Löten: Mechanismus, gemeinsame Konstruktion und Anwendungen

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie Folgendes kennen: - 1. Mechanismus des Lötens 2. Lote 3. Verwendete Flussmittel 4. Gelenkkonstruktion 5. Anwendungen.

Beim Löten handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Materialien durch Erhitzen auf eine geeignete Temperatur und durch Verwendung eines Füllmaterials, Lot genannt, mit Flüssigkeiten, die 450 ° C nicht übersteigen und unterhalb des Solidus des Basismaterials liegen, verwendet werden. Das Füllmetall fließt zwischen den Passflächen durch Kapillarwirkung zur Bildung der Verbindung. Das Lot ist normalerweise eine Nichteisenlegierung.

Die Festigkeit einer Lötverbindung beruht im Wesentlichen auf der Bildung einer metallischen Verbindung, wobei auch die Haftung und die mechanische Befestigung ihre Rolle spielen. Das Lot wirkt nicht durch Schmelzen des Basismetalls, sondern durch Auflösen einer kleinen Menge davon, um eine Schicht aus intermetallischer Verbindung zu bilden. Sobald die Lötverbindung betroffen ist, hält sie die Teile durch die gleichen Anziehungskräfte zwischen den benachbarten Atomen zusammen wie im Fall von festem Metall.

Mechanismus des Lötens :

Der Prozess des Lötens umfasst drei eng miteinander verbundene Faktoren, nämlich:

(i) Benetzung

(ii) Legieren und Verteilen und

(iii) Kapillarwirkung und Füllung der Fuge.

(i) Benetzung:

Es ist die Eigenschaft einer Flüssigkeit, durch die sie sich über eine feste Oberfläche ausbreitet. Beim Löten ist es wichtig, dass das Flussmittel oder Lot sich über die zu verbindenden Grundflächen ausbreiten muss. Wenn ein Lötmittel eine Oberfläche nicht benetzt, kann es leicht abgeworfen werden, wobei wenig oder kein Lötmittel am Grundmetall haften bleibt. Das Lot, das sich ausbreitet und das unedle Metall benetzt, stellt eine gesunde Verbindung zwischen den beiden Oberflächen her und kann nur durch Abkratzen oder Feilen entfernt werden.

Voraussetzung für eine vollständige Benetzung einer festen Oberfläche durch eine Flüssigkeit ist, dass der Kontaktwinkel oder der Benetzungswinkel, wie in Abb. 17.1 gezeigt, Null sein sollte. Die Flüssigkeiten, die die Oberfläche nicht benetzen, ergeben einen großen Benetzungswinkel, wie in Abb. 17.2 dargestellt.

Der Benetzungswinkel ist somit ein Maß dafür, wie gut geschmolzenes Lot das Metall benetzt, und ist der wichtigste Faktor bei der visuellen Beurteilung der Wirksamkeit des Lötprozesses und der Lötfähigkeit des Grundmetalls. Die Benetzung ist im Wesentlichen eine chemische Reaktion, die stattfindet, wenn ein oder mehrere Elemente des Lots mit dem unlöslichen Grundmetall reagieren, um eine Verbindung zu bilden. Wärme wird zugeführt, um die Benetzung zu erleichtern.

Im Allgemeinen reinigen flüssige Lote keine festen Metalloberflächen. Zinn-Blei-Lote haben beispielsweise einen Kontaktwinkel zwischen 25 ° und 70 ° mit Stahloberflächen, abhängig von der Zusammensetzung des Lots. Zinn ist jedoch in der Lage, mit Eisen zu legieren, und falls ein Zinnfilm durch Legieren auf der Stahloberfläche gebildet wird, benetzt Zinn-Blei-Lot diesen. Im Allgemeinen benetzt ein Lot eine Metalloberfläche, vorausgesetzt, es bildet eine intermetallische Verbindung mit dem Feststoff oder das feste Metall kann das Lot in Lösung bringen.

Die Benetzung wird durch Oxidschichten gehemmt, weshalb solche Schichten zum erfolgreichen Löten entfernt werden müssen. Eine gute Benetzung ist eine wünschenswerte Eigenschaft in einem Lötmittel, damit das Lötmittel glatt, schnell und kontinuierlich zu der Verbindungsöffnung fließen kann.

Die Benetzung ist jedoch keine zwingende Voraussetzung für die Bildung einer Verbindung, die durch die Tatsache hervorgerufen wird, dass Stahl zwar nicht mit Blei benetzt wird, aber wenn sich geschmolzenes Blei in Kontakt mit sauberer oxidfreier Stahloberfläche erstarren lässt in einer fest verbundenen Lötverbindung.

