Auswahl von Loten und Flussmittel

Die Auswahl eines geeigneten Lotes und eventuell erforderlichen Flussmittels hängt von mehreren Kriterien ab, die sich auch untereinander beeinflussen können. In der Regel wird zuerst das Lot ausgewählt und anschließend – falls erforderlich – das Flussmittel. Hilfreich für die Lotauswahl ist ein Anforderungsprofil für die herzustellende Lötverbindung. Im Folgenden werden sowohl die technischen als auch wirtschaftlichen Kriterien für die Auswahl von Loten und Flussmittel erläutert. Im Einzelfall empfiehlt sich die Rücksprache mit einem Fachmann. Die hier verwendeten Begriffe sind in „Grundlagen des Lötens“ erläutert.

Kriterien zur Auswahl von Loten

Kriterien zur Auswahl von Loten
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Folgende Kriterien gilt es bei der Auswahl von Loten zu berücksichtigen [1]:

  • Art und Behandlungszustand der Grundwerkstoffe
  • Abmessungen und Herstelltoleranzen der Werkstücke
  • Verfügbare Betriebseinrichtungen für die Lötarbeiten
  • Belastung der Lötverbindung
  • An den Lötverbindungen angreifende Medien
  • Weiterverarbeitung gelöteter Bauteile
  • Regeln der Technik und Arbeitssicherheit
  • Wirtschaftlichkeit der Fertigung

Art und Behandlungszustand der Grundwerkstoffe

Art und Behandlungszustand der Grundwerkstoffe
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Da beim Löten der Grundwerkstoff nicht aufgeschmolzen wird, muss das Lot eine niedrigere Liquidustemperatur als der Grundwerkstoff haben. In der Regel sollte die Liquidustemperatur des Lotes mindestens 50-100 °C unter der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes liegen. Kommen zwei verschiedene Grundwerkstoffe zum Einsatz, gilt dies für den niedrigstschmelzenden Grundwerkstoff. Es kann jedoch vorkommen, dass ein Lot gewählt werden muss, das nur wenige Grad tiefer als der Grundwerkstoff schmilzt. Dies tritt vor allem beim Löten von Aluminiumwerkstoffen auf.

Das Lot muss den verwendeten Grundwerkstoff benetzen können; d. h. mindestens eines der im Lot vorhandenen Metalle muss mit dem Grundwerkstoff mischbar sein.

Durch Wärmebehandlungen vor dem Lötprozess (z. B. Härten, Homogenisieren, Kaltverfestigen) kann der Grundwerkstoff spezielle Eigenschaften erhalten haben. Das Lot muss hinsichtlich der Löttemperatur so ausgewählt werden, dass durch die Löterwärmung diese Eigenschaften möglichst nicht beeinträchtigt werden.

Abmessungen und Herstelltoleranzen der Werkstücke

Bei großen und damit schweren Bauteilen sollten niedrigschmelzende Hartlote verwendet werden, da die Erwärmung der Bauteile auf hohe Temperaturen zu kompliziert sein kann.

Generell werden für das Hartlöten enge Lötspalte empfohlen (0,05 – 0,2 mm), damit das Lot durch den Kapillareffekt in diese Spalte fließt. Falls die Herstelltoleranzen der Werkstücke jedoch breitere Lötspalte ergeben, sollten zähfließende Lote genutzt/eingesetzt werden, d. h. man verarbeitet das Lot unterhalb der Liquidustemperatur. Dies ist umso einfacher, je breiter das Schmelzintervall des Lotes ist. Daher verwendet man für breite Spalte ein Lot mit breitem Schmelzintervall bzw. umgekehrt: das Schmelzintervall des Lotes darf umso enger sein, je enger der Spalt ist [1].

Verfügbare Betriebseinrichtungen für die Lötarbeiten

Verfügbare Betriebseinrichtungen für die Lötarbeiten

Falls im Unternehmen schon Betriebseinrichtungen zum Löten (z. B. Flammlötanlagen, Öfen usw.) vorhanden sind, muss das Lot mit diesen Anlagen auch verarbeitbar sein. Da nicht alle Lote bei jedem Erwärmungsverfahren verwendet werden können, ist dieser Punkt zu beachten. So sollten z. B. zinkhaltige Lote nicht bei Ofenlötverfahren zum Einsatz kommen, da während dieser Prozesse das Zink aus dem Lot abdampfen kann. Dies gilt insbesondere für das Löten in Vakuumöfen.

