Nahezu jeder Montageprozess kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Die Option, die ein Hersteller oder Systemintegrator für die besten Ergebnisse wählt, ist in der Regel eine, die eine bewährte Technologie mit einer spezifischen Anwendung in Einklang bringt.
Hartlöten ist ein solches Verfahren. Beim Hartlöten handelt es sich um ein Fügeverfahren, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch Schmelzen eines Zusatzmetalls verbunden werden, das in die Fügestelle fließt. Das Zusatzmetall hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die angrenzenden Metallteile.
Die zum Löten benötigte Wärme kann durch Brenner, Öfen oder Induktionsspulen erzeugt werden. Beim Induktionslöten erzeugt eine Induktionsspule ein Magnetfeld, das das Substrat erhitzt und so das Lötmetall schmilzt. Induktionslöten erweist sich für eine wachsende Zahl von Montageanwendungen als optimale Lösung.
„Induktionslöten ist deutlich sicherer als Brennerlöten, schneller als Ofenlöten und reproduzierbarer als beide“, sagte Steve Anderson, Leiter der Feld- und Testforschung bei Fusion Inc., einem 88 Jahre alten Systemintegrator in Willoughby, Ohio. Das Unternehmen ist auf verschiedene Montageverfahren, darunter auch das Löten, spezialisiert. „Außerdem ist Induktionslöten einfacher. Im Vergleich zu den anderen beiden Verfahren benötigt man lediglich Standardstrom.“
Vor einigen Jahren entwickelte Fusion eine vollautomatische Sechs-Stationen-Maschine zur Montage von zehn Hartmetallfräsern für die Metallbearbeitung und den Werkzeugbau. Die Fräser werden durch das Aufbringen zylindrischer und konischer Wolframkarbidrohlinge auf einen Stahlschaft hergestellt. Die Produktionsrate beträgt 250 Teile pro Stunde, und die separate Teileablage fasst 144 Rohlinge und Werkzeughalter.
„Ein vierachsiger SCARA-Roboter entnimmt einen Griff aus der Schale, führt ihn dem Lötpastenspender zu und legt ihn in die Greiferaufnahme“, erklärt Anderson. „Anschließend nimmt der Roboter ein Rohlingstück aus der Schale und platziert es am Ende des Schafts, an den es geklebt wird. Das Induktionslöten erfolgt mithilfe einer elektrischen Spule, die sich vertikal um die beiden Teile wickelt und das Silberlot auf eine Liquidustemperatur von 706 °C erhitzt. Nachdem das Werkstück ausgerichtet und abgekühlt ist, wird es durch einen Auswurfschacht ausgeworfen und zur Weiterverarbeitung gesammelt.“
Die Verwendung des Induktionslötens für Montagearbeiten nimmt zu, vor allem weil es eine starke Verbindung zwischen zwei Metallteilen herstellt und sich sehr gut zum Verbinden unterschiedlicher Materialien eignet. Umweltbedenken, verbesserte Technologien und unkonventionelle Anwendungsbereiche veranlassen Fertigungsingenieure ebenfalls dazu, das Induktionslöten genauer zu betrachten.
Das Induktionslöten gibt es seit den 1950er Jahren, obwohl das Konzept der Induktionserwärmung (mittels Elektromagnetismus) bereits über ein Jahrhundert zuvor vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt wurde. Handbrenner waren die erste Wärmequelle zum Löten, gefolgt von Öfen in den 1920er Jahren. Während des Zweiten Weltkriegs wurden Ofenverfahren häufig eingesetzt, um große Mengen an Metallteilen mit minimalem Arbeits- und Kostenaufwand herzustellen.
Die Verbrauchernachfrage nach Klimaanlagen in den 1960er und 1970er Jahren schuf neue Anwendungsgebiete für das Induktionslöten. Tatsächlich führte das Massenlöten von Aluminium in den späten 1970er Jahren zur Herstellung vieler Komponenten, die in den heutigen Kfz-Klimaanlagen zu finden sind.
„Im Gegensatz zum Löten mit dem Brenner ist das Induktionslöten berührungslos und minimiert das Risiko einer Überhitzung“, bemerkt Rick Bausch, Vertriebsleiter der Ambrell Corp., gegenüber inTEST.temperature.