(ii) Legieren und Verteilen:

Die Legierungsfähigkeit eines Lots mit dem Grundmetall hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, die Oberfläche zu benetzen. Das Legieren bezieht sich auf die Sauberkeit des Grundmetalls. Zwischen Lot und dem Grundmetall muss ein enger Kontakt bestehen, damit das Legieren an der Grenzfläche erfolgt. Dies wird durch Reinigen und Verwenden eines Flussmittels zum Entfernen des Oxidfilms von der Oberfläche des zu verbindenden Grundmetalls / der Grundwerkstoffe erreicht.

Das Legieren unterstützt auch die Ausbreitung, da sich das flüssige Lot im Festkörper auflöst und unter die Oxidschicht diffundieren und sich ablösen kann, wodurch der Fluss des geschmolzenen Lots über die gesamte Oberfläche geleitet wird. Die Charakteristik und der Ausbreitungsgrad hängen von der Natur des Basismetalls, der Temperatur, dem Vorhandensein oder dem Nichtvorhandensein eines Flusses, der Rauhigkeit der Metalloberfläche und ihrem Oxidationsgrad ab.

In einigen Fällen wie Zinn-Blei-Loten, die weniger als 30% Zinn einsparen, werden die Gleichgewichtsbedingungen schnell und mit sehr geringer Streuung hergestellt. Bei höheren Zinnlegierungen folgt der anfänglichen Ausbreitung jedoch eine sekundäre Ausbreitung, die über einen beträchtlichen Zeitraum stattfindet. Die maximale Ausbreitung von Zinn-Blei-Loten tritt bei Legierungen nahe der eutektischen Temperatur auf, und beim praktischen Löten weisen solche Legierungen die besten Fließeigenschaften auf.

Die unedle Metallstruktur mit Verbindungskanälen trägt dazu bei, das Lot durch Kapillarwirkung zu verbreiten. Die seitliche Diffusion aus solchen Kanälen hilft aufgrund der Bildung einer Diffusionsbindung bei einer schnellen Ausbreitung der Volumenflüssigkeit.

(iii) Kapillarwirkung und gemeinsame Abfüllung :

Die Art und Weise, in der ein Lot den Raum zwischen den beiden zusammenpassenden Oberflächen ausfüllt, beeinflusst seine Fugenfüllkapazität und den Füllungsgrad der Oberflächenfehler. Die Fließfähigkeit des geschmolzenen Lots muss so sein, dass es durch Kapillarwirkung in die engen Räume fließen kann. Ist das Lot nicht gleich, fließt das geschmolzene Lot zu einer größeren Entfernung, jedoch mit einer geringeren Flussrate, da der Abstand der Oberflächen verringert wird.

Zu den Hauptfaktoren, die die Wirksamkeit der Fugenfüllung beeinflussen, gehören der Benetzungswinkel zwischen dem Lot und dem Basismetall, der Spaltabstand zwischen den beiden zu verbindenden Oberflächen, die Aufheizgeschwindigkeit und seine Gleichmäßigkeit, die Temperatur, die Art des verwendeten Lots und die Verwendung von Flussmittel.

Der Abstand für die Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium ist mit 0, 125 bis 0, 625 mm deutlich größer als für Kupferlegierungen (0, 05 bis 0, 40 mm). Wenn die Löslichkeit von Lot und Grundmetall ein Problem darstellt, können kleine Abstände zu übermäßiger Verunreinigung, Erhöhung des Schmelzpunkts und vorzeitiger Erstarrung führen. Ein solcher Zustand kann durch schnellere Erwärmungsraten weitgehend behoben werden.

Ungleichmäßige Erwärmung führt zu unregelmäßiger Füllung des Spalts, was zu Verbindungsfehlern von schlechter Qualität führt. Gerade Verbindungen sind schwer gleichmäßig zu erwärmen, daher werden, wo möglich, gekrümmte Verbindungen bevorzugt.

Die Zusammensetzung der Lote und die Art des verwendeten Flussmittels beeinflussen die Fugenfüllkapazität und die Qualität der Lötverbindung erheblich.

Soldaten:

In der Regel verwendete Lote sind Zinn-Blei-Systeme. Die meisten Metalle können mit diesen Loten verbunden werden und weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber den meisten Medien auf. In Abhängigkeit von der Verträglichkeit des Grundmetalls können Flussmittel aller Art mit diesen Loten verwendet werden. Während auf sie Bezug genommen wird, ist es üblich, zuerst auf den Zinngehalt zu verweisen, somit ist 60/40 Lot 60% Zinn und 40% Blei. Die Schmelzpunkte und das Erstarrungsverhalten von Zinn-Blei-Loten lassen sich am besten anhand ihres in Abb. 17.3 A dargestellten Phasendiagramms darstellen.

