DE2723473B2 - Lötverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lötverfahren zur Herstellung einer Lötverbindung an den sich berührenden Oberflächen von zwei Grundmetallen, das besonders zum Löten großflächiger Lötverbindungen geeignet ist.

Zur Erläuterung des Standes der Technik wird auf die Fig. 1 und 2 eingegangen. In Fig. 1 ist als Beispiel eine großflächige Überlappungsverbindung von zwei Kupferstangen bzw. Kupferplatten dargestellt. Diese Lötverbindung umfaßt zwei Grundmetallplatten 1 und 2 aus Kupfer od. dgl. Zwischen den beiden Grundmetallplatten besteht ein Lötspalt 3.

Beim Löten einer Überlappungsverbindung ist es bisher üblich, die gesamte Verbindung gleichmäßig mittels einer Gasflamme, beispielsweise einer Propan-Sauerstoff-Flamnie, zu erwärmen, während ein Lötstreifen bzw. Lötblech im Lötspalt angeordnet ist oder während vom Rand der Verbindung Lötdraht zugeführt wird.

Bei diesem herkömmlichen Lötverfahren entstehen unverbundene Bereiche und unausgefüllte bzw. leere Bereiche im Lötspalt, so daß keine fehlerfreie Lötverbindung entsteht.

Fig. 2zeigtschematisch eine herkömmlich gelötete Verbindung, wie sie sich bei einer Untersuchung mit Hilfe von Röntgenstrahlen darstellt. Die Lötung weist durch das Lot stoffschlüssig miteinander verbundene Bereiche 4, nicht stoff schlüssig miteinander verbundene Bereiche 6, in denen sich jedoch Lot befindet, und leere Bereiche 7 auf, die das Lot nicht erreicht hat. Mit dem Bezugszeichen 5 ist das Grundmetall bezeichnet.

Beim herkömmlichen Löten liegt der Prozentanteil der stoffschlüssig verbundenen Bereiche in der Regel zwischen ungefähr 60 und 70%.

Selbst wenn gründlich mit einem geeigneten Flußmittel gearbeitet wird oder wenn die Lötung sorgfältig von einem erfahrenen Fachmann ausgeführt wird, erreicht der Porzentsatz der stoffschlüssig verbundenen Bereiche kaum mehr als ungefähr 80%.

Es wird angenommen, daß beim herkömmlichen • Löten das Gas und die vom Flußmittel hervorgerufenen Verunreinigungen im Lötspalt 3 bleiben und diesen so verstopfen, daß Gas und Verunreinigungen nicht austreten können, da alle Oberflächen der Verbindung gleichmäßig erwärmt werden, damit die opti-Ki male Temperatur erreicht wird, und da das Lot vom Rand des Lötspaltes 3 aus zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das herkömmliche Lötverfahren zu verbessern und insbesondere den Prozentsatz der stoffschlüssig verbundenen r> Bereiche zu erhöhen.

Das erfindungsgemäße Lötverfahren ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Lötverfahren zum Herstellen einer Lötverbindung an den sich berühren-2i) den Oberflächen von zwei Grundmetallen wird ein Rand der Grundmetalle so erwärmt, daß sich ein Temperaturgradient einstellt und die Temperatur allmählich von einer Seite zur entgegengesetzten Seite der Verbindung abnimmt und daß die Erwärmung auf r> eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes und unterhalb des Schmelzpunktes des Grundmetalls erfolgt. Das Lot wird entweder von der Seite mit der tieferen Temperatur in den Lölspalt zwischen den sich berührenden Oberflächen der Grundmetalle ι» zugeführt oder vor der Erwärmung im Lötspalt angeordnet.

Vorzugsweise wird beim Erwärmen als Wärmequelle ein weicher Plasmalichtbogen benutzt. Damit werden hervorragende Ergebnisse erzielt.
i) Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lötver-Ui bindung,

Fig. 2 die Beschaffenheit der Lötverbindung gemäß Fig. 1, wenn sie nach dem herkömmlichen Lötverfahren hergestellt wird,

Fig. 3 ein Diagramm, das den Temperaturverlauf Vi der Grundmetalloberflächen für verschiedene Wärmequellen zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, das den Temperaturanstieg an der beheizten Seite der Grundmetallplatten und an der entgegengesetzten Seite für verschiedene Wär-,Ii mequellen zeigt,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lötverfahrens,

Fig. 6 ein Diagramm, das ein Erwärmungsschema beim erfindungsgemäßen Lötverfahren zeigt,
-,-> Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lötverfahrens.

