DE2653650B1 - Verfahren zum flaechenhaften Verloeten zweier metallischer Koerper - Google Patents

Description

• ein auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes Kontaktstück bereits bei dem Schritt, bei dem das Kontaktstück in seine Endform gebracht wird, durch Pressen mittels eines geeignet profilierten Stempels eine ebene Lötfläche mit mindestens drei längs des Flächenrandes angeordneten Buckeln erhalten. Die Herstellung derartiger Kontaktstücke wird dadurch nicht verteuert Obwohl die Herstellung derartig profilierter metallischer Teile für das Buckelschweißen schon lange bekannt ist, werden derartige Profile für Lötverfahren bisher nicht angewendet. Auf pulvermetallurgischem Wege hergestellte Körper, die im allgemeinen nur durch Löten mit anderen Metallteilen verbunden werden können, werden von den Herstellern mit ebenen Lötflächen und stets ohne Buckel angeboten. Die Löttechnik, die an sich sehr alt und weit entwickelt ist, wird durch die Erfindung nun mit einem Verfahren bereichert, das unter Verwendung wenigstens annähernd ebener Lötflächen mit Buckeln auf einfache und rationelle Weise ein zuverlässiges Zusammenlöten von großflächigen Lötflächen (z. B. 1 bis 10 cm2 und teils sogar größer) gestattet.
• Die Lötflächen können vor dem Verlöten mit Flußmittel bestrichen werden. Es kann aber auch ohne Flußmittel gearbeitet werden, z. B. unter Verwendung eines Phosphor und/oder Borax enthaltenden Lotes.
• Das Lot wird seitlich am Rand der Lötflächen (z. B. an einem Punkt oder einem geringen Teil des Flächenrandes) angesetzt und schießt nach dem Erschmelzen in den Lötspalt ein. Die fließende Lotschmelze schiebt dabei Luft und Flußmittelreste vor sich her und aus dem Spalt hinaus. Es können dabei auch eine oder mehrere vom Flächeninneren einer Lötfläche durch den Körper führende Bohrungen vorgesehen sein, um Einschlüsse aus Luft und Flußmitteln von den inneren Teilen des Lotspaltes zu verdrängen.
• Die zu verbindenden Körper werden so aufeinander gelegt, daß die Buckel der einen Flächen die andere Fläche berühren. Die Körper können dabei durch Niederschalter aneinander gedrückt werden.
• Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist es, daß die Spaltdicke und damit die Menge des zu verwendenden Lotes genau festgelegt ist und nur sehr geringen Schwankungen unterliegt. So kann die Lotmenge vorher genau dosiert und nur soviel Lot am Lotspalt angesetzt werden, wie zur Füllung des Lotspaltes erforderlich ist. Es kann das Lot aber auch z. B. mittels eines Lotdrahtes an den Lotspalt herangeführt werden. Dabei wird der Lotdraht in dem Maße nachgeführt, wie das flüssige Lot in den Spalt einschießt.
• Ist der Spalt ganz mit Lot gefüllt, so kann der Lotdraht von dem Lotspalt entfernt werden.
• Bevorzugt wird bei dem Verfahren nach der Erfindung ein keilförmiger Spalt hergestellt.
• Dies kann vorteilhaft dadurch geschehen, daß Buckel derart unterschiedlicher Höhe verwendet werden, daß der Spalt sich in einer diametralen Richtung über die Lötfläche hin verjüngt. Der Spalt weist dann also an einer Seite eine größere, an der gegenüberliegenden Seite eine geringere Dicke auf. Wird das Lot nun an der Seite mit der geringeren Dicke angesetzt, so schießt es zunächst mit relativ hoher Geschwindigkeit in die enge Spaltöffnung. Aufgrund der Spalterweiterung nehmen die Kapillarkräfte ab und die Front der Lotschmelze wandert daher mit abnehmender Geschwindigkeit zur entgegengesetzten Spaltöffnung. Dies bewirkt, daß auch dann, wenn die zu verlötenden Körper ungleichmäßig erwärmt sind, die Lötmittelfront ungefähr eben ist und nicht zum Einschließen von Luft- und Flußmittelblasen neigt Es kann aber vorteilhaft das Lot auch an der breiteren Spaltöffnung angesetzt werden. Mit zunehmender Verengung des Spaltes wird dann die Lotschmelze stärker in den Spalt hineingezogen und ihre Front wandert mit zunehmender Geschwindigkeit.
• Das Lot dringt selbst dann noch in den Spalt ein, wenn dessen Dicke an der engsten Stelle nur noch etwa 10 um beträgt Dadurch kommt man mit besonders engen Spalten und somit besonders geringen Lotmengen aus.
