Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen

1. Lötbarkeit

Die Lötbarkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist schlecht, hauptsächlich aufgrund der schwer zu entfernenden Oxidschicht auf der Oberfläche. Aluminium besitzt eine hohe Affinität zu Sauerstoff und bildet daher leicht eine dichte, stabile und hochschmelzende Oxidschicht (Al₂O₃) auf der Oberfläche. Gleichzeitig bilden magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen ebenfalls eine sehr stabile Oxidschicht (MgO). Diese behindert die Benetzung und Ausbreitung des Lotes erheblich und ist schwer zu entfernen. Beim Löten ist daher die Verwendung eines geeigneten Flussmittels unerlässlich.

Zweitens ist das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen schwierig. Der Schmelzpunkt von Aluminium und Aluminiumlegierungen unterscheidet sich kaum von dem des verwendeten Lötmetalls. Der zulässige Temperaturbereich zum Hartlöten ist sehr eng. Bereits geringfügige Temperaturfehler können zu Überhitzung oder gar zum Schmelzen des Grundwerkstoffs führen und den Lötprozess erheblich erschweren. Einige durch Wärmebehandlung gehärtete Aluminiumlegierungen können durch die Erhitzung beim Hartlöten Erweichungserscheinungen wie Überalterung oder Glühen zeigen, was die Eigenschaften der Lötverbindungen beeinträchtigt. Beim Flammlöten ist die Temperaturkontrolle schwierig, da sich die Farbe der Aluminiumlegierung während des Erhitzens nicht verändert. Dies erhöht die Anforderungen an die Fachkompetenz des Bedieners.

Darüber hinaus wird die Korrosionsbeständigkeit von Lötverbindungen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen maßgeblich durch Lötmetalle und Flussmittel beeinträchtigt. Das Elektrodenpotenzial von Aluminium und Aluminiumlegierungen unterscheidet sich deutlich von dem des Lötmetalls, was die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung, insbesondere bei Weichlötverbindungen, verringert. Hinzu kommt, dass die meisten Flussmittel, die beim Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet werden, stark korrosiv sind. Selbst nach der Reinigung nach dem Löten lässt sich der Einfluss der Flussmittel auf die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungen nicht vollständig beseitigen.

2. Lötmaterial

(1) Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist ein selten angewandtes Verfahren, da sich die Zusammensetzung und das Elektrodenpotenzial von Lötmetall und Grundwerkstoff stark unterscheiden, was leicht zu elektrochemischer Korrosion der Lötstelle führen kann. Beim Weichlöten werden hauptsächlich Zinklote und Zinn-Blei-Lote verwendet, die je nach Temperaturbereich in Niedertemperaturlote (150–260 °C), Mitteltemperaturlote (260–370 °C) und Hochtemperaturlote (370–430 °C) unterteilt werden. Durch die Verwendung von Zinn-Blei-Lot und eine vorherige Kupfer- oder Nickelbeschichtung der Aluminiumoberfläche vor dem Hartlöten kann Korrosion an der Lötstelle verhindert und somit die Korrosionsbeständigkeit der Verbindung verbessert werden.

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen findet breite Anwendung, beispielsweise bei Filterführungen, Verdampfern, Kühlern und anderen Bauteilen. Zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen eignen sich ausschließlich Lote auf Aluminiumbasis, wobei Aluminium-Silizium-Lote am häufigsten verwendet werden. Die spezifischen Anwendungsbereiche und die Scherfestigkeit der Lötverbindungen sind in Tabelle 8 bzw. Tabelle 9 dargestellt. Da der Schmelzpunkt dieses Lotes nahe am Schmelzpunkt des Grundmetalls liegt, muss die Heiztemperatur während des Lötprozesses streng und präzise kontrolliert werden, um eine Überhitzung oder gar das Schmelzen des Grundmetalls zu vermeiden.

Tabelle 8: Anwendungsbereich von Lötmetallen für Aluminium und Aluminiumlegierungen

Tabelle 9 Scherfestigkeit von Aluminium- und Aluminiumlegierungsverbindungen, die mit Aluminium-Silizium-Lotmetallen gelötet wurden

Aluminium-Silizium-Lot wird üblicherweise als Pulver, Paste, Draht oder Blech geliefert. In manchen Fällen kommen Lötverbundplatten zum Einsatz, die aus einem Aluminiumkern und Aluminium-Silizium-Lot als Ummantelung bestehen. Diese Lötverbundplatten werden hydraulisch hergestellt und häufig beim Hartlöten von Bauteilen verwendet. Beim Hartlöten schmilzt das Lot auf der Verbundplatte und fließt unter dem Einfluss von Kapillarwirkung und Schwerkraft in den Lötspalt.

