Fast jeder Montageprozess kann auf mehrere Arten durchgeführt werden. Für die besten Ergebnisse wählt ein Hersteller oder Integrator normalerweise die Option, bei der eine bewährte Technologie auf eine bestimmte Anwendung abgestimmt wird.
Löten ist ein solcher Prozess. Löten ist ein Metallverbindungsprozess, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch Schmelzen und Einfließenlassen eines Füllmetalls in die Verbindung verbunden werden. Das Füllmetall hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die angrenzenden Metallteile.
Die Hitze zum Löten kann durch Brenner, Öfen oder Induktionsspulen bereitgestellt werden. Beim Induktionslöten erzeugt eine Induktionsspule ein Magnetfeld, das das Substrat erhitzt, um das Füllmetall zu schmelzen. Induktionslöten erweist sich für eine wachsende Zahl von Montageanwendungen als die beste Wahl.
„Induktionslöten ist viel sicherer als Flammlöten, schneller als Ofenlöten und reproduzierbarer als beide“, sagte Steve Anderson, Leiter der Feld- und Testwissenschaften bei Fusion Inc., einem 88-jährigen Integrator aus Willoughby, Ohio. Said ist auf verschiedene Montagemethoden spezialisiert, darunter auch Löten. „Außerdem ist Induktionslöten einfacher. Im Vergleich zu den beiden anderen Methoden benötigen Sie 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 Aufstecken zylindrischer und konischer Hartmetallrohlinge auf einen Stahlschaft hergestellt. Die Produktionsrate liegt bei 250 Teilen pro Stunde und die separate Teileablage bietet Platz für 144 Rohlinge und Werkzeughalter.
„Ein vierachsiger SCARA-Roboter entnimmt einen Griff aus der Ablage, führt ihn dem Lötpastenspender zu und lädt ihn in die Greiferaufnahme“, erklärt Anderson. „Anschließend entnimmt der Roboter ein Rohteil aus der Ablage und platziert es auf dem Schaftende, auf das es geklebt wird. Das Induktionslöten erfolgt mithilfe einer elektrischen Spule, die vertikal um die beiden Teile gewickelt ist und das Silberfüllmaterial auf eine Liquidustemperatur von 1.305 °F bringt. Nachdem das Gratteil ausgerichtet und abgekühlt ist, wird es durch einen Auswurfschacht ausgeworfen und zur weiteren Verarbeitung gesammelt.“
Induktionslöten wird in der Montage zunehmend eingesetzt, vor allem weil dadurch eine starke Verbindung zwischen zwei Metallteilen entsteht und sich unterschiedliche Materialien sehr effektiv miteinander verbinden lassen. Umweltbedenken, verbesserte Technologien und nicht-traditionelle Anwendungen zwingen Fertigungsingenieure außerdem dazu, sich mit dem Induktionslöten genauer zu befassen.
Induktionslöten gibt es seit den 1950er Jahren, obwohl das Konzept der Induktionserwärmung (unter Verwendung von Elektromagnetismus) schon mehr als 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 ofenbasierte Methoden häufig verwendet, um große Mengen von Metallteilen mit minimalem Arbeits- und Kostenaufwand herzustellen.
Die Verbrauchernachfrage nach Klimaanlagen in den 1960er und 1970er Jahren schuf neue Anwendungsmöglichkeiten für das Induktionslöten. Tatsächlich führte das Massenlöten von Aluminium in den späten 1970er Jahren zur Herstellung vieler Komponenten, die heute in den Klimaanlagen von Autos zu finden sind.
„Im Gegensatz zum Flammlöten erfolgt das Induktionslöten berührungslos und minimiert das Risiko einer Überhitzung“, bemerkt Rick Bausch, Vertriebsleiter bei Ambrell Corp., inTEST.temperature.“
Laut Greg Holland, Vertriebs- und Betriebsleiter bei eldec LLC, besteht ein Standard-Induktionslötsystem aus drei Komponenten: der Stromversorgung, dem Arbeitskopf mit der Induktionsspule und dem Kühler bzw. Kühlsystem.