• Bei Lötflächen von etwa 2 cm Durchmesser beträgt die Dicke des Spaltes am breiten Teil seines Randes 50 bis 100 um, vorteilhaft etwa 50 um. Auch noch ausgedehntere Lötflächen können vorteilhaft so verlötet werden, wobei der Winkel der zueinander geneigten Lötflächen etwa im gleichen Bereich liegt. Als obere Grenze für die Spaltdicke am breiteren Teil der Spaltöffnung wird man etwa 200 um ansehen können.
• Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Spaltes, der sich vom ganzen Flächenrand zur Flächenmitte hin keilförmig verjüngt. Der Spalt soll also etwa in der Flächenmitte die geringste Dicke aufweisen.
• Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß eine oder beide Lötflächen nicht vollkommen eben sind, sondern leicht ballig gewölbt In diesem Fall wird das flüssige Lot von den Kapillarkräften zunächst bevorzugt zur Mitte der Lötfläche hin gesaugt. Einschlüsse von Luft und Flußmittel werden dabei besonders zuverlässig vermieden, da diese von der Front der Lotschmelze vom Mittelpunkt der Lötfläche nach außen geschoben werden. Auch hierbei beträgt vorteilhaft die kleinste Spaltdicke mindestens 10 um, die größte höchstens 200 um.
• Auch andere Geometrien der Lötflächen können vorteilhaft sein. So kann z. B. wenigstens eine der Lötflächen etwas walzen- oder wannenförmig ausgewölbt sein, damit das flüssige Lot zuerst in die Mitte des Lotspaltes und dann von der Mitte aus nach außen fließt.
• Dadurch kann auch dann noch die Gefahr von Flußmitteleinschlüssen verringert werden, wenn die Lötflächen am Rand stärker erwärmt sind als im Mittelbereich.
• Anhand von drei Ausführungsbeispielen und sechs Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.
• Im ersten Beispiel (F i g. 1 und 2) wird aus einer Pulvermischung aus Silber mit 12 Gew.-% Cadmium durch Oxidation und Pressen ein Sinterkörper 1 aus AgCdO hergestellt. Dieser Sinterkörper wird durch Nachverdichten auf die Maße 15 x 16 x 2,5mm3 gebracht, wobei an der Grundfläche zur Herstellung einer lötfähigen Oberfläche eine dünne Silberschicht 2 mit vier Buckeln 3 und 4 angeprägt wird. Zwei der Buckel liegen in Nähe der die Schmalseite der Lötfläche begrenzenden Kanten und weisen eine Höhe von 50 um auf. In Nähe der beiden anderen Kanten befinden sich Buckel 4 von etwa 100 um Höhe. Fig. 1 zeigt einen Blick auf die Lötfläche des Sinterkörpers 1.
• Das Kontaktstück 1 wird mit dieser Lötfläche auf die Oberfläche eines Kupferträgers 5 gelegt. Die Höhe der Buckel 3 und 4 und damit der Neigungswinckel os der beiden zu verlötenden Flächen sind zur Verdeutlichung in Fig. 2 nicht maßstabgetreu vergrößert gezeichnet, um die Keilform des Spaltes 6 deutlich zu machen.
• Die Lötfläche des Kontaktstückes 1 sowie die gegenüberliegende Fläche des Kupferträgers 5 wurden vor dem Aufeinanderlegen mit einem boraxhaltigen Flußmittel bestrichen. Anschließend werden beide Teile mit einer Flamme auf 7500C erhitzt. Cadmiumhaltiges Silberlot (sog. LAg 40 Cd mit 40Gew.-% Silber) in Drahtform wird an die erweiterte Spaltöffnung 7 angesetzt. Der keilförmige Lötspalt füllt sich gleichmäßig durch Vorlaufen des flüssigen Lotes, wobei die stärker werdende Wirkung der Kapillarkräfte die Füllgeschwindigkeit zunehmend erhöht. Ist der ganze Spalt bis zu seiner verjüngten Öffnung mit flüssigem Lot gefüllt, so wird der Lotdraht entfernt.
• Zwanzig derart hergestellte Lötverbindungen wurden geröntgt, wobei bei drei Lötverbindungen mehrere kleine Bläschen sichtbar wurden, die über die gesamte Lötfläche verteilt waren und einen Flächenanteil von etwa 10% aufwiesen. Sieben weitere Lötverbindungen zeigten Bläschen mit einem Flächenanteil von unter 5%.
• Bei den restlichen zehn Lötverbindungen konnten im Röntgenbild praktisch keine Fehler festgestellt werden.
• Zum Vergleich wurden nach herkömmlicher Flammenlötung hergestellte Lötverbindungen der gleichen Teile mit einer Lotschichtdicke von etwa 100 um herangezogen. Dabei zeigte sich, daß alle untersuchten Lötverbindungen Einschlüsse aufwiesen, die 5 bis 30% der Lötfläche bedeckten.