Beim erfindungsgemäßen Lötverfahren werden die Grundmetallplatten 1 und 2 so erwärmt, daß sich ein Mi geeignetes Temperaturgefälle von einer zur entgegengesetzten Seite der Lötverbindung ergibt. Das Lot breitet sich im Lötspalt 3 in Richtung zu höheren Temperaturen aus und tritt dabei mit den gesamten Oberflächen im Lötspalt in Kontakt. Gas und andere ι,-, Verunreinigungen werden vom geschmolzenen Lot fortlaufend aus dem Lötspalt ausgetrieben. Wenn als Wärmequelle zur Erwärmung der Grundmetallplat ten eine Gasflamme benutzt wird, ist die je Zeiteinheit

gelieferte Wärmemenge, d. h. die Wärmeleistung, nicht ausreichend. Bei einer großflächigen Lötverbindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, bei der die Grundmetallplatten aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Kupfer bestehen, ist es schwierig, bei Erwärmung der Lötverbindung von deren einer Seite aus die entgegengesetzte Seit auf Löttemperatur zu bringen und einen ausreichenden Temperaturgradienten zu erzielen. Daher müssen beim Löten alle Flächen der Lötverbindung gleichmäßig erwärmt werdisi, so daß die bereits oben beschriebenen Zustände hervorgerufen werden.

Um diese zu vermeiden, könnte in Betracht gezogen werden, daß durch Verwendung einer Wärmequelle mit hoher Wärmeleistung befriedigende Ergebnisse zu erzielen wären. Wenn mit einem mittels einer herkömmlichen sich nichtverbrauchenden Elektrode erzeugten Schweißlichtbogen, beispielsweise einem Wolfram-Inert-Gas-Lichtbogen, d. h. einem sogenannten WIG-Schweißlichtbogen, gearbeitet wird, ist die Wärmeleistung wesentlich größer als bei einer Gasflamme. Es ist jedoch auch die Wärmestromdichte wesentlich größer, so daß die Grundmetallplatten an der gerade erwärmten Stelle in unerwünschter Weise geschmolzen werden, bevor alle Oberflächen der Verbindung die Löttemperatur erreichen, selbst wenn der Schweißbrenner hin- und herbewegt wird. Wenn jedoch ein weicher Plasmalichtbogen als Wärmequelle benutzt wird, haben sowohl die Wärmeleistung als auch die Wärmestromdichte so geeignete Werte, daß die Grundmetallplatten der Verbindung auf geeignete Temperatur gebracht werden können und ein geeigneter Temperaturgradient erzeugt werden kann, ohne daß die Grundmetallplatten 1 und 2 geschmolzen werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zur Erläuterung des Vorstehenden den Verlauf der Temperatur des Grundmetalls.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Temperatur an den Oberflächen der Grundmetaliplatten nach Erwärmung während einer bestimmten, gleichen Zeit über der relativen Entfernung von der Mitte der Wärmequelle für verschiedene Wärmequellen dargestellt. Die relative Entfernung 0 bezeichnet die Mitte der Wärmequelle. Der Temperaturverlauf entspricht dem spezifischen Wärmeinhalt an der Oberfläche der jeweiligen Grundmetallplatte. Die Kurve α gibt den Temperaturverlauf bei Erwärmung durch eine Gasflamme an; die Kurve b gibt den Temperaturverlauf bei Erwärmung durch einen WIG-Schweißlichtbogen an, und die Kurve c gibt den Temperaturverlauf bei Erwärmung durch einen weichen Plasmalichtbogen an. Tm bezeichnet den Schmelzpunkt der Grundmetallplatten 1 und 2.

Fig. 3 läßt erkennen, daß bei Erwärmung durch eine Gasflamme die Erwärmung gering ist und die Wärmeverteilungskurve flach ist. Bei Erwärmung durch einen WIG-Schweißlichtbogen ist die Erwärmungstellenweise zu groß, so daß die Temperatur der Grundmetallplatten unmittelbar vor der Wärmequelle höher als die Schmelztemperatur des Grundnietalls ist.

