Löten ist ein Prozess, bei dem zwei oder mehr Elemente durch Schmelzen und Einbringen eines Bindemittels (Lötzinn) in die Fuge verbunden werden, wobei das Bindemittel einen niedrigeren Schmelzpunkt als das benachbarte Metall hat. Im Gegensatz zum Schweißen basiert das Löten nicht auf dem Schmelzen der bearbeiteten Elemente. Beim Löten schmilzt das Metall des bearbeiteten Gegenstandes ebenfalls nicht, aber das Bindemittel schmilzt bei einer höheren Temperatur als beim Löten. In der Vergangenheit enthielten fast alle Lote Blei, aber Umwelt- und Gesundheitsfragen fordern zunehmend den Einsatz bleifreier Legierungen für elektronische und hydraulische Zwecke.
Wo wird das Löten angewendet?
Löten wird in der Hydraulik, Elektronik und Metallverarbeitung verwendet, vom Flashen bis hin zu Schmuck und Musikinstrumenten. Darüber hinaus:
- Das Löten bietet ziemlich dauerhafte, aber reversible Verbindungen zwischen Kupferrohren in Wasser- und Abwasserinstallationen, sowie Verbindungen in Blechobjekten, wie Lebensmitteldosen, Dachbearbeitung, Regenrinnen und Autokühler.
- Juwelierteile, Werkzeugmaschinen sowie einige Kühl- und Hydraulikkomponenten werden oft in einem höheren Temperatur Silberlötprozess montiert und repariert. Auch kleine mechanische Teile werden oft gelötet.
- Löten wird auch zum Verbinden von Blei und Kupferfolie in Glasmalereien verwendet. Elektronisches Löten verbindet elektrische Verkabelung mit Geräten und elektronische Komponenten mit gedruckten Schaltungen.
- Elektronische Verbindungen können manuell mit einem Lötkolben gelötet werden. Automatisierte Methoden wie Wellenlöten oder der Einsatz von Öfen können viele Verbindungen auf einer komplexen Leiterplatte in einem einzigen Vorgang herstellen, wodurch die Produktionskosten für elektronische Geräte erheblich gesenkt werden.
- Musikinstrumente, insbesondere Blech- und Holzblasinstrumente, nutzen in ihrer Montage eine Kombination aus Löten. Messingkörper werden oft zusammen gelötet.
Lötbarkeit und Arten des Lötens
Die Lötbarkeit eines Substrats ist ein Maß für die Leichtigkeit, mit der eine Lötverbindung mit diesem Material hergestellt werden kann. Einige Metalle sind leichter zu löten als andere. Kupfer, Zink, Messing, Silber und Gold gehören zu den einfacheren. Die nächsten Schwierigkeiten sind Eisen, Weichstahl und Nickel, aufgrund ihrer dünnen, aber starken Oxidschichten. Edelstahl und einige Aluminiumlegierungen sind noch schwieriger zu löten. Titan, Magnesium, Eisen, einige hochkohlenstoffhaltige Stähle, Keramik und Graphit können gelötet werden, aber dies erfordert einen Prozess ähnlich dem Verbinden von Hartmetallen: Sie werden zunächst mit einem geeigneten metallischen Element beschichtet, das eine interphasische Bindung hervorruft.
Laserlöten
Induktives Löten
Das Laserschweißen ist eine Technik, die einen Laser mit einer Leistung von 30-50 W zum Schmelzen und Löten einer elektrischen Verbindung verwendet. Hierfür werden Laserdiodensysteme auf Basis von Halbleiterverbindungen verwendet. Suzanne Jenniches hat das Laserschweißen im Jahr 1980 patentiert. Die Wellenlängen liegen normalerweise zwischen 808 nm und 980 nm. Der Strahl wird durch eine Faser mit einem Durchmesser von 800 µm oder weniger zum Werkstück geleitet. Da der aus dem Faserende austretende Strahl sich schnell ausbreitet, werden Linsen verwendet, um die richtige Spotgröße auf dem Werkstück in der richtigen Arbeitsabstand zu erzeugen. Ein Drahtvorschub dient zur Zuführung des Lötmittels. Es können sowohl bleihaltige Zinnmaterialien als auch Silber-Zinn-Materialien gelötet werden. Die Prozessrezepte variieren je nach Legierungszusammensetzung. Bei der Verlötung von 44-Pin-Chipträgern auf einer Platine mit Lötformen betrug die Leistung etwa 10 Watt und die Lötzeit etwa 1 Sekunde. Eine niedrige Leistung kann zu einer unvollständigen Benetzung und zur Bildung von Hohlräumen führen, die die Verbindung schwächen können.
