Het zachtsolderen van aluminium en aluminiumlegeringen

Aluminium is door de oxidehuid Al2O3, de snelle warmte afvoer, het ontbreken van een temperatuur-indicatie omdat het metaal niet verkleurt bij verhitting, moeilijk te solderen. Lang is aluminium onder hobbyisten beschouwd als niet te solderen. Bij zachtsolderen is de warmte-input minder dan de helft van de input bij het lassen waardoor er minder spanning en vervorming optreedt wat erg belangrijk is voor lichte onderdelen in de elektronica en modelbouw. Het was daarom de moeite waard om technieken te ontwikkelen om aluminium te kunnen solderen. Kwaliteit van de soldeerverbinding hangt af van het soldeer, de zuiverheid van het soldeervlak en het gecontroleerd vloeien van het soldeer. Solderen van aluminium is wegens de vorming van een aluminium oxidehuid moeilijk. Er kan tegenwoordig echter uitstekend zacht en hard gesoldeerd worden met speciale vloeimiddelen die de oxidevorming tegen gaan.

Grondslag van het (zacht)solderen van aluminium

Bij het solderen vormt zich in de soldeersmelt door diffusie op de grens tussen soldeer en het te solderen aluminiumoppervlak een ‘overgangslegering’. Het soldeer diffundeert over een korte afstand in het aluminium. Een open ‘poreus’ oppervlak is daarom belangrijk. Bij aanwezigheid van een aluminium oxidelaag vindt echter geen diffusie plaats van soldeer in het grondmetaal. De oxidelaag schermt het aluminium af. Het soldeer diffundeert niet in een ‘poreuze’ aluminium oppervlak.

Als men de oxidehuid op het aluminium verwijdert ontstaat deze relatief snel weer door de grote affiniteit tussen aluminium en zuurstof. Men moet de oxidehuid mechanisch verwijderen of oplossen in een vloeimiddel (soldeerflux) en voorkomen dat hij zich weer gelijk vormt. Werken in een inerte ruimte (stikstof of edelgas atmosfeer) is ideaal, maar over die faciliteit dat kan men niet altijd beschikken.

Aluminium kneedlegeringen solderen gemakkelijker dan gietlegeringen. De mogelijkheid van het solderen van veredelde legeringen die een warmtebehandeling hebben ondergaan, moet per geval bekeken worden in verband met de soldeertemperatuur. De warmtebehandeling mag door de soldeertemperatuur niet opgeheven worden.

Verbinden we een dunne en een dikke aluminiumplaat dan moet de temperatuur ter plaatse van het soldeer in beide platen dezelfde zijn. De dunne plaat wordt sneller warm als de dikke plaat. We moeten hierop verdacht zijn en misschien moet de dikke plaat extra verwarmd worden.

Gaten in aluminium onderdelen tot circa 10 mm, uitgebroken randen en afgebroken hoeken, kunnen door laagsgewijs solderen(stapelen) hersteld worden met traag vloeiende soldeer. Haarscheurtjes en kleine gaatjes worden met een dun vloeibaar soldeer gedicht, heel toepasselijk wel ‘capillair soldeer’ genoemd.

Voorvertinnen van te solderen vlakken

Soldeer hecht zich goed aan aluminium, maar niet aan de oxidelaag. Zuurstof moeten we bij de aluminium soldeervlakken tijdens solderen weg houden. Een eenvoudige manier is de te solderen oppervlakken met vloeibaar soldeer te bedekken en vervolgens met een roestvast stalen schraper de oxide onder het vloeibare soldeer weg te schrapen. Het soldeer bedekt het blanke oxidevrij geschraapte oppervlak en diffundeert in het aluminium. Het overtollige soldeer met de oxideresten wordt met een harde roestvast stalen borstel verwijderd en we houden vertinde verbindingsvlakken over. Daarna kan de verbinding probleemloos gesoldeerd worden.

