Da die Kupfer- und Silberpreise weiterhin hoch sind, stellen Hersteller von Kälte- und Klimatechnikgeräten Gehäuse, Verteiler, Filterkörper und Verbindungsstücke von Kupfer auf Edelstahl um. Die verbleibenden Kupferrohre müssen jedoch weiterhin mit Edelstahl verbunden werden. Dieser Leitfaden erläutert die Unterschiede zu Kupfer-Kupfer-Verbindungen, welche Verbindungen mit kostengünstigem Messing-Füllmaterial hergestellt werden können, welche Silber benötigen und wie sich Induktions- und Flammenheizung verhalten.
Warum sich die beiden Metalle so unterschiedlich verhalten
Die Wärmeausdehnung von Edelstahl 304 (ca. 17.2 µm/m·K) und Kupfer (ca. 16.8 µm/m·K) ist nahezu gleich, daher ist die unterschiedliche Wärmeausdehnung nicht das Hauptproblem. Vielmehr liegt das Problem im Wärmefluss und der Oberflächenchemie.
| Eigenschaft | Kupfer (C12200) | Edelstahl 304 / 304L | Was das im Gelenk bedeutet |
|---|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit, W/mK | ~ 385 | ~ 16 | Kupfer leitet Wärme ab; Edelstahl speichert lokal die Hitze. |
| Elektrischer Widerstand, µΩ·cm | ~ 1.7 | ~ 72 | Edelstahl lässt sich durch Induktion leicht erhitzen; Kupfer hingegen schlecht. |
| Oberflächenfilm | Cu2O / CuO, leicht zu fließen | Cr2O3 Passivschicht | Edelstahl benötigt ein stärkeres Flussmittel und eine schnelle Benetzung. |
| Schmelzpunkt, °C | 1083 | 1400-1450 | Beide weit über jedem Lötmittel. |
Ein praktisches Ergebnis: Bei gleichmäßiger Erwärmung erreicht die Kupferseite zuerst die gewünschte Temperatur, das Füllmaterial schmilzt dort, während die Edelstahlseite noch zu kühl ist, um benetzt zu werden. Das Füllmaterial bildet dann eine Wulst auf dem Kupfer und verbindet sich nicht mit dem Stahl. Ungleichmäßige Erwärmung ist die häufigste Ursache für eine Verbindung, die zwar optisch einwandfrei aussieht, sich aber später wieder löst.
Wahl des Füllmaterials: Wann Messing akzeptabel ist und wann Silber benötigt wird
| Füllstoff | Typischer Durchflussbereich | Anwendung bei Edelstahl-Kupfer-Verbindungen | Achten Sie auf |
|---|---|---|---|
| BAg-7 (56% Ag, Sn-haltig, Cd-frei) | ~650–760°C | Kältemittelleitungen, dünne Wände, hermetische Verbindungen | Höchste Füllstoffkosten; ausgezeichnete Fließfähigkeit auf Edelstahl |
| BAg-28 (40% Ag) | ~680–790°C | Guter Kompromiss zwischen Kosten und Durchfluss | Etwas größerer Schmelzbereich |
| BAg-5 (45% Ag, Cu-Zn) | ~745–870°C | Allgemeiner Service, größere Lücken | Zinkrauch am oberen Ende |
| RBCuZn-A / RBCuZn-D (Messing / Neusilber) | ~900–980°C | Dickere Wände, strukturelle Verbindungen, Wasser- oder Ölleitungen, Platten und Träger | Kupferoxidation, Erosion dünner Kupferschichten, hohe Wärmeeinbringung |
| BCuP (Cu-P, mit oder ohne Ag) | ~700–810°C | Nicht für Edelstahl geeignet | Spröde Phosphidschicht auf dem Stahl |
Bei der Musterentwicklung gilt folgende Regel: Silber wird verwendet, wenn die Wandstärke gering ist oder die Verbindung Kältemittel aufnehmen muss; Messing hingegen, wenn die Wandstärke 1.5 mm oder mehr beträgt und es sich um eine rein mechanische oder risikoarme Verbindung handelt. Messing ist bei einer um 250–300 °C höheren Temperatur als ein 56%iges Silberlot fließfähig. Bei dieser Temperatur erweicht eine 0.8–1.0 mm dicke Kupferwand, bildet starke Oxidschichten und kann vom geschmolzenen Lot aufgelöst werden. Wo die Konstruktion einen dickeren Kupferstutzen oder eine kurze Kupferhülse zulässt, ist Messing oft die praktikable Lösung, und die Loteinsparung ist beträchtlich.