Die Stromversorgung wird an den Arbeitskopf angeschlossen und die Spulen werden individuell so gestaltet, dass sie um die Verbindung herum passen. Induktoren können aus massiven Stäben, flexiblen Kabeln, bearbeiteten Knüppeln oder im 3D-Druckverfahren aus Kupferpulverlegierungen hergestellt werden. Normalerweise bestehen sie jedoch aus hohlen Kupferrohren, durch die aus mehreren Gründen Wasser fließt. Einer davon besteht darin, die Spule kühl zu halten, indem der von den Teilen während des Lötprozesses reflektierten Wärme entgegengewirkt wird. Das fließende Wasser verhindert außerdem einen Hitzestau in den Spulen aufgrund des häufigen Vorhandenseins von Wechselstrom und der daraus resultierenden ineffizienten Wärmeübertragung.
„Manchmal wird ein Flusskonzentrator auf die Spule gesetzt, um das Magnetfeld an einem oder mehreren Punkten der Verbindung zu verstärken“, erklärt Holland. „Solche Konzentratoren können Laminate sein, die aus dünnen, dicht übereinander gestapelten Elektroblechen bestehen, oder ferromagnetische Rohre mit pulverförmigem ferromagnetischem Material und dielektrischen Verbindungen, die unter hohem Druck komprimiert werden. Der Vorteil des Konzentrators besteht darin, dass er die Zykluszeit verkürzt, indem er schneller mehr Energie in bestimmte Bereiche der Verbindung bringt und gleichzeitig andere Bereiche kühler hält.“
Bevor Metallteile zum Induktionslöten positioniert werden, muss der Bediener die Frequenz und Leistungsstufen des Systems richtig einstellen. Die Frequenz kann zwischen 5 und 500 kHz liegen. Je höher die Frequenz, desto schneller erwärmt sich die Oberfläche.
Stromversorgungen können oft Hunderte von Kilowatt Strom erzeugen. Das Löten eines handtellergroßen Teils in 10 bis 15 Sekunden erfordert jedoch nur 1 bis 5 Kilowatt. Zum Vergleich: Große Teile können 50 bis 100 Kilowatt Leistung erfordern und das Löten kann bis zu 5 Minuten dauern.
„Als allgemeine Regel gilt, dass kleinere Komponenten weniger Strom verbrauchen, aber höhere Frequenzen benötigen, etwa 100 bis 300 Kilohertz“, sagte Bausch. „Im Gegensatz dazu benötigen größere Komponenten mehr Strom und niedrigere Frequenzen, typischerweise unter 100 Kilohertz.“
Unabhängig von ihrer Größe müssen Metallteile vor dem Befestigen richtig positioniert werden. Es muss darauf geachtet werden, dass zwischen den Grundmetallen ein enger Spalt besteht, um eine ausreichende Kapillarwirkung des fließenden Füllmetalls zu ermöglichen. Stumpf-, Überlapp- und Stoßüberlappverbindungen sind die beste Möglichkeit, diesen Abstand sicherzustellen.
Herkömmliche oder selbstfixierende Vorrichtungen sind akzeptabel. Standardvorrichtungen sollten aus weniger leitfähigen Materialien wie Edelstahl oder Keramik bestehen und die Komponenten so wenig wie möglich berühren.
Durch die Konstruktion von Teilen mit ineinandergreifenden Nähten, Stanzungen, Vertiefungen oder Rändelungen kann eine Selbstfixierung ohne mechanische Unterstützung erreicht werden.
Anschließend werden die Verbindungen mit einem Schmirgelpad oder Lösungsmittel gereinigt, um Verunreinigungen wie Öl, Fett, Rost, Zunder und Schmutz zu entfernen. Dieser Schritt verstärkt die Kapillarwirkung des geschmolzenen Füllmetalls, das sich durch die angrenzenden Oberflächen der Verbindung zieht, noch weiter.