Abb. 17.3A Metallurgisches Gleichgewichtsdiagramm für das Zinn-Blei-System

Die ASTM-Nummer, die Nennzusammensetzung, der Schmelzbereich und typische Anwendungen verschiedener Zinn-Blei-Lote sind in Tabelle 17.1 zusammengefasst. Die Auswahl des Lots beruht auf seiner Fähigkeit, die Oberfläche des Metalls bzw. der Metalle, die verbunden werden sollen, zu benetzen, und aus wirtschaftlichen Gründen sollte die Sorte verwendet werden, die die geringste Zinnmenge enthält, die geeignete Benetzungs- und Fülleigenschaften bereitstellt.

Neben den gängigen Zinn-Blei-Loten werden auch andere Lote eingesetzt, um die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu erreichen. Einige dieser Systeme umfassen Zinn-Antimon, Zinn-Antimon-Blei, Zinn-Silber, Zinn-Blei-Silber, Zinn-Zink, Cadmium-Silber, Cadmium-Zink, Zink-Aluminium, Indium-Lote und die Bismut-Lote, die mehr bekannt sind populär als "schmelzbare legierungen".

Die Zusammensetzung, Schmelz- und Gefrierpunkte und die spezifischen Verwendungen der wichtigen Lote in diesen Systemen sind in Tabelle 17.2 aufgeführt und können als allgemeine Richtlinien verwendet werden.

Beim Löten verwendete Flussmittel:

Ein Lötflussmittel kann ein flüssiges, festes oder gasförmiges Produkt sein, das beim Erhitzen die Benetzung von Metallen durch Lote fördern kann. Seine Funktion besteht darin, Oxide und andere Oberflächenverbindungen von den zu lötenden Oberflächen durch Verschieben oder Auflösen zu entfernen. Es sollte ein niedrigeres spezifisches Gewicht haben als das Lot, damit es durch das Lot in der Verbindung verschoben werden kann.

Lötflussmittel können in vier Gruppen eingeteilt werden, nämlich die meisten aktiven anorganischen Flussmittel, mäßig aktiven organischen Flussmittel, die am wenigsten aktiven Harzflussmittel und spezielle Flussmittel für spezifische Anwendungen. Die meisten dieser Flussmittel sind in Form von Draht, Flüssigkeit, Paste oder Trockenpulver erhältlich.

1. Anorganische Flussmittel:

Diese Flussmittel bestehen aus anorganischen Säuren und Salzen, die stark korrodierend sind und eine schnelle und hochaktive Flusswirkung bewirken. Sie können als Lösungen, Pasten oder Trockensalze angewendet werden. Sie können für Hochtemperaturlötanwendungen verwendet werden, da sie nicht brennen oder verkohlen. Die Rückstände dieser Flussmittel bleiben jedoch nach dem Löten chemisch aktiv, und daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um sie effektiv zu entfernen.

Anorganische Flussmittel, die Ammoniaksalze enthalten, können beim Löten von Messing zu Spannungsrisskorrosion führen. Zum Löten von Stahl ist ein Zinkchlorid-Flussmittel erforderlich, das stark korrodierende Rückstände hinterlässt. Noch ätzender ist eine Lösung von Zinkchlorid in Salzsäure, die beim Löten von rostfreien Stählen verwendet wird. Die Rückstände dieser Flussmittel müssen gründlich abgewaschen werden.

2. organische Flussmittel:

Die Hauptbestandteile von organischen Flussmitteln sind organische Säuren und Basen und einige ihrer Derivate wie Halogenwasserstoffe. Sie werden im Temperaturbereich von 90 bis 320 ° C eingesetzt, oberhalb dessen sie sich durch Wärme zersetzen und inaktive Rückstände hinterlassen.

Organische Flussmittel werden am besten in berechneten Mengen eingesetzt, so dass sie durch Verflüchtigung, Verbrennung oder Verkohlung vollständig aufgebraucht werden können, um keine aktiven Bestandteile zu hinterlassen. Nicht zersetztes Flussmittel darf nicht mit Isolierhülsen in Kontakt kommen. Beim Löten in geschlossenen Räumen muss darauf geachtet werden, dass die Dämpfe an kritischen Teilen der Baugruppe nicht kondensieren.

3. Kolophonium-Flussmittel:

Ein nicht korrosives Harzflussmittel kann hergestellt werden, indem wasserweißes Harzharz in einem geeigneten organischen Lösungsmittel, zum Beispiel Benzin, gelöst wird. Kolophonium besteht hauptsächlich aus Abietinsäure, die bei einer Löttemperatur von 175 bis 315 ° C aktiv wird, beim Abkühlen jedoch in ihre inerte, nicht korrosive Form übergeht.