• Gegenüber den auf herkömmliche Weise verlöteten Kontaktstücken ergibt sich eine Einsparung an Silberhartlot von 25%.
• Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird auf gleiche Weise ein AgCdO-Kontaktstück 11 mit einer lötfähigen Silberoberfläche 12 erzeugt. An der Lötfläche sind in gleicher Weise vier Buckel 14 angeordnet, die jedoch hier alle die gleiche Höhe von 80 um aufweisen (Fig.3). Die Lötfläche ist hierbei nicht vollkommen eben, sondern zum Mittelpunkt 13 hin leicht ballig erhaben, wobei die Aufwölbung ungefähr 50 um beträgt Beim Aufsetzen des Kontaktstückes auf den Kupferträger 15 ensteht dadurch ein Spalt 16, der sich von allen vier Seiten der Lötfläche ausgehend zum Mittelpunkt 13 hin verjüngt.
• Die zu verlötenden Oberflächen werden mit boraxhaltigem Flußmittel bestrichen und eine vorbestimmte Menge cadmiumhaltigen Silberlotes wird seitlich angesetzt. Anschließend wird eine Induktionslötung bei Mittelfrequenz vorgenommen. F i g. 4 zeigt die Lötverbindung im Querschnitt.
• Die Röntgenuntersuchung zeigte bei allen Lötverbindungen einen Bindeanteil von 85 bis 95%, d.h. die Einschlüsse bedeckten zwischen 5 und 15% der Lötfläche. Der Bindeanteil liegt damit zwar etwas schlechter als im vorhergehenden Beispiel, jedoch besser als bei Lötverbindungen, wie sie nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist jedoch hinsichtlich des Verbrauchs von Silberhartlot vorteilhaft, da sich dabei eine Einsparung von 45% ergibt.
• F i g. 5 zeigt die Lötfläche eines anderen Körpers, der mit diesem Lötverfahren verlötet werden soll. Die rechteckige Lötfläche weist dabei in Nähe zweier Ecken einen Buckel von 15 bzw. 45 um Höhe auf. In der Mitte der gegenüberliegenden Seiten ist ein Buckel von 30 um Höhe angeordnet. In der Nähe des Flächenmittelpunktes ist etwas exzentrisch eine durch den Körper verlaufende Bohrung 24 vorgesehen. Durch Aufsetzen auf einen ebenen Metallträger und seitliches Ansetzen des Lotes kann dieser Körper wie in den vorhergehenden Beispielen verlötet werden.
• In F i g. 6 ist gezeigt, wie zwei derartige aus verschiedenen Sinterkörpern 25 und 26 mit lötfähigen Oberflächen 27 und 28 bestehende Körper, die in der gleichen Presse auf die gleiche Form gebracht werden, durch spiegelbildliches Aufeinanderlegen und anschließendes Auffüllen des entstehenden keilförmigen Spaltes miteinander verlötet werden. Dadurch können Sinterkörper, die aus verschiedenen Materialien bestehen, miteinander verlötet werden, sofern es nicht vorteilhafter ist, die beiden Sintermetalle bereits als zweischichtigen Preßkörper in einem Vorgang herzustellen.
• Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht nur für verschiedene Formen des Hartlötens, sondern auch zum Weichlöten geeignet.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum flächenhaften Verlöten zweier metallischer Körper mit wenigstens annähernd ebenen Lötflächen, bei dem die Lötflächen einander gegenübergestellt und der dabei gebildete Spalt mit Lot gefüllt werden, dadurch gekennzeichn e t, daß die Spaltdicke durch wenigstens drei längs dem Spaitrand angeordnete Buckel an den Lötflächen festgelegt wird, und daß von einem Teil des Spaltrandes unter Ausnutzung der Kapillarkräfte so lange flüssiges Lot einfließen gelassen wird, bis der Spalt ganz ausgefüllt ist 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Buckel unterschiedlicher Höhe ein keilförmiger Spalt gebildet wird 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung wenigstens einer leicht balligen lötfläche ein Spalt gebildet wird, dessen Dicke zur Mitte der Lötfläche hin abnimmt 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Spaltdicke höchstens 200 um und die kleinste Spaltdicke mindestens 10 um beträgt Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächenhaften Verlöten zweier metallischer Körper mit wenigstens annähernd ebenen Lötflächen, bei dem die Lötflächen einander gegenübergestellt und der dabei gebildete Spalt mit Lot gefüllt werden.

