LS11.3 Löten

Löten

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen. Eine flüssige Phase entsteht durch Schmelzen eines Lotes (Zusatzwerkstoff). Das Werkstück wird in der Tiefe aber nicht aufgeschmolzen, d. h. die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht. Nach dem Erstarren des Lotes ist wie beim Schweißen eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Der Unterschied zum Schweißen liegt darin, dass beim Schweißen die Liquidustemperatur der zu verbindenden Komponenten erheblich überschritten wird.

Funktionsweise

KI-generiertes Bild vom Löten einer Brücke (fehlerhaft, das Prinzip wird aber klar)

Beim Löten wird das Lötmaterial, das meist aus einer Metalllegierung besteht, erhitzt, bis es schmilzt. Das flüssige Lot wird dann zwischen die zu verbindenden Werkstücke gebracht. Die Lötstellen werden ebenfalls erhitzt, jedoch nicht bis zur Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs. Das geschmolzene Lot benetzt die Oberflächen der Werkstücke und fließt in die Lötstelle, wobei es durch Kapillarwirkung verteilt wird. Nach dem Erstarren des Lots entsteht eine feste Verbindung zwischen den Werkstücken.

Beim Löten wird also immer eine Zusatzmaterial benötigt. Es muss einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Soliduspunkte beider zu lötenden Werkstoffe haben!

Acetylen-Sauerstoff-Brenner

In der Zahntechnik nutzt man meist folgende Lötverfahren:

• Löten mit offener Flamme (Azetylen-Sauerstoffbrenner);
• Ofenlöten mit präziser Temperaturregelung;

Beim Löten mit offener Flamme wird eine Vormischflamme verwendet. So läuft die Verbrennung vollständiger und somit heißer ab als bei einer einfachen Diffusionsflamme.

Zum Löten verwendet man den heißen Bereich (Reaktionsbereich) knapp außerhalb bzw. kurz hinter der Spitze des inneren Flammenkegels – nicht den inneren Kegel selbst. Dort liegt die höchste Temperatur. Die Flamme sollte meist neutral eingestellt sein, also mit ausgeglichenem Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis.

Die Flamme nur so lange und so stark zuführen, dass das Werkstück und das Lot auf Löttemperatur kommen. Das Lot sollte durch die Wärme des Werkstücks schmelzen, nicht direkt in der Flamme.

Damit eine brauchbare Verbindung entsteht, muss das Lot die gleichen Materialeigenschaften wie das Grundmetall aufweisen, einschließlich Festigkeit, Farbe und Beständigkeit im Mund. Außerdem muss das Lot das gleiche elektrische Potential wie das Grundmaterial haben, um elektrolytische Reaktionen im Mund möglichst zu vermeiden. Für verschiedene Legierungen müssen passende Lote verwendet werden.

Durch spezielle Legierungszusätze niedrigschmelzender Metalle werden die Schmelztemperaturen der Lote gesenkt. Die Arbeitstemperaturen der Lote liegen im Allgemeinen 50 - 100 °C unter den Solidustemperaturen der Grundwerkstoffe. Dadurch entsteht aber immer eine etwas andere Legierung. Es besteht daher immer die Gefahr von elektrolytischen Reaktionen im Mund (Korrosion!)

Während des Lötvorgangs bleibt das Grundmaterial fest, wird aber bis nahe an seinen Soliduspunkt erhitzt. Dadurch erhöht sich die Atombewegung im Gitter, die Atomabstände vergrößern sich, das Gitter dehnt sich aus und es kommt zur Wärmedehnung. Diese technische Herausforderung besteht darin, bei großen Werkstücken Wärmespannungen und Verziehen zu kompensieren. Eine gleichmäßige langsame Erwärmung durch das Ofenlöten kann dies gewährleisten.

