Hartlöten

Beim Löten verbindet man Metalle mit einem geschmolzenen Zusatzwerkstoff, dem Lot. Entscheidend: Das Lot schmilzt, die zu verbindenden Teile – der Grundwerkstoff – bleiben fest. Genau das unterscheidet Löten vom Schweißen, bei dem der Grundwerkstoff selbst aufgeschmolzen wird.

Die Grenze zwischen Weich- und Hartlöten zieht man bei der Schmelztemperatur des Lots:

• Weichlöten: Lot schmilzt unter 450 °C
• Hartlöten: Lot schmilzt über 450 °C

Hartlöten ergibt deutlich festere Verbindungen als Weichlöten, weil das Lot bei höherer Temperatur stärker mit dem Grundwerkstoff legiert. Typische Hartlote arbeiten zwischen etwa 600 °C und 900 °C, manche darüber.

Zur Einordnung gegenüber verwandten Verfahren: Das Weichlöten mit niedrig schmelzenden Loten ist ein eigenes Thema, ebenso das Löten in der Elektronik, wo es auf ganz andere Anforderungen ankommt. Beim Schweißen schmilzt der Grundwerkstoff mit auf – die Verbindung ist stoffschlüssig aus einem Guss, braucht aber mehr Wärmeeintrag und verzieht die Teile stärker. Hartlöten liegt dazwischen: fest wie eine geschweißte Naht in vielen Anwendungen, aber materialschonender, weil der Grundwerkstoff fest bleibt.

Damit Lot überhaupt hält, muss es den Grundwerkstoff benetzen. Benetzen heißt: Das flüssige Lot breitet sich auf der Oberfläche aus und haftet daran, statt wie ein Wassertropfen auf Fett abzuperlen. Voraussetzung dafür ist eine saubere, oxidfreie Oberfläche – genau dafür sorgt später das Flussmittel.

Ist die Oberfläche benetzbar and der Spalt eng genug, zieht sich das Lot von selbst in den Spalt hinein. Dieser Effekt heißt Kapillarwirkung: In engen Spalten wirken Kräfte zwischen Flüssigkeit und Wand, die das Lot entgegen der Schwerkraft auch nach oben oder zur Seite in den Spalt saugen. Je enger der Spalt, desto stärker dieser Sog – das ist der Grund, warum das Spaltmaß beim Hartlöten so wichtig ist.

An der Grenzfläche zwischen Lot und Grundwerkstoff läuft schließlich Diffusion ab: Atome des Lots dringen in den Grundwerkstoff ein und umgekehrt. Es bildet sich eine dünne Legierungszone, die beide Werkstoffe stoffschlüssig verbindet. Diese Zone hält oft mehr aus als das erstarrte Lot in der Spaltmitte – deshalb versagt eine saubere Lötstelle selten direkt an der Grenzfläche.

Das Spaltmaß ist der Abstand zwischen den beiden Fügeteilen. Es entscheidet maßgeblich über die Qualität der Verbindung. Bei den meisten Hartlötverbindungen liegt das günstige Spaltmaß im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 mm – also sehr eng.

Der Grund liegt in der Kapillarwirkung aus dem vorigen Kapitel: Ist der Spalt zu weit, reicht der Kapillarsog nicht aus, das Lot füllt den Spalt nicht vollständig, und es bleiben Hohlräume. Ist der Spalt zu eng, kann das Lot nicht mehr richtig einfließen, und auch das Flussmittel kommt nicht überall hin.

Ein Punkt, der in der Praxis gern übersehen wird: Das Spaltmaß ändert sich mit der Temperatur. Werden die Teile auf Löttemperatur erhitzt, dehnen sie sich aus – und zwar unterschiedlich, wenn die Fügeteile aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Wie stark sich eine Länge bei Erwärmung ausdehnung, beschreibt die Wärmeausdehnung: Jeder Werkstoff dehnt sich pro Grad Temperaturanstieg um einen bestimmten Anteil seiner Länge aus. Dieser Anteil ist der längenbezogene Wärmeausdehnungskoeffizient.

Wenn zum Beispiel ein Bauteil aus Aluminium (großer Ausdehnungskoeffizient) in einem Bauteil aus Stahl (kleinerer Koeffizient) gelötet wird, vergrößert oder verkleinert sich der Spalt beim Erhitzen je nach Anordnung deutlich. Wer das ignoriert, stellt bei Raumtemperatur einen schönen Spalt ein, hat aber bei Löttemperatur entweder Presssitz oder einen viel zu weiten Spalt.

Hartlote werden nach ihrem Hauptbestandteil in Gruppen eingeteilt. Die normgerechte Benennung und Klassifizierung der Hartlote regelt ÖNORM EN ISO 17672. Über diese Bezeichnung lässt sich aus einer Zeichnungsvorgabe das passende Lot eindeutig auswählen.

Die wichtigsten Gruppen in der Praxis:

Wichtig ist der Unterschied zwischen Schmelzbereich und Arbeitstemperatur: Viele Lote schmelzen nicht bei einer einzigen Temperatur, sondern in einem Bereich. Die Arbeitstemperatur ist die Temperatur, bei der das Lot ausreichend dünnflüssig ist, um sauber in den Spalt zu fließen – sie liegt am oberen Ende des Schmelzbereichs oder leicht darüber.