Samenvatting van de handelingen bij het vertinnen

1. Reinig de te solderen aluminium delen met schuurpapier.
2. Het aluminium op soldeertemperatuur brengen.
3. Op het aluminium legt men een 'bobbel' soldeer.
4. Duw de schraper in de soldeer bobbel en schraap de oxide onder het soldeer weg.
5. Met de roestvast stalen borstel wordt de soldeer bobbel weg gepoetst, de te solderen vlakken zijn nu oxide vrij en ‘vertind’.
6. Klaar om te solderen.

Functie van de soldeerflux (vloeimiddel)

• Oxidelaag en verontreinigingen op het oppervlak verwijderen.
• De gereinigde vlakken tijdens solderen beschermen tegen oxidevorming.
• Vloeien van soldeer verbeteren door verlagen van de oppervlaktespanning van het soldeer.
• Werkt als warmteoverdracht medium.

Toevoegen van de flux

We onderscheiden soldeerstaven en los daarvan het vloeimiddel maar er zijn ook soldeerstaven waarin de flux (op hars bases) zich in de kern van de soldeerstaaf bevindt. Voordeel is dat we een hand vrij hebben. Nadeel is dat we het soldeerproces niet kunnen beïnvloeden door de hoeveelheid flux te variëren tijdens het solderen. De flux(hars) die zich in het soldeer bevindt heeft een lagere smelttemperatuur dan het soldeer, zodat de flux uitvloeit en het metaal reinigt voordat het soldeer neer gesmolten wordt.

Verwijdering van verontreiniging door de flux

De flux dringt door verontreiniging en oxidelaag heen en reageert met het onderliggende metaal waardoor oxide en verontreinigingen loslaten en later met de borstel verwijderd. De oxide wordt gereduceerd in een chemische reactie (onttrekken van zuurstof).

Vloeimiddelen voor het zachtsolderen

De vloeimiddelen (fluxen) die bij het zachtsolderen toegepast zijn te onderscheiden in:

Anorganische stoffen

• anorganische zuren.
• Anorganische basen.
• Anorganische zouten.

Organische niet harsachtig stoffen

• Mono- en di-carbonzuren.
• Amines.
• Alifatische zuren.

Harsachtige organische stoffen
Het hoofdbestanddeel van dit vloeimiddel is colofonium (natuurhars). Deze vloeimiddelen kunnen worden toegepast in een oplosmiddel of opgenomen in het soldeer. Colofonium (= rosin =hars) een plantaardige stof, die wordt gewonnen uit de hars van naaldbomen.

Condities voor het zachtsolderen

Nadat het soldeer gesmolten is, zal het over de te solderen delen uitvloeien. Hierdoor ontstaat de hechtende werking van de verbinding. De mate waarin het soldeer uitvloeit over het metaal is bepalend voor de kwaliteit van de verbinding. Dit wordt beïnvloed door de temperatuur en door de aanwezigheid van verontreinigingen.

Omgevingscondities

Naast verschil in verhittingsbron worden soldeerprocessen in verschillende omgevingen uitgevoerd. We onderscheiden:

• Oxiderende omgeving zoals de buitenlucht.
• Reducerende omgeving die zuurstof onttrekt aan het soldeer.
• Inerte omgeving, bijvoorbeeld stikstof die de zuurstof verdringt.

Oxiderende omgeving

Bij soldeerprocessen in een oxiderende omgeving zal zich op het aluminium een oxidelaag vormen. Om de te solderen vlakken voldoende schoon te houden wordt een flux toegevoegd. Goud en platinaverbindingen oxideren niet bij verhitting in de lucht. Het is mogelijk om deze materialen zonder flux aan elkaar te solderen.

Reducerende omgeving

In een reducerende omgeving vindt het solderen plaats in een chemisch actieve beschermgas, die reageert met het metaaloppervlak en er zuurstof aan onttrekt.