Es findet daher umfangreiche Anwendung in Funk- und elektronischen Arbeiten, wo eine effektive Reinigung nach dem Löten schwierig ist. Verschiedene organische Verbindungen werden im Gemisch mit Kolophonium verwendet, beispielsweise Hydrochlorid von Glutaminsäure und Hydrazinhydrobromid.

Diese Flussmittel zersetzen sich bei Löttemperaturen und hinterlassen harte, nicht hygroskopische, elektrisch nicht leitende und nicht korrosive Rückstände, die bei Bedarf leicht mit Wasser abgewaschen werden können. Sie finden ausgedehnte Anwendung in der Elektroindustrie.

Normalerweise werden flüssigere 50/50 oder 60/40 Zinn-Blei-Lote mit nicht korrosivem Harzflussmittel verwendet.

Leicht aktivierte Harzflussmittel werden für militärische, Telefon- und andere elektronische Produkte mit hoher Zuverlässigkeit bevorzugt, während mehr Flussmittel mit aktiviertem Harz weit verbreitet in kommerziellen elektronischen und wichtigen Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen eine gründliche Reinigung nach dem Löten gewährleistet werden kann.

4. Spezielle Flussmittel:

Reaktionsflußmittel, die zum Löten von Aluminium verwendet werden, wirken durch Ersetzen des Oxidfilms durch Abscheiden eines metallischen Films auf der Arbeitsoberfläche durch deren Zersetzung.

Einige Lote sind auch mit dem Flussmittel im Kern erhältlich. Die Flussmenge im Kern kann im Bereich von 0–5 bis über 3–0% liegen, wobei 2–2% am häufigsten sind. Es gibt auch Lötkolben- und Säure-Lote-Lote, die für Elektroarbeiten bzw. Blech verwendet werden.

Joint Design zum Löten:

Lote haben im Vergleich zu den Metallen, die sie verbinden müssen, eine relativ geringe Festigkeit. Es ist daher wünschenswert, Lötverbindungen so zu gestalten, dass sie mechanisch ineinander greifen, wodurch das Lot als Dichtungs- und Haftvermittler wirken muss.

Die zwei grundlegenden Arten von Lötverbindungen sind die Überlappungsverbindung und die Stoßverbindung. Abb. 17.3B zeigt die typischen Lötverbindungen, zu denen eine gesperrte Naht, ein umreifter Stoß und eine Überlappungsverbindung in einem Rohr gehören. Wenn möglich, sollten Überlappungen bevorzugt werden, da dies die Möglichkeit einer maximalen Festigkeit bietet.

Komplexe Lötverbindungen können durch manuelles Löten hergestellt werden, aber für das Verfahren, bei dem automatisiertes Fluxen, Löten und Nachreinigen verwendet wird, müssen die gewählten Konstruktionen vergleichsweise einfach sein, um die Verbindung mit der Verbindung zu ermöglichen.

Kapillarwirkung ist ein wichtiger Faktor beim Löten. Es ist wichtig, einen optimalen Abstand zwischen den zu lötenden Teilen zu schaffen, damit Flussmittel durch Kapillarwirkung in den Zwischenraum gezogen werden kann. Für die meisten Verbindungen wird daher ein Fugenabstand zwischen 0 07 und 0–12 mm bevorzugt, um eine maximale Festigkeit zu erreichen. In bestimmten Fällen, wie beim Löten von vorbeschichteten Metallen, bietet der Abstand von nur 0 025 mm die gewünschte Festigkeit. Übermäßiger Abstand kann zu unwirtschaftlichen Lötverbindungen führen.

Anwendungen des Lötens:

Abgesehen von den spezifischen Anwendungen verschiedener Lötverfahren, die zuvor beschrieben wurden, z. B. Verbinden von Automobilkühlerkernen, Klempnerarbeiten, Elektroindustrie einschließlich Radio, Fernsehen und Computer, Elektroindustrie zum Verbinden von Drähten und Kabeln mit Kabelschuhen und vielen anderen.

Es kann gesagt werden, dass im Allgemeinen Löten häufiger verwendet wird, um Verbindungen leicht abzudichten, Steifigkeit hinzuzufügen und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Es kann manchmal notwendig sein, sich auf seine Zugfestigkeit zu verlassen, aber Lote sind eher für ihre Duktilität als für ihre Festigkeit bekannt. Wenn jedoch eine sorgfältige Füllung erreicht wird, können überraschend hohe Werte für die Zähigkeit erhalten werden. Darüber hinaus findet das Löten auch Verwendung zum Abdichten von Fugenverbindungen, die durch Nieten, Punktschweißungen oder andere mechanische Mittel zusammengehalten werden.