Induktives Löten verwendet induktive Erwärmung durch Wechselstrom hoher Frequenz in einer umgebenden Kupferspule. Diese Spule induziert einen Strom, der in dem gelöteten Teil Wärme erzeugt, aufgrund des höheren Widerstands der Verbindung im Vergleich zum umgebenden Metall (Widerstandserwärmung). Diese Kupferspulen können für das Löten eines bestimmten Elements geformt werden, um eine genauere Anpassung der Verbindung zu ermöglichen. Das Lot (Flussmittel) wird zwischen den Stirnflächen platziert und schmilzt bei relativ niedriger Temperatur. Flussmittel werden häufig beim induktiven Löten verwendet. Diese Technik ist besonders geeignet für kontinuierliches Löten, in welchem Fall diese Spulen um einen Zylinder oder ein Rohr gewickelt werden, das gelötet werden soll.
Infrarotlöten mit Faserbündel-Fokus
Infrarotlöten mit Faserbündel-Fokus ist eine Technik, bei der mehrere Infrarotquellen durch Fasern geleitet und dann an einem Punkt gebündelt werden, an dem die Lötverbindung hergestellt wird.
Widerstandslöten
Widerstandslöten ist eine Löttechnik, bei der die zum Fließen des Lötmittels benötigte Wärme durch den elektrischen Stromfluss durch die Lötspitze erzeugt wird. Wenn Strom durch ein widerstandsfähiges Material fließt, wird eine bestimmte Menge an Wärme erzeugt. Durch die Regulierung der Menge des geleiteten Stroms und des begegneten Widerstandsniveaus kann die Menge der erzeugten Wärme im Voraus bestimmt und kontrolliert werden. Widerstandslöten unterscheidet sich vom Leitungslöten, bei dem die Wärme im Element erzeugt und dann durch die wärmeleitende Spitze zum Verbindungsbereich geleitet wird.
Widerstandslöten - Prozessablauf
Ein kalter Lötkolben benötigt Zeit, um die Arbeitstemperatur zu erreichen und muss zwischen den Lötstellen auf hoher Temperatur gehalten werden. Die Wärmeübertragung kann gehemmt werden, wenn die Spitze während des Gebrauchs nicht ausreichend befeuchtet ist. Durch Widerstandslöten kann direkt im Bereich der Lötstelle auf kontrollierte Weise schnell intensive Wärme erzeugt werden. Dies ermöglicht ein schnelleres Erreichen der erforderlichen Schmelztemperatur des Lötzinns und minimiert den Wärmeweg von der gelöteten Verbindung, was dazu beiträgt, das Risiko von thermischen Schäden an Materialien oder Komponenten in der Umgebung zu minimieren. Wärme wird nur während der Herstellung jeder Verbindung erzeugt, wodurch das Widerstandslöten energieeffizienter ist. Widerstandslötgeräte, im Gegensatz zu leitenden Lötkolben, können für schwierige Löt- und Hartlötanwendungen verwendet werden, bei denen deutlich höhere Temperaturen erforderlich sein können. Dies macht den Widerstand in einigen Situationen vergleichbar mit dem Flammenlöten. Wenn die erforderliche Temperatur mit der Flammen- oder Widerstandsmethode erreicht werden kann, ist die Widerstandswärme aufgrund des direkten Kontakts stärker lokalisiert, während die Flamme sich ausbreitet und potenziell einen größeren Bereich erwärmt.