Laut Greg Holland, Vertriebs- und Betriebsleiter bei eldec LLC, besteht ein Standard-Induktionslötsystem aus drei Komponenten. Dies sind das Netzteil, der Arbeitskopf mit der Induktionsspule und der Kühler bzw. das Kühlsystem.
Die Stromversorgung ist mit dem Werkstückkopf verbunden, und die Spulen werden speziell an die Schweißnaht angepasst. Induktoren können aus massiven Stäben, flexiblen Kabeln, gefrästen Rohlingen oder im 3D-Druckverfahren aus Kupferpulver hergestellt werden. Üblicherweise bestehen sie jedoch aus hohlen Kupferrohren, durch die Wasser fließt. Dies hat mehrere Gründe: Zum einen kühlt das Wasser die Spule, indem es die von den Teilen während des Lötprozesses reflektierte Wärme abführt. Zum anderen verhindert das fließende Wasser einen Wärmestau in den Spulen aufgrund des häufigen Wechselstroms und der damit verbundenen ineffizienten Wärmeübertragung.
„Manchmal wird ein Flusskonzentrator auf die Spule aufgebracht, um das Magnetfeld an einem oder mehreren Punkten der Lötstelle zu verstärken“, erklärt Holland. „Solche Konzentratoren können als Laminate ausgeführt sein und aus dünnen, dicht gestapelten Elektroblechen bestehen oder aus ferromagnetischen Rohren, die pulverförmiges ferromagnetisches Material und unter hohem Druck verpresste dielektrische Bindemittel enthalten. Der Vorteil des Konzentrators liegt darin, dass er die Zykluszeit verkürzt, indem er mehr Energie schneller in bestimmte Bereiche der Lötstelle bringt und gleichzeitig andere Bereiche kühler hält.“
Vor dem Positionieren der Metallteile zum Induktionslöten muss der Bediener die Frequenz und die Leistungspegel des Systems korrekt einstellen. Die Frequenz kann zwischen 5 und 500 kHz liegen; je höher die Frequenz, desto schneller erhitzt sich die Oberfläche.
Netzteile können oft Hunderte von Kilowatt Strom erzeugen. Das Hartlöten eines handtellergroßen Bauteils dauert jedoch nur 10 bis 15 Sekunden und benötigt lediglich 1 bis 5 Kilowatt. Im Vergleich dazu können größere Bauteile 50 bis 100 Kilowatt Leistung benötigen und bis zu 5 Minuten zum Hartlöten brauchen.
„Generell gilt: Kleinere Bauteile verbrauchen weniger Strom, benötigen aber höhere Frequenzen, beispielsweise 100 bis 300 Kilohertz“, sagte Bausch. „Größere Bauteile hingegen benötigen mehr Strom und niedrigere Frequenzen, typischerweise unter 100 Kilohertz.“
Unabhängig von ihrer Größe müssen Metallteile vor dem Verbinden korrekt positioniert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass zwischen den Grundmetallen ein geringer Spalt besteht, um eine optimale Kapillarwirkung des Schweißzusatzwerkstoffs zu gewährleisten. Stumpf-, Überlapp- und Stumpf-Überlapp-Verbindungen eignen sich am besten, um diesen Spalt zu sichern.
Traditionelle oder selbstmontierende Befestigungselemente sind zulässig. Standardbefestigungen sollten aus weniger leitfähigen Materialien wie Edelstahl oder Keramik gefertigt sein und die Bauteile so wenig wie möglich berühren.
Durch die Gestaltung von Teilen mit ineinandergreifenden Nähten, Stauchen, Vertiefungen oder Rändelungen kann eine Selbstfixierung ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Unterstützung erreicht werden.
Anschließend werden die Fugen mit einem Schmirgelpad oder einem Lösungsmittel gereinigt, um Verunreinigungen wie Öl, Fett, Rost, Zunder und Schmutz zu entfernen. Dieser Schritt verstärkt die Kapillarwirkung des geschmolzenen Schweißzusatzwerkstoffs, der sich so leichter durch die angrenzenden Oberflächen der Fuge ziehen kann.
Nachdem die Teile ordnungsgemäß eingesetzt und gereinigt wurden, trägt der Bediener eine Fugenmasse (in der Regel eine Paste) auf die Fuge auf. Die Masse ist eine Mischung aus Schweißzusatzwerkstoff, Flussmittel (um Oxidation zu verhindern) und einem Bindemittel, das das Metall und das Flussmittel vor dem Schmelzen zusammenhält.