Fluss und Atmosphäre
Die Chromoxidschicht auf Edelstahl lässt sich bei Silberlöttemperaturen allein mit Borax nicht entfernen. Verwenden Sie ein fluorhaltiges Flussmittel: ein weißes Flussmittel vom Typ AWS FB3-A für Silberlote und ein borhaltiges Flussmittel vom Typ FB1-A für Messing, das ab ca. 760 °C wirksam ist. Tragen Sie es auf beide Teile auf, nicht nur auf den Lötstab.
Flussmittel verlieren mit der Zeit und der Temperatur ihre Wirkung. Sobald sie dunkel und glasig werden, löst sich das Oxid nicht mehr auf. Beim Löten von Messing verbrennt das Flussmittel bei zu langsamer Erhitzung, bevor das Lot die Fließtemperatur erreicht. Dadurch entsteht die braune, verbrannte Ablagerung auf der Edelstahlseite, die im unten abgebildeten Probenröhrchen zu sehen ist. Zwei Abhilfemaßnahmen: ein Flussmittel mit höherer maximaler Schmelztemperatur verwenden oder die Erhitzungszeit verkürzen – eine Stärke des Induktionslötens.
Bei Kältekreisläufen muss das Innere während des Lötens mit trockenem Stickstoff bei geringem Durchfluss gespült werden. Andernfalls bildet sich Kupferablagerung im Rohr, die später in Kompressoren, Kapillaren und Expansionsventile gelangt. Flussmittelrückstände auf Edelstahl sind ebenfalls korrosiv und sollten nach dem Abkühlen der Lötstelle auf unter ca. 100 °C mit heißem Wasser abgewaschen werden.
Lesen realer Proben
Was es zu sehen
- Rotviolettes Oxid auf dem Kupfer Die Wärmeverteilung im Bereich der Lötstelle ist beim Hartlöten in Luft normal. Sie zeigt die Wärmeverteilung entlang des Kupfers. Bei Kältemittelbetrieb müsste dieselbe Zone von innen mit Stickstoff gespült werden.
- Ein durchgehendes gelbes Filet Die Anwesenheit des Füllmaterials auf beiden Seiten der Fuge zeigt, dass beide Metalle benetzt wurden. Eine Raupe, die nur auf dem Kupfer aufliegt, ist eine Kaltstahlverbindung.
- Dunkelbraune Flussmittelverbrennung auf der Edelstahlseite deutet dies auf eine zu langsame Rampe oder auf zu viel Hitze auf der Stahlseite nach dem Fließpunkt hin.
- Füllstoffdeckung in einer geöffneten Probe: Prüfen Sie die Bruchflächen. Sowohl auf der Stahl- als auch auf der Kupferseite sollte Füllmaterial vorhanden sein, wobei das Kupfer eingerissen sein sollte und keine saubere Trennung vom Stahl stattgefunden haben darf.
Gelenkgestaltung
- Restposten: 0.05–0.15 mm pro Seite bei Löttemperatur für Silberlote; bis zu 0.20 mm für Messinglote. Zu geringes Lot führt zu mangelnder Durchlässigkeit der Lötstelle; zu großes Lot lässt das Lot durchsickern.
- Überlappung: mindestens das Dreifache der dünneren Wandstärke und oft 6–10 mm bei Kältemittelrohrgrößen.
- Platzierung der Füllstoffe: Verwenden Sie einen vorgeformten Ring oder eine Paste auf der Kupferseite, wobei die Hitze auf den Edelstahl zentriert wird, damit das Füllmaterial zum heißeren Metall hin gezogen wird.
- Erhaltung: Die Legierungen 304L oder 316L begrenzen die Wahrscheinlichkeit der Ausfällung von Chromcarbid im Temperaturbereich von 425–815°C, wobei eine Verbindung, die nur Sekunden lang auf dieser Temperatur gehalten wird, selten gefährdet ist.
- Sauberkeit: Vor der Montage entfetten. Öl auf Edelstahl verbrennt zu Kohlenstoff, der die Benetzung behindert.
Induktionslöten: Einstellungen, die funktionieren
Edelstahl hat einen etwa vierzigmal höheren spezifischen Widerstand als Kupfer. Daher leitet eine Induktionsspule die Energie direkt in den Stahl und nur schwach in das Kupfer. Das ist für diese Verbindung ideal: Der Stahl erreicht schnell die Fließtemperatur, und das Kupfer folgt durch Wärmeleitung. Die meisten Verbindungen kleiner Rohre sind in 3–15 Sekunden fertig.
- Frequenz: 20–50 kHz für größere Formstücke und dickere Wände; 100–200 kHz für dünne Wände und Rohre unter 12 mm. Die Eindringtiefe in 304 beträgt bei 30 kHz etwa 2.5 mm, sodass dünnwandige Rohre nahezu augenblicklich durch die Wand hindurch erwärmt werden.
