Vakuumlöten – ein hochwertiger Fügeprozeß (Teil 1)

Vor mehr als 40 Jahren wurden durch Fa.Werkspoor in Amsterdam die ersten industriellen Vakuumöfen für die Produktion von Heißgasmotoren nach dem Stirling-Prinzip angeschafft.

Bei dem Edelstahl-Erhitzerkopf des Stirling-Motors müssen mehr als 300 Lötverbindungen mit einer Temperaturbeständigkeit von mehr als 800 °C hergestellt werden. Vakuumlöten war die einzige Verbindungstechnik, womit dieses erfolgreich durchgeführt werden konnte. Seit dieser Zeit ist Vakuumlöten zu einer hochwertigen Verbindungstechnik mit vielseitigen Anwendungen gewachsen. Vakuum-Löten eröffnet neue Wege für den Konstrukteur sowohl für die Wahl des Materials als auch für die Konstruktion.

Vakuumlöten ist eine Verbindungstechnik, womit hochwertige Verbindungen hergestellt werden . Der prinzipielle Unterschied zwischen Schweißen und Vakuumlöten ist die Tatsache, dass beim Schweißen das Basismaterial aufgeschmolzen wird. Beim Vakuumlöten werden die Bauteile miteinander verbunden unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff. Das Vakuumlöten wird ausgeführt in einem Vakuumofen bei Temperaturen von 800 °C bis 1300 °C. Es wird kein Flussmittel eingesetzt. Die notwendige reduzierende Wirkung für die Zersetzung der Metalloxide erhält man aus der Vakuumatmosphäre. Die Anwendung von hoher Temperatur und einer reduzierenden Atmosphäre ist wesentlich für das Gelingen des Lötprozesses. Es wirken verschiedene Mechanismen bei der Zersetzung der Metalloxide:

Dissoziation und/oder Verdampfung von Oxiden
Diffusion von Sauerstoff aus der Oxidschicht in den Grundwerkstoff
Reduktion der Oxidschicht durch die Reaktion von Kohlenstoff aus dem Grundwerkstoff
Aufbrechen der Oxidschicht durch einen Ausdehnungsunterschied zum Basismaterial
Entfernung der Oxidschicht durch eine reduzierende Restgasatmosphäre wie z.B. Wasserstoff

Weil beim Löten im Vakuum die Prozessparameter genau einstellbar sind, erhält man reproduzierbare Verbindungen. Wesentliche Merkmale des Fügen im Vakuum sind:

Die mechanischen Eigenschaften von Lötverbindungen entsprechen annähernd denen des Basismaterials
Fast alle Materialkombinationen sind möglich, auch die zwischen Metall und Keramik
Durch die Kapillarwirkung entsteht eine vollständige Spaltfüllung
Durch die sehr gleichmäßige Erwärmung in Vakuumöfen treten nur geringe unerwünschte Formänderungen auf
Dünn-Dickverbindungen sind einfach herstellbar
Die Nacharbeit von gelöteten Produkten ist gering oder entfällt ganz
Vakuumgelötete Verbindungen haben eine niedrige Leckrate
Der Lötprozess kann in der Regel kombiniert werden mit Wärmebehandlungen wie das Härten und Anlassen
Es ist keine Nachreinigung erforderlich

Lotwerkstoffe

Zum Vakuumlöten werden Lotwerkstoffe auf Basis von Kupfer-, Nickel- und Edelmetall verwendet. Diese Lotwerkstoffe enthalten keine Elemente mit hohem Dampfdruck. Kupferbasiswerkstoffe sind meistens kostengünstig und werden eingesetzt bis Anwendungstemperaturen von etwa 300 °C und falls nicht allzu hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Nickelbasislotwerkstoffe finden eine sehr breite Anwendung.

Konstruktive Aspekte
Für den Konstrukteur sind die mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, die Scherfestigkeit und Dauerfestigkeit von einer gelöteten Konstruktion wichtig. Diese Werte werden stark beeinflusst von der Duktilität der Lötverbindungen. Eine Lötverbindung ist duktil, wenn die Verbindung erst nach einer vorangegangen Verformung versagt. Optimale Lötverbindungen erhält man durch eine korrekte Wahl der Lötparameter wie:

Konstruktive Aspekte
Lötspalt
Oberflächenbeschaffenheit
Lotmaterial
Löttemperatur
Lötzeit
Ergänzende Wärmebehandlungen

Die Festigkeit der Lötverbindung wird im hohen Maße bestimmt von der Festigkeit des Basismaterials. An Hand von weitgehenden Untersuchungen sind nachfolgende Verhältniszahlen entstanden, die bei stumpfgelöteten Verbindungen als Richtlinie dienen.

Zugfestigkeit des Basismaterials	100%
Bruchfestigkeit der Lötverbindung	90%
Scherfestigkeit der Lötverbindung	45%
Dauerfestigkeit der Lötverbindung	30%

Für eine gelötete Konstruktion ist wichtig, dass die Bruchfestigkeit der Lötverbindung höher liegt als die Dehngrenze des Basismaterials. In wieweit eine Lötverbindung geeignet ist für eine Konstruktion wird in erster Instanz bestimmt durch die gewählte Nahtform. Nahtformen können in drei Hauptgruppen verteilt werden. Diese Verteilung beruht hauptsächlich auf dem Auftreten einer der folgenden mechanischen Spannungen:

Zugspannungen bei Stumpfe Verbindungen
Scherspannungen bei überlappende Verbindungen
Druckspannungen bei entlasteter Verbindungen

Bei guter Prozessbeherrschung ist für Stumpfe Lötverbindungen eine Festigkeit erreichbar, die annähernd der dem Basismaterial entspricht. Falls zwei verschiedene Materiale gelötet werden, tritt im allgemeinen Bruch auf im Material mit der geringsten Zugfestigkeit. (Teil 2 beschreibt Qualität-Aspekte und Teil 3 behandelt Anwendungen für unterschiedliche Werkstoffe).

Autor:Peter Steege