Solderen.

Sinds de tentoonstelling van Hasselt in 1994, waar diverse leden aluminiumsoldeer gekocht hebben, zijn er vaak vragen over het solderen gesteld. In het navolgende artikel zullen we eerst de verschillende te solderen materialen bekijken en daarna de soldeermiddelen.

Het verbinden van al of niet verschillende soorten van metalen, door middel van een gesmolten metaal of een legering met een lager smeltpunt, noemt men solderen. Als het smeltpunt van het toegevoegde soldeer ligt tussen 90 en 400° C wordt het zachtsolderen genoemd; bij temperaturen boven de 400°C spreekt men van hardsolderen.

Zowel zachtsolderen als hardsolderen wordt, met uitzondering van messing, gekenmerkt door buitengewoon grote doorvloeiing in een nauwe haarspleet. Men noemt dit: capillaire werking van soldeer.

De toegevoegde soldeerlegering wordt bij het soldeerproces tot smelten gebracht op de te verbinden metalen. Deze metalen moeten echter eerst op de verbindingsplaats de juiste temperatuur hebben bereikt. Als met een soldeerbout of brander de verbindingsplaats wordt verhit, mag de soldeerlegering niet in de vlam of door de bout zelf worden afgesmolten. Bij voldoende temperatuur van het werkstuk smelt het soldeer en 'bevochtigt' door uitvloeiing het materiaal. De 'hechting' is afhankelijk van het vermogen van het soldeer om met het materiaaloppervlak van het werkstuk een legering te vormen. Het is daarbij zeer belangrijk dat er geen verontreinigingen tot dat legeringsproces kunnen doordringen. Verontreinigingen van vet, verf, oxyde e.d. verhinderen door insluiting of afdekking van het metaaloppervlak, dat bij de uitvloeiing een goede verbinding ontstaat.

Soms zijn metaaloppervlakken voorzien van een belemmerende laag roest, een walshuid, een bruineringslaag of een andere oppervlaktebehandeling. Zonder verwijdering zouden deze lagen het soldeerproces doen falen.

Een gereinigd metaaloppervlak kan men door mechanische of chemische hulpmiddelen verkrijgen. Mechanische reiniging door schuren heeft een belangrijk voordeel op chemische reiniging, omdat door het schuren op het gladde oppervlak groeven worden getrokken, die het metaaloppervlak vergroten. Tevens wordt door capillaire werking in de groeven het uitvloeien van het soldeer bevorderd. Door vergroting van het hechtingsvlak wordt de schuif- en treksterkte belangrijk verbeterd. Schuurresten moeten natuurlijk eerst worden verwijderd.

Tijdens het verhitten van het werkstuk, zullen zich op het gereinigde metaal opnieuw oxyden gaan vormen, die het soldeerproces ongunstig gaan beïnvloeden. Alvorens het soldeerproces aan te vangen, dienen daarom maatregelen te worden genomen, die voorkomen dat de nieuw te vormen oxyden invloed op het soldeerproces gaan uitoefenen. Bij het bout- en vlamsolderen worden deze middelen vloeimiddelen genoemd. Aangezien de vloeimiddelen de soldeerplaats goed moeten afsluiten voor de in de lucht aanwezige zuurstof, is het duidelijk, dat bij het aanbrengen ervan gelet moet worden op goede bevochtiging op de plaats, waar het soldeer moet vloeien en hechten.

Tijdens het soldeerproces is het van belang de temperatuur van de soldeerplaats niet te ver boven de smelttemperatuur van de legering te laten stijgen. Het vloeimiddel zou door de hoge temperatuur kunnen verbranden tot zwarte koolresten en het vermogen verliezen oxyden in oplossing te houden. Deze oorzaak van het falen van een goede soldering komt in de praktijk veel voor. Er moet dus met de soldeerlegering op de soldeerplaats voortdurend worden gecontroleerd of de smelttemperatuur is bereikt. Ook moet goed worden gelet op een juiste verwarmingsbron, afgestemd op de grootte van het werkstuken het smeltpunt van de te gebruiken legering.