(2) Flussmittel und Schutzgas für das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Zur Entfernung des Schutzfilms wird häufig ein Spezialflussmittel verwendet. Organische Flussmittel auf Triethanolaminbasis, wie z. B. FS204, kommen bei Weichlöten mit niedrigen Temperaturen zum Einsatz. Der Vorteil dieses Flussmittels liegt in seiner geringen Korrosionswirkung auf das Grundmetall. Allerdings entsteht dabei eine große Menge Gas, was die Benetzung und Versiegelung des Lötmittels beeinträchtigen kann. Reaktive Flussmittel auf Zinkchloridbasis, wie z. B. FS203 und FS220a, werden bei Weichlöten mit mittleren und hohen Temperaturen verwendet. Diese reaktiven Flussmittel sind stark korrosiv, und ihre Rückstände müssen nach dem Hartlöten entfernt werden.

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird derzeit noch maßgeblich durch die Entfernung des Flussmittelfilms bestimmt. Als Flussmittel kommen chlorid- und fluoridbasierte Lösungen zum Einsatz. Chloridbasierte Flussmittel entfernen Oxidschichten effektiv und weisen eine gute Fließfähigkeit auf, wirken jedoch stark korrosiv auf das Grundmetall. Ihre Rückstände müssen nach dem Hartlöten vollständig entfernt werden. Fluoridbasierte Flussmittel stellen eine neue Art von Flussmittel dar, die Oxidschichten gut entfernen und das Grundmetall nicht korrodieren. Allerdings besitzen sie einen hohen Schmelzpunkt und eine geringe thermische Stabilität und sind daher nur für Aluminium-Silizium-Lot geeignet.

Beim Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird häufig Vakuum, eine neutrale oder inerte Atmosphäre verwendet. Beim Vakuumlöten sollte der Vakuumgrad im Allgemeinen in der Größenordnung von 10⁻³ Pa liegen. Wird Stickstoff oder Argon als Schutzgas verwendet, muss dessen Reinheit sehr hoch sein und der Taupunkt unter -40 °C liegen.

3. Löttechnologie

Das Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen stellt hohe Anforderungen an die Oberflächenreinigung des Werkstücks. Um eine gute Qualität zu erzielen, müssen Ölflecken und Oxidschichten vor dem Hartlöten entfernt werden. Ölflecken werden mit wässriger Na₂CO₃-Lösung bei 60–70 °C für 5–10 Minuten entfernt, anschließend wird mit klarem Wasser gespült. Die Oxidschicht kann durch Ätzen mit wässriger NaOH-Lösung bei 20–40 °C für 2–4 Minuten entfernt werden, anschließend wird mit heißem Wasser abgespült. Nach dem Entfernen von Ölflecken und Oxidschichten wird das Werkstück 2–5 Minuten lang mit wässriger HNO₃-Lösung poliert, anschließend unter fließendem Wasser gespült und abschließend getrocknet. Das so behandelte Werkstück darf nicht mit anderen Verunreinigungen in Berührung kommen und sollte innerhalb von 6–8 Stunden hartgelötet werden. Idealerweise wird sofort nach der Behandlung hartgelötet.

Die Lötverfahren für Aluminium und Aluminiumlegierungen umfassen hauptsächlich das Flammlöten, das Löten mit dem Lötkolben und das Ofenlöten. Diese Verfahren verwenden in der Regel Flussmittel und stellen hohe Anforderungen an Heiztemperatur und Haltezeit. Beim Flammlöten und Löten mit dem Lötkolben darf das Flussmittel nicht direkt von der Wärmequelle erhitzt werden, um Überhitzung und damit verbundene Schäden zu vermeiden. Da sich Aluminium in weichem Lot mit hohem Zinkgehalt auflösen kann, muss die Erhitzung nach der Lötverbindung gestoppt werden, um Korrosion des Grundmetalls zu verhindern. In manchen Fällen wird beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen auf Flussmittel verzichtet; stattdessen wird die Oxidschicht durch Ultraschall oder Abschaben entfernt. Beim Abschaben wird das Werkstück zunächst auf die Löttemperatur erhitzt und anschließend die Lötstelle mit dem Ende eines Lötstabs (oder eines Schabers) abgeschabt. Beim Aufbrechen der Oxidschicht schmilzt das Lot und benetzt das Grundmetall.

Zu den Lötverfahren für Aluminium und Aluminiumlegierungen zählen im Wesentlichen Flammlöten, Ofenlöten, Tauchlöten, Vakuumlöten und Schutzgaslöten. Flammlöten wird vorwiegend für kleine Werkstücke und die Einzelteilfertigung eingesetzt. Um ein Versagen des Flussmittels durch Kontakt mit Verunreinigungen im Acetylen beim Einsatz einer Autogenflamme zu vermeiden, empfiehlt sich die Verwendung einer Benzin-Druckluftflamme mit geringer Reduktionsfähigkeit, um die Oxidation des Grundwerkstoffs zu verhindern. Beim Löten können Flussmittel und Lot vorab an der Lötstelle platziert und zusammen mit dem Werkstück erhitzt werden. Alternativ kann das Werkstück zunächst auf Löttemperatur erhitzt werden, bevor das mit Flussmittel getränkte Lot an die Lötstelle geführt wird. Nach dem Aufschmelzen von Flussmittel und Lot wird die Heizflamme langsam entfernt, sobald das Lot gleichmäßig verteilt ist.