Lötmetalle und Flussmittel sind so formuliert, dass sie höheren Temperaturen standhalten als solche, die beim Weichlöten verwendet werden. Lötmetalle schmelzen bei Temperaturen von mindestens 499 °C (842 °F) und sind nach dem Abkühlen fester. Zu ihnen gehören Aluminium-Silizium-, Kupfer-, Kupfer-Silber-, Messing-, Bronze-, Gold-Silber-, Silber- und Nickellegierungen.
Der Bediener positioniert anschließend die Induktionsspule, die in verschiedenen Ausführungen erhältlich ist. Schraubenspulen sind kreisförmig oder oval und umschließen das Werkstück vollständig, während Gabel- (oder Zangen-)spulen an beiden Seiten der Verbindung angeordnet sind und Kanalspulen sich am Werkstück einhaken. Weitere Spulentypen sind Innendurchmesser- (ID), ID/Außendurchmesser- (OD), Flach-, offene und Mehrpositions-Induktionsspulen.
Eine gleichmäßige Wärmeverteilung ist für hochwertige Lötverbindungen unerlässlich. Dazu muss der Bediener sicherstellen, dass der vertikale Abstand zwischen den einzelnen Induktionsspulenwindungen gering ist und dass der Kopplungsabstand (Spaltbreite von Spulenaußendurchmesser zu Spuleninnendurchmesser) gleichmäßig bleibt.
Als Nächstes schaltet der Bediener die Stromzufuhr ein, um den Erwärmungsprozess der Verbindung zu starten. Dabei wird schnell ein Wechselstrom mittlerer oder hoher Frequenz von einer Stromquelle zu einer Spule geleitet, um ein magnetisches Wechselfeld um die Spule herum zu erzeugen.
Das Magnetfeld induziert einen Strom an der Oberfläche der Verbindung, wodurch Wärme entsteht, die das Schweißzusatzmetall schmilzt. Dadurch kann es fließen und die Oberfläche des Metallteils benetzen, wodurch eine starke Verbindung entsteht. Mithilfe von Spulen mit mehreren Positionen kann dieser Prozess an mehreren Teilen gleichzeitig durchgeführt werden.
Es wird empfohlen, jedes gelötete Bauteil abschließend zu reinigen und zu prüfen. Durch Waschen der Teile mit mindestens 49 °C heißem Wasser werden Flussmittelreste und eventuell entstandene Zunderablagerungen entfernt. Das Bauteil sollte in Wasser getaucht werden, nachdem das Lötmetall erstarrt ist, die Baugruppe aber noch heiß ist.
Je nach Bauteil können auf eine Mindestprüfung zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren folgen. Zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren zählen Sicht- und Röntgenprüfungen sowie Dichtheits- und Druckprüfungen. Gängige zerstörende Prüfverfahren sind metallografische Prüfungen, Schäl-, Zug-, Scher-, Ermüdungs-, Transfer- und Torsionsprüfungen.
„Das Induktionslöten erfordert zwar eine höhere Anfangsinvestition als das Löten mit dem Brenner, aber es lohnt sich, da man die höhere Effizienz und bessere Kontrolle erhält“, sagte Holland. „Beim Induktionslöten drückt man einfach, wenn man Hitze benötigt. Wenn man keine benötigt, drückt man einfach.“
Eldec fertigt ein breites Sortiment an Stromquellen für das Induktionslöten, darunter die ECO LINE MF Mittelfrequenz-Stromversorgung, die in verschiedenen Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen erhältlich ist. Diese Stromversorgungen sind mit Leistungen von 5 bis 150 kW und Frequenzen von 8 bis 40 Hz verfügbar. Alle Modelle können mit einer Leistungssteigerungsfunktion ausgestattet werden, die es dem Bediener ermöglicht, die Dauerleistung von 100 % innerhalb von 3 Minuten um weitere 50 % zu erhöhen. Zu den weiteren wichtigen Merkmalen gehören eine Pyrometer-Temperaturregelung, ein Temperaturrekorder und ein IGBT-Leistungsschalter. Diese Verbrauchsmaterialien sind wartungsarm, arbeiten geräuschlos, sind kompakt und lassen sich problemlos in Arbeitszellensteuerungen integrieren.