Bei Erwärmung durch einen weichen Plasmalichtbogen werden große Wärmemengen zugeführt, wobei jedoch der spezifische Wärmeinhalt innerhalb geeigneter Grenzen bleibt.

Fig. 4 zeigt den Temperaturanstieg der Grundmetallplatten über die Zeit bei Erwärmung eines Endes der in Fig. 1 dargestellten Verbindung in der Weise, daß die jeweilige Wärmequelle hin- und herbewegt wird. Dargestellt sind der Temperaturverlauf an der Seite, an der die Wärme zugeführt wird, und der Temperaturverlauf an der der Wärmequelle gegenüberliegenden Seite, an der das Lot zugeführt wird.

Die Kurven a, und a₂ geben den Temperaturverlauf auf der beheizten Seite ^a₁) und auf der Lotzuführseite (a₂) für Erwärmung mittels einer Gasflamme wieder. Die Kurven Z>, und b₂ geben den Temperaturverlauf auf der beheizten Seite (i>,) und auf der Lotzuführseite (/>,) für Erwärmung mittels eines WIG-Schweißlichtbogens wieder. Die Kurven C₁ und C₂ geben den Temperaturverlauf auf der beheizten Seite (C₁) und auf der Lotzuführseite (C₂) für Erwärmung mittels eines weichen Plasmalichtbogens wieder. T₀ bezeichnet die Mindestlöttemperatur.

Wenn eine großflächige Verbindung mittels einer Gasflamme von einer Seite aus erwärmt wird, ist die Wärmemenge selbst auf der beheizten Seite gering, so daß es lange dauert, bis die beheizte Seite die Mindestlöttemperatur T₀ erreicht. Auf der Lotzuführseite kann selbst bei lange dauernder Wärmezufuhr kaum die Mindestlöttemperatur T₀ erreicht werden, da durch Wärmeleitung und Strahlung starke Wärmeverluste auftreten.

Wenn andererseits die Erwärmung mittels eines WIG-Schweißlichtbogens erfolgt, steigt die Temperatur der Verbindung schnell an. Allerdings übersteigt die Temperatur der Grundmetallplatte auf der beheizten Seite die Schmelztemperatur Tm des Grundmetalls, so daß dieses schmilzt, bevor auf der Lotzuführseite die Mindestlöttemperatur T_n erreicht wird.

Wenn dagegen die Erwärmung mittels eines weichen Plasmalichtbogens erfolgt, können sowohl die Temperatur der Verbindung auf der beheizten Seite als auch die Temperatur der Verbindung auf der Lotzuführseite schnell erhöht werden, und die Temperatur auf der Lotzuführseite kann über die Mindestlöttemperatur T₁₁ gebracht werden, ohne daß die Temperatur auf der beheizten Seite über Tm steigt, während gleichzeitig ein geeigneter Temperaturgradient besteht.

Fig. 5 erläutert das erfindungsgemäße Lötverfahren. Dabei wird zur Herstellung einer fehlerfreien Lötverbindung ein weicher Plasmalichtbogen benutzt.

In Fig. 5 sind außer den Grundmetallplatten 1 und 2 ein Plasmabrenner 20 zur Erzeugung eines weichen Plasmalichtbogens sowie ein Lötdraht 21 dargestellt. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird der Plasmabrenner 20 in Längsreichtung des Randes der Verbindung (in Richtung der Pfeile A) hin- und herbewegt, so daß eine längliche Wärmequelle besteht. Dadurch wird die gesamte Randfläche der Verbindung gleichmäßig erwärmt. Der Temperaturgradienst von der beheizten Seite zur gegenüberliegenden Seite sorgt für schnelle Erwärmung auf die Löttemperatur.

Zum Löten wird das Ende des Lötdrahtes 21 auf der Lotzuführseite angesetzt, und bei Beginn des Schmelzens wird der Lötdraht in Richtung der Pfeile B und des Pfeiles C bewegt, so daß das Lot von der Lotzuführseite aus in den Lötspalt eindringt.

