Hartlöten von Aluminium und Aluminium-Legierungen: Erläutert

1. Brazability

Die Lötbarkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist schlecht, vor allem weil die Oxidschicht auf der Oberfläche schwer zu entfernen ist. Aluminium hat eine starke Affinität zu Sauerstoff und bildet leicht eine dichte, stabile Oxidschicht Al2O2 mit hohem Schmelzpunkt auf der Oberfläche.

Magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen bilden ebenfalls sehr stabile Oxidschichten Mgo. Sie behindern die Benetzbarkeit und Ausbreitung des Lotes erheblich und sind schwer zu entfernen. Nur durch die Verwendung geeigneter Flussmittel kann die Hartlöten Prozess durchgeführt werden.

Darüber hinaus ist der Schwierigkeitsgrad beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen hoch. Der Schmelzpunkt von Aluminium und Aluminiumlegierungen unterscheidet sich nicht wesentlich vom Schmelzpunkt des verwendeten Hartlots, und der für das Hartlöten zur Verfügung stehende Temperaturbereich ist sehr eng.

Eine unsachgemäße Temperaturkontrolle kann leicht zu einer Überhitzung oder sogar zum Schmelzen des Grundmaterials führen, was den Lötprozess erschwert. Bei einigen wärmebehandelten Aluminiumlegierungen kann es zu Überalterung oder Glühen Erweichung durch die Erwärmung des Lotes, was zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit der Lötverbindung führt.

Beim Flammlöten ist es aufgrund der unveränderten Farbe der Aluminiumlegierung während des Erhitzens nicht einfach, die Temperatur zu beurteilen, was auch die Anforderungen an die Fähigkeiten des Bedieners erhöht.

Außerdem wird die Korrosionsbeständigkeit von Lötverbindungen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen leicht durch das verwendete Lot und Flussmittel beeinflusst. Das Elektrodenpotential von Aluminium und Aluminiumlegierungen unterscheidet sich stark von dem des Lots, was die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung verringert, insbesondere bei Weichlötverbindungen.

Darüber hinaus sind die meisten Flussmittel, die beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet werden, hochkorrosiv, und selbst wenn sie nach dem Löten gereinigt werden, kann der Einfluss des Flussmittels auf die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung nicht vollständig beseitigt werden.

2. Hartlötende Materialien

(1) Löten:

Das Weichlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird in der Regel nicht verwendet, da der Unterschied in der Zusammensetzung und im Elektrodenpotential zwischen dem Lot und dem Grundmaterial beim Weichlöten leicht zu elektrochemischer Korrosion in der Verbindung führen kann.

Lote auf Zinkbasis und Zinn-Blei-Lote werden hauptsächlich für das Weichlöten verwendet, das sich je nach Temperaturbereich in Niedrigtemperatur-Weichlote (150-260°C), Mitteltemperatur-Weichlote (260-370°C) und Hochtemperatur-Weichlote (370-430°C) unterteilen lässt.

Wenn für das Löten Zinn-Blei-Lot verwendet wird und die Oberfläche mit Kupfer oder Nickel vorbeschichtet ist AluminiumoberflächeDie Korrosion an der Schnittstelle kann verhindert werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung verbessert wird.

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist weit verbreitet, z. B. bei Filterführungen, Verdampfern, Kühlkörpern und anderen Komponenten.

Zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen kann nur Lot auf Aluminiumbasis verwendet werden, wobei Aluminium-Silizium-Lot am weitesten verbreitet ist. Der spezifische Anwendungsbereich und die Scherfestigkeit der Lötverbindungen sind in Tabelle 8 bzw. Tabelle 9 aufgeführt.

Der Schmelzpunkt dieser Lote liegt jedoch nahe an dem des Grundmaterials, so dass die Erhitzungstemperatur beim Löten streng und genau kontrolliert werden muss, um eine Überhitzung oder ein Schmelzen des Grundmaterials zu vermeiden.