Hersteller in verschiedenen Branchen setzen zunehmend auf Induktionslöten zur Montage von Bauteilen. Bausch nennt Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizintechnik- und Bergbaumaschinenhersteller als größte Anwender von Ambrell-Induktionslötanlagen.
„Die Anzahl induktionsgelöteter Aluminiumbauteile in der Automobilindustrie steigt aufgrund von Gewichtsreduzierungsmaßnahmen kontinuierlich an“, betont Bausch. „Im Luft- und Raumfahrtsektor werden Nickel und andere Verschleißpads häufig an Turbinenschaufeln gelötet. Beide Branchen verwenden zudem das Induktionslötverfahren für verschiedene Stahlrohrfittings.“
Alle sechs EasyHeat-Systeme von Ambrell verfügen über einen Frequenzbereich von 150 bis 400 kHz und eignen sich ideal zum Induktionslöten kleiner Teile unterschiedlicher Geometrie. Die Kompaktmodelle (0112 und 0224) bieten eine Leistungsregelung mit einer Auflösung von 25 Watt; die Modelle der LI-Serie (3542, 5060, 7590, 8310) bieten eine Regelung mit einer Auflösung von 50 Watt.
Beide Serien verfügen über einen abnehmbaren Arbeitskopf, der bis zu 3 Meter von der Stromquelle entfernt positioniert werden kann. Die Bedienelemente an der Vorderseite des Systems sind programmierbar, sodass der Anwender bis zu vier verschiedene Heizprofile mit jeweils bis zu fünf Zeit- und Leistungsstufen definieren kann. Die Fernsteuerung der Stromversorgung ist über Kontakt- oder Analogeingang oder optional über eine serielle Datenschnittstelle möglich.
„Unsere Hauptkunden für das Induktionslöten sind Hersteller von Teilen, die einen gewissen Kohlenstoffanteil enthalten, oder von großen Teilen mit einem hohen Eisenanteil“, erklärt Rich Cukelj, Business Development Manager bei Fusion. „Einige dieser Unternehmen beliefern die Automobil- und Luftfahrtindustrie, während andere Waffen, Schneidwerkzeugbaugruppen, Wasserhähne und Abflüsse oder Stromverteilerblöcke und Sicherungen herstellen.“
Fusion vertreibt kundenspezifische Rotationssysteme, die 100 bis 1000 Teile pro Stunde induktiv löten können. Laut Cukelj sind höhere Ausbeuten für einen einzelnen Teiletyp oder für eine bestimmte Teileserie möglich. Die Teile haben eine Größe von 2 bis 14 Quadratzoll.
„Jedes System enthält einen Indexer von Stelron Components Inc. mit 8, 10 oder 12 Arbeitsstationen“, erklärt Cukelj. „Einige Arbeitsstationen werden zum Hartlöten verwendet, während andere zur Inspektion mit Bildverarbeitungskameras oder Lasermessgeräten oder zur Durchführung von Zugversuchen eingesetzt werden, um die hohe Qualität der Lötverbindungen sicherzustellen.“
Hersteller verwenden die Standard-Netzteile der ECO LINE-Serie von eldec für eine Vielzahl von Induktionslötanwendungen, wie z. B. das Schrumpfpassen von Rotoren und Wellen oder das Verbinden von Motorgehäusen, sagte Holland. Vor kurzem wurde ein 100-kW-Modell dieses Generators in einer Anwendung mit großen Teilen eingesetzt, bei der Kupferkreisringe an Kupferabgriffanschlüsse für Wasserkraftwerksgeneratoren gelötet wurden.
Eldec stellt außerdem tragbare MiniMICO-Netzteile her, die sich dank ihres Frequenzbereichs von 10 bis 25 kHz leicht in der Fabrik bewegen lassen. Vor zwei Jahren nutzte ein Hersteller von Wärmetauscherrohren für die Automobilindustrie MiniMICO zum induktiven Löten von Rücklaufkrümmern an die einzelnen Rohre. Eine Person führte alle Lötarbeiten durch, und die Montage jedes Rohres dauerte weniger als 30 Sekunden.
Jim ist leitender Redakteur bei ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Vor seiner Tätigkeit bei ASSEMBLY war Camillo als Projektingenieur, Redakteur des „Association for Equipment Engineering Journal“ und des „Milling Journal“ tätig. Jim hat einen Abschluss in Anglistik von der DePaul University.
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