Die Verbindungen, die durch Löten hergestellt werden, sind in der Regel weniger stark als geschweißte Verbindungen. Das Lötmaterial hat oft eine geringere Festigkeit und Tragfähigkeit als die Grundwerkstoffe, was die Belastbarkeit der Lötstelle einschränken kann. Lötverbindungen sind zudem weniger temperaturbeständig als Schweißverbindungen. Bei hohen Temperaturen kann das Lötmaterial erweichen oder schmelzen, was die Integrität der Verbindung beeinträchtigt. Dies kann insbesondere in Umgebungen mit hohen thermischen Belastungen problematisch sein.

Lötstellen können anfällig für Korrosion sein, insbesondere wenn unedle Lötmaterialalien verwendet werden. Die Korrosionsbeständigkeit der Lötstelle kann geringer sein als die der Grundwerkstoffe, was zu einer verminderten Lebensdauer der Verbindung führen kann. Während das Löten in der Elektronik weit verbreitet ist, können Lötverbindungen unerwünschte Eigenschaften aufweisen. Es besteht daher immer die Gefahr von elektrolytischen Reaktionen im Mund (Korrosion!). Dies ist insbesondere der Fall, wenn Lötverbindungen nicht ganz frei von kleinsten Löchern oder Spalten sind.

Lötverbindungen erfordern eine sorgfältige Vorbereitung der Oberflächen. Die Werkstücke müssen sauber und frei von Oxiden, Fett und anderen Verunreinigungen sein, um eine gute Benetzung und Haftung des Lotes zu gewährleisten. Dies kann zusätzlichen Aufwand bedeuten.

Während des Lötvorgangs bleibt der Grundwerkstoff fest, erwärmt sich aber nahe dem Soliduspunkt, was zu einer Gittererweiterung und Wärmespannungen führen kann. In flüssigem Lot sind die Atome beweglich und dringen an den Korngrenzen in das geweitete Gitter des Grundwerkstoffs ein. Diffusion führt dazu, dass die unedlen Lotbestandteile in die Grenzschicht eindringen und diese Zone mit unedlen Komponenten anreichern, während das Lot edler wird.

Die Güte einer Lotnaht hängt vom Diffusionsgrad (Grad der Vermischung) ab, der größer ist, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Lot und Grundwerkstoff ist, je länger die Arbeitstemperatur gehalten wird und je ähnlicher die Legierungsstrukturen von Lot und Grundwerkstoff sind.

Die Qualität der Lotnaht kann durch den Zahntechniker beeinflusst werden durch:

• Auswahl des passenden Lotes
• Verwendung von wenig Lot
• Vermeidung des Zuschmierens der Lotnaht
• Gleichmäßige Erwärmung von Lotnaht und Werkstück
• Nachwärmen zur Erhöhung der Diffusion
• Langsames Abkühlen, niemals abschrecken

Für eine optimale Lotnaht müssen die Werkstücke parallel zueinander stehen und einen Abstand von 0,05 mm bis 0,2 mm haben, um eine Kapillarwirkung (s. Video unten) zu ermöglichen. Die Lötflächen sollten beschliffen und sauber sein. Ein Flussmittel hält die Lötstelle frei von Oxiden und Verunreinigungen.

Während des Lötens müssen die Werkstücke fixiert sein, um Verschiebungen zu verhindern. Ein Lötmodell ist oft erforderlich. Eine gleichmäßige Erwärmung des Lötblockes verhindert Wärmespannungen und Verzerrungen.

Die Ofenlötung bietet den Vorteil einer gleichmäßigen Durchwärmung, was die Gefahr von Spannungen und Verziehungen minimiert.

Zusammenfassend ist Löten ein vielseitiges und effektives Verfahren zur Verbindung von Werkstoffen, jedoch gibt es Einschränkungen bezüglich der mechanischen Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsanfälligkeit der Lötstellen. Außerdem sind sorgfältige Vorbereitungen und Umweltaspekte zu berücksichtigen. Daher ist Löten in der Zahntechnik mittlerweile fast vollständig durch Laserschweißen und Kleben ersetzt worden.

