Prinzipien des Verbindungsdesigns

Allgemeines Verbindungsdesign

Welche Art von Hartlöverbindung sollten Sie verwenden? Die beiden am häufigsten vorkommenden Verbindungen sind die Stoß- und die Überlappnaht. Alles andere sind nur Variationen dieser beiden Verbindungen. Schauen wir uns zuerst die Stumpfnaht an, sowohl für flache als auch für röhrenförmige Bauteile. Wie Sie sehen können, haben Stumpfnahtverbindungen den Vorteil einer gleichmäßigen Stärke der Verbindung. Die Vorbereitung dieser Art von Verbindung ist in der Regel einfach und die Verbindung verfügt für die meisten Anwendungen ausreichend über ausreichende Zugfestigkeit. Allerdings ist die Stärke der Stumpfnahtverbindung beschränkt. Sie hängt teilweise von der Größe der Verbindungsoberfläche zusammen und bei einer Stumpfnaht kann der Verbindungsbereich nicht größer sein, als der Querschnitt des dünneren Bauteils.

Vergleichen wir das mit der Überlappnaht, sowohl für flache als auch für röhrenförmige Bauteile. Das erste was auffällt ist, dass der Verbindungsbereich der Überlappnaht bei einer bestimmten Stärke des Grundmetalls größer ist, als dies in der Regel bei der Stumpfstoßnaht der Fall ist. Durch den größeren Verbindungsbereich kann eine Überlappnaht in der Regel größere Lasten tragen.

Die Überlappnaht erzeugt eine doppelte Dicke an der Verbindung, aber bei vielen Anwendungen (beispielsweise im Sanitärbereich) stört diese doppelte Dicke. Die Überlappnaht hält sich während des Hartlöt-Vorgangs in der Regel selbst. Es reicht in der Regel aus, ein flaches Bauteil auf ein anderes zu lesen, um einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Bauteilen zu erhalten. In röhrenförmigen Verbindungen können Sie eine Röhre in die andere stecken, um eine für den Hartlötvorgang ausreichende Ausrichtung zu erhalten. Stellen wir uns jedoch vor, Sie möchten eine Verbindung herstellen, welche die Vorteile beider Arten genießt; einfache Stärke an der Verbindung, kombiniert mit maximaler Zugkraft. Dies erreichen Sie, indem Sie die Verbindung als Stumpf-Überlappnaht anlegen. 

Es stimmt, die Stumpf-Überlappnaht braucht in der Regel etwas mehr Vorbereitungsaufwand als eine einfache Stumpfnaht oder eine Überlappnaht, aber diese Mehrarbeit zahlt sich häufig aus. Sie erhalten dann eine Naht einfacher Dicke mit maximaler Stärke. Die Verbindung ist in der Regel selbsttragend, wenn sie für den Hartlötvorgang vorbereitet wird.

Festlegen der richtigen Länge der Naht

Natürlich müssen Sie den Verbindungsbereich einer Stumpfnaht nicht berechnet. Dies ist ausschließlich der Querschnitt des dünneren Teils. Aber Überlappnähte sind häufig unterschiedlich. Deren Länge kann erhöht oder verkürzt werden. Wie lang sollte eine Überlappnaht sein? Eine gute Daumenregel ist es, wenn die Überlappnaht dreimal so lang ist, wie die Stärke des dünneren Bauteils.

Eine längere Verbindung verschwendet Füllmetall und benötigt mehr Basismetall als benötigt wird, ohne dass die Verbindung dadurch stärker wird. Und eine kürzere Überlappung würde der Stärke der Verbindung schaden. Bei den meisten Anwendungen sind Sie sicher, wenn Sie die „Dreierregel“ anwenden. Genauer gesagt, wenn Sie die ungefähre Zugfestigkeit der Grundmaterialien kennen, ist die Überlappungslänge für eine optimale Verbindungsstärke ein einer Silber-Hartlötverbindung wie folgt:
 

Hinweis: ksi x 6,8948 = 1 MPa
Zugfestigkeit des schwächsten Bauteils

Überlappungslänge = Faktor x W

(W = Dicke des schwächsten Bauteils)

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

 

Wenn Sie viele identische Baugruppen hartlöten müssen oder falls die Verbindungsstärke ein wichtiger Faktor ist, kann es nötig sein, die Länge der Überlappung genauer zu bestimmen, um maximale Stärke bei minimalem Aufwand von Lötmaterialien zu erreichen. Die folgende Formel hilft Ihnen dabei, die optimale Überlappungslänge für flache und röhrenförmige Verbindungen zu berechnen.