Metalen

Metalen komen niet vaak in een zuivere vorm voor. Meestal in de vorm van legeringen, die zijn aangepast aan een toepassing ter verbetering van sterkte, geleidbaarheid, corrosievastheid, temperatuurweerstand, slijtvastheid enz. Daarom is het vaak niet gemakkelijk de metalen direct te herkennen.

Een andere oorzaak waardoor het moeilijk is vast te stellen met welk metaal men te maken heeft, zijn de door galvanisatie aangebrachte metaallagen op de ondergrond van een ander metaal. Deze lagen hebben het doel het voorwerp een langere levensduur, een grotere corrosievastheid en een fraaier aanzien te geven.

In de galvanotechniek worden voorwerpen in een oplossing van (metaal)zouten gedompeld. Door middel van een elektrische stroom wordt het opgeloste metaal in een dunne laag neergeslagen op het werkstuk. Deze galvanische laag, zoals bijvoorbeeld nikkel, chroom, koper, zink enz. kan op ijzer direct worden neergeslagen. Maar bijvoorbeeld bij zink op aluminium, waarover vervolgens koper en daarna chroom wordt aangebracht, is het niet gemakkelijk direct het basismateriaal te identificeren. Toch zijn deze lagen vaak goed te gebruiken voor het maken van soldeerverbindingen. Men moet voor sommige gegalvaniseerde produkten wel op het smeltpunt van het basismateriaal letten.

Bij verchroomd aluminium kan bijvoorbeeld geen verbinding door middel van hardsolderen worden gemaakt (soldeertemperaturen: 650 -900°C ). Het werkstuk zou smelten (smeltpunt aluminium: 660°C).

Is men niet zeker van het basismetaal, dan kan eenvoudig door schuren de galvanische laag worden verwijderd. Het basismateriaal komt dan tevoorschijn en daarna is het mogelijk een passend soldeer- en vloeimiddel te kiezen.

Koper en Koperlegeringen.

Koper is reeds duizenden jaren in gebruik voor gereedschappen, wapens en gebruiksvoorwerpen. Ongelegeerd koper heeft een rode glans, die door polijsten en conserveren kan worden versterkt. Geen wonder, dat het metaal ook vaak voor decoratieve doeleinden wordt toegepast.

Toch is koper om andere eigenschappen een veel gebruikt metaal. Hoewel het koper vrij zacht is, laat het zich o.a. door toevoeging van o.a. tin en zink gemakkelijk verharden.

Een legering van koper en tin noemt men brons, terwijl een koper -zink legering messing wordt genoemd. Messing wordt ook wel door de gele glans 'geelkoper' genoemd. Door mechanische behandelingen kan ook grotere hardheid van koper verkregen worden, zoals bij het vervaardigen van buizen, profielen en strippen.

Door de gemakkelijke opname van tin, zink en ook cadmium is koper met zijn legeringen gemakkelijk met bijna alle zacht- en hardsoldeersoorten te solderen. De daarbij aanbevolen spleetbreedte voor (non-ferro) zachtsoldeerverbindingen is 0,1-0,3 mm en voor (non-ferro) hardsoldeerverbindingen 0,025~0,10 mm.

Ongelegeerd koper heeft een smeltpunt van 1084°C. Men zal bij de keuze van de soldeersoort een soldeer kiezen met een zo laag mogelijk smeltpunt. Koud verhard koper zal door hoge temperaturen zijn hardheid verliezen. Daarom moeten te hoge temperaturen en te lange soldeertijden worden vermeden. Soms is het gewenst om koper door verhitting en afschrikking (koeling in water) zacht te maken. Het is dan gemakkelijk vormbaar het heeft zijn spanning verloren en kan daarna bijzondel goed dienen om te emailleren.

De bereikbare schuifspanning en treksterkte van zachtsolderen (tinlegeringen) op koper is ca. 5 kg/mm2. Bij het hard solderen is dit ca. 25 kg/mm2. Langdurige belasting of zachtgesoldeerde verbindingen met tin-lood legeringen vereist bij temperaturen tot max. 90°C een grote veiligheidsmarge, waardoor bij berekeningen moet worden uit gegaan van ca. 0,2 kg/mm2.