Beim Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen in einem Heißluftofen muss das Lötmetall vorbereitet werden. Das Flussmittel wird in destilliertem Wasser zu einer dickflüssigen Lösung mit einer Konzentration von 50 % bis 75 % aufgelöst und anschließend auf die Lötfläche aufgetragen oder aufgesprüht. Alternativ kann auch eine geeignete Menge pulverförmiges Flussmittel auf das Lötmetall und die Lötfläche aufgetragen werden. Anschließend wird das Werkstück zum Erhitzen in den Ofen gegeben. Um ein Überhitzen oder gar Schmelzen des Grundwerkstoffs zu verhindern, muss die Heiztemperatur streng kontrolliert werden.

Lötpaste oder Lötfolie wird üblicherweise zum Tauchlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet. Das Werkstück muss vor dem Löten vorgewärmt werden, um seine Temperatur nahe an die Löttemperatur zu bringen, und anschließend in das Lötflussmittel eingetaucht werden. Während des Lötens müssen Löttemperatur und Lötzeit genau kontrolliert werden. Ist die Temperatur zu hoch, löst sich das Grundmaterial leicht auf und das Lot geht verloren; ist die Temperatur zu niedrig, schmilzt das Lot nicht ausreichend und die Lötgeschwindigkeit sinkt. Die Löttemperatur richtet sich nach Art und Größe des Grundmaterials, der Zusammensetzung und dem Schmelzpunkt des Lotes und liegt im Allgemeinen zwischen der Liquidustemperatur des Lotes und der Solidustemperatur des Grundmaterials. Die Tauchzeit des Werkstücks im Flussmittelbad muss sicherstellen, dass das Lot vollständig schmilzt und fließt, und die Haltezeit sollte nicht zu lang sein. Andernfalls kann das im Lot enthaltene Silizium in das Grundmaterial diffundieren und dieses in der Nähe der Lötnaht spröde machen.

Beim Vakuumlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen werden häufig Metallaktivatoren eingesetzt, um die Oberflächenoxidschicht des Aluminiums zu modifizieren und die Benetzung und Ausbreitung des Lotes zu gewährleisten. Magnesium kann direkt in Partikelform auf das Werkstück aufgebracht, als Dampf in die Lötzone eingeleitet oder dem Aluminium-Silizium-Lot als Legierungselement beigemischt werden. Bei Werkstücken mit komplexer Struktur werden zur Gewährleistung der vollen Wirkung des Magnesiumdampfes auf das Grundmetall und zur Verbesserung der Lötqualität oft lokale Schutzmaßnahmen ergriffen. Dabei wird das Werkstück zunächst in einen Edelstahlbehälter (Prozessbehälter) gelegt und anschließend zum Löten in einen Vakuumofen gegeben. Vakuumgelötete Aluminium- und Aluminiumlegierungsverbindungen weisen eine glatte Oberfläche und dichte Lötstellen auf und müssen nach dem Löten nicht gereinigt werden. Allerdings sind Vakuumlötanlagen teuer, und der Magnesiumdampf verschmutzt den Ofen stark, sodass dieser regelmäßig gereinigt und gewartet werden muss.

Beim Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen in neutraler oder inerter Atmosphäre kann Magnesiumaktivator oder -flussmittel zur Entfernung des Films verwendet werden. Bei Verwendung von Magnesiumaktivator ist die benötigte Magnesiummenge deutlich geringer als beim Vakuumlöten. Im Allgemeinen liegt der Anteil an Magnesium (w) bei etwa 0,2 % bis 0,5 %. Ein zu hoher Magnesiumgehalt kann die Qualität der Lötverbindung beeinträchtigen. Das NOCOLOK-Lötverfahren mit Fluoridflussmittel und Stickstoffschutz ist ein in den letzten Jahren rasant entwickeltes Verfahren. Da Fluoridflussmittelrückstände keine Feuchtigkeit aufnehmen und nicht korrosiv gegenüber Aluminium sind, kann auf die Entfernung der Flussmittelrückstände nach dem Löten verzichtet werden. Unter Stickstoffschutz genügt eine geringe Menge Fluoridflussmittel, wodurch das Lot den Grundwerkstoff gut benetzt und hochwertige Lötverbindungen erzielt werden können. Das NOCOLOK-Lötverfahren wird bereits in der Serienfertigung von Aluminiumkühlern und anderen Bauteilen eingesetzt.

Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen, die mit anderen Flussmitteln als Fluorid-Flussmitteln gelötet wurden, müssen die Flussmittelreste nach dem Löten vollständig entfernt werden. Rückstände organischer Flussmittel für Aluminium können mit organischen Lösungen wie Methanol und Trichlorethylen abgewaschen, mit wässriger Natronlauge neutralisiert und abschließend mit heißem und kaltem Wasser gespült werden. Chlorid-Flussmittelreste für Aluminium können wie folgt entfernt werden: Zuerst 10 Minuten in 60–80 °C heißem Wasser einweichen, die Rückstände an der Lötstelle vorsichtig mit einer Bürste entfernen und anschließend mit kaltem Wasser abspülen. Danach 30 Minuten in 15%iger Salpetersäure einweichen und abschließend mit kaltem Wasser abspülen.