Der Stand der Dinge

Die Mission war riskant: In 2019 selbst zum Hersteller der Tiefeninduktionsgeräte werden. Und aus den zehn Jahren zuvor unter Nutzung zugelieferter Geräte war nur eines klar. Das lästigste waren Lecks im Kältekreis, denn dann wird es in der Reparatur aufwändig und teuer. Bedingt durch die „Kältevergangenheit“ des Autors war damit gesetzt, den Kaltwassersatz, also das „Untergeschoss“ der Geräte selbst zu bauen.

Nachdem die zuvor erlebten Lecks zu 95 % an den Mischverbindungen von Chromnickelstahl (der Stutzen des Verdampfers) zu den Kupferrohren des Kältekreises auftraten und sich die handwerkliche Komplexität dieser Lötstellen mit der eigenen Erinnerung deckten, war klar, dass der Ansatz dort zu wählen war. Teils waren es Verbindungen, bei denen schon anhand der ungleichen Lotverteilung eine Kerbwirkung sichtbar wurde, die im Lauf der Zeit unter der dynamischen Belastung bei laufendem Kompressor zu einem Riss geführt hat, teils aber auch die Tatsache, dass erstarrtes Flussmittel zunächst eine druckdichte Verbindung hergestellt hat.

Nach einigen Monaten hatten aber Luftfeuchte oder auch Kondensat und Temperaturwechsel dazu geführt, dass sich der Flussmittelpfropf auflöst - das Leck war geboren. Dabei handelte es sich durchweg um „große“ Lecks, die mittels Seifenwasser und 20 bar Formiergasfüllung im Kältekreis einfach zu sehen waren. Also Lecks, die in der Art bei der Druckprobe am Ende der Fertigung keinesfalls unbemerkt geblieben wären. Auch die Fein-Leckprobe, bei der mit einem „Wasserstoff-Schnüffler“ nach austretendem Wasserstoffgas gesucht wird, war zu dem Zeitpunkt unauffällig. Das verwendete Formiergas enthält 90 % Stickstoff und 10 % Wasserstoff.

Die schon im Beitrag von 2022 beschriebene Methode der Tiefeninduktion als Wärmequelle und der Nutzung von flussmittelgefüllten, hoch silberhaltigen Fülldraht-Lotringen wurde von Anfang an genutzt - durchaus weiterentwickelt - und führt mit Stand Mai 2025 zu der Feststellung, dass es seit Aufstellung des eigenen Kältemaschinenbaus zu keinem einzigen Leck an einer eigenen Lötstelle kam. Wohlgemerkt: Alle Geräte sind mit Niederdruck-Pressostat ausgerüstet und der Nutzer hätte unvermeidlich eine eindeutige Fehlermeldung, selbst bei den ersten Geräten von 2019.

Mit größerer Wanddicke kann das Löten mit der Flamme zur Herausforderung werden.

In Wirklichkeit gab es einige wenige Fälle von Leckagen: Einerseits ein Plattenwärmetauscher (Verdampfer), der an einer Ofenlötung undicht wurde - unerklärbar bis heute. Andererseits aber auch zwei Fälle, bei denen die verwendeten Hochleistungs-Verflüssiger nach einigen Monaten an einer der internen Ofenlötungen undicht wurden. Ebenfalls schwer erklärbar, aber selbst diese Anzahl an Leckagen innerhalb sechs Jahren würden zu einer Gesamtbewertung führen, die für die meisten Kälteanlagenbauer schon Grund zum Jubeln wären. Nun reden wir bei den eigenen Lötstellen aber von Null innerhalb sechs Jahren. Das ist einigermaßen unerhört.