Festlegung der Überlappungslänge bei flachen Verbindungen

X = Länge der Überlappung
T = Zugfestigkeit des schwächsten Bauteils
W = Dicke des schwächsten Bauteils
C = Verbindungsfaktor vor 0,8
L = Gesamtstärke des Füllmetalls der Hartlötung

Problem:

Wie lang muss die Überlappung sein, um 0,050“ weichgeglühten Monels mit einem Metall gleicher oder größerer Stärke zu verbinden?

Lösung:

C = 0,8
T = 70.000 psi (weichgeglühte Monelplatte)
W = 0,050"
L = 25.000 psi (Typische schiere Stärke des Silber-Hartlöt-Füllmetalls)
X = (70.000 x 0,050) / (0,8 x 25.000) = 0,18" Überlappungslänge

Probleme bei der Metrik:

Wie lang muss die Überlappung sein, um 1,27 mm weichgeglühten Monels mit einem Metall gleicher oder größerer Stärke zu verbinden?
 

Lösung:

C = 0,8
T = 482,63 MPa (weichgeglühte Monelplatte)
W = 1,27 mm
L = 172,37 MPa (Typische schiere Stärke des Silber-Hartlöt-Füllmetalls)
X = (482,63 x 1,27) / (0,8 x 172,37)
X = 4,5 mm (Länge der Überlappung)

Festlegung der Überlappungslänge bei röhrenförmigen Verbindungen

X = Länge der Überlappung
W = Wandstärke des schwächsten Bauteils
D = Durchmesser der Überlappung
T = Zugfestigkeit des schwächsten Bauteils
C = Verbindungsfaktor vor 0,8
L = Schiere Stärke des Füllmetalls der Hartlötung

Problem:

Wie lang muss die Überlappung sein, um eine 3/4“ O.D. Kupferröhre (Wandstärke 0,064“) mit einer 3/4“ I.D. Stahlröhre zu verbinden?

Lösung:

W = 0,064"
D = 0,750"
C= 0,8
T = 33.000 psi (weichgeglühtes 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" (Länge der Überlappung)

Probleme bei der Metrik:

Wie lang muss eine Überlappung sein, um eine 19,05 mm O. D. Kupferröhre (Wandstärke 1,626 mm) mit einer 19,05 mm I.D. Stahlröhre zu verbinden?

Lösung:

W = 1,626 mm
D = 19,05 mm
C = 0,8
T = 227,53 MPa (weichgeglühtes 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 (Länge der Überlappung)

Entwickelt, um die Belastung zu verteilen

Wenn Sie eine Hartlötverbindung entwickeln, versuchen Sie dabei natürlich, zumindest die geringstmögliche Stärke für die gegebene Anwendung zu erreichen. Aber bei einigen Verbindungen, ist die maximale mechanische Stärke von größerer Bedeutung. Sie können diese Stärke sicherstellen, indem Sie die Verbindung so entwerfen, dass die Belastung nicht an einer Stelle konzentriert ist, und somit die Verbindung schwächt. Motto: Belastung verteilen. Finden Sie heraus, wo die größte Belastung vorliegt. Verteilen Sie dann die Belastung auf die stärkeren Bauteile oder verstärken Sie die schwächeren Bauteile. Die folgende Abbildung stellt Ihnen mehrere Möglichkeiten vor, die Belastung bei hartgelöteten Verbindungen zu verteilen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, wenn Sie eine Verbindung auf maximale Stärke auslegen, verwenden Sie statt einer Stoßnaht eine Überlappung oder eine Schalnaht, (um die Verbindungsfläche zu vergrößern) und bauen Sie die Bauteile so, dass sich die Belastung nicht auf einer einzigen Stelle konzentriert. Es gibt eine weitere Technik, die häufig effektiv bei der Hartlötung kleiner Bauteile eingesetzt wird, und mit der die Stärke einer Hartlötverbindung verbessert werden kann. Sie können eine Kehlnaht einführen, welche die Belastung verteilt, indem Sie ganz einfach ein bisschen mehr Füllmetall verwenden als sonst, oder indem Sie eine „zähflüssigere“ Legierung verwenden. In der Regel brauchen und benötigen Sie keine Kehlnaht bei Hartlötverbindungen, da diese nicht wesentlich zur Verbindungsstärke beitragen. Aber wenn dadurch die Belastung verteilt wird, lohnt sich eine Kehlnaht.