Wordt er gewerkt met zilver-tin soldeer met 5% zilver dan kan de belasting tot 175°C bijna worden verdubbeld.

Koper heeft zeer goede geleidende eigenschappen voor zowel warmte als elektriciteit. zodat voor sanitaire, koeltechnische, elektronische en elektrotechnische doeleinden dit metaal op grote schaal toepassing vindt. Daarbij bezit het metaal grote corrosievastheid. Goed gereinigde koperen verbindingsplaatsen kunnen met weinig agressieve vloeimiddelen worden behandeld. Dit maakt het mogelijk om in de elektronica (niet corrosieve) harsen toe te passen. Voor vloeimiddelen, die geschikt zijn voor de koperen waterleiding, moet op de verpakking het opschrift KIWA vermeld staan.

In de praktijk wordt vaak teveel vloeimiddel aangebracht op de soldeerplaats, waardoor corrosie vaak zonder enige noodzaak wordt bevorderd en materiaal wordt verspild.>

Het smeltpunt van de koperlegeringen messing en brons is veel lager dan van het ongelegeerd koper, nl. ca. 850-900°C.

Aluminium.

Dit metaal heeft de laatste jaren steeds meer toepassing gevonden, omdat het een aantal zeer interessante eigenschappen heeft. Het heeft bijvoorbeeld een derde van het gewicht van ijzer, koper en zink. Een warmtegeleiding die drie maal groter is dan die van ijzer. Tel daarbij op de grote corrosieweerstand, dan is het duidelijk waarom aluminium in de koeltechniek, bouw, luchtvaart enz. een veel toegepast metaal is. Behalve de grote voordelen kleven er echter aan aluminium enkele nadelen.

Aluminium en alle legeringen van aluminium hebben een oxydehuid, waarvan het smeltpunt boven dat van het onderliggende aluminium ligt, terwijl het gewicht ervan hoger is. Dit kan dus problemen geven bij hardsolderen van aluminium, omdat er weinig ruimte is tussen de smelttemperatuur van zuiver aluminium (660°C) en bijvoorbeeld het aluminium hardsoldeer AISi 12 (57~585°C).

De zilverachtige doffe oxydehuid waarschuwt niet door verkleuring en plotseling kan de oxydehuid inzakken en vloeit het onderliggende aluminium van het werkstuk weg.

Rein of zuiver aluminium is beter te hardsolderen dan legeringen van aluminium. Hoe kan men echter vaststellen met welk soort aluminium men bezig is ?

Enkele elementen in aluminium kunnen als volgt worden aangetoond. Een hoog siliciumgehalte is bijvoorbeeld aantoonbaar met een eenvoudige proef. Een druppel 20% natronloog ca. 5 min. laten inwerken, daarna afspoelen met water.

Als het aluminium blauw-grijs verkleurd is, bewijst dit dat er meer dan 2% silicium aanwezig is.

Is er echter een zwarte verkleuring, dan is hiermede de aanwezigheid van koper, nikkel of zink aangetoond.

Of er dan ook silicium aanwezig is zal blijken wanneer op de zwartkleuring een druppel geconcentreerd salpeterzuur wordt aangebracht en de zwartkleuring blijft. Indien dat het geval is, is er een hoge concentratie silicium aanwezig.

Aangezien het aluminium-hardsoldeer is samengesteld uit silicium houdend aluminium (met hoge concentraties van 12 en 13% silicium), is een silicium houdend aluminium werkstuk dus moeilijk te hardsolderen door de geringe verschillen in smelttemperaturen.

Een klein proefje vooraf met hardsoldeer AISiIP (Brasunal) kan ook een goede indicatie geven of het aluminium geschikt is om te hardsolderen.

Zachtsolderen

Zachtsolderen heeft wat meer mogelijkheden. De temperatuur is lager, zodat er meer ruimte is tussen het smeltpunt van het aluminium en het smeltpunt van het zachtsoldeer.

De grote warmtegeleiding van aluminium veroorzaakt warmteverlies op de soldeerplaats, zodat zachtsolderen minder risico geeft voor het plotseling weglopen van het aluminium door oververhitting dan hardsolderen.

