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Gestaltung der Lötverbindung

Welche Art von Lötverbindung sollten Sie vorsehen? Es gibt viele Arten von Verbindungen. Aber unser Problem wird dadurch vereinfacht, dass es nur zwei Gundtypen gibt - den Stoß und die Überlappung. Alle anderen sind im Wesentlichen Abwandlungen dieser zwei. Sehen wir uns als erste die Stoßverbindung an, sowohl für flache als auch für röhrenförmige Fügeteile.

Wie Sie sehen können, bietet Ihnen die Stoßverbindung den Vorteil einer einheitlichen Dicke an der Fügestelle. Diese Art von Verbindung zu erstellen ist für gewöhnlich einfach, und die Zugfestigkeit der Verbindung ist für eine ganze Menge von Anwendungen ausreichend. Die Belastbarkeit der Stoßverbindung hat jedoch ihre Grenzen. Sie hängt teilweise von der Größe der Bindungsfläche ab, und bei einer Stoßverbindung kann die Bindungsfläche nicht größer sein, als der Querschnitt des schmaleren Teilstücks.

Vergleichen wir dies nun mit der Überlappungsverbindung, sowohl für flache als auch für röhrenförmige Fügeteile.

Das erste, was Ihnen auffallen wird, ist dass bei gegebener Dicke der Grundmetalle die Bindungsfläche der Überlappungsverbindung größer sein kann, als die der Stoßverbindung, und für gewöhnlich ist sie das auch. Mit ihrer größeren Bindungsfläche können Überlappungsverbindungen in der Regel stärker belastet werden.

Die Überlappungsverbindung bringt Ihnen eine verdoppelte Dicke an der Verbindungsstelle ein, aber bei vielen Anwendungen (Rohrleitungsverbindungen, zum Beispiel) ist die doppelte Dicke kein Grund zur Beanstandung. Und die Überlappungsverbindung ist während des Lötvorgangs in der Regel selbsttragend. Wenn ein flaches Teilstück auf dem anderen aufliegt, genügt dies normalerweise, um einen gleichmäßigen Fugenabstand zu halten. Und bei Rohrverbindung wird ein Rohr in das andere gesteckt, um sie für das Löten korrekt auszurichten. Aber nehmen Sie an, Sie wünschen eine Verbindung, welche die Vorteile beider Typen aufweist: Einheitliche Dicke an der Verbindungsstelle gemeinsam mit maximaler Zugfestigkeit. Eine solche Kombination können Sie erhalten, indem Sie die Verbindung als Überlappstoßverbindung gestalten.

Es trifft zu, dass es ein wenig mehr Arbeit bedeutet, eine Überlappstoßverbindung zu erstellen als eine gewöhnliche Stoß- oder Überlappungsverbindung, aber die zusätzliche Arbeit kann sich auszahlen.. Was Sie erhalten ist eine Verbindung mit einheitlicher Dicke und maximaler Festigkeit. Und die Verbindung ist für gewöhnlich selbsttragend, wenn sie zum Löten zusammengesetzt wird.

Figuring the proper length of lap

Die Bindungsfläche einer Stoßverbindungs müssen Sie offensichtlich nicht berechnen. Es handelt sich um die Querschnittsfläche des schmaleren Teilstücks, und das war's. Aber Überlappungsverbindungen sind häufig variabel. Ihre Länge kann vergrößert oder verkleinert werden. Wie lang sollte eine Überlappungsverbindung sein? Die Daumenregel lautet, eine Überlappungsverbindung so zu gestalten, dass sie dreimal so lang, wie das schmalere Verbindungsteil dick ist.

Durch eine längere Überlappung könnte Lotmetall verschwendet und mehr Grundmetall als wirklich erforderlich verbraucht werden, ohne dass dies zu einer entsprechenden Erhöhung der Verbindungsfestigkeit führt. Und eine kürzere Überlappung verringert die Festigkeit der Verbindung. Bei den meisten Anwendungen sind Sie mit "Dreierregel" auf der sicheren Seite. Wenn Sie es genauer wollen und die ungefähre Zugfestigkeit der Grundwerkstücke kennen, ergibt sich die für eine optimale Festigkeit einer Silberlötverbindung erforderliche Überlappungslänge wie folgt:

Zugfestigkeit des schwächsten Fügeteils
Überlappungslänge = Faktor x W
(W = Dicke des schwächsten Fügeteils)

35.000 psi - 241,3 MPa
2 x W
60.000 psi - 413,7 MPa
3 x W
100.000 psi - 689,5 MPa
5 x W
130.000 psi - 896,3 MPa
6 x W
175.000 psi - 1.206,6 MPa
8 x W
Hinweis: ksi x 6,8948 = 1 MPa

Wenn Sie eine große Anzahl identischer Baugruppen zu löten haben, oder wenn die Festigkeit der Verbindung von entscheidender Bedeutung ist, hilft es, die Überlappungslänge genauer zu ermitteln, um eine maximale Festigkeit bei minimalem Verbrauch an Lötmaterialien zu erreichen.. Die unten stehenden Formeln sollen Ihnen helfen, die optimale Überlappungslänge für flache und für röhrenförmige Verbindungen zu berechnen.