Vorgehen

Es wird mit Löteinbettmasse ein Lotmodell hergestellt. Die zu lötende Stelle wird muldenförmig ausgeschliffen Die Metallteile werden in die richtige Position gebracht, dann wird der Bereich, in dem gelötet werden soll, erhitzt und das geschmolzene Lot zwischen die beiden Teile eingeführt. Vor dem Löten muss die Lötnaht sorgfältig vorbereitet werden: Sie sollte schmal, parallelwandig und sauber sein. Außerdem wird sie mit Flussmittel bedeckt, um unerwünschte chemische Reaktionen zu verhindern. Das Lot wird durch Kapillarwirkung in den Spalt gezogen und dringt in das Grundmaterial beider Teile ein. Außerdem soll zur Unterstützung der Kapillarwirkung die Oberfläche des Lötspalts aufgeraut, d.h. angeschliffen sein. Dadurch wird die Oberfläche auch gleich sauber und oxidfrei. Da das Lot etwas weicher ist als der Grundwerkstoff, ist die Härte an der Lötstelle geringer. Im Randbereich der Lötstelle vermischen sich die Ursprungslegierung und das Lot und bilden neue Mischkristalle, die härter sein können, als die Ursprungslegierung.

Kapillareffekt

Eine Beispielhafte Anleitung finden Sie hier: Vorbereitung und Lötung.

Beachte:

Die Lötflächen müssen aufgeraut werden, um eine größere Oberfläche zu schaffen. Eine raue Oberfläche ist größer als eine glatte oder polierte Fläche und lässt sich besser mit Lot benetzen. Dies führt zu einer verbesserten Kapillarwirkung, Diffusion und Legierung, sowie zu einer besseren Verzahnung zwischen Lot und Grundmaterial. Das Schleifen der Lötflächen hat außerdem den Zweck, sie von Schmutz, Fett und Oxiden zu befreien.

Ein Flussmittel wird benötigt, um den Lötbereich während des Lötvorgangs frei von Schmutz, Fett und Oxiden zu halten. Durch seine reduzierende Wirkung verhindert es die Oxidbildung, die bei Temperaturen über 750°C auftreten würde. Nur auf einer oxidfreien Oberfläche kann das Lot vollständig benetzen.

Flussmittel, die von Scheideanstalten angeboten werden, bestehen aus Borsäure (H3BO3), Borax (Na2B4O7•10H2O) und Fluoriden (Na3AlF6) und sind auf die Löttemperatur abgestimmt. Diese Flussmittel müssen im Arbeitstemperaturbereich von 750 bis 1100°C (DIN 8511) zähflüssig sein, die Lotnaht abdecken, Oxide reduzieren und deren Neubildung verhindern. Da die Flussmittel in diesem Temperaturbereich nur begrenzt Oxide lösen können, sollte die Gesamtlötzeit 5 Minuten nicht überschreiten.

Die Werkstücke müssen während des Lötens fest und unverrückbar fixiert sein. Ein Lötmodell ist dafür in der Regel notwendig. Der Lötblock aus Löteinbettmasse sollte klein genug sein, um bei der Flammenlötung schnell und sicher erhitzt zu werden, aber groß genug, um die Wärme lange genug zu speichern. Der Lötblock muss sich bei der Löttemperatur genauso ausdehnen wie das Grundmaterial, weshalb Gusseinbettmasse ungeeignet ist, da sie sich zu stark ausdehnt und den Lötspalt auseinanderzieht.

Eine gleichmäßige Erwärmung des Lötblocks ist erforderlich. Wenn nur die Lötstelle erhitzt wird, entstehen starke Wärmespannungen, die zum Reißen des Lötblocks führen können. Dies beeinträchtigt die Werkstücke, die unter Spannung stehen und sich verziehen. Bei einseitiger Erwärmung wird der Lötspalt oft massiv verringert, weil sich die Werkstücke nur in den Lötbereich hinein ausdehnen können, was die Passgenauigkeit der verlöteten Teile beeinträchtigt.

Dieser Fehler tritt bei der Ofenlötung nicht auf, da im Ofen eine gleichmäßige Erwärmung garantiert ist.

Beispiel

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