Einordnung des Lötens als Fertigungsverfahren

Im Dokument Diffusionsphänomene beim Löten mit Nickelbasisloten (Seite 34-39)

2. Theorie des Lötens

2.3. Einordnung des Lötens als Fertigungsverfahren

Löten wird in [Weinreich (2010), S. 9] als chemisch-physikalischer Prozess defi- niert. In diesem entsteht eine nach Erstarrung des Lotes unlösbare Verbindung durch die Wechselwirkung des Lotes im flüssigen Zustand und einem festen Grundwerkstoff. Durch die Wechselwirkung kommt es zur Ausbildung einer Übergangsschicht zwischen Lot und Grundwerkstoff, die die unlösbare Verbin- dung herstellt. In [DIN ISO 857-2 (2007), S. 6] wird eine formalere Definition gegeben. Dort handelt es sich beim Löten um einen „Fügeprozess, bei dem ein geschmolzenes Lot genutzt wird, das eine Liquidustemperatur besitzt, die tiefer

ist als die Solidustemperatur der/des Grundwerkstoffe(s). Das geschmolzene Lot benetzt die Oberflächen der/des Grundwerkstoffe(s) und wird während oder bei Ende des Aufheizens in einen engen, zwischen den zu fügenden Teilen befind- lichen Spalt hineingezogen (oder, falls vorab eingelegt, dort gehalten)“. Ferner stellt [Wuich (1977), S. 69] in der dort gegebenen Definition heraus, dass die Verbindung durch Diffusion und Legierungsbildung zustande kommt.

Als Teil der Fügetechnik stellt das Löten eine Technologie zur Herstellung einer Fügeverbindung dar. Diese werden üblicherweise in lösbare und unlösbare Verbin- dungen unterschieden. Lösbare Verbindungen ermöglichen das zerstörungsfreie Trennen der gefügten Teile, dies ist bei unlösbaren Verbindungen nicht möglich. Weiter werden formschlüssige, stoffschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen unterschieden. Während beim Formschluss die Verbindung der Bauteile lediglich auf der Geometrie beruht, wie z. B. beim Einrasten einer Lasche hinter einer Kante, kommt die Verbindung beim Stoffschluss durch Kräfte auf atomarer oder molekularer Ebene zu Stande. Im Fall von Kraftschluss wird die Verbindung durch auftretende makroskopische Reibkräfte hergestellt. Somit stellt das Löten ein stoffschlüssiges Fügeverfahren dar. Die Einteilung von Fügeverbindungen ist in Abbildung 2.2 illustriert. Fügever- bindungen lösbare unlösbare stoff- schlüssige form- schlüssige kraft- schlüssige Schweiß- verbindung Klebe- verbindung Löt- verbindung

Abb. 2.2.: Einteilung von Fügeverbindungen nach [Weinreich (2010), S. 9]

2.3.1. Abgrenzung des Lötens gegenüber dem Schmelzschweißen

In [Wodora u. a. (1971), S. 15 ff.] wird Schweißen, als Verfahren zur Verbindung metallischer Werkstoffe beschrieben. Die Verbindung wird hierbei durch Wärme, Druck oder beidem hergestellt. Ferner werden Zusätze von einem artgleichem Werkstoff benötigt, die den gleichen oder nahezu gleichen Schmelzbereich wie

die zu fügenden Werkstoffe aufweisen. Für das Löten werden ebenfalls Zusatz- werkstoffe benötigt. Allerdings liegt der Schmelzbereich dieser Lote wesentlich niedriger als der der zu fügenden Grundwerkstoffe. Dies resultiert darin, dass beim Schweißen sowohl Zusatz- als auch Grundwerkstoff, beim Löten lediglich der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird. Des Weiteren ist beim Schweißen die Wahl des Zusatzwerkstoffs durch den zu fügenden Grundwerkstoff bereits weitge- hend festgelegt, während beim Löten das Lot und der Grundwerkstoff oft völlig verschiedene Zusammensetzungen aufweisen. Weitere Unterschiede finden sich bei den mit dem jeweiligen Verfahren fügbaren Werkstoff. Das Schmelzschweißen dient der Verbindung artgleicher Werkstoffe. Diese Verbindungen sind auch durch Löten erreichbar. Allerdings können hier auch sehr unterschiedliche Verbindungen realisiert werden, wie z. B. Metall-Keramik-Lötungen.

2.3.2. Abgrenzung des Lötens gegenüber dem Metallkleben

Gegen das Metallkleben setzt sich das Löten durch mehrere Faktoren ab. So wird nach [Wodora u. a. (1971), S. 16] beim Kleben die Verbindung zwischen den Fügeteilen durch einen meist synthetischen Stoff hergestellt, der sich durch eine chemische Reaktion verfestigt und so die Metalle durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit verbindet. Die Stoffschlüssigkeit wird hier meist durch organische Substanzen erreicht. Dies steht im Gegensatz zum Löten, bei dem metallische Zusatzwerkstoffe zum Einsatz kommen. Aufgrund der meist organi- schen Natur der Klebstoffe treten beim Kleben keine Legierungseffekte auf. Des Weiteren weist [Weinreich (2010), S. 13] darauf hin, dass hier die Festigkeit der Verbindung durch die Festigkeit des Klebstoffs bestimmt ist, während beim Löten Festigkeiten im Bereich der Festigkeit der Grundwerkstoffe erzielt werden können. [Wuich (1977), S. 11] nennt zusätzlich die fehlende Temperatureinwirkung als Differenzierungsmerkmal gegenüber Schweißen und Löten.