Betrachten wir also zunächst die „Königsdisziplin“, also die Mischverbindung von Chromnickelstahl zu Kupfer. Dabei ist es übrigens durchaus wichtig, die Materialpaarung richtig herum anzusetzen. Aufgrund der unterschiedlichen Einkoppelung und Abschirmwirkung gegenüber der Tiefeninduktion wäre es fatal, wenn man versuchen würde, ein Chromnickelstahl-Rohr in eine Kupfer-Muffe zu löten. In der umgekehrten Variante, also Kupferrohr in Chromnickel-Stutzen, macht es hingegen Sinn.

Gehen wir also davon aus, dass beide Seiten durchschnittlich sauber und nicht verbogen sind. Die Lotringe werden aufgeschoben, das Rohrende in die Muffe platziert, ein leichter Formiergasstrom durch die Fügestelle hergestellt und dann mit dem Ringinduktor erwärmt. Wer es noch nicht gesehen hat, schaut sich den Vorgang an und könnte meinten: „Schön, funktioniert ja prima, Induktionslöten ist toll.“.

Aber Vorsicht. Mit dem, was man normalerweise unter „Induktionslöten“ versteht, wäre das Erlebnis ganz anders. Denn während das Löten einfacher Kupfer-Kupfer-Verbindungen aufgrund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit des Kupfers mit so ziemlich jeder Art von Induktion beherrschbar ist, sitzt man bei einem aussen liegenden Fügepartner „Chromnickelstahl“ mit seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit ganz schnell dem sogenannten Skineffekt auf, der bei normaler Induktion in einem aus Arbeitsschutz-Gesichtspunkten geeigneten Frequenzbereich dazu führt, dass sich die ganze Leistung auf der Oberfläche konzentriert. Auf diese Weise laufen die Oberflächentemperaturen schnell unkontrollierbar davon, schlimmer als beispielsweise mit einer Propan-Sauerstoff-Flamme, die man ansonsten in der fachgerechten Kältetechnik-Lötung antrifft.

Königsdisziplin: Die Mischverbindung von Chromnickelstahl zu Kupfer.

Die Besonderheit bei der Erwärmung mit Tiefeninduktion als Wärmequelle besteht nun darin, dass der Chromnickelstahl - mit Wandstärken von durchaus 5 mm bei ungünstiger Stutzengeometrie. - komplett durchwirkt wird und das innen liegende Kupfer durchaus etwa 10 % der Induktion für eine aktive Erwärmung abbekommt. Das wiederum ist eine Information, bei der sich der Flamm-erfahrene Kältetechniker zunächst ungläubig die Augen reiben könnte. Denn die handwerkliche Schwierigkeit beim Löten von Kupfer in Chromnickel besteht normalerweise darin, genügend Wärme in das innen liegende Kupfer zu bringen, ohne den Chromnickelstahl irreversibel zu schädigen. Denn während Anlauffarben auf der Außenseite beim Löten unvermeidlich sind, wären schwarze Spuren auf dem „Edelstahl“ durchaus nicht tolerabel.

So würde man mit der Flamme typischerweise erst einmal nur das oben aus der Verbindung herausschauende Kupferende erwärmen, um die Hitze dem Kupfer entlang per Wärmeleitung nach innen ziehen zu lassen. Wenn das in hinreichendem Umfang passiert ist, zieht man die Wärmequelle nach unten und muss vorsichtig von außen versuchen, die nötige Wärmemenge durch die Stutzenwand nach innen zur Fügestelle zu bringen, ohne die Oberfläche zu überhitzen.

Das kurze Video hinter dem QR-Code zeigt, wie so etwas mit Tiefeninduktion aussehen kann. Möglicherweise fallen einem zwei Details auf:

Beides für sich ist noch nicht unbedingt beanstandenswert. Sieht man sich aber die beiden Stutzen im Vergleich an, so erkennt man möglicherweise den Punkt. Zur Randinformation: Bei der gegebenen Wärmetauscher-Größe gibt es keinen realistischen Fall, bei dem ein Rohranschluss größer als 15 mm gebraucht würde. Dieser ergibt sich aus übertragbarer Leistung, Kältemittel-Massenstrom und spezifischer Wärmekapazität des Kältemittels. Beim Verdampfer, der im VauQuadrat V4 / V6 / V 7 eingesetzt wird, sind statt der Original-Anschlussstutzen mit 22 mm an Ein- und Auslass Stutzen mit 12 mm am Eintritt und 15 mm am Austritt verwendet, sodass der Absatznippel zur Reduzierung - und damit jeweils eine weitere Lötstelle - entfällt. Das spart Energie bei der Fertigung und rein theoretisch zwei mögliche Leckagestellen.