Das Flussmittel hat eine klare Aufgabe: Es löst die Oxidschicht auf der Metalloberfläche, hält neue Oxidbildung während des Erhitzens fern und fördert so die Benetzung. Ohne Flussmittel benetzt das Lot eine oxidierte Oberfläche nicht. Hartlöt-Flussmittel sind nach EN 1045 klassifiziert; sie sind auf die höheren Arbeitstemperaturen des Hartlötens abgestimmt.

Es gibt Fälle, in denen kein Flussmittel nötig ist: Beim Löten von Kupfer mit Kupfer-Phosphor-Loten wirkt der Phosphor selbst desoxidierend. Und beim Ofenlöten unter Schutzgas oder im Vakuum verhindert die Atmosphäre die Oxidbildung, sodass auch hier auf Flussmittel verzichtet werden kann.

Hartlöten lässt sich auf verschiedene Arten ausführen – der Unterschied liegt vor allem darin, wie die Wärme ins Werkstück kommt.

Beim Flammlöten erhitzt ein Brenner mit Brenngas und Sauerstoff (oder Druckluft) die Fügestelle. Das ist das flexibelste Verfahren für Einzelteile und Reparaturen, etwa im Installationsbereich oder im Anlagenbau. Der Lötende steuert Temperatur und Wärmeverteilung von Hand.

Beim Ofenlöten wandern die vorbereiteten Teile mit aufgelegtem Lot durch einen Ofen. Oft geschieht das unter Schutzgas oder im Vakuum, sodass kein Flussmittel nötig ist. Das eignet sich für große Stückzahlen mit gleichbleibender Qualität.

Beim Induktionslöten erzeugt eine stromdurchflossene Spule ein Wechselfeld, das die Fügestelle berührungslos und sehr schnell erwärmt. Vorteil: gezielte, örtlich begrenzte Erwärmung, gut automatisierbar.

Beim Widerstandslöten fließt Strom durch die Fügestelle, der elektrische Widerstand erzeugt die Wärme direkt dort, wo sie gebraucht wird – ähnlich dem Prinzip beim Punktschweißen, aber mit Lot.

Der grundsätzliche Ablauf ist bei allen Verfahren gleich:

1. Fügeflächen mechanisch und chemisch reinigen – fettfrei und blank.
2. Spaltmaß einstellen, Teile fixieren.
3. Flussmittel auftragen (außer bei flussmittelfreien Verfahren).
4. Gleichmäßig auf Arbeitstemperatur erwärmen – beide Teile, nicht nur das Lot.
5. Lot zugeben; die Kapillarwirkung zieht es in den Spalt.
6. Kontrolliert abkühlen lassen, Verbindung nicht bewegen.
7. Flussmittelreste entfernen, da viele Flussmittel korrosiv wirken.

Ein häufiger Anfängerfehler: das Lot direkt mit der Flamme zu schmelzen, statt das Werkstück auf Temperatur zu bringen. Das Lot muss am erhitzten Werkstück abschmelzen, sonst fließt es nicht in den Spalt, sondern bildet einen aufgesetzten Klumpen.

Eine Hartlötnaht wird in der Regel auf Scherung beansprucht – die beiden Fügeteile wollen sich gegeneinander verschieben, und die Lötfläche hält dagegen. Die Beanspruchung lässt sich über die Scherspannung abschätzen: Kraft bezogen auf die tragende Lötfläche.

Daraus folgt die wichtigste Konstruktionsregel beim Hartlöten: Verbindungen werden als Überlappung ausgeführt, nicht als Stumpfstoß. Eine Überlappung bietet eine große Lötfläche, sodass die Scherspannung niedrig bleibt. Ein Stumpfstoß hätte nur die kleine Querschnittsfläche – die Spannung würde dort schnell zu hoch.

Typische Fehler an der Lötstelle:

• Kalte Stelle: Werkstück nicht ausreichend erwärmt, Lot benetzt nicht, keine Bindung.
• Lot fließt nicht in den Spalt: Spalt zu weit, fehlendes oder verbrauchtes Flussmittel, oxidierte Oberfläche.
• Flussmitteleinschlüsse: eingeschlossene Flussmittelreste im Spalt schwächen die Naht und können später korrodieren.

Zur Arbeitssicherheit: Beim Flammlöten wird mit Gasflaschen und offener Flamme gearbeitet. Flaschen müssen gegen Umfallen gesichert und vor Hitze geschützt sein, Schläuche und Armaturen sind regelmäßig auf Dichtheit zu prüfen. Beim Erhitzen von Flussmitteln und Loten entstehen Dämpfe, die nicht eingeatmet werden dürfen – an stationären Arbeitsplätzen ist eine Absaugung vorzusehen. Verwendet werden heute cadmiumfreie Lote, da Cadmiumdämpfe besonders giftig sind. Schutzbrille gegen Spritzer und die Blendwirkung sowie hitzebeständige Handschuhe gehören zur Grundausstattung.