Voor en nabehandeling zachtsoldeer-verbinding

Voorbehandeling

Bij het solderen van aluminium wordt wegens de oxide laag niet zelden eerst een ‘tin’laag op het aluminium aangebracht. Bij solderen van niet-metalen moet men altijd eerst een metaalcoating aanbrengen. Afhankelijk van de werkstuk vorm kan voor-gloeien nodig zijn om inwendige spanningen en vervormingen te reduceren. Men voorkomt een thermische schok die tot beschadiging kan leiden. Ook verdampen bij voor-gloeien de vocht resten.

Nabehandeling

Flux resten die op de soldeerverbinding achterblijven, zijn vooral in een vochtige omgeving corrosief, reinigen is dan noodzakelijk. Soms is nabehandelen niet nodig, bijvoorbeeld bij zachtsolderen kan men hydrobromideflux gebruiken die verdampt geheel.

Toelichting op de merken

Alumaloy en Durafix

De alumaloy soldeerstaaf wordt in Europa en VS verkocht onder de handelsnaam Durafix. Een ternaire legering van aluminium, koper en magnesium met een smeltpunt van 430 ° C. Het vloeimiddel(flux) is op hars bases(rosin) en bevindt zich in de kern van het soldeer. De soldeerstaaf wordt toegepast voor het solderen van non- ferro metalen onderling, zoals aluminiumlegeringen met elkaar, zinklegeringen met elkaar en aluminium met koper. De staaf wordt ook gebruikt bij “laag over laag” (stapelen) solderen bij reparaties.

Soldeer procedure voor Alumaloy en Durafix

• Een soldeerstaaf, een roestvast stalen borstel, een roestvast stalen schraper en een gasvlam is wat we nodig hebben.
• Eén soldeerstaaf type is geschikt voor het solderen van meerdere aluminiumlegeringen.
• Borstel met de roestvast stalen borstel zo hard mogelijk de te solderen vlakken schoon, tegelijk wordt daarbij de oxidelaag open getrokken.
• Verwarm de te solderen vlakken tot de soldeertemperatuur is bereikt. Met de soldeerstaaf op de te solderen vlakken tikken om te kijken of het smeltpunt van het soldeer is bereikt.
• De staaf smelt en vloeit op het werkstuk oppervlak. Smelt de staaf maar vormt druppel(s) die van het soldeervlak afrollen is het aluminium nog niet op soldeertemperatuur.
• Breng een dun laag soldeer aan (vertinnen) en borstel daarna het vertinde soldeervlak nogmaals grondig.om de laatste resten aluminium oxide te verwijderen Dit verbetert de hechting van het ‘tin’ met het onderliggende aluminium.
• Verbinding kan gesoldeerd worden als een normale soldeer procedure: soldeervlakken op werktemperatuur houden, te solderen delen tegen elkaar aan houden en soldeerstaaf laten vloeien.

Soldeer in de handel

De soldeermerken die we regelmatig tegen komen zijn: Technoweld, Alutite, Durafix- easyweld, Muggyweld, Alumaloy, Superior Flux. Andere bekende internationale firma’s op het gebied van solderen zijn o.a. J.W.Harris (USA), Johnson Matthey (Engeland) en Castolin (Zwitserland). Deze soldeerstaven hebben praktisch allemaal dezelfde gebruiksaanwijzing. Sommige soldeer staven worden wereldwijd verkocht onder verschillende namen.

Soldeer procedure

• We moeten per merk nauwkeurig de gebruiksaanwijzing volgen maar in principe komt het op dezelfde procedure neer:
• De solderen aluminium soldeervlakken eerst schuren.
• De vlakken verwarmen met een gasvlam, niet het soldeer verwarmen met de vlam.
• Alutite soldeer smelt bij 380°C en werkt tevens als temperatuurmeter door de staaf zo nu en dan tegen de soldeervlakken te houden.
• Op werktemperatuur wordt het soldeer gelijkmatig over de vlakken langs de te verbinden naden gestreken.
• Met een mee verwarmde rvs schraper (kan ook een kraspen zijn) in het vloeibare soldeer de onderliggende oxidelaag open krassen.
• Het werkstuk zonder forceren aan de lucht laten afkoelen.
• Soldeer(laag op laag) op de plaats waar een stukje uit het aluminium is gebroken, daarna in vorm gevijld, eventueel geboord en van schroefdraad voorzien. Gaten worden gedicht tot 10 mm.