Schaut man sich aber auch die Geometrie der beiden Stutzen genauer an, so fällt einem bei dem Originalstutzen eine Einstecktiefe des Rohres von gut 15 mm auf. Diese Information ist für sich genommen noch nicht viel wert, aber sehen wir uns die Tabelle B.1 aus der DIN EN 14276-1:2011-05 an. Dort wäre für einen Durchmesser 22 mm eine Mindest-Einstecktiefe von 10 mm gefordert, für den Durchmesser 15 mm gar nur 8 mm.

Damit ist man mit der Einstecktiefe 15 mm bei Durchmesser 22 mm natürlich auf der sicheren Seite und absolut normgerecht. Man würde versucht sein, zu sagen „Viel hilft viel.“. Wenn das nicht eine fatale Falschannahme wäre.

Um es klar zu sagen: Wenn die entsprechende Lötnaht zu 100 % perfekt wäre, dann stimmte die Annahme, dass eine längere Lötnaht nochmal minimal besser ist als eine kürzere. Genau das ist aber nie der Fall - und eine zu lange Einstecktiefe führt dazu, dass die Wahrscheinlichkeit für eine gute Lötnaht immer geringer wird.

Was ist der entscheidende Punkt? Die Kriterien für Schwingfestigkeit sind, plump gesagt:

Keine Sorge, die Auflistung ist kein Kopierfehler. Es ist aber in der Tat so, dass bei Vorhandensein einer Kerbe entsprechender Schärfe alle anderen Faktoren in den Hintergrund treten. Der Autor ist in dieser Hinsicht dem DVS-Fachausschuss 09 („Stabilität und Berechnung“) für das übertragene Wissen in 10 Jahren Fachausschuss-Sitzungen mehr als dankbar.

Betrachtet man also im Vergleich eine Variante eins mit einer höheren Einstecktiefe, dafür aber ungleichmäßigerem Eindringen in die Tiefe und dadurch keinen kerbfreien unteren Rand der Lötverbindung - und eine Variante zwei mit kürzerer (immer noch normgerechter.) Einstecktiefe und dadurch extrem hoher Wahrscheinlichkeit für vollkommenes Durchziehen des Lots in die Tiefe und kerbfreiem, unterem Lötnahtende, so ist klar, welche der beiden Varianten sehr viel schwingfester und dauerhafter ist.

Es geht übrigens durchaus noch schlimmer. Neben mehr Einstecktiefe als nötig gibt es durchaus Wärmetauscher, bei denen viel mehr Chromnickel-Wandstärke im Stutzen vorhanden ist, als notwendig. Was die gleichmäßige und schadensfreie Durchwärmung schwieriger macht.

Ganz besonders prekär wird es in den Fällen, bei denen die Einstecktiefe bis in den tiefliegenden Flansch hineinreicht, sodass dort eine Erwärmung auf Löttemperatur quasi unmöglich ist.

Schade ist in diesem Zusammenhang, dass entsprechende Gespräche mit Wärmetauscher-Herstellern und deren Großkunden wie beispielsweise Wärmepumpenherstellern einen Teufelskreis offenbart haben. Dabei halten sich Überzeugungen, dass die Wärmetauscher-Hersteller keine Löt-günstigen Stutzen anbieten und die Großkunden so eine Änderung nie akzeptieren würden.