Tabelle 8: Anwendungsbereich von Hartloten für Aluminium und Aluminiumlegierungen

Tabelle 9: Scherfestigkeit von mit Aluminium-Silizium-Lot gelöteten Verbindungen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen

Aluminium-Silizium-Hartlote werden in der Regel in Form von Pulver, Paste, Draht oder Folie geliefert. In einigen Fällen wird eine Hartlöt-Verbundplatte verwendet, die aus einem Aluminiumkern und einem Aluminium-Silizium-Hartlot als Mantelschicht besteht. Diese Verbundplatte wird mit hydraulischen Verfahren hergestellt und wird üblicherweise als Bestandteil von gelöteten Baugruppen verwendet.

Während des Lötens schmilzt das Lot auf der Verbundplatte und fließt, unterstützt durch Kapillarwirkung und Schwerkraft, in die Fugenspalte.

(2) Fluss und Schutzgas werden üblicherweise beim Weichlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet.

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen erfordert häufig die Verwendung spezieller Flussmittel, um Oxidschichten zu entfernen. Organische Flussmittel auf der Basis von Triethanolamin, wie FS204, werden bei Niedrigtemperatur-Lötlegierungen verwendet.

Diese Flussmittel haben den Vorteil, dass sie den Grundwerkstoff nur minimal angreifen, aber sie erzeugen beim Fluxen eine große Menge Gas, das die Benetzung und Füllung des Lotes beeinträchtigen kann.

Reaktive Flussmittel auf Basis von Zinkchlorid, wie FS203 und FS220A, werden bei Mittel- und Hochtemperaturloten verwendet. Reaktive Flussmittel haben stark korrosive Eigenschaften, und ihre Rückstände müssen nach dem Löten gründlich gereinigt werden.

Beim Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist man nach wie vor auf die Entfernung von Flussmitteln angewiesen. Zu den verwendeten Hartlötflussmitteln gehören Flussmittel auf Chloridbasis und auf Fluoridbasis. Flussmittel auf Chloridbasis haben eine starke desoxidierende Wirkung und eine gute Fließfähigkeit, wirken aber stark korrosiv auf den Grundwerkstoff, so dass ihre Rückstände nach dem Hartlöten vollständig entfernt werden müssen.

Flussmittel auf Fluoridbasis sind eine neue Art von Flussmitteln mit guter desoxidierender Wirkung und ohne korrosive Wirkung auf das Grundmaterial. Sie haben jedoch einen hohen Schmelzpunkt und eine schlechte thermische Stabilität und können nur in Kombination mit Aluminium-Silizium-Lötmaterialien verwendet werden.

Wenn hart Aluminium löten und Aluminiumlegierungen werden in der Regel Vakuum, neutrale oder inerte Atmosphären verwendet. Beim Vakuumlöten sollte das Vakuumniveau im Allgemeinen in der Größenordnung von 10-3 Pa liegen. Bei der Verwendung von Stickstoff- oder Argonabschirmung sind ein hoher Reinheitsgrad und ein niedriger Taupunkt unter -40℃ erforderlich.

3. Löttechniken

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen erfordert eine hohe Sauberkeit der Werkstückoberfläche. Um eine gute Qualität zu erreichen, müssen Oberflächenöl und Oxidschichten vor dem Löten entfernt werden. Das Oberflächenöl kann durch Waschen mit Natriumcarbonat (Na₂CO₃) Wasserlösung bei einer Temperatur von 60-70℃ für 5-10 Minuten und anschließendem Spülen mit sauberem Wasser.

Oberflächenoxidschichten können durch Eintauchen in eine Natriumhydroxidlösung (NaOH) bei einer Temperatur von 20-40℃ für 2-4 Minuten und anschließendes Abspülen mit heißem Wasser entfernt werden.

Nach dem Entfernen von Oberflächenöl und Oxidschichten sollte das Werkstück mit Salpetersäure (HNO₃) Wasserlösung 2-5 Minuten lang einwirken lassen, unter fließendem Wasser abspülen und an der Luft trocknen lassen. Nach diesen Behandlungen sollte das Werkstück nicht mit der Hand berührt oder mit anderem Schmutz verunreinigt werden, und das Hartlöten sollte innerhalb von 6-8 Stunden, wenn möglich sofort, durchgeführt werden.

