Armin Hain GmbH & Co. KG - Löten mit induktiver Erwärmung

Löten mit induktiver Erwärmung

 

In den letzten Jahrzehnten hat die Löttechnik in der metallverarbeitenden Industrie einen hohen technischen Stand erreicht. Während in früheren Zeiten – die Technik des Hartlötens gibt es schon seit 6000 Jahren – hauptsächlich Gold-, Silber- und Kupferteile verbunden wurden, wird heutzutage eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe und Konstruktionen gelötet.

Zu den neuen Möglichkeiten der Herstellung komplizierter Bauteilverbindungen oder Bauteilergänzungen durch Beschichten etablierten sich zahlreiche neue Lötverfahren – von manuell bis hoch automatisiert. Insbesondere auch durch die rasante Entwicklung von Energiequellen wie die der lnduktionserwärmungsgeräte, die bei einem immer kleineren Bauvolumen eine hohe Energieeffizienz erreicht haben, wurde das Löten mit induktiver Erwärmung zu einer sehr effektiven Methode und wird in fast allen Bereichen der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt, wie z. B. im Elektromaschinenbau, im Werkzeugbau, im Maschinen- und Anlagenbau, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt.

Obwohl das Löten mit induktiver Erwärmung seit vielen Jahrzehnten in der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt wird, bestehen in der Praxis jedoch oftmals keine ausreichenden Grundlagenkenntnisse darüber, auf welche Art und Weise z. B. die Wärmeführung der oftmals komplizierten Bauteilgestaltung durchgeführt werden sollte und wie sich die Wärme – aus technischen und wie auch aus ökonomischen Gründen – möglichst nur auf den Lötbereich konzentrieren lässt.

Es gilt daher, diese Aufgaben bei dem induktivem Lötprozess zu bewältigen. Dazu gehören die speziellen Kenntnisse um die Grundlagen der induktiven Erwärmung sowie des Lötens, um Einbußen an der hohen Qualität der Lötverbindung zu vermeiden.

 

1. Lötverbindungsarten

Die Löt-Fügeverbindungen werden in verschiedene Verbindungsarten klassifiziert. Sie werden in die beiden Fügeverbindungen lösbar und unlösbar unterteilt. Bei den unlösbaren wird wiederum zwischen formschlüssigen, stoffschlüssigen und kraftschlüssigen Fügeverbindungsarten unterschieden.

Zu den stoffschlüssigen Fügeverbindungen (Bauteilverbindungen, die unter normalen Umständen, außer durch Zerstörung, nicht mehr gelöst werden können) zählen neben der Lötverbindung die Schweißverbindung und die Klebverbindung. Lötverbindung, Schweißverbindung und Klebverbindung werden folgendermaßen definiert:

 

- Eine Lötverbindung ist eine Stoffschlussverbindung zwischen Werkstoffen ungleicher chemischer Zusammensetzung und gleicher Art der chemischen Bindung.

- Eine Schweißverbindung ist eine Stoffschlussverbindung zwischen Werkstoffen gleicher chemischer Zusammensetzung und gleicher Art der chemischen Bindung.

- Eine Klebverbindung ist eine Stoffschlussverbindung zwischen Werkstoffen ungleicher chemischer Zusammensetzung und ungleicher Art der chemischen Bindung.

 

Neben den Verbindungsarten Löten, Schweißen und Kleben gibt es noch weitere, formschlüssige Verbindungstechniken wie Nieten, Bördeln, Aufschrumpfen (ein erhitztes Werkstoffteil wird auf ein anderes aufgezogen. Durch das Zusammenziehen beim Erkalten entsteht ein fester Verbund) oder Einpressen.

 

2. Was ist Löten?

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen. Durch Löten wird eine nicht trennbare (außer durch Zerstörung) stoffschlüssige Verbindung (mit arteigenen oder artfremden Zusatzwerkstoffen) hergestellt.

Durch das Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht beim Löten eine flüssige Phase, die jedoch, anders als beim Schweißen, nicht die Liquidustemperatur der Grundwerkstoffe erreicht. Als Verbindungsmaterial dient meist eine Metalllegierung – das Lot –, das niedriger schmilzt als die Fügeteile. Teilweise dient als Lot auch reines Metall (wie z. B. Kupfer). Wenn zwei oder mehrere Fügeteile mit einem Lot verbunden werden, wird dies Verbindungslöten genannt, während das Beschichten eines Werkstücks mit einem anderen Metall als Beschichtungslöten bezeichnet wird. –

Die Technik des Hartlötens gab es schon vor etwa 6000 Jahren. Schon damals bestanden beachtliche Kenntnisse über die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen (Metallurgie) und die Möglichkeit, Temperaturen über 1.000 ˚C zu erzeugen. Sogar schon vor etwa 11.000 Jahren war es möglich, mit dem Holzkohlefeuer für die Herstellung von Töpferware höhere Temperaturen zu erzeugen. Um etwa 8.000 v. Chr. konnte dann Kupfer mit knapp 1.100 ˚C geschmolzen werden.

Im antiken Griechenland wurde von den Goldschmieden zum Löten von Gold Chrysocoll, ein grün-blaues Mineral aus der Gruppe der Silikate, der sogenannte Goldleim, verwandt. Im Wesentlichen bestand dieser aus dem Kupferkarbonat in Form des pulverisierten Silikats, das mit verschiedenen Zutaten wie Alaun, Soda usw. gemixt wurde. Die zu verbindenden