Daraus scheint selbst mit dem heutzutage gestiegenen Bewusstsein für nachhaltige und energiesparende Fertigung kein Ausweg in Sicht.

Zum Beweis des Gesagten mag im Vergleich ein Blick auf Bild 8 dienen. Dort sieht man eine vergleichbare Lötung wie in Bild 7 (keine besondere Reinigung, Lotring, Ringinduktor, „nachlässige Routinelötung nach Auge von Hand“) an einem herkömmlichen Verdampferstutzen mit zu hoher Einstecktiefe. Nicht falsch verstehen, das Ergebnis ist vergleichsweise brilliant. Ein Benetzungsgrad von über 90 %, eine schöne Kehle auf der Oberseite und das Lot ist an über der Hälfte der Lötnaht bis unten durchgezogen. Damit hat man erheblich mehr Lotquerschnitt als in dem Beispiel von Bild 7. Aber auf der Unterseite gibt es eben einen Ring kleiner Kerben. Wenn man das mit der dauerhaften Dichtigkeit wirklich ernst meint, ist der Ansatz mit der minimalen Einstecktiefe („so wenig wie möglich, so viel wie nötig“) also der überlegene.

Bei einer scharfen Kerbe treten andere Faktoren in den Hintergrund.

Bei der Gelegenheit sei auf die Neuausgabe der DIN EN ISO 18279 („Hartlöten - Unregelmäßigkeiten in hartgelöteten Verbindungen“) von 2023 hingewiesen. Deren Tabelle B.2 listet die möglichen Unregelmäßigkeiten systematisch auf und weist für vier Bewertungsgruppen D-A die jeweils zulässigen Höchstmaße an den betreffenden Unregelmäßigkeiten auf. Zum Thema der Benetzung des gesamten Lötspalts, für die in der Vorgängerausgabe in einer Bewertungsgruppe B noch 80 % die Höchstforderung waren, ist mit einer Bewertungsgruppe A jetzt eine Forderung nach 90 % Benetzung in der Norm erfasst.

Wobei gerade zum Thema der Tiefeninduktion eine ganz andere Kenngröße in den Vordergrund tritt: Die durchschnittliche, sehr hohe Qualität über das gesamte Jahr, beziehungsweise sogar über die drei Jahre zwischen den Löterprüfungen. Denn schließlich ist das Ergebnis einer Löter- oder auch Verfahrensprüfung nur eine Momentaufnahme und bei Handlötung mit der Flamme ist die „Tagesform“ ein entscheidender Faktor.

Werfen wir nun einen Blick auf das Thema der Induktorformen. Klar ist, dass ein Ringinduktor mit Innenfelderwärmung am einfachsten eine gleichmäßige Erwärmung hinbekommt. Genau das ist für die Vorfertigung, egal ob von Hand, mechanisiert oder gar automatisiert, auch nach wie vor das Mittel der Wahl. Was sich in den letzten Jahren verändert hat, ist die Nutzung von 3D-Druck zur Herstellung der entsprechend geformten Kupfer-Formteile, anstatt diese aufwändig mehrstufig zu glühen und zu biegen.

Neben der klassischen Ringform gibt es noch zwei offene Geometrien, die man immer dann braucht, wenn eine Lötung einen Kreis schließt und der Induktor nicht mehr entnehmbar wäre. Der „Hookyduktor“ hat sich als ideal für die Handlötung erwiesen, da der Löter Sicht auf die Lötstelle hat. Der „Force-Inductor“ (May the force be with you...) rechts ist hingegen das Mittel der Wahl, wenn der Induktor von einem Roboter/Cobot geführt wird. Die natürliche Befürchtung, dass die Erwärmung bei der offenen Geometrie zwangsläufig sehr ungleichmäßig würde, ist bei Wahl der richtigen Durchmesser-Verhältnisse unbegründet.