Belastung der Lötverbindung

Lötverbindungen unterliegen im Einsatz unterschiedlichen Belastungen. Bei der Auswahl eines Lotes sind die mechanischen Belastungen, die Betriebstemperatur sowie eventuell der Betriebsdruck zu berücksichtigen.

Mechanische Belastungen können statischer und dynamischer Art sein. Sie müssen im Anforderungsprofil für die Lötverbindung definiert werden. Generell kann mit folgenden Festigkeiten für ordnungsgemäß konstruierte und durchgeführte Hartlötverbindungen bei einem Spaltfüllgrad von 80 % gerechnet werden [1, 2, 3]:

Zugfestigkeit: 200 MPa (N/mm2)
Scherfestigkeit: 100 MPa (N/mm2)

Detaillierte Festigkeitsangaben sind teilweise in den Lieferprogrammen und technischen Datenblättern der Lotlieferanten enthalten. Gegebenenfalls sind gesonderte Prüfungen durchzuführen.

Weiter kommt es bei der Lotauswahl auf die im Einsatz herrschenden Betriebstemperaturen an. Auch hierzu sind die Angaben der Lothersteller zu beachten. Die in Lieferprogrammen oder technischen Datenblättern angegebenen Werte sollten bei Dauerbelastung nicht überschritten werden. Kurzzeitige Temperaturüberschreitungen können zulässig sein, wenn keine nennenswerte Belastung der Lötverbindung vorliegt [1, 3]. In keinem Fall darf die Solidustemperatur des Lotes überschritten werden.

Ein vorhandener Betriebsdruck muss für die vorliegende Konstruktion in eine mechanische Belastung umgerechnet werden. Anschließend kann die Lotauswahl erfolgen. Die Betriebstemperatur ist auch hier zu beachten.

Ist eine Vakuumdichtheit bei der Lötverbindung gefordert, so ist die Vakuumbeständigkeit der Lotwerkstoffe zu berücksichtigen. Diese wird anhand von Dampfdruckkurven geprüft. Ordnungsgemäß durchgeführte Lötverbindungen sind bei Raumtemperatur üblicherweise vakuumdicht. Ist Vakuumdichtheit auch bei erhöhten Temperaturen gefordert, so sind zink- und cadmiumfreie Lote einzusetzen [1, 3].

An den Lötverbindungen angreifende Medien

Lötverbindungen

Für die Lotauswahl ist zu prüfen, welche Medien (Luft, Gase, Flüssigkeiten) mit der Lötverbindung und dem gelöteten Bauteil in Kontakt kommen. Unter Umständen müssen aber auch Medien, die bei Herstellung, Transport und Lagerung mit der Lötverbindung in Kontakt kommen, berücksichtigt werden.

Beim Einsatz an der Luft können praktisch alle Lote verwendet werden.

Bei der Verbindung von Gasleitungen sind Regeln der Technik zu berücksichtigen (z. B. DVGW Arbeitsblatt GW 2, DIN EN ISO 9539).
Falls Lötverbindungen, die mit Kupfer-Phosphor-Loten hergestellt wurden, mit schwefelhaltigen Medien in Kontakt kommen, können sie durch selektive Korrosion zerstört werden [4]. Zu diesen Medien zählen schwefelhaltige Industrieatmosphären, schwefelhaltige Flüssigkeiten, schwefelhaltige Motorenöle, etc. Hier empfiehlt sich der Einsatz von Silberhartloten.

Flüssigkeiten, wie destilliertes Wasser, organische Lösungsmittel, Alkohole sowie ammoniakfreie Kältemittel brauchen keine speziellen Lote. Der Einsatz von Lötverbindungen in sauren Lösungen oder in Laugen kann je nach pH-Wert spezielle Lote erfordern. Grundsätzlich ist auch die Kombination mit dem verwendeten Grundwerkstoff beim Kontakt mit Flüssigkeiten zu prüfen. Dies gilt insbesondere beim Einsatz von korrosionsbeständigen Stählen im Kontakt mit Feuchtigkeit sowie bei Einsatz der Lötverbindung mit See- und Brackwasser.