Nachdem die Teile richtig eingesetzt und gereinigt wurden, trägt der Bediener eine Verbindungsmasse (normalerweise eine Paste) auf die Verbindung auf. Die Masse ist eine Mischung aus Füllmetall, Flussmittel (zur Vermeidung von Oxidation) und einem Bindemittel, das das Metall und das Flussmittel vor dem Schmelzen zusammenhält.
Füllmetalle und Flussmittel, die beim Hartlöten verwendet werden, sind so formuliert, dass sie höheren Temperaturen standhalten als jene, die beim Weichlöten verwendet werden. Füllmetalle, die zum Hartlöten verwendet werden, schmelzen bei Temperaturen von mindestens 400 °C (842 °F) und sind beim Abkühlen fester. Dazu gehören Aluminium-Silizium-, Kupfer-, Kupfer-Silber-, Messing-, Bronze-, Gold-Silber-, Silber- und Nickellegierungen.
Anschließend positioniert der Bediener die Induktionsspule, die in verschiedenen Ausführungen erhältlich ist. Spiralförmige Spulen haben eine runde oder ovale Form und umgeben das Teil vollständig, während Gabel- (oder Zangen-) Spulen sich auf jeder Seite der Verbindung befinden und Kanal-Spulen sich am Teil festhaken. Weitere Spulen sind Innendurchmesser (ID), ID/Außendurchmesser (OD), Pfannkuchen-, offene und Mehrpositionsspulen.
Eine gleichmäßige Hitze ist für qualitativ hochwertige Lötverbindungen unerlässlich. Dazu muss der Bediener sicherstellen, dass der vertikale Abstand zwischen den einzelnen Induktionsspulenschleifen gering ist und dass der Kopplungsabstand (Spaltbreite zwischen Außen- und Innendurchmesser der Spule) gleichmäßig bleibt.
Als nächstes schaltet der Bediener den Strom ein, um mit dem Erhitzen der Verbindung zu beginnen. Dabei wird Wechselstrom mittlerer oder hoher Frequenz schnell von einer Stromquelle an einen Induktor übertragen, um um diesen herum ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen.
Das Magnetfeld induziert einen Strom auf der Oberfläche der Verbindung, der Wärme erzeugt, die das Füllmetall schmilzt, es fließen lässt und die Oberfläche des Metallteils benetzt, wodurch eine starke Verbindung entsteht. Durch die Verwendung von Mehrpositionsspulen kann dieser Prozess an mehreren Teilen gleichzeitig durchgeführt werden.
Eine abschließende Reinigung und Überprüfung jedes gelöteten Bauteils wird empfohlen. Durch Waschen der Teile mit mindestens 120 °F heißem Wasser werden Flussmittelrückstände und beim Löten entstandene Ablagerungen entfernt. Das Teil sollte in Wasser getaucht werden, nachdem das Füllmetall erstarrt ist, die Baugruppe aber noch heiß ist.
Je nach Teil können auf eine minimale Prüfung zerstörungsfreie und zerstörende Prüfungen folgen. Zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden gehören Sichtprüfungen und Röntgenprüfungen sowie Dichtheits- und Nachweisprüfungen. Gängige zerstörende Prüfmethoden sind metallografische Prüfungen sowie Schäl-, Zug-, Scher-, Ermüdungs-, Transfer- und Torsionsprüfungen.
„Induktionslöten erfordert zwar eine größere Anfangsinvestition als die Brennermethode, aber es lohnt sich, weil Sie mehr Effizienz und Kontrolle erhalten“, sagte Holland. „Wenn Sie bei Induktion Wärme benötigen, drücken Sie einfach. Wenn nicht, drücken Sie.“
Eldec fertigt eine breite Palette von Stromquellen zum Induktionslöten, beispielsweise die Zwischenfrequenzreihe ECO LINE MF, die in verschiedenen Konfigurationen erhältlich ist, um jeder Anwendung optimal gerecht zu werden. Diese Stromversorgungen sind in Leistungsbereichen von 5 bis 150 kW und Frequenzen von 8 bis 40 Hz erhältlich. Alle Modelle können mit einer Leistungsverstärkungsfunktion ausgestattet werden, mit der der Bediener die 100-%-Dauerbetriebsleistung innerhalb von 3 Minuten um weitere 50 % erhöhen kann. Weitere wichtige Funktionen sind eine Pyrometer-Temperaturregelung, ein Temperaturschreiber und ein Netzschalter mit bipolarem Transistor mit isoliertem Gate. Diese Verbrauchsmaterialien sind wartungsarm, arbeiten leise, benötigen wenig Stellfläche und lassen sich problemlos in Arbeitszellensteuerungen integrieren.