Bij het zachtsolderen is men niet zo afhankelijk van de aluminiumsoort, en is een proefje vooraf overbodig, alhoewel aluminium met veel legeringselementen praktisch niet te zachtsolderen zijn. Men kan bij het zachtsolderen vrij goede capillaire verbindingen maken die wat schuifspanning

en treksterkte betreft vergelijkbaar zijn met zachtsoldeer verbindingen van koper. De beste legering hiervoor is een zink/cadmium legering, die op een vetvrije en geschuurde soldeerplaats goed kan doorvloeien. Het vloeimiddel is bijzonder agressief en moet na het solderen met de nodige voorzorgen worden verwijderd, anders zou het aluminium sterk worden aangetast.

In niet-corrosieve milieus wordt soms tin/zink als zachtsoldeerlegering gebruikt, maar deze legering is vooral op aluminium gevoelig voor elektro-chemische corrosie, zodat het minder geschikt is. Indien de spleetbreedte van de verbinding niet te diep is, kan men met penetratie- of wrijfsoldeer (een aluminium/zinklegering) de oxydehuid van het aluminium, door wrijven of krassen met de soldeerstaaf doorboren.

Indien de staaf bij 365°C afsmelt op het aluminium, kruipt de legering onder de oxydelaag.

Vooral voor reparatie van scheuren of gaten in aluminium heeft deze legering interessante eigenschappen, terwijl een vloeimiddel niet nodig is.

Legeringen voor zacht solderen.

In dit deel over solderen bekijken we de soldeertin. In de praktijk gebruiken we meestal één soort voor alle soldeerwerk. Toch kunnen door meerdere soorten te gebruiken soms een beter resultaat krijgen.

Tin/loodlegeringen

Tin/loodlegering en zijn de bekendste en meest toegepaste zachtsolderen. Er is een grote variatie in de samenstelling. De verhouding tin/lood is bepalend voor het gedrag van het soldeer en daarom ook voor de uiteindelijke toepassing. Het smeltdiagram van alle mogelijke tin/lood verhoudingen,zie de afbeelding, geeft aan hoe bewust voor een toepassing een bepaalde tin/loodlegering kan worden gekozen.

Uit het smeltdiagram blijkt, dat alleen het 63/37 tin/loodsoldeer direct van vaste stof in vloeistof over gaat (afgerond 60-40). Dit verklaart o.a., waarom deze legering ideaal is voor snelle verbindingen. Men noemt dit soldeer eutectisch.

Voor gedrukte bedradingen of printplaten e.d. is langdurige verwarming zeer nadelig. Omdat hier schoon kopermateriaal wordt gesoldeerd, kan een ideale combinatie worden toegepast, n.l. eutectisch soldeer 60/40 en een zeer dunne soldeerdraad van 0,8 of 1 mm voorzien van een harskern. Met voornoemde combinatie van factoren kan zeer snel worden gewerkt. Minder dan twee seconden soldeertijd is voor fijn elektronisch werk gewenst, om dat door verhitting schade kan ontstaan aan printplaat, koperfolie, transistor e.d. Als het soldeer bij het verwarmen op de soldeerplaats vloeit, dient warmtetoevoer direct te worden gestopt. Hoe sneller dat gebeurt, des te beter, de kans op schade is dan zeer gering.

De harskern is het vloeimiddel, dat de soldeerplaats moet afdekken en corrosie moet voorkomen. Zou er te lang en te veel worden verwarmd, dan kan het hars verbranden en corrosie mogelijk worden. In het algemeen gesteld mogen vloeimiddelen voor de elektronica en de elektro-techniek niet corrosief zijn. Zij zijn samengesteld uit harsen of colofonium, die zich uitstekend lenen om als kern in de soldeerdraad te worden opgenomen. Zelfs bij zeer langdurig bewaren, zal het soldeer daardoor niet worden aangetast.