Zu den Weichlötverfahren für Aluminium und Aluminiumlegierungen gehören vor allem Flammlöten, Lötkolbenlöten und Ofenlöten. Diese Verfahren verwenden in der Regel Flussmittel und haben strenge Anforderungen an die Heiztemperatur und die Haltezeit.

Beim Flamm- und Lötkolbenlöten sollte eine direkte Erwärmung des Flussmittels vermieden werden, um eine Überhitzung und ein Versagen des Flussmittels zu verhindern. Da sich Aluminium in Lötmitteln mit hohem Zinkgehalt auflösen kann, sollte das Erhitzen eingestellt werden, sobald die Verbindung hergestellt ist, um ein Auflösen des Grundmaterials zu verhindern.

In einigen Fällen wird das Weichlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen ohne Flussmittel durchgeführt, wobei Ultraschall- oder Reibverfahren zur Entfernung der Oxidschicht eingesetzt werden. Beim Hartlöten durch Reibung wird das Werkstück zunächst auf die Löttemperatur erwärmt, und dann wird das Ende des Lötstabs (oder des Reibwerkzeugs) verwendet, um den Lötbereich des Werkstücks abzuschaben. Dadurch wird die Oxidschicht an der Oberfläche aufgebrochen und das Lot kann schmelzen und das Grundmaterial benetzen.

Zu den Hartlötverfahren für Aluminium und Aluminiumlegierungen gehören Flammlöten, Ofenlöten, Tauchlöten, Vakuumlöten und Schutzgaslöten. Das Flammhartlöten wird üblicherweise für kleine Werkstücke und die Einzelteilfertigung verwendet.

Um zu vermeiden, dass die Verunreinigungen im Acetylengas mit dem Flussmittel in Berührung kommen und zu einem Versagen des Flussmittels führen, ist es ratsam, eine Flamme aus Benzin und Druckluft zu verwenden und die Flamme leicht zu reduzieren, um eine Oxidation des Grundmaterials zu verhindern.

Bei bestimmten Lötverfahren können das Flussmittel und das Hartlötmaterial bereits auf die Verbindung aufgetragen und zusammen mit dem Werkstück erwärmt werden, oder das Werkstück wird zunächst auf die Löttemperatur erwärmt, und dann wird das Hartlötmaterial mit dem Flussmittel auf die Lötstelle aufgetragen.

Sobald das Flussmittel und das Lot geschmolzen sind und die Lötstelle gleichmäßig ausgefüllt ist, kann die Heizflamme allmählich entfernt werden.

Beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen im Luftofen sollte das Lot vorgespannt und das Flussmittel in destilliertem Wasser geschmolzen werden, um eine konzentrierte Lösung mit einer Konzentration von 50%-75% zu erhalten.

Diese Lösung kann dann auf die Lötfläche aufgetragen oder aufgesprüht werden, oder es kann eine geeignete Menge Pulverflussmittel auf das Lötmaterial und die Oberfläche aufgetragen werden. Das zusammengesetzte Werkstück wird dann zum Erhitzen und Löten in den Ofen gelegt. Um eine Überhitzung oder gar ein Schmelzen des Grundmaterials zu vermeiden, muss die Heiztemperatur streng kontrolliert werden.

Beim Tauchlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen werden in der Regel Pasten- oder Folienlötmaterialien verwendet. Das montierte Werkstück wird auf eine Temperatur nahe der Löttemperatur vorgewärmt, bevor es zum Löten in das Flussmittel getaucht wird.

Beim Hartlöten müssen die Löttemperatur und -zeit streng kontrolliert werden. Ist die Temperatur zu hoch, kann sich das Basismaterial auflösen und das Hartlötmaterial kann verloren gehen.

Wenn die Temperatur zu niedrig ist, schmilzt das Lot möglicherweise nicht ausreichend, was zu einer geringeren Lötrate führt.

