(Vakuum-)Löten M. Rink Verfahrenstechnik IPSEN International GmbH 28. März 2017

Begriffe der Löttechnik (1/2) Löten Thermisches Füge- oder Beschichtungsverfahren Schmelzen eines Lotes oder Diffusion an den Grundflächen Grundwerkstoffe schmelzen nicht auf Lot Zusatzwerkstoff zum Fügen oder Beschichten Metallische Legierung oder reines Metall

Begriffe der Löttechnik (2/2) Schmelzbereich Bereich zwischen Schmelzbeginn (Solidustemperatur) … und vollständiger Verflüssigung (Liquidustemperatur) fest flüssig Schmelz-bereich Solidus-temperatur Liquidus-temperatur T Arbeitstemperatur Beginn der Benetzung bzw. Grenzflächenreaktionen erzeugen flüssige Phase (Diffusionslöten)

Temperaturbereiche des Lötens Weichlöten Tliq. < 450 °C Hartlöten 450 °C < Tliq. < 900 °C Hochtemperaturlöten Tliq. > 900 °C

Verfahren Spaltlöten (> 500 µm) Fugenlöten (< 500 µm) Auftragslöten Diffusionslöten 1 mm 0,2 mm

Zustand einer technischen Metalloberfläche 1 2 3 4 5 6 Oxidbelegung entscheidet über Benetzung mechanische Reinigung chemische Reinigung Flussmittel Lötatmosphäre Schichten 1, 2, 3 Verflüchtigen sich nach Erwärmen Schicht 4 Die Oxidschicht wird unterwandert Schicht polarisierter Moleküle adsorbiertes Wasser Schicht adsorbierter Gase Oxidhaut (Chrom- / Mischoxide) Verformungszone im Metall metallischer Grundwerkstoff

Ablauf des Lötvorgangs Voraussetzung zum Löten : Lösung des Grundwerkstoffs im flüssigen Lot Lot Diffusionszone Grundwerkstoff Konzentrationsverschiebung: fest  flüssig flüssig  fest (optional)

Benetzbarkeit Vollkommene Benetzbarkeit Vollkommene Unbenetzbarkeit Voraussetzungen: -keine Oxid- oder Schmelzschicht -ausreichende Erwärmung -niedrigviskoser Zustand der Lotschmelze

Benetzung und metallurgische Wechselwirkung Gute Benetzung:  < 30° (nach Young)

Bestimmung der Steighöhe Kapillarwirkung und Fließverhalten sind nicht direkt miteinander verknüpft!

Abhängigkeit des Fülldruckes vom Spaltquerschnitt Spalt zu weit Spalt für Flussmittel zu eng

Mögliche Verbindungen Metall-Metallverbindungen Keramik-Metallverbindungen Glas-Metallverbindungen Graphit-Metallverbindungen Reaktor- und Turbinenbauteile hochwarmfeste Stoffe: Z. B.: Inconel, Nimonic, etc etc

Was ist Vakuum? Mit Vakuum bezeichnet man den leeren Raum, das heißt ein nicht mit Luft oder einem anderen Gas gefülltes Volumen. Vakuum-/Hochtemperaturlöten Vakuumwärmebehandlung www.pfeiffer-vacuum.net

Vakuum als „Schutzgas“ Druck in mbar Gesamt Vol.-% O2 Vol.-% N2 Vol.-% O2 ppm N2 ppm 1013 100 20 79 200*103 790*103 1 0,1 0,026 264 1040 10-1 0,01 0,0026 26,4 104 10-2 0,001 0,00026 2,64 10,4 10-3 0,0001 0,000026 0,264 1,04 10-4 0,00001 0,0000026

Verunreinigungen in Flaschengasen O2 in ppm N2 in ppm H2O in ppm Helium <10 <25 Extrem rein <1 <2 Argon Reinst <5 <20

Vakuumniveaus und Beispiele üblicher Einsatzbereiche Grobvakuum: 1000 – 1 mbar C-Stahl + Cu Lot 1120 °C Feinvakuum: 1 – 10-3 mbar Rostfreier Stahl + Au-Lot 1050-1200 °C + Ni-Lot Hochvakuum: 10-3 – 10-6 mbar Sonderlegierungen + Au-Lot Rostfreier Stahl + Ag-Lot 830 °C Hochvakuum + „Allmetall“ < 10-4 mbar Aluminium + Al-Lot ca. 600 °C Titan +Al-Lot ca. 700 °C +Ti-Lot ca. 900 °C

Übersicht Lote Lot Löttemperatur in °C Festigkeit in N/mm2 Zähigkeit Anwendung Ag, Cu, Ni, Pd 770-930 200-450 mäßig gut Cu-Leg, Ni, Fe, Ti Al, Si, Mg 580-710 130-320 Al-Leg, Ti Au, Cu, Ni 950 - 1000 450-550 Rostfreier Stahl, hitzebeständige Ni-Leg. Cu, Ni, Mn, Au 950-1300 300-500 gut – sehr gut Fe-Leg., Mo, W Co, Ni, Cr, Si, W, B 1190 ca. 500 spröde hitzebeständige Ni, Cr, Si, P, B, Fe 950-1480 150-500 mäßig – spröde hitzebeständig, hohe Festigkeit Pd, Ni 1250-1580 500-700 sehr gut W, Mo hohe Festigkeit Ti, Cu, Ni, Pd, Zr 870-960 <1020 gut Ti

Vorteile des Vakuumlötens bessere Beherrschung der Ofenatmosphäre keine Gasaufnahme – keine Einschlüsse Entgasung der Werkstücke umweltfreundlich - flussmittelfrei schnelle Temperaturregelung ausgezeichnete Temperaturgleichmäßigkeit minimale Verzüge (kontrolliertes Heizen und Kühlen) automatischer Betrieb rentables Konditionieren der Anlage keine Verfärbung - Oxidation keine Nachreinigung

Lötzyklus im Vakuumofen

Vakuumhartlöten von Aluminium erfolgt in Ein- oder Mehrkammer-Vakuumöfen, erfolgt flußmittelfrei, d.h. das Entfernen/Aufreißen der Oberflächenoxide erfolgt durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Al-Oxid und reinem Metall, sowie dem Ausgasen von Mg bei hohen Temperaturen, ist ein Hartlötverfahren unter Verwendung von Mg-haltigen Loten in Form lotplattierter Bänder (Löttemperatur ca. 600 °C), erfordert sehr passgenaue und saubere Teile, d.h. Spaltmaß 0,05 - 0,10 mm. Haupteinsatzgebiet: automatisiertes Löten von Wärmeübertragern

Plattierte Al-Bänder

Schematischer Ablauf des Lötprozesses

3-Kammer-Durchlaufofen

Temperatur-Druck-Zeit-Verlauf

Löten von Aluminiumkühlern