Alutite

• De treksterkte is 78 N/mm2
• Verwerking's temperatuur 380 gr C.
• Verbind aluminium, aluminiumkneed- en aluminium gietlegeringen.
• Alutite bevat geen lood of admium.
• Kan gebruikt worden voor drinkwater en levensmiddelen.
• Boren en draadtappen gaat prima

Superior Flux

Tabel 1: Soldeerstaven Superior Flux voor het solderen van aluminium aan aluminium, aluminium aan koper, aluminium aan messing. De soldeerflux is in de soldeerkern opgenomen. In de tabel drie groepen Tin-Zinc soldeerstaven de groepen verschillen onderling door de flux.


Voor het schoonmaken van de soldeertip en eventueel de soldeerstaaf, een beetje flux in een bakje, plaats tip van bout in de flux en veeg de tip schoon met een natte spons. De flux niet oververhitten, dan verbrandt(verkoolt) het en werkt het niet meer. Ventileer de werkplek en voorkom huidcontact met de flux. Soldeerresten verwijderen met heet water, de flux en de residu’s zijn in water oplosbaar.

Muggyweld

Terwijl soldeer veel verkocht wordt zonder flux vindt Muggyweld dat de bijdrage van de flux aan het soldeerproces te belangrijk is om de flux keuze aan de handel over te laten. Muggyweld flux treedt ook op als temperatuurindicator: Super Alloy 5 gaat van poeder over naar vloeibaar op het moment dat het soldeer toegevoegd moet worden. Super Alloy 1 begint de flux als vloeistof en wordt bruin wanneer soldeertemperatuur is bereikt.

Technoweld

Tabel 2: Technoweld methode is geschikt voor het solderen van Aluminiumlegeringen. Voorbereiding en hulpmiddelen zijn gelijk aan die voor de gebruikelijke soldeermethode.

Afkortingen eigenschappen soldeerproducten:

• ST: Smelttraject (liquidus - solidus) volgens DIN EN 29453, in oC
• WT: Werktemperatuur in oC
• SM: Soortelijke massa (dichtheid) in g/cm3
• BT: Bedrijfstemperatuur soldering, maximaal, zonder sterkte verlies in oC
• SB: Aanbevolen spleetbreedte in mm
• TS: Treksterkte volgens DIN EN 12797, in MPa (N/mm2)
• RG: Rekgrens in MPa (N/mm2)
• HB: Hardheid Brinell
• HBK: Hardheid Brinell na Koudversteviging
• HRc: Hardheid Rockwell C (Cone)
• AS: Afschuifsterkte volgens DIN EN 12797, in MPa (N/mm2)
• KW: Kerfslagwaarde in J (Joules)
• R: Rek in %

Nawoord en conclusie

Voor zachtsolderen van aluminium voldoen de genoemde soldeermerken, als we nauwkeurig de gebruiksaanwijzing per merk volgen. Verschillen zijn minimaal. Bij het ontwerpen van het soldeer gaat het om de volgende eigenschappen en eisen:

• Aluminium oxidehuid afbreken
• Opnieuw vormen van oxide voorkomen.
• Door warmtegeleidingsvermogen, voert aluminium snel warmte af, bij een grote massa kan warmte afvoer groter zijn dan warmte toevoer, de warmtebron aanpassen.
• Aluminium verkleurd nauwelijks tijdens verhitting en we kunnen niet de temperatuur aan de kleur aflezen.
• De temperatuur beheersing is dus moeilijker en daarmee het vloeien van het soldeer, daarom vereist solderen van aluminium oefening.

Lees verder

• Het solderen in de electronica