Vakuumlöten

Matthias Rink – Ipsen International GmbH, Kleve

 

Einleitung

L√∂ten ist ein vielf√§ltig einsetzbares thermisches F√ľgeverfahren. Das besondere am L√∂ten ist, dass tausende Verbindungen und unterschiedlichste Materialien in einem Schritt gef√ľgt werden k√∂nnen. Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen, Metallen und Keramiken sowie Metallen und Glas sind m√∂glich. Vakuuml√∂ten ist ein umweltfreundliches Verfahren, da im Gegensatz zu den meisten anderen L√∂tverfahren keine giftigen Flussmittel eingesetzt werden m√ľssen.

Lötverfahren werden in vielen Industriesparten eingesetzt, u. a. im Automobilbau, in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Verfahrenstechnik

Beim L√∂ten werden im Gegensatz zum Schwei√üen die Grundmaterialien nicht aufgeschmolzen. Daher sollte das Lot so gew√§hlt werden, dass die Arbeits- (L√∂t-) Temperatur etwa 50 ¬įC niedriger als die Schmelztemperaturen der Grundwerkstoffe liegt. Die verwendeten Lote k√∂nnen reine Metalle aber auch Legierungen sein. Bei der Lotauswahl m√ľssen einige Kriterien beachtet werden. Wichtigstes Kriterium ist die Benetzbarkeit, d.h. das Lot muss mit den zu f√ľgenden Grundwerkstoffen eine ‚ÄěVerbindung‚Äú eingehen. Weitere Kriterien sind u. a. die ben√∂tigte Festigkeit, die Korrosions- und Temperaturstabilit√§t der Verbindung. Zus√§tzlich muss das Lot f√ľr die Verwendung in Vakuum bei h√∂heren Temperaturen geeignet sein.

Ein zusätzlicher Vorteil des Lötens ist, dass das Lot mittels Kapillareffekt in jeden geeigneten Spalt/Fuge eindringt. Daher kann die Applikation des Lotes, in vielen Fällen nach der Montage der Bauteile erfolgen. Die Applikation des Lotes kann durch Formteile, Pasten etc. erfolgen. Beim Löten von Aluminium ist in der Regel ein Grundwerkstoff bereits ein- oder beidseitig mit Lot plattiert.

Vakuuml√∂ten findet im Temperaturbereich zwischen etwa 550 ¬įC und 1400 ¬įC statt.

Voraussetzung f√ľr das L√∂ten sind saubere Oberfl√§chen der F√ľgepartner. Beim Erw√§rmen darf es nicht zu einer Oxidation der Oberfl√§chen kommen. Die erforderliche Vakuumg√ľte wird durch die Grundwerkstoff/Lot-Kombination bestimmt, je nach Oxidationsneigung der Materialien. F√ľr das F√ľgen von niedriglegierten St√§hlen mit Kupfer ist lediglich Grob- bzw. Feinvakuum erforderlich. H√∂her legierte St√§hle und spezielle Lote ben√∂tigen Hochvakuum. Das L√∂ten von Aluminium- und Titan-Werkstoffen stellt besondere Anforderungen an Ofen und Vakuumg√ľte.

Tabelle 1: Vakuumg√ľten und Beispiele √ľblicher Einsatzbereiche

Die Vorteile des Vakuuml√∂tens sind vielf√§ltig. Durch regelm√§√üige Kontrolle des Arbeitsdruckes und der Leckrate ist die ‚ÄěOfenatmosph√§re‚Äú, im Vergleich zu Atmosph√§ren√∂fen, leicht zu beherrschen. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine gasf√∂rmigen Einschl√ľsse produziert werden, im Gegenteil, die Werkst√ľcke werden sogar entgast. Da kein Flussmittel verwendet wird, fallen auch keine giftigen Abgase an. Auch ein nachtr√§gliches Auswaschen ist daher nicht erforderlich. Die Temperaturregelung kann optimal an Gewicht und Geometrie der unterschiedlichsten Werkst√ľcke angepasst werden.

Ofentechnik

Je nach Verwendung, d. h. Material-/Lotkombination werden Anlagen mit Feinvakuum- oder Hochvakuum-Ausstattung eingesetzt. Bei Feinvakuumanlagen werden Dreh- bzw. Sperrschieberpumpen mit W√§lzkolbenpumpen kombiniert. F√ľr einfache Hochvakuumanlagen werden zus√§tzlich zu den Feinvakuumpumpen Diffusionspumpen verwendet. In anderen F√§llen m√ľssen Turbomolekular- bzw. Kryopumpen eingesetzt werden.

Bild 1: Schema eines Vakuumlötofens mit Hochvakuum (HV) РAusstattung

Die Isolierung kann in vielen Fällen mittels Graphitwerkstoffen erfolgen, bei höheren Anforderungen wird die Isolierung durch mehrere Lagen von Strahlungsblechen realisiert. Je nach Temperatur werden diese Strahlungsbleche aus Molybdän, Nickelbasis-Werkstoffen oder Chrom-Nickel-Stählen hergestellt.

Bild 2: Quaderf√∂rmige ‚Äěgraphitisolierte‚Äú Heizkammer (links), zylinderf√∂rmige ‚Äěall-metal‚Äú Heizkammer (rechts)

Je nach gefordertem Durchsatz werden manuell bedienbare oder automatisierte Einkammer-Vakuumöfen oder vollautomatisierte Mehrkammer-Vakuumöfen verwendet.

Bei der Wahl eines Ofens mit Hochdruckgasabschreckung ist es auch möglich die Verfahren Löten und Härten in einem Zyklus zu kombinieren.

Verfahrensablauf

Nach dem Beladen wird der Ofen evakuiert und nach dem Erreichen des gew√ľnschten Druckes wird mit dem Heizen begonnen. Bei einigen Werkstoffen kann dies bis 850 ¬įC mit Unterst√ľtzung eines Inertgases (z. B. Stickstoff) geschehen. Wie bei allen W√§rmebehandlungen k√∂nnen Vorw√§rmstufen und eine angepasste Wahl der Aufheizrate die thermischen Spannungen im Bauteil minimieren. Ein Temperaturausgleich etwa 50 ¬įC unterhalb der Solidustemperatur des Lotes ist in den meisten F√§llen sinnvoll. Nach dem Ausgleich wird schnell auf L√∂ttemperatur erw√§rmt. Die Haltezeit auf L√∂ttemperatur h√§ngt u. a. von der Flie√ügeschwindigkeit des Lotes ab. Anschlie√üend wird mittels Vakuumk√ľhlung die Temperatur auf Werte unterhalb der Solidustemperatur abgesenkt. Nach dem Unterschreiten der Solidustemperatur kann eine Gask√ľhlung bzw. Hochdruckgasabschreckung erfolgen.

Bild 3: Schema des Temperatur-Druck-Zeitverlaufes beim Vakuumlöten

Anwendungen

Mittels Vakuuml√∂ten werden z. B. K√ľhler/W√§rmetauscher aus Aluminium f√ľr den Automobilbau und aus Stahl/Kupfer f√ľr station√§re Anwendungen hergestellt.

In der Luftfahrt werden sowohl Triebwerksteile hergestellt, als auch mittels Auftragslöten instantgesetzt.

In der Werkzeugindustrie werden unterschiedlichste Bauteile gef√ľgt. Eine h√§ufige Anwendung ist das F√ľgen von Hartmetallschneiden auf Bohrk√∂pfen bzw. S√§gebl√§ttern.

In der Medizintechnik werden unterschiedlichste Materialien zu Werkzeugen oder ‚ÄěProthesen‚Äú gef√ľgt.

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