Weiterverarbeitung gelöteter Bauteile

Je nach Anforderung an das endgültige Bauteil kann dieses nach dem Lötprozess noch weiteren Bearbeitungsprozessen wie Beschichten, Wärmebehandlung usw. unterzogen werden.

Falls die Bauteile nach dem Löten galvanisch beschichtet werden sollen, sollten Lote zum Einsatz kommen, bei denen die Entfernung der Flussmittelreste einfach durchgeführt werden kann. Dies trifft z. B. auf niedrigschmelzende Silberhartlote zu.

Bei nachfolgenden Emaillierungsprozessen oder Wärmebehandlungen ist ein Lot auszuwählen, das hierbei ausreichende Festigkeiten garantiert.

In Sonderfällen werden Bauteile (wie z. B. Spezialhartmetallwerkzeuge) nach dem Lötprozess noch mit einer verschleißfesten Titan-Nitrid-Schicht überzogen. Die Beschichtung findet bei Temperaturen um 500 °C im Vakuum statt. Für diesen Prozess sind Lote auszuwählen, die keine im Vakuum bei dieser Temperatur abdampfenden Komponenten enthalten. In der Regel werden spezielle zinkfreie Silberhartlote für diesen Anwendungsfall eingesetzt.

Regeln der Technik und Arbeitssicherheit

In Abhängigkeit von Bauteil und Anwendung sind spezielle Gesetze, Normen, Regeln der Technik, aber auch Vorgaben des Auftraggebers zu beachten und mit den Vorgaben an die Lotwerkstoffe abzugleichen.

Wie bei allen technischen Prozessen sind die Grundsätze der Arbeitssicherheit einzuhalten. Die Sicherheitsdatenblätter der Lote geben Hinweise zum sicherheitstechnischen Umgang mit den Loten und sind daher vor dem Einsatz zu prüfen.

Wirtschaftlichkeit der Fertigung

Wirtschaftlichkeit und Fertigung des Lötprozesses

Die Wirtschaftlichkeit des Lötprozesses hängt u. a. von den folgenden Faktoren ab:

  • Kosten für erforderliche Lötspalttoleranzen
  • Lotkosten
  • Flussmittelkosten
  • Kosten für eventuell erforderliche Hilfsstoffe
    (z. B. Reinigungsmittel)
  • Energiekosten
  • Investitionen bzw. Abschreibungen der erforderlichen Lötanlagen
  • Fertigungskosten (Vorbereiten der Bauteile, Montage, Erwärmen, Nachbearbeiten usw.)

Es empfiehlt sich, den gesamten Lötprozess kostenmäßig zu bewerten und mit alternativen Prozessen zu vergleichen.

Kriterien zur Auswahl von Flussmitteln

Auswahl von Flussmitteln
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Für den Fall, dass das Bauteil an der Luft gelötet wird, ist – bis auf Ausnahmen – die Verwendung eines Flussmittels erforderlich. Das erste Kriterium zur Flussmittelauswahl ist die Löttemperatur des gewählten Lotes. Diese Temperatur muss innerhalb des Flussmittel-Wirktemperaturbereiches liegen.

Das nächste Kriterium ist der zu lötende Grundwerkstoff. Es existieren innerhalb des gleichen Wirktemperaturbereiches unterschiedliche Flussmittel für verschiedene Grundwerkstoffe. Erste Hinweise gibt die Norm DIN EN 1045 [5]. Darüber hinaus finden sich Hinweise in den Lieferprogrammen der Lot- und Flussmittelanbieter.

Weitere Kriterien wie die Form des Flussmittels (z. B. Paste, Pulver Flüssigkeit, Dosierfähigkeit usw.) sind je nach Lötaufgabe vom Anwender zu definieren.

Literatur

[1] Auswahlregeln für Lote und Flussmittel
Veröffentlichung der Umicore AG & Co. KG
[2] Hart- und Hochtemperaturlöten
Die Schweißtechnische Praxis, Band 20
Paul Zaremba
DVS Verlag GmbH Düsseldorf, 1988
[3] Technik die verbindet Nr. 36
Veröffentlichung der Degussa AG
[4] Technik die verbindet Nr. 28
Veröffentlichung der Degussa AG
[5] DIN EN 1045 Flussmittel zum Hartlöten