Geeignete Lötverfahren und deren Prozessführung

Geeignete Lötverfahren und deren Prozessführung


Flammlöten, Induktionslöten und Ofenlöten

 


Flammlöten


Der Brenner muss so ausgelegt sein, dass innerhalb der max. Wirkdauer des Flussmittels von maximal 4 Minuten der Fügebereich auf Arbeitstemperatur erwärmt werden kann. Die Flammenführung muss ein Überhitzen des Lotes und Verbrennen des Flussmittels ausschließen. Hierzu ist es häufig sinnvoll den Hauptenergieeintrag über den Stahlfügepartner durchzuführen. Für eine gute Reproduzierbarkeit der Lötergebnisse spielt die Qualifikation und Erfahrung des Löters eine entscheidende Rolle.

Induktionslöten

 

In der Serienfertigung von Werkzeugen hat sich das Induktionslöten als gut automatisierbarer und für die meisten Anwendungen schneller Prozess bei punktueller Erwärmung der Bauteile durchgesetzt.Die Wärme wird unmittelbar im Werkstück erzeugt und ermöglicht weitaus schnellere Aufwärmzeiten als alternative Lötverfahren.

 

Funktionsprinzip Induktionslöten

Eine ein- oder mehrwindige wassergekühlte Induktionsspule (Induktor) wird um den zu erwärmenden Fügebereich gelegt. Der im Induktor fließende Wechselstrom induziert in elektrisch leitenden Werkstücken einen Strom. Durch den elektrischen Widerstand im Werkstück erfolgt eine Erwärmung. Da die Ströme zum größten Teil nur an ihrer Oberfläche fließen wird die Wärmeenergie im oberflächennahen Bereich gestaut und fließt nur durch Wärmeleitung ins Innere ab. Man spricht in diesem Zusammenhang vom „Skin-Effekt“: Durch Selbstinduktion wird im Inneren des Werkstückes ebenfalls ein Wirbelstrom erzeugt. Dieser gegengerichtete Wirbelstrom führt zu einem höheren elektrischen Widerstand in der Überlagerungszone von Innen und Außen fließenden Wirbelströmen wodurch eine Konzentration des Stromes in der Oberfläche resultiert. Die Schichtdicke, in welcher der Strom auf das 1/e-fache abgesunken ist, bezeichnet man als Eindringtiefe oder Wirktiefe. In ihr werden etwa 85% der induzierten Leistung in Wärme umgesetzt. Mit zunehmender Frequenz nimmt der Skin-Effekt zu. Gleichzeitig nimmt die induzierbare Leistung durch Zunahme des effektiven elektrischen Widerstandes ab.

Für die Praxis leitet sich daraus ab, dass kleine Fügeteile mit Hochfrequenz-Induktionsanlagen und große Bauteile mit Mittelfrequenz-Induktionsanlagen gelötet werden.

Form und Positionierung des Induktor oder der Induktoren, Frequenz, Zeit- und Energieprofil der Stromversorgung müssen auf Geometrie und Werkstoff der Fügepartner abgestimmt werden. Aufgrund der sehr komplexen Abhängigkeiten wird empfohlen die Auslegung und den Bau der Induktoren durch geschultes Personal oder den Hersteller der Induktionsanlagen vornehmen zu lassen. Einige Induktionsanlagenhersteller bieten entsprechende Schulungen an.

 

Prozessführung beim  Induktionslöten

Der Vorteil des Induktionslötverfahrens liegt in der exakten Reproduzierbarkeit des Lötvorganges. Für hochbelastbare Lötungen ist es sinnvoll, zuerst die optimalen Prozessparameter in einer Vorserie zu ermitteln.

Beim induktiven Erwärmen wird der größte Energieanteil in den Werkzeugstahl eingekoppelt. Das Hartmetall erwärmt sich verzögert und erhält einen wesentlichen Energieanteil durch Wärmeleitung. Gleiches passiert bei Bauteilen mit großen Querschnitten. Außen erfolgt die Energieeinkopplung, die mittleren Zonen werden verzögert nur durch Wärmeleitung von außen nach innen erwärmt. Hierdurch ergeben sich in jedem Falle unterschiedliche Ortstemperaturen am Bauteil. Das festzulegende Energie- Zeit- und ggfs. Bewegungs- Profil muss sicherstellen, das es auf der einen Seite nicht zu örtlichen Überhitzungen des Lotes kommt (Ausgasungen, Porenbildung, Flussmittellebensdauer) und andererseits aber der gesamte Fügebereich die Arbeitstemperatur des Lotes erreicht.

Durch das aufschmelzende Flussmittel erhalten kleine Hartmetallbauteile Auftrieb und können schwimmend ihre angedachte Position verlieren. Sie sind deshalb durch geeignete Keramik-Haltevorrichtungen, mit Draht oder von Hand mit einem Keramikstift zu fixieren. Sofern das Eigengewicht nicht ausreichend ist, sollten sie leicht angedrückt werden, ohne das dabei flüssiges Lot aus dem Spalt gepresst wird. Beim Lötvorgang wird das Flussmittel aus dem Spalt getrieben dabei senkt sich das Hartmetall etwas ab.

Werden Hartmetalle in Spalte eingefügt muss das Volumen des ausgetriebenen Flussmittels mit Lot nachgespeist werden, da es sonst zu Fehlstellen kommen würde. Als Lotdepot kann hierbei eine übergroße Fläche der Lotfolie dienen oder Lot mittels Draht von außen zugeführt werden.

Ofenlöten

Sofern hohe Löttemperaturen zulässig oder gewünscht sind, können Lötverbindungen mit Kupfer und Kupferlegierungen hergestellt werden. Den Kupferlegierungen werden vornehmlich Mn, Ni, Co oder Si zulegiert. Im Vergleich zu reinem Kupfer erreichen die Kupferlegierungen eine höhere Festigkeit. Kupferhaltige Lote können für Lötungen im Ofen unter Schutzgasatmosphäre oder auch induktiv unter Schutzgas oder mit Hochtemperaturflussmittel BrazeTec s und spezial s eingesetzt werden