Een andere bijzondere eigenschap van tin/loodsoldeer blijkt uit het smeltdiagram bij de legeringen met de samenstelling 20/80 en 30/70. Deze legeringen gaan via een brijfase over van vaste stof naar vloeistof en omgekeerd. De brijvorming ligt in het temperatuurgebied 183-270"C. In de brijvorm laat deze legering zich gemakkelijk over het plaatoppervlak 'smeren'. Dit is ook de reden, dat 30/70 bekend is onder de naam 'smeertin'.

Tin/lood/zilverlegering (Resist-l).

Deze legering bestaat uit 1% tin, 97,5% lood en l,5% zilver. Door de grote hoeveelheid lood heeft deze legering geen sterke doorvloeiing. Voor capillaire buisverbindingen is het niet geschikt. Vanwege het hoge smeltpunt, n.l. 309 ºC, is deze legering meer geschikt voor toepassing bij hoge bedrijfstemperaturen, zoals bij elektromotoren.

Tin/lood/cadmiumlegering (Cobaltin)

Deze legering is een bij lage temperatuur smeltend zachtsoldeer (145 ºC), met bijzonder goede capillaire werking. Het is samen gesteld uit 51% tin, 31% lood en 18% cadmium. Het vindt toepassing bij het aflopend 'trapsgewijs' solderen, dat wil zeggen een gecompliceerd werkstuk opbouwen met verschillende solderingen, waarbij men steeds legeringen toepast in aflopende volgorde van de smeltpunten. Daarom is het mogelijk om tinnen vaatwerk, ornamenten van tin e.d. te repareren. Het verschil in smeltpunt is dan ca. 40 ºC. De beste resultaten worden verkregen met een goed instelbare oven of soldeerbout op 150-160ºC.

Enige voorzichtigheid is geboden bij voorwerpen, die gebruikt worden voor levensmiddelen. Het soldeer bevat immers 18% cadmium, een giftig metaal. Er kunnen zich eventueel bij wat hogere temperaturen fracties cadmium afscheiden.

Tin/zilverlegering (Resist-5)

De tin/zilverlegering is samengesteld uit 95% tin en 5% zilver. Het komt ook voor in de verhouding 96,5% tin en 3,5% zilver, dan is het soldeer eutectisch op 221 ºC. Dat wil zeggen dat de legering bij een temperatuur van 221 ºC geen brijfase kent, maar onmiddellijk overgaat in vloeistof.

Het soldeer heeft uitstekende eigenschappen voor warmwaterleidingen, zoals bij c.v.-installaties, boilers, e.d. Het heeft een aanmerkelijk grotere treksterkte en schuifspanning dan de tin/lood legeringen.

Vooral de lage soldeertemperatuur maakt dat het tin/zilverzachtsoldeer een interessant alternatief is voor het hardsolderen. Waarbij dan ook nog in aanmerking moet worden genomen, dat het minder kostbaar is dan zilverhardsoldeer.

Zink/cadmiumlegering (B/Soudee)

Bij het zachtsolderen van aluminium zijn geen duurzame resultaten te behalen met tin/lood legeringen. Door elektro-chemische corrosie zou een dergelijke verbinding na enige tijd uiteenvallen. Wel worden tin/zink legeringen op de markt gebracht, die toegepast worden op aluminiumverbindingen, maar in corrosieve milieus worden ook deze verbindingen aangetast. Tin/zinklegeringen worden wel als z.g. universeel soldeer gepresenteerd, maar voor andere verbindingen dan aluminium zijn er met tin /lood en tin/ zilver betere en goedkopere resultaten te behalen.

Metalen, die bij het zachtsolderen een redelijke legering kunnen vormen op het oppervlak van het aluminium werkstuk zijn o.a. zink en cadmium. Uit deze metalen zijn legeringen samen-gesteld, die zeer goede capillaire eigenschappen hebben voor het aluminium zachtsoldeer procede. De legering moet met een vloeimiddel worden gesoldeerd, dat sterk etsend werkt. Het bijzondere van deze legering is niet alleen dat er verbindingen kunnen worden gemaakt van aluminium aan aluminium, maar van alle metalen onderling. Men zou hier dus kunnen spreken van een universeel soldeer, echter het cadmium in de legering is giftig en verhindert de toepassing op gebruiksvoorwerpen voor levensmiddelen.