Aktives Löten
Flussmittelfreies Löten mit einer herkömmlichen Lötstation, einem Ultraschall-Lötkolben oder einem speziellen Lötkessel sowie aktivem Lot, das ein aktives Element enthält, meist Titan, Zirkon oder Chrom. Aktive Elemente reagieren durch mechanische Aktivierung mit der Oberfläche von Materialien, die allgemein als schwer zu löten ohne vorherige Metallisierung gelten. Aktives Lot kann vor übermäßiger Oxidation seines aktiven Elements durch Zugabe von seltenen Erden mit höherer Affinität zu Sauerstoff (normalerweise Cer oder Lanthan) geschützt werden. Ein weiterer üblicher Zusatz ist Gallium - normalerweise als Benetzungsförderer eingeführt. Die mechanische Aktivierung, die für aktives Löten erforderlich ist, kann durch Bürsten (zum Beispiel mit einer Drahtbürste oder einem Stahlschaber) oder durch Ultraschallvibrationen (20-60 kHz) erfolgen. Es wurde gezeigt, dass aktives Löten Keramik auf Basis von Aluminium-, Titan-, Silizium-, Graphit- und Kohlenstoffnanoröhren effektiv bei Temperaturen unter 450°C oder in Schutzatmosphäre verbindet.
Weichlöten und Hartlöten
Es gibt drei Formen des Lötens, von denen jede höhere Temperaturen erfordert und die Festigkeit der Verbindung erhöht:
- Weichlöten, bei dem zunächst Zinn-Blei-Legierungen als Lötmittel verwendet werden;
- Silberlöten mit Silberhaltigen Legierungen;
- Schweißen mit einer Messinglegierung als Füllstoff.
Die Schmelztemperatur des für jede Art von Lötverbindung verwendeten Lötmittels kann angepasst werden. Hartlöten unterscheidet sich erheblich vom Kleben, da der Klebstoff direkt mit der Oberfläche des bearbeiteten Objekts an der Verbindungsstelle verbunden ist, wodurch eine Verbindung entsteht, die sowohl elektrisch leitfähig als auch luft- und flüssigkeitsdicht ist.
Weichlote haben einen Schmelzpunkt unter etwa 400 ° C (752 ° F), während Silberlöten und Hartlöten höhere Temperaturen verwenden, oft erfordert es einen Flammen- oder Lichtbogenbrenner, um das Schmelzen des Füllstoffs zu erreichen. Weichlot ist normalerweise eine Legierung (oft mit Blei) mit einem Liquidustemperatur unter 350°C (662°F).
In diesem Lötprozess wird den zu verbindenden Teilen Wärme zugeführt, was das Schmelzen des Lotes und seine Bindung mit dem Objekt in einem Oberflächenstopp-Prozess namens "Benetzung" bewirkt. Im verlinkten Draht wird das Lot durch Kapillarwirkung zwischen den Verbindungen zu den Leitern gezogen, ein Prozess, der als "Durchdringung" bezeichnet wird. Kapillarwirkung tritt auch auf, wenn die Objekte sehr nahe beieinander liegen oder in Kontakt miteinander kommen. Die Zugfestigkeit der Verbindung hängt vom verwendeten Klebstoff ab; beim elektrischen Schweißen hat das hinzugefügte Lot eine geringe Zugfestigkeit, daher wird empfohlen, die Drähte vor dem Löten zu verdrehen oder zusammenzusetzen, um eine gewisse mechanische Festigkeit der Verbindung zu gewährleisten. Eine gute gelötete Verbindung bietet eine elektrisch leitende, wasser- und gasdichte Verbindung.
Vor- und Nachteile von Lötarten
Jede Art von Lötzinn hat ihre Vor- und Nachteile. Weichlöten nimmt seinen Namen von der Hauptzutat, weichem Blei. Weichlöten verwendet die niedrigste Temperatur (und damit die geringste Belastung des Elements), erzeugt jedoch keine starke Bindung und ist nicht für mechanische Anwendungen geeignet. Es ist auch nicht für Anwendungen bei hohen Temperaturen geeignet, da es an Festigkeit verliert und schließlich schmilzt. Silberlöten, das in der Schmuckherstellung, Mechanik und einigen hydraulischen Anwendungen verwendet wird, erfordert die Verwendung eines Brenners oder einer anderen Hochtemperaturquelle und ist deutlich stärker als Weichlöten. Hartlöten bietet die stärkste unlötbare Verbindung, erfordert jedoch auch die höchste Temperatur zum Schmelzen des Klebstoffs, einer Fackel oder einer anderen Hochtemperaturquelle sowie getönte Brillen, um die Augen vor dem Blendung der weißglühenden Arbeit zu schützen. Häufig verwendet für die Reparatur von Gusseisen, Schmiedeeisenmöbeln usw.