Ermittlung der Überlappungslänge für flache Verbindungen

X = Überlappungslänge

T = Zugfestigkeit des schwächsten Fügeteils

W = Dicke des schwächsten Fügeteils

C = Ein Verbindungsintegritätsfaktor von 0,8

L = Scherfestigkeit des verlöteten Zusatzwerkstoffs

Sehen wir uns anhand eines Beispiels an, wie diese Formel funktioniert.

Problem: Welche Überlappungslänge ist erforderlich, um 0,050" dickes gehärtetes Monel-Blech mit einem Metal von gleicher oder höherer Festigkeit zu verlöten?

Lösung:

C = 0,8

T = 70.000 psi (gehärtetes Monel-Blech)

W = 0,050"

L = 25.000 psi (Typische Scherfestigkeit von Silberloten)

X = (70.000 x 0,050) /(0,8 x 25.000) = 0,18" Überlappungslänge

Problem: Welche Überlappungslänge ist erforderlich, um 1,27 mm dickes gehärtetes Monel-Blech mit einem Metal von gleicher oder höherer Festigkeit zu verlöten?

Lösung:

C = 0,8

T = 482,63 psi (gehärtetes Monel-Blech)

W = 1,27 mm

L = 172,37 MPa (Typische Scherfestigkeit von Silberloten)

X = (482,63 x 1,27) /(0,8 x 172,37)

X = 4,5 mm (Überlappungslänge)

Ermittlung der Überlappungslänge für Röhren-Verbindungen

X = Länge der Überlappungsbereichs

W = Wandstärke des schwächsten Fügeteils

D = Durchmesser des Überlappungsbereichs

T = Zugfestigkeit des schwächsten Fügeteils

C = Ein Verbindungsintegritätsfaktor von 0,8

L = Scherfestigkeit des verlöteten Zusatzwerkstoffs

Wiederum soll ein Beispiel dazu dienen, die Anwendung díeser Formel zu veranschaulichen.

Problem: Welche Überlappungslänge ist erforderlich, um eine Kupferrohrleitung mit einem Außendurchmesser von 3/4" (Wandstärke 0,064") mit einem Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 3/4" zu verlöten?

Lösung:

W = 0,064"

D = 0.750"

C = 0,8

T = 33.000 psi (gehärtetes Kupfer)

L = 25.000 psi (ein typischer Wert)

X = (0,064 x (0,75 - 0,064) x 33.000)/(0,8 x 0,75 x 25.000)

X = 0,097" (Überlappungslänge)

Das Problem in metrischen Maßen: Welche Überlappungslänge ist erforderlich, um eine Kupferrohrleitung mit einem Außendurchmesser von 19,05 mm (Wandstärke 1,626 mm] mit einem Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 19,05 mm zu verlöten?

Lösung:

W = 1,626 mm

W = 19,05 mm

C = 0,8

T = 227,53 MPa (gehärtetes Kupfer)

L = 172,37 MPa (ein typischer Wert)

X = (1,626 x (19,05 - 1,626) x 227,53)/(0,8 x 19,05 x 172,37)

X = 2,45 mm (Überlappungslänge)

Gestaltung zwecks Belastungsverteilung

Bei der Konzipierung einer Lötverbindung ist es natürlich Ihr Ziel, mindestens die für den gegebenen Anwendungfall zutreffende minimale Belastbarkeit zu erreichen. Aber bei einigen Verbindungen ist vielleicht eine Maximierung der mechanischen Belastbarkeit Ihr vordringliches Anliegen. Sie können zur Gewährleistung solcher Festigkeitswerte beitragen, indem sie die Lötverbindung so gestalten, dass eine Konzentration der Belastung und dadurch eine Schwächung der Verbindung vermieden wird. Motto - Verteilen Sie die Belastung. Ermitteln Sie, wo die größte Belastung anfällt. Weisen Sie dann dem schwereren Teilstück an dieser Stelle Beweglichkeit zu oder Sie erhöhen die Festigkeit des schwächeren Teilstücks. Die unten wiedergegebenen Vorschläge veranschaulichen eine Anzahl von Möglichkeiten, die Belastung in einer Lötverbindung zu verteilen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn Sie eine Lötverbindung für maximale Belastbarkeit auslegen wollen, konzipieren Sie besser eine Überlappungs- oder Falzverbindung (um die Bindungsfläche zu vergrößern), als eine Stoßverbindung, und gestalten Sie die Fügeteile so, dass eine Konzentration der Belastung auf eine einzelne Stelle vermieden wird. Es gibt eine weitere Technik, um die Festigkeit einer Lötverbindung zu erhöhen, die sich häufig beim Verlöten kleinteiliger Baugruppen bewährt hat. Sie können eine Leiste zur Belastungsverteilung erzeugen, indem Sie einfach etwas mehr Lotmetall als üblich einsetzen oder indem Sie ein etwas "trägeres" Lot verwenden. Für gewöhnlich wollen oder brauchen Sie keine Leiste an einer Lötverbindung, da sie materiell nichts zur Verbindungsfestigkeit beiträgt. Aber wo sie zur Verteilung der Belastung der Lötverbindung beiträgt, zahlt es sich aus, eine Leiste zu erzeugen.