   Zum Verlöten von Drähten oder zur Herstellung anderer, annähernd punktförmiger Lötstellen genügt es im allgemeinen, daß die zu verlötenden Oberflächen von störenden Deckschichten, insbesondere Oxidschichten, befreit und ausreichend hohe Temperaturen angewendet werden, so daß sich das flüssige Lot mit dem Metall der Lötflächen gut verbindet. Beim Verlöten von metallischen Körpern mit ausgedehnteren Lötflächen treten jedoch Probleme besonderer Art auf.

   Sollen z. B. für elektrische Kontakte Kontaktstücke aus einem Sintermetall auf das Metallband einer Stromschiene aufgelötet werden, so muß die Lötverbindung auch bei größerem Stromdurchgang stabil sein. So darf die Lötschicht zwischen den Lötflächen keine Verunreinigungen, insbesondere keine blasenförmigen Einschlüsse von Flußmittel und/oder Luft, enthalten, da dadurch der stromführende Querschnitt verkleinert und der elektrische Widerstand in der Lötschicht erhöht würde. Da gleichzeitig auch die Wärmeableitung verschlechtert würde, könnte sich die Lötschicht stark erwärmen und es schließlich zur Aufschmelzung der Lötverbindung kommen.

   Beim sogenannten Spaltlöten werden die zu verbindenden Körper mit ihren Lötflächen einander gegenübergestellt und der dabei gebildete Spalt mit Lot gefüllt. Werden ausgedehnte Körper miteinander verlötet, z. B. bei der Herstellung von Fahrradrahmen, so ist durch die Anordnung der Körper die Spaltdicke vorgegeben. Das Lot kann in diesem Fall seitlich an den Lötspalt angesetzt werden und schießt nach ausreichender Erhitzung der Lötflächen unter Ausnutzung der Kapillarkräfte in den Spalt ein. Bei kleineren Körpern jedoch, z. B. bei dem erwähnten Auflöten von Kontaktstücken auf Metallträgern, bereitet die Halterung der Körper und die Einstellung des Spaltes Schwierigkeiten. Dazu wird z. B. beim Induktionslöten, Flammenlöten oder Ofenlöten vor dem Erhitzen eine Schicht aus Lot, beispielsweise ein Lotband oder eine Lotpaste, zwischen die Lötflächen gelegt und die zu verbindenden Körper mit Haltevorrichtungen, sogenannten Niederhaltern, aneinander gedrückt Man kann auch so vorgehen, daß man eine oder beide Lötflächen zunächst mit einer Lotschicht überzieht und sodann die so vorbereiteten Lötflächen aneinander legt und gemeinsam erhitzt Die Dicke der Lotschicht in der fertigen Lötverbindung ist dabei von der Kraft abhängig, mit der die beiden Lötflächen aneinander gedrückt werden. Im allgemeinen wird für eine zuverlässige Lötverbindung eine Lotschichtdicke zwischen 50 und 100 um als vorteilhaft angesehen. Bei vorgegebener konstanter Auflagekraft der beiden Lötflächen können Streuungen in der Lotschichtdicke auftreten. Hinzu kommen Fertigungstoleranzen an den Lötflächen. Durch Schwankungen der Auflagekraft kann es dann zu größeren Schwankungen in der Lotschichtdicke und zu einem erhöhten Lotverbrauch kommen. Bei zu großer Auflagekraft wird ferner ein Teil des vorgesehenen Lotes beim Erwärmen seitlich aus dem Spalt herausgedrückt, was in der Regel ebenfalls unerwünscht ist, da sich z.B. die äußeren Abmessungen der Lotverbindung dadurch ändern.

   Außerdem besteht die Gefahr, daß blasenförmige Einflüsse von Luft und/oder Lötmittel in der Lotschicht eingeschmolzen werden. Röntgen- und Ultraschall-Messungen haben ergeben, daß bei derartigen Lötverbindungen in manchen Fällen 30% und mehr der Lötflächen mit derartigen Blasen bedeckt sind. Als Mindestanforderung für eine zuverlässige Lötverbindung wird es in vielen Fällen angesehen, daß derartige Einschlüsse nicht mehr als 30% der Lötfläche bedecken dürfen, wobei die Einschlüsse nicht in Form einer einzigen Blase und nicht in der Mitte der Lötfläche vorliegen sollen. Bei höheren Qualitätsanforderungen sollen die Einschlüsse über die Lötfläche verteilt und zusammen nicht mehr als 20% der Fläche einnehmen.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum flächenhaften Verlöten zweier metallischer Körper anzugeben, bei dem der Lotverbrauch möglichst klein gehalten wird. Gleichzeitig sollen auch blasenartige Einschlüsse, die die Qualität der Lötverbindung beeinträchtigen, möglichst vermieden werden.

   Dies wird erreicht durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art, bei dem die Spaltdicke durch wenigstens drei längs dem Spaltrand angeordnete Buckel an den Lötflächen festgelegt wird. Das Lot wird dadurch von einem Teil des Spaltrandes unter Ausnutzung der Kapillarkräfte so lange einfließen gelassen, bis der Spalt ganz ausgefüllt ist.

   Die Buckel können meist bereits bei der Formung der zu verlötenden Körper erzeugt werden. So kann z. B.