Hersteller in zahlreichen Branchen nutzen zunehmend Induktionslöten zur Montage von Teilen. Bausch nennt die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizingeräte- und Bergbauausrüstungshersteller als die größten Anwender von Ambrell-Induktionslötgeräten.
„Die Anzahl induktionsgelöteter Aluminiumkomponenten in der Automobilindustrie nimmt aufgrund von Gewichtsreduzierungsinitiativen kontinuierlich zu“, betont Bausch. „In der Luft- und Raumfahrt werden häufig Nickel und andere Verschleißplatten an Rotorblätter gelötet. In beiden Branchen werden auch verschiedene Stahlrohrverbindungen induktionsgelötet.“
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 10 Fuß von der Stromquelle entfernt sein kann. Die Bedienelemente auf der Vorderseite des Systems sind programmierbar, sodass der Endbenutzer bis zu vier verschiedene Heizprofile mit jeweils bis zu fünf Zeit- und Leistungsstufen definieren kann. Die Fernsteuerung der Stromversorgung ist für Kontakt- oder Analogeingang oder einen optionalen seriellen Datenanschluss verfügbar.
„Unsere Hauptkunden für Induktionslöten sind Hersteller von Teilen, die etwas Kohlenstoff enthalten, oder von großen Massenteilen, die einen hohen Eisenanteil aufweisen“, erklärt Rich Cukelj, Fusion Business Development Manager. „Einige dieser Unternehmen beliefern die Automobil- und die Luftfahrtindustrie, während andere Waffen, Schneidwerkzeugbaugruppen, Wasserhähne und Abflüsse oder Stromverteilerblöcke und Sicherungen herstellen.“
Fusion verkauft kundenspezifische Rotationssysteme, die 100 bis 1.000 Teile pro Stunde induktionslöten können. Laut Cukelj sind höhere Erträge für einen einzelnen Teiletyp oder für eine bestimmte Teileserie möglich. Die Größe dieser Teile reicht 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 Löten verwendet, während andere zur Inspektion eingesetzt werden. Dabei kommen Bildverarbeitungskameras oder Lasermessgeräte zum Einsatz oder es werden Zugtests durchgeführt, um qualitativ hochwertige Lötverbindungen sicherzustellen.“
Hersteller verwenden die Standardstromversorgungen der ECO LINE von eldec für eine Vielzahl von Induktionslötanwendungen, wie etwa das Aufschrumpfen von Rotoren und Wellen oder das Verbinden von Motorgehäusen, sagte Holland. Vor kurzem wurde ein 100-kW-Modell dieses Generators in einer Großteileanwendung eingesetzt, bei der Kupferschaltungsringe an Kupferabzweigverbindungen für Generatoren von Wasserkraftwerken gelötet wurden.
Eldec stellt außerdem tragbare MiniMICO-Netzteile mit einem Frequenzbereich von 10 bis 25 kHz her, die problemlos innerhalb der Fabrik bewegt werden können. Vor zwei Jahren verwendete ein Hersteller von Wärmetauscherrohren für Kraftfahrzeuge MiniMICO, um Rücklaufbögen per Induktion an jedes Rohr zu löten. Das gesamte Löten wurde von einer Person durchgeführt, und die Montage jedes Rohrs dauerte weniger als 30 Sekunden.
Jim ist leitender Redakteur bei ASSEMBLY mit über 30 Jahren redaktioneller Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo PM-Ingenieur und Redakteur des Association for Equipment Engineering Journal und des Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.
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