Apropos Automatisierung. Die ersten Lötungen von Chromnickel-Kupfer-Mischverbindungen am Roboter wurden tatsächlich ohne jegliche Temperaturregelung und rein zeitgesteuert vorgenommen. Das lässt sich ohne große Probleme prozesssicher umsetzen. Hierzu wird das Tiefeninduktionsgerät von der Robotersteuerung (oder einer übergeordneten Steuerung wie beispielsweise eine SPS) ferngesteuert. Dies kann inzwischen über standardisierte Kommunikationsformen wie
ProfiNet erfolgen.

Schwarze Spuren auf dem „Edelstahl“ sind nicht tolerabel.

Immer wieder wurde betont, dass Kupfer-Kupfer-Verbindungen, typischerweise unter Nutzung von massiven Phosphor-Lotringen, kaum der Erwähnung wert seien, da einfach umzusetzen. Und am Beispiel der vielfältigen Lötstellen im Kältekreis der Tiefeninduktionsgerätebestätigt sich das auch. Mit dem Aufkommen von CO2 als Kältemittel (Bezeichnung R 744) ergeben sich betreffend dieser „einfachen“ Materialpaarung jedoch ganz neue Herausforderungen. Aufgrund der benötigten, extrem hohen Drücke sind der normale Kupferwerkstoff und die üblichen Rohrwandstärken nicht mehr ausreichend. Das „K 65-Kupfer“ (CuFe₂P, Rohre genormt in der DIN EN 12449) kommt zum Einsatz. Aufgrund der größeren Wanddicke wird das Löten mit der Flamme dadurch ab einem gewissen Durchmesser durchaus zur Herausforderung. Mit Tiefeninduktion stellt sich dieses Problem nicht, mit größerer Materialmenge im selben Durchmesser verbessert sich die Einkopplung eher noch.

Ebenfalls berichtenswert ist ein ganz anders Betätigungsfeld im Zusammenhang: Das Hartlöten von Aluminium und Aluminium-Mischverbindungen. Wo liegt die Herausforderung? Der sehr gut und universell verwendbare Zusatzwerkstoff AlSi12 (AL 104 nach der DIN EN 1044) hat einen Schmelzpunkt im Bereich von 575 °C bis 585 °C. Der Grundwerkstoff schmilzt aber auch schon - je nach Legierung - bei 630 °C bis 660 °C. Mit der Anwendungsform eines Fülldraht-Lotrings mit nicht korrosivem Flussmittelkern in Kombination mit einem Tiefeninduktions-Induktor wird die Lötung sogar manuell bedient und rein nach Sicht gesteuert beherrschbar. Sehr genaues Hinsehen und schnelle Reaktion sind aber Voraussetzung.

Mit den selben Lotringen lassen sich auch Mischverbindungen Aluminium – Kupfer und Aluminium – Chromnickelstahl löten. Dadurch, dass man die Lötzeit kurz halten kann, wird die Schicht intermetallischer Phasen (IMP), die man für gewöhnlich aufgrund ihrer negativen Eigenschaften fürchten muss, angenehm klein gehalten.

Diese Lötung erfolgte zweistufig und rein zeitgesteuert. Erst für ein paar Sekunden mit voller Leistung, dann für eine Zeit mit reduzierter Leistung. Letztendlich war es tatsächlich das automatisierte Löten von Aluminium, was bei VauQuadrat den Weg zu einer Temperaturregelung geebnet hat.

Dank eines vollständig linearen Stellgrößeneingangs, den man bei den Tiefeninduktionsgeräten der VauQuadrat V-Serie nutzen kann, brauchte es nur noch die Möglichkeit einer berührungslosen Temperaturmessung mittels Pyrometer, um auf einfache Weise eine stabile Temperaturregelung für den Aluminium-Lötvorgang umzusetzen. Letzteres ist herausfordernder, als man vielleicht denkt. Erst mit dem VQ Sense 1002 war dies möglich.

www.vauquadrat.com

Thomas Vauderwange

VauQuadrat

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