Lötverfahren

Lötverfahren werden im Wesentlichen nach Hartlöten und Weichlöten unterschieden (vgl. auch Grundlagen des Lötens). Im Folgenden wird auf die Lötverfahren des Hartlötens eingegangen – unterteilt nach der jeweiligen Energiequelle.

Das Hartlöten mit elektrischem Strom lässt sich nach Bild 1 weiter in die drei Verfahrensgruppen Induktionshartlöten, Widerstandshartlöten und Ofenhartlöten unterteilen, die jeweils auch im Einzelnen erläutert werden.

Weichlöten wird insbesondere in der Elektronikfertigung angewandt und ist ein eigenes Fachgebiet, das im Folgenden nicht näher betrachtet wird.

Verfahren des Hartlötens
Bild 1: Verfahren des Hartlötens [1]

Hartlöten durch Flüssigkeit

Beim Hartlöten durch Flüssigkeit wird das zu lötende Bauteil in ein Bad aus geschmolzenem Lot, verschiedenen Salzen oder geschmolzenem Flussmittel eingetaucht und so auf Löttemperatur erwärmt. Diese Verfahren werden in der Praxis allerdings eher selten angewandt.

Flammhartlöten

Das Hartlöten mit der Flamme ist eines der meist genutzten Verfahren beim Hartlöten. Es wird sowohl manuell als auch mit vollautomatisierten Lötanlagen für unterschiedlichste Werkstoffe und Anwendungen eingesetzt. Die beim Flammlöten genutzten Brenner werden mit unterschiedlichen brennbaren Gasen (z. B. Wasserstoff, Acetylen, Propan) betrieben. Weiter gibt es verschiedene Arten der Sauerstoffzufuhr (z. B. reinen Sauerstoff, Druckluft, Ansaugluft) und diverse Brennerdesigns, um je nach zu lötendem Bauteil die optimale Erwärmung zu erzielen.

Anwendungen für das Flammhartlöten sind u. a.:

  • Kupferrohre in der Installationstechnik
  • Hartmetallwerkzeuge
  • Stahl-, Kupfer- und Aluminiumrohrleitungen
  • Kompressoren für Kühlschränke und Klimaanlagen
  • Ventile für die Kälte-Klimatechnik

Lichtbogenhartlöten / Hartlöten durch Strahl

Bild: Kfz-Karosserie
Bild 4: Kfz-Karosserie

Das Lichtbogen- wie auch das Laserstrahlhartlöten werden vor allem in der Kfz-Fertigung eingesetzt. Sie eignen sich insbesondere zum Fügen oberflächenveredelter Feinbleche aus Stahl und für Strukturbauteile. Als Hartlote kommen vornehmlich spezielle Kupfer- und Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Mit diesen Verfahren konnten im Kfz-Bereich u. a. die folgenden Anwendungen realisiert werden [2]:

  • Verbinden der ABC-Säulen mit dem Dach
  • Laserstrahl- oder Plasma-Hartlöten an der C-Säule
  • Laserstrahl-Hartlöten am Kofferraumdeckel
  • MIG-Hartlöten des Kraftstofftankrohrs
  • MIG-Hartlöten an der Konstruktion über dem Achsüberbau und den Sitzschienen
  • Laserstrahl-Hartlöten am Dach
  • MIG-Hartlöten von Längsträgern

Das Elektronenstrahllöten wird im Fein- oder Hochvakuum durchgeführt und findet z. B. Anwendung bei Bauteilen, die geometrisch eng tolerierte Lötstellen aufweisen, die eine örtliche Energieeinbringung mit hohen Leistungsdichten fordern und bei denen hohe Aufwärmgeschwindigkeiten in kurzer Zeit realisiert werden müssen [3].

Induktionshartlöten

Bild: Induktionshartlöten von Hartmetallen
Bild 5: Induktionshartlöten von Hartmetallen

Beim Induktionshartlöten werden die zu lötenden Bauteile mittels induktiver Erwärmung auf Löttemperatur gebracht. Diese beruht auf folgendem physikalischen Prinzip: Wird ein zu erwärmender Metallkörper einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, so wird in ihm ein elektrischer Strom induziert. Der Stromfluss bewirkt eine Erwärmung des Metalls. Dieser einfache Vorgang lässt sich mit Hilfe des Joule’schen Gesetzes physikalisch erklären. Es besagt: Fließt in einem Metallkörper mit dem elektrischen Widerstand R ein Strom I, so wird in diesem Körper die elektrische Leistung P nach

P = R • I2

in Heizleistung umgewandelt. Fließt der Strom I während einer definierten Zeitspanne t durch den Metallkörper, so wird in dieser Zeit die elektrische Arbeit W gemäß

W = P • t = R • I2 • t

in die Wärme Q = W umgewandelt.

Es entsteht die sogenannte Joule’sche Wärme. Die induktive Erwärmung zählt zu den unmittelbaren oder direkten Erwärmungsverfahren. Die Wärme entsteht im Werkstück selbst und braucht nicht von außen durch Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung übertragen werden [4].