Das Löten wird fortgesetzt, bis an der Randfläche auf ('er beheizten Seite etwas geschmolzenes Lot austritt. Auf diese Weise wird schnell und zuverlässig eine fehlerfreie Lötverbindung hergestellt, deren stoffschlüssig miteinander verbundene Bereiche annähernd 100% ausmachen.

Die Wärmeleistung des weichen Plasmalichtbogens kann über den Lichtbogenstrom und die Lichtbogenspannung genau gesteuert werden, so daß der Lötvorgang auch automatisiert werden kann und ein hohes Maß von Reproduzierbarkeit hat.

Fig. 6 zeigt ein Schema beim automatischen Löten. Es ist der zeitliche Verlauf des Lichtbogenstromes in Abhängigkeit von der Erwärmungszeit dargestellt.

In Fig. 6 bezeichnet / den gesteuerten Lichtbogenstrom; f, bezeichnet die Zeitdauer, während der der Lichtbogenstrom auf dem Wert Z₁ gehalten wird, damit die Verbindung die Löttemperatur erreicht; I_x-I₂ bezeichnet die Zeitdauer, während der der Lichtbogenstrom auf dem Wert I₂ gehalten wird, nachdem die Löttemperatur erreicht ist, damit ein geeigneter Temperaturgradient und die Löttemperatur gehalten werden, bis der Lötvorgang beendet ist und der Lichtbogen gelöscht wird.

In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele für die Werte der beim Löten zu steuernden Größen für Lötverbindungen mit unterschiedlichen Dicken und gleichen Verbindungsflächen angegeben.

Dicke der	Steuergrößen	Ί	ι,	(see)
Platten (mm)	>,	(see)	(A)	55
	(A)	40	70	65
2- 2	90	50	160	75
6- 6	190	60	180	85
15- 6	200	70	190
15-15	220

Verbindungsfläche jeweils 1500 mm²

Am Ende des Lötvorgangs wird eine Änderung der Lichtbogenspannung um einige zehn Prozent festgestellt, die durch den Austritt geschmolzenen Lotes an der Randfläche auf der beheizten Seite hervorgerufen wird. Wenn diese Änderung festgestellt wird, wird der Lichtbogen gelöscht und die Zufuhr von Lötdraht 21 beendet.

Der Lötvorgang kann vollständig automatisiert werden, indem der vorstehend erwähnte automatische Abschaltmechanismus mit einem automatischen Zuführmechanismus kombiniert wird, der die Lotzufuhr zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem festgestellt wird, daß das mit der Randfläche auf der Lotzuführseite in Berührung stehende Ende des Lötdrahtes 21 zu schmelzen beginnt.

Vorstehend wurde eine große Lötverbindung mit verhältnismäßig großem Volumen erläutert. Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Lötverfahren mit erheblichem Nutzen sowohl bei Überlappungsverbindungen als auch bei Stoßverbindungen angewendet werden kann.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Lötverfahrens bei der Herstellung einer gelöteten Stoßverbindung.

Wenn ein Lötblech oder Lötstreifen in den Lötspalt eingelegt wird, kann auch in diesem Fall der Temperaturgradient in der Verbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, so daß sich eine gerichtete Ausbreitung des geschmolzenen Lotes im Lötspalt der Verbindung ergibt. Auch hier werden somit erhebliche Qualitätsverbesserungen im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren erreicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Lötverfahren zum Löten von zwei großflächig in Berührung stehenden Grundmetallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmetalle an der Lötfläche von einer Seite her auf eine Löttemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes und unterhalb des Schmelzpunktes des Grundmetalls erwärmt werden und dabei ein solcher Temperaturgradient erzeugt wird, daß die Temperatur von der einen zur gegenüberliegenden Seite der Lötfläche allmählich abnimmt, wobei das Lot von der Seite mit der tieferen Temperatur in den Lötspalt zwischen den Grundmetallen zugeführt wird oder vor der Erwärmung im Lötspalt angeordnet wird.

2. Lötverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle ein weicher Plasmalichtbogen benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der sich berührenden Oberflächen mittels eines weichen Plasmalichtbogens erwärmt wird, der entlang des Lötspaltes zwischen den sich berührenden Oberflächen hin- und herbewegt wird.