2.3.3. Vor- und Nachteile des Lötens

Die Verwendung des Lötens zum Herstellen einer Fügeverbindung ermöglicht die Nutzung vieler Vorteile im Vergleich zu anderen Fügeverfahren. Jedoch weist das Löten auch einige Nachteile auf. Die unten stehende Auflistung gibt einen Überblick der Vor- bzw. Nachteile. Diese orientiert sich an den Arbei- ten von [Wuich (1972)] und [Schwartz (2003)]. Hier werden folgende Vorteile aufgezählt:

• niedrigere Temperaturen als beim Schweißen, • wenig, oft auch keine Oxidation der Oberflächen,

• Fügen von nichtmetallischen und nichtschweißbaren Werkstoffen, • Fügen von Halbzeugen an Gusswerkstoffe,

• dichte Verbindungen,

• gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, • Lötnähte sind plastisch verformbar,

• einfaches Verfahren zum Erzeugen langer Lötnähte bzw. großer Lötflächen, • geringer Verzug,

• geringe Fertigungstoleranzen können eingehalten werden, • geometrisch stark unterschiedliche Teile können gefügt werden, • sehr gute Festigkeiten sind erreichbar,

• Lötverbindungen erlauben Arbeitstemperaturen nach Vorgabe des Grund- werkstoffs,

• gut mechanisier- und automatisierbar,

• gleichzeitiges Fügen mehrerer komplexer Teile. Ferner können die folgenden Nachteile identifiziert werden:

• geringe Festigkeit von Weichlötverbindungen, • Korrosionsgefahr,

• lötgerechte Konstruktion ist erforderlich, • große Sorgfalt in der Fertigung ist notwendig, • Vorbereitung der Lötstelle ist sehr aufwendig,

• Festigkeit fällt bei erhöhten Temperaturen oft ab, • unerwünschte Flussmitteleinschlüsse,

• Fügezone besteht oft aus mehreren Phasen mit verschiedenen Eigenschaften. Im Folgenden wird auf einige der genannten Punkte näher eingegangen. Löten gestattet, im Gegensatz zum Schweißen, das Fügen von verschiedenartigen Werk- stoffen. Dies kann verschiedenartige Metalle, jedoch auch die Verbindung von Nichtmetallen, z. B. Ingenieurkeramiken, mit Metallen betreffen. Eine ähnliche Vielfalt an fügbaren Materialkombination ist sonst nur beim Kleben anzutref- fen. Ferner wird zum Löten in der Regel weniger Wärme benötigt, als zum Gasschmelzschweißen, da lediglich die Löttemperatur erreicht werden muss und die Grundwerkstoffe nicht aufgeschmolzen werden müssen. Dies reduziert die Kosten für die Erwärmung der Teile sowie die hierzu benötigte Zeit. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von Lötverbindungen besteht in ihrer weitgehenden Dichtigkeit gegen Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten. Daher eignet sich das Loten zur Nutzung für Vakuumanwendungen. Des Weiteren sind Lötverbindungen im Allgemeinen plastisch verformbar. Daher sind gelötete Bauteil für weitere Verarbeitungsschritte, wie Pressen, Stanzen, Ziehen, Sicken, Drücken und Walzen geeignet. Jedoch sollte zuvor die Eignung überprüft werden. Das Löten ermöglicht auch das Fügen von Teilen, die in ihrer Geometrie stark variieren. So können z. B. Bleche an Platten gefügt werden. Dies ist mit Schweißen nicht oder nur schwer möglich. Ferner erlaubt das Löten das gleichzeitige Fügen einer Vielzahl von Verbindungen und ist damit in hohem Maße für die Massenproduktion geeignet. Weitere Möglichkeiten in der Fertigung ergeben sich dadurch, dass die Lötstelle nicht zugänglich sein muss. So kann das Lot vor Beginn des Lötprozesses an entsprechender Stelle deponiert werden. Das so vorbereitete Teil kann zu einer Baugruppe hinzugefügt werden und diese als Ganzes gelötet werden. Nachteilig wirkt sich der große nötige Aufwand aus, der zur Vorbereitung der Lötflächen erforderlich ist. Es muss sichergestellt werden, dass diese sauber, fettfrei und vollkommen mechanisch blank sind. Nur so kann gewährleistet werden, dass das Lot die Oberflächen benetzen kann und eine Verbindung zwischen Lot und Grundwerkstoff entsteht. Auch bei der Konstruktion von Bauteilen muss dem Löten Rechnung getragen werden. Die Herausforderung besteht hier darin die Lötflächen mit ausreichenden Parallelität und einstellbaren Abstand herzustellen. Nur so kann ein Lötspalt entstehenden, der gute Verbindungseigenschaften er- möglicht. Ein weiterer Nachteil stellt die abnehmende Festigkeit der Verbindung bei Erwärmung dar. Dies betrifft vor allem gebräuchliche Messing- und Silberlote. Jedoch weisen Lote aus anderen Lotgruppen, z. B. auf Basis von Nickel, eine gute Warmfestigkeit auf.

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