- Spulenposition: Zentrieren Sie die Spule über dem Edelstahlende der Überlappung oder etwas in Richtung dieses Endes. Zentrieren Sie sie nicht auf dem Kupfer.
- Rampe: Ein schneller Temperaturanstieg auf etwa 20 °C unterhalb des Fließpunkts, gefolgt von einer kurzen Haltezeit, hält den Fluss aktiv und verhindert ein Überschwingen.
- Mehrere Gelenke: Eine Spule mit mehreren Windungen oder Positionen kann in einem Arbeitsgang fünf oder mehr Stubs an einen Stiftkopf löten, wie im ersten Beispielbild zu sehen.
- Steuern: Die Leistungszeitsteuerung oder die Rückkopplung eines Infrarot-Pyrometers liefert konsistente Ergebnisse. Beachten Sie, dass Edelstahl und Kupfer unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen. Kalibrieren Sie das Pyrometer daher auf der jeweiligen Oberfläche.
Flammenlöten: Wo es noch passt
Das Flammlöten ist flexibel und erfordert wenig Werkzeug. Es eignet sich gut für Servicearbeiten, große Gehäuse und Kleinserien. Verwenden Sie einen Autogen- oder Propan-Sauerstoffbrenner mit leicht reduzierender Flamme und richten Sie die Flamme stets auf den Edelstahl. Zu den Nachteilen zählen die geringere Wiederholgenauigkeit, die Wärmeausbreitung über die Lötstelle hinaus und die Abhängigkeit von der Erfahrung des Bedieners. Viele Kunden nutzen das Flammlöten für Prototypen und das Induktionslöten für die Serienfertigung. Beide Verfahren liefern vergleichbare Lötmetallurgie, sofern der gleiche Löt- und Flussmittel verwendet wird.
Wo der Materialwechsel sinnvoll ist
Edelstahl ist der sinnvollste Ersatz für Kupfer in Bauteilen, die keine Wärme leiten müssen: Filtertrocknergehäuse, Akkumulatoren, Ventilkörper, Verteiler und Sammelrohre, Sensorgehäuse, Steckverbinder und drucktragende Endstücke. Wärmetauscherrohre bestehen weiterhin aus Kupfer oder Aluminium. Jeder Schalter sollte einer Dichtheitsprüfung, einer Druck- oder Berstprüfung, einem Vibrationstest und einer Korrosionsprüfung in der vorgesehenen Umgebung unterzogen werden, da eine Verbindung aus unterschiedlichen Materialien bei Nässe galvanisch korrodieren kann.
Probenprüfungsservice
KETCHAN Wir führen Induktions- und Flammlöten an beiden Metallen durch. Senden Sie uns Zeichnungen oder physische Bauteile, und wir testen verschiedene Flussmittel- und Füllstoffkombinationen, ermitteln, welche Verbindungen mit Messing und welche mit Silber gelötet werden können, und senden Ihnen Schnittmuster mit Heizparametern zur eigenen Qualifizierung zurück.
Häufig gestellte Fragen
Kann man Edelstahlrohre mit Kupferrohren verlöten?
Ja. Verwenden Sie ein Flussmittel, das die Chromoxidschicht entfernt, ein geeignetes Silber- oder Messingfüllmaterial und erhitzen Sie das Werkstück mit einer Gewichtszunahme zur Edelstahlseite hin.
Kann Messing-Füllmasse Silber-Füllmasse ersetzen?
Bei dickeren Wänden und unkritischen Verbindungen ja. Messing fließt bei etwa 900–980 °C und kann dünnes Kupfer erodieren, daher wird bei dünnwandigen Kältemittelverbindungen normalerweise Silberlot verwendet.
Warum nicht BCuP-Füllmasse für Edelstahl verwenden?
Phosphor reagiert mit Eisen und Nickel und bildet an der Grenzfläche spröde Phosphide, wodurch die Verbindung unter Vibrationen oder thermischer Belastung reißen kann.
Ist Induktions- oder Flammlöten für diese Verbindung besser geeignet?
Induktionsschweißen ermöglicht eine schnelle, lokal begrenzte und reproduzierbare Wärmezufuhr und eignet sich daher für die Serienfertigung. Flammlöten ist geeignet für Reparaturen, große Bauteile und Kleinserien.
Wie kann ich überprüfen, ob sich das Füllmaterial mit dem Edelstahl verbunden hat?
Schneiden oder hebeln Sie eine Probe auf. Der Füllstoff sollte auf beiden Seiten sichtbar sein, und eine Fuge, die sich sauber vom Stahl löst, wurde nicht benetzt.