Entwurf für Service-Bedingungen

Bei vielen Hartlötverbindungen ist die wichtigste Anforderung die Stärke. Wir haben mehrere Möglichkeiten besprochen, wie Sie eine gute Verbindungsstärke erzeugen können. Aber es gibt häufig andere Anforderungen, welche sich auf den Aufbau der Verbindung oder die Auswahl des Füllmetalls auswirken. Beispielsweise kann es sein, dass Sie eine Hartlötbaugruppe entwickeln müssen, die elektrisch leitfähig ist. Bei einem Silber-Hartlöt-Füllmetall erhöht sich durch den Silberanteil der elektrische Widerstand auf einer ordentlich gelöteten Verbindung kaum. Aber Sie können weiterhin den Widerstand gering halten, indem Sie einen geringen Verbindungsabstand wählen, um die Dicke des Füllmetalls so gering wie möglich zu halten. Darüber hinaus können Sie die Länge der Überlappung verkürzen, wenn die Stärke keine Priorität hat. Statt der üblichen „Dreierregel“, können Sie die Überlappungslänge auf das 1 bis 1/2 fache des Querschnitts des inneren Bauteils verkürzen. 

Falls die hartgelötete Verbindung druckdicht gegenüber Gas oder Flüssigkeiten sein muss, so ist eine Überlappungsnaht ein Muss, da sie höheren Druck widersteht, als eine Stoßnaht. Der breitere Verbindungsbereich verringert die Möglichkeit eines Lecks. Eine weitere Überlegung bei der Entwicklung einer dichten Verbindung ist die Entlüftung der Baugruppe. Wenn Sie für eine Entlüftung beim Hartlötverfahren sorgen, können expandierende Luft oder Gase entweichen, wenn das geschmolzene Füllmetall in die Verbindung läuft. Die Entlüftung der Baugruppe verhindert auch, dass Flussmittel in der Verbindung hängenbleibt. Wenn Sie vermeiden, dass Gase oder Flussmittel eingeschlossen werden, sinkt das Potential für undichte Stellen. Falls möglich sollte die Baugruppe selbst-entlüftend sein. Da Flussmittel durch das geschmolzene Füllmetall ausgetauscht werden sollen, das in die Verbindung fließt, sollten keine scharfen Kanten oder Blindlöcher vorhanden sein, in denen sich das Flussmittel ansammeln kann. Die Verbindung sollte so aufgebaut sein, dass das Flussmittel vollständig vom Füllmetall aus der Verbindung gedrängt wird. Falls dies nicht möglich ist, können kleine Löcher in die blinden Stellen gebohrt werden, damit das Flussmittel entweichen kann. Die Verbindung ist fertig, wenn das geschmolzene Füllmetall an der äußeren Oberfläche der gebohrten Löcher erscheint.

Um den Korrosionswiderstand einer Verbindung zu maximieren, sollten Sie ein Hartlöt-Füllmetal auswählen, dass Elemente wie Silber, Gold oder Palladium enthält, Elemente, die sehr korrosionsfest sind. Achten Sie darauf, dass die Verbindungsabstände eng sind und verwenden Sie nur die Mindestmenge an Füllmetall, so dass die fertige Verbindung nur eine dünne Linie Hartlöt-Füllmetall in die Atmosphäre abgegeben wird. Dies sind nur einige Beispiele der Service-Anforderungen, die von Ihrer hartgelöteten Baugruppe möglicherweise verlangt werden. Wie Sie sehen können, müssen sowohl der Verbindungsaufbau sowie das Füllermetall sorgfältig ausgewählt werden. 

Glücklicherweise stehen Ihnen zahlreiche Füllmetalle und Flussmittel in zahlreichen Zusammensetzungen, mit unterschiedlichen Eigenschaften und Schmelzpunkten zur Verfügung. Lucas Milhaupt kann Ihnen alle Fragen beantworten, die Sie für Ihre spezielle Hartlötanwendung, die Verbindung und/oder die Auswahl des Füllmetalls haben. Sehen Sie sich unsere Ressourcen-Bibliothek oder die FAQ an, um mehr darüber zu erfahren. 
 

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