Gestaltung gemäß den Betriebsbedingungen

Bei vielen Lötverbindungen ist die Festigkeit die Hauptanforderung. Und wir haben verschiedene Möglichkeiten diskutiert, feste Verbindungen zu erzielen. Häufig gibt es aber weitere Leistungsanforderungen, welche die Gestaltung der Lötverbindung oder die Auswahl des Lotmetalls beeinflussen können. Sie könnten zum Beispiel eine verlötete Baugruppe planen, die elektrisch leitfähig sein soll. Silberlot neigt aufgrund seines Silbergehalts kaum dazu, den elektrischen Widerstand in einer korrekt verlöteten Verbindung zu erhöhen. Aber Sie können einen minimalen Widerstand zusätzlich sicherstellen, indem Sie einen engen Fugenabstand wählen,um die Lotschicht so dünn wie möglich zu halten. Falls im übrigen die Festigkeit kein vorrangiger Gesichtspunkt ist, können Sie auch die Überlappungslänge verkürzen. Anstelle der üblichen "Dreierregel" können Sie die Überlappungslänge bis zum 1-1/2-fachen des Querschnitts des schmaleren Teilstücks reduzieren. Wenn das verlötete Bauteil druckfest gegenüber Gasen oder Flüssigkeiten sein soll, ist eine Überlappungsverbindung geradezu ein Muss, da sie größeren Drücken standhält, als eine Stoßverbindung. Und Ihre größere Bindungsfläche verringert das Risiko des Leckwerdens. Um eine Lötverbindung auslaufsicher zu gestalten, ist desweiteren in Erwägung zu ziehen, die Baugruppe zu entlüften. Wird während des Lötvorgangs für eine Entlüftung gesorgt, haben Luft oder Gase die Möglichkeit zu entweichen, während das geschmolzene Lot in die Fuge fließt. Eine Entlüftung der Baugruppe verhindert außerdem, dass Flussmittel in der Lötverbindung eingeschlossen wird. Durch die Vermeidung von eingeschlossenen Gasen oder Flussmittel verringert sich die Gefahr, dass undichte Stellen entstehen. Wenn möglich sollte die Baugruppe selbstentlüftend sein. Da das Flussmittel dafür vorgesehen ist, durch das geschmolzene Lotmetall verdrängt zu werden, sollte es keine scharfen Kanten oder Sacklöcher geben, die das Flussmittel einsperren könnten. Die Lötverbindung sollte so gestaltet werden, dass das Flussmittel durch das Lot vollständig aus der Fuge verdrängt wird. Wo dies nicht möglich ist, könnten kleine Löcher in die toten Stellen gebohrt werden, um dem Flussmittel ein Entweichen zu ermöglichen. Die Lötverbindung ist vollendet, wenn geschmolzenes Lotmetal durch diese Löcher nach außen an die Oberfläche gedrungen ist.

Um die Korrosionsbeständigkeit einer Lötverbindung zu maximieren, wählen Sie ein Lotmetall aus, das solche Elemente wie Silber, Gold oder Palladium enthält, die von Natur aus korrosionsbeständig sind. Halten Sie den Fugenabstand eng und verwenden Sie sowenig Lot, wie möglich, so dass durch die fertige Lötnaht nur ein schmales Band aus Lot der Atmosphäre ausgesetzt wird. Dies sind nur einige wenige Beispiele für Leistungsanforderungen, die an Ihre verlöteten Baugruppen gestellt werden könnten. Wie Sie sehen, müssen sowohl die Gestaltung der Lötverbindung als auch die Auswahl des Lots in Betracht gezogen werden. Zum Glück stehen Ihnen viele Lotmetalle und Flussmittel zur Verfügung - auf einer breiten Palette von Zusammensetzungen, Eigenschaften und Schmelztemperaturen. Die Auswahltabellen, die weiter hinten in diesem Buch zu finden sind, können Ihnen dabei helfen, die Lotmetalle und Flussmittel auszuwählen, die am besten den Leistungsanforderungen an die von Ihnen konzipierten Lötverbindungen genügen. Die Abteilung für technische Dienste bei Handy & Harman/Lucas-Milhaupt steht Ihnen zur Beantwortung aller Fragen zur Verfügung, die im Zusammenhang mit Ihrer speziellen Lötanwendung, Lötverbindungsgestaltung und/oder Lotauswahl auftreten könnten.