Het relatief hoge smeltpunt van 265ºC (smeltpunt tinsoldeer 183 ºC) veroorzaakt, dat de soldeertemperatuur vrij hoog, op ongeveer 300 ºC ligt. Daardoor is de kans groot, dat het vloeimiddel kan verbranden als de temperatuur wat te hoog wordt aangehouden en het soldeerproces te lang duurt. Om dit zoveel mogelijk te voorkomen moet er bij het verwarmen van de soldeerplaats met een brander op worden gelet, dat het vloeimiddel niet in de vlam van de brander komt. Indirect verwarmen, zoals bijvoorbeeld aan de achterzijde van een T- of hoekverbinding geeft de beste resultaten. In ieder geval moet worden voorkomen, dat de vlam direct op de soldeernaad wordt gericht.

Ook is solderen met de soldeerbout zeer goed mogelijk. Alleen op aluminium is er door de sterke warmtegeleiding veel warmteverlies, waardoor het op temperatuur brengen van de soldeerplaats extra moeilijk wordt.

Zink/aluminiumlegering (Platinum)

Een andere interessante zachtsoldeerlegering voor aluminium is de zink/aluminiumlegering. Het kan worden toegepast zonder vloeimiddel bij een soldeertemperatuur van ca. 400 "C. Het smeltpunt van de legering is 365 ºC. Indien geen vloeimiddel wordt gebruikt, zal het gesmolten soldeer geen kans hebben door de oxydehuid heen te komen. Door echter de soldeerstaaf heel licht over de soldeerplaats te krassen, penetreert het metaal door de opengescheurde oxydelaag en kan onder die laag verder uitvloeien.De soldeerstaaf mag men nooit in de vlam laten smelten. Het materiaal moet vloeien op de voorverwarmde soldeerplaats. Een gat kan men eenvoudig sluiten door met de soldeerstaaf cirkelvormig rond het gat te krassen en bij het vloeien steeds kleinere kringen te trekken tot het gat is gesloten. Het verdient aanbeveling voor betere hechting het soldeer 10-15 seconden in gesmolten toestand te houden.

Hoewel het soldeer geen goede capillaire eigenschappen heeft, zijn er bij overlap-verbindingen toch goede resultaten te behalen. Bij dergelijke toepassingen is echter vloeimiddel nodig, dat is samengesteld uit een zuiver en watervrij zinkchloridepoeder. Bij de geringste aanwezigheid van water zal het proces door oxydevorming mislukken.

Zinkchloride is sterk hygroscopisch en zal onmiddellijk uit de lucht water opnemen. Op het gevormde zinklaagje zal de legering kunnen uitvloeien. Omdat hier een grote concentratie zinkchloride wordt gebruikt, is het noodzakelijk onmiddellijk na het afkoelen van het werkstuk de resten zeer goed te verwijderen met warm water. Indien de resten moeilijk te verwijderen zijn, is het aan te bevelen goed na te spoelen met een 5% ammoniakoplossing.

Met gebruik van vloeimiddel kan niet alleen aluminium aan aluminium worden gesoldeerd, maar alle metalen met smeltpunten boven 500 ºC.

De grootste toepassing vindt deze legering bij aluminium koelsystemen. Goede resultaten kunnen ook worden geboekt bij profielen met niet te diepe soldeernaden.

Vloeimiddelen

Voor het solderen moeten de delen vooraf goed schoon, vet- en oxidevrij worden gemaakt om goede hechting van het soldeer mogelijk te maken. Bij verwarming van het metaal dat gesoldeerd moet worden, kunnen weer gemakkellik oxiden ontstaan. Het gebruik van een vloeimiddel tijdens het solderen heeft tot doel:

1. eventuele oxiden te verwijderen (oplossen);
2. het daarna zoveel mogelijk voorkomen van oxidatie;
3. een goede hechting mogelijk te maken tussen soldeer en het metaal dat gesoldeerd moet worden.

In de tabel zijn verschillende vloeimiddelen en hun toepassingen genoemd.