuchungs- und Prüfverfahren eingesetzt werden sollen. Die Sichtprüfung wird mit und ohne Vergrösserung durchgeführt. Mit dieser Methode lassen sich äussere Anzeichen von Hohlräumen, Porosität, Oberflächenrissen, Grösse und Form von Hohlkehlen, unterbrochenen Hohlkehlen, Erosion des Grundmetalls und das allgemeine Erscheinungsbild des Lots gut beurteilen. Um eine Lötstelle per Sichtprüfung sicher beurteilen zu können, muss das Lot im Idealfall beim Lötprozess auf einer Seite der Verbindung aufgetragen werden um auf der Gegenseite eine Hohlkehle zu bilden. Dieses “durchlaufen” des Lotes durch die Lötstelle lässt darauf schliessen, dass die gesamte Lötstelle mit Lot benetzt ist.
Innere Unvollkommenheiten wie eingeschlossenes Flussmittel, Porosität, fehlende Füllung und innere Risse können in einer Lötverbindung durch Sichtprüfung nicht immer ausgeschlossen werden. Hohlkehlen auf beiden Seiten einer Lötstelle, selbst wenn sie durchgängig sind, garantieren nicht die vollständige Füllung der Lötstelle mit Hartlot.
Prüfung bei höheren Anforderungen
Lötstellen die höheren Anforderungen gerecht werden müssen, können z.B. durch Röntgen oder Ultraschall ohne Zerstörung der Komponenten geprüft werden. Zerstörend geprüft werden kann z.B. durch Querschliff- oder Schältest. Wenn diese Prüfungen erfolgreich sind, keine Parameter verändert werden und die Reinigung der Teile nicht vernachlässigt wird, ist das der Garant für eine gleichbleibende Qualität der Lötstellen über gesamte Serien.
Die Construtec AG führt für jeden Lötprozess ein Lötprotokoll in dem sämtliche Prozessparameter des Lötvorganges dokumentiert werden. Zu diesen Parametern gehören unter anderem die Löttemperatur, die Haltezeit, der eingestellte Emissionsfaktor des Pyrometers, das verwendete Hartlot und das Flussmittel. Die Fixierung der Teile wird mit Fotos oder mit Skizzen dokumentiert.
Gerne sind wir behilflich beim Design der Lötstellen und unterstützen Sie bei der Planung und Ausführung von der Skizze bis zur fertigen Komponente.
Durch unser langjähriges Netzwerk mit Lieferanten, bieten wir Gesamtkonzepte für die Lieferung fertiger Komponenten an.