Die Löttemperatur sollte auf der Grundlage der Art und Größe des Grundmaterials, der Zusammensetzung und des Schmelzpunkts des Lötmaterials und anderer spezifischer Faktoren bestimmt werden und liegt im Allgemeinen zwischen der Liquidustemperatur des Lötmaterials und der Solidustemperatur des Grundmaterials.

Die Eintauchzeit des Werkstücks in das Flussmittelbad muss gewährleisten, dass das Hartlot vollständig geschmolzen ist und fließt. Die Zeit sollte nicht zu lang sein, da das Siliziumelement im Hartlot in das unedle Metall diffundieren kann, was zu Versprödung in der Nähe der Verbindung führt.

Beim Vakuumlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen werden häufig Metallaktivatoren verwendet, um die Oberflächenoxidschicht des Aluminiums umzuwandeln und so die Benetzung und Ausbreitung des Lötmaterials zu gewährleisten.

Magnesium kann in körniger Form direkt auf das Werkstück aufgebracht, als Dampf in die Lötzone eingeleitet oder als Legierungselement dem Aluminium-Silizium-Lötmaterial zugesetzt werden.

Bei komplexen Strukturen werden häufig lokale Abschirmungsmaßnahmen ergriffen, um die volle Wirkung des Magnesiumdampfes auf den Grundwerkstoff zu gewährleisten und die Qualität der Lötung zu verbessern.

Dabei wird das Werkstück in einen Kasten aus rostfreiem Stahl (gemeinhin als Prozesskasten bezeichnet) gelegt und anschließend in einem Vakuumofen zum Löten erhitzt.

Das Vakuumlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen führt zu glatten Oberflächen, dichten Lötnähten und erfordert keine Reinigung nach dem Löten.

Vakuumlötanlagen sind jedoch teuer, und Magnesiumdampf kann den Ofen stark verunreinigen, was häufige Reinigung und Wartung erfordert.

Beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen in neutraler oder inerter Atmosphäre können Magnesiumaktivatoren oder Flussmittel zur Entfernung der Oxidschicht verwendet werden. Bei der Verwendung von Magnesiumaktivatoren ist die erforderliche Magnesiummenge im Vergleich zum Vakuumlöten viel geringer, im Allgemeinen etwa 0,2%-0,5% (nach Gewicht).

Ein höherer Magnesiumgehalt kann die Qualität der Verbindung sogar verschlechtern. Das Nocolok-Lötverfahren, bei dem Flussmittel auf Fluoridbasis und Stickstoffgas als Schutz verwendet werden, hat sich in den letzten Jahren rasch entwickelt. Die Rückstände von Flussmitteln auf Fluoridbasis nehmen keine Feuchtigkeit auf und sind für Aluminium nicht korrosiv.

Daher kann der Schritt des Entfernens von Flussmittelrückständen nach dem Hartlöten entfallen. Unter dem Schutz von Stickstoffgas kann eine geringe Menge Flussmittel auf Fluoridbasis aufgetragen werden, und das Lot kann das Grundmaterial gut benetzen, was zu hochwertigen Lötverbindungen führt. Dieses Nocolok-Lötverfahren hat sich bei der Serienfertigung von Bauteilen wie Aluminiumheizkörpern bewährt.

Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen, die mit anderen als fluoridhaltigen Flussmitteln gelötet wurden, müssen die Flussmittelrückstände nach dem Löten gründlich entfernt werden. Rückstände von organischen Flussmitteln für Aluminium können mit organischen Lösungsmitteln wie Methanol oder Trichlorethylen gewaschen, anschließend mit Natriumhydroxidlösung neutralisiert und schließlich mit heißem und kaltem Wasser abgespült werden.

Chloridhaltige Flussmittelrückstände vom Hartlöten von Aluminium können entfernt werden, indem man sie 10 Minuten lang in 60-80℃ heißem Wasser einweicht, die Rückstände auf der Lötnaht sorgfältig mit einer Bürste abschrubbt und mit kaltem Wasser abspült. Dann 30 Minuten lang in einer 15%-Salpetersäure-Wasser-Lösung einweichen und mit kaltem Wasser abspülen.