In ferromagnetischen Werkstoffen treten zusätzlich noch Ummagnetisierungsverluste auf, die ebenfalls zur Erwärmung beitragen. In nicht-magnetischen Stoffen (z. B. Kupfer, Aluminium, Messing, Edelstahl) wirken ausschließlich Wirbelstromverluste.

Bild: Induktionslötanlage mit Drahtvorschub und Pyrometer
Bild 6: Induktionslötanlage mit Drahtvorschub und Pyrometer

Das Induktionshartlöten kann sowohl an Luft mittels Flussmittel als auch in Schutzgasatmosphären (z. B. Wasserstoff, Stickstoff, Argon) oder im Vakuum durchgeführt werden.

Angewendet wird das Induktionshartlöten u. a.

  • in der Werkzeugindustrie beim Hartlöten von Hartmetallen (z. B. Bohrer, Kreissägeblätter, Papiermesser, Fräser)
  • in der Brillenindustrie beim Hartlöten von metallischen Brillengestellen, insbesondere aus Titan
  • in der elektrischen Industrie beim Hartlöten von Kontaktwerkstoffen für Schalter aller Art
  • beim Hartlöten von dünnwandigen Rohren im Kfz-Bereich
  • bei Anschlüssen an Kompressoren für die Kälte-Klima-Technik
  • für Rohrverbindungen im Kälte-Klima-Bereich

Widerstandshartlöten

Bild: Prinzip der Widerstandserwärmung
Bild 7: Prinzip der Widerstandserwärmung, links indirekte Erwärmung, rechts direkte Erwärmung [5]

Beim Widerstandshartlöten fließt der Strom direkt durch die zu lötenden Bauteile. Die Wärme, die durch den Widerstand der stromdurchflossenen Leiter entsteht (Joule-Effekt), wird dabei zum Löten genutzt [5].

Die Lötstelle kann hierfür indirekt oder direkt erwärmt werden (Bild 7).

Bei der indirekten Erwärmung (Abb. links) kann die notwendige Wärme zum Löten durch den inneren elektrischen Widerstand eines Werkstücks (Innenwiderstandserwärmung) erzeugt werden. Die durch den Widerstand entstandene Wärme wird durch Wärmeleitung zur Lötstelle transportiert. Diese Art der Erwärmung wendet man vorzugsweise bei Werkstoffen an, die einen hohen elektrischen Widerstand haben. Typische Anwendungsfälle sind Lötverbindungen von Stahl und Hartmetall in der Werkzeugindustrie [5].

Bei der direkten Widerstandserwärmung (Abb. rechts) sind die zu verbindenden Werkstücke in Reihe angeordnet. Der Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Werkstück wird durch die Anpresskraft sowie die Leitfähigkeit der Elektroden und deren Gestaltung möglichst gering gehalten. Die Erwärmung erfolgt vor allem über den Kontaktwiderstand zwischen den Lötteilen und über die Werkstoffwiderstände. Typische Anwendungsfälle sind Lötverbindungen von Kupfer oder Messing und Kontaktwerkstoff in der Elektroindustrie.

Ofenhartlöten

Bild: Metall-Metalloxid-Gleichgewichte in Wasserstoff als Funktion von Taupunkt und Temperatur
Bild 8: Metall-Metalloxid-Gleichgewichte in Wasserstoff als Funktion von Taupunkt und Temperatur [5]

Das Ofenhartlöten ist in den allermeisten Fällen ein flussmittelfreies Lötverfahren in einer kontrollierten Ofenatmosphäre. Geeignete Ofenatmosphären sind Normalatmosphäre (selten mit Flussmittelunterstützung), reduzierendes Schutzgas, inertes Schutzgas und Vakuum [5].

Das Ofenlöten zeichnet sich aus durch:

  • Lötung von Bauteilen mit mehreren Verbindungsstellen in einem Lötvorgang
  • gleichmäßige Erwärmung der Bauteile
  • geringer Verzug
  • geringe Wärmespannung
  • Kombination der Lötbehandlung mit anschließender Wärmebehandlung in einem Prozess

Bei der Verwendung reduzierender Schutzgase werden die vorhandenen Metalloxide durch chemische Reaktion mit den reduzierenden Bestandteilen des Schutzgases, hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid, beseitigt. Die Auswahl eines Metalloxides ist im Wesentlichen von der Stabilität eines Metalloxides und von der Sauerstoffaffinität des Metalls abhängig. Mit Hilfe von Metall-Metalloxidgleichgewichtskurven (Bild 8), die die Gleichgewichte als Funktion von Taupunkt und Temperatur zeigen, können die Bedingungen für eine Reduktion des Oxides in einer Schutzgasatmosphäre abgelesen werden.

Der Taupunkt ist diejenige Temperatur, bei der ein feuchtes Gas mit Wasserdampf gesättigt ist. Je niedriger der Taupunkt ist, umso niedriger ist der Wasserdampfgehalt. Für die Reduktion von Cr2O3 muss laut Bild 6 bei einem Taupunkt von – 40 °C eine Arbeitstemperatur von mindestens 1.000 °C erreicht werden.

Bild: Unterschiedliche Bauteile, gelötet im Schutzgasdurchlaufofen
Bild 9: Unterschiedliche Bauteile, gelötet im Schutzgasdurchlaufofen

Bei der Verwendung inerter Schutzgase (z. B. Argon, Helium und für bestimmte Werkstoffe auch Stickstoff) erfolgt keine Reaktion der Gase mit den Grundwerkstoffen. In Inertgasatmosphären müssen die zu lötenden Bauteile daher vor dem Lötprozess mechanisch oder chemisch von Oberflächenoxiden befreit werden. Eine Neubildung von Oxiden während der Erwärmung im Lötofen wird dann so stark verlangsamt, dass keine sichtbaren Oxidschichten mehr entstehen können. Die Entfernung der Oxidschichten in Inertgasatmosphären ergibt sich durch das Aufreißen der verbliebenen dünnen Oxidfilme bei höheren Temperaturen aufgrund großer Unterschiede in der thermischen Ausdehnung von Metall und Metalloxid. An diesen Rissen kann das flüssige Lot den metallischen Grundwerkstoff benetzen und die Oxidschicht unterwandern [6, 7].

Das Ofenhartlöten mit Schutzgasen erfolgt in Kammeröfen oder in Durchlauföfen. Je nach Bauteilgröße und Anzahl der zu lötenden Bauteile ist aus der Vielzahl der Ofenvarianten der passende Ofen auszuwählen.

Das Ofenhartlöten in Schutzgasatmosphären ist für Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen geeignet. So werden insbesondere Massenteile der Automobilindustrie (z. B. Aluminiumkühler, Leitungen, etc.), aber auch Hartmetall-Stahl-Werkzeuge in Schutzgasdurchlauföfen gelötet.

Bild: Kaltwand-Vakuumofen mit Molybdän-Heizleitern und -Strahlungsblechen
Bild 10: Kaltwand-Vakuumofen mit Molybdän-Heizleitern und -Strahlungsblechen

Das Ofenhartlöten im Vakuum findet im Feinvakuum (1 – 10-3 mbar) oder Hochvakuum (10-3 – 10-7 mbar) in Kammeröfen statt. Es eignet sich insbesondere für Werkstoffe mit sehr stabilen Oxidschichten, die sich in Schutzgasatmosphären nicht auflösen (z. B. Titan- und Aluminiumoxid). Die Oxidschichten werden ebenfalls entfernt durch das Aufreißen der verbliebenen dünnen Oxidfilme bei höheren Temperaturen aufgrund großer Unterschiede in der thermischen Ausdehnung von Metall und Metalloxid. Anschließend benetzt das Lot an den Rissen und unterwandert die Oxidfilme [6].

Beim Ofenhartlöten im Vakuum werden sowohl konventionelle metallische Werkstoffe als auch Sonderwerkstoffe wie z. B. Keramiken erfolgreich verbunden. Da bei diesem Verfahren kein Flussmittel zum Einsatz kommt, entstehen in der Regel fehlerfreie Lötverbindungen. Sie zeichnen sich aus durch einen hohen Füllgrad, keine Fremdeinschlüsse oder Gasporen, keine Oxidation sowie blanke Lötstellen.

Die für das Ofenhartlöten im Vakuum einsetzbaren Lote dürfen keine Elemente enthalten, die einen niedrigen Dampfdruck aufweisen, da sie während des Lötprozesses im Ofen ausgasen würden. Bei den hier verwendeten Loten handelt es sich im Wesentlichen um reines Kupfer und Kupferlegierungen, zinkfreie Silberhartlote, Gold- und Palladiumbasislote sowie Nickel- und Kobaltbasislote, die je nach Anwendungsfall eingesetzt werden.

Literatur

[1] DIN ISO 857-2 Schweißen und verwandte Prozesse – Begriffe – 

Teil 2: Weichlöten, Hartlöten und verwandte Begriffe
[2] Brazing solutions for car body production

Veröffentlichung von voestalpine Böhler Welding
[3] Löten von Kupfer und Kupferlegierungen

Deutsches Kupferinstitut
[4] Auftraglöten verschleißfester Hartstoff-/Hartlegierungs-Verbundsysteme 

Hartmut Schmoor

Verlag Mainz, Aachen, 1996
[5] Hartlöten – Eine Einführung

Erarbeitet vom Arbeitskreis „Schulungsunterlagen“ und der Arbeitsgruppe V6.1 „Hartlöten“ im Ausschuss für Technik des DVS

Herausgegeben von der Fachgesellschaft „Löten“ im DVS

ISBN 978-3-87155-839-9, DVS Media GmbH, Düsseldorf
[6] Hart- und Hochtemperaturlöten

Die Schweißtechnische Praxis, Band 20

Paul Zaremba

DVS Verlag GmbH Düsseldorf, 1988
[7] Industrial Brazing Practice, Second Edition

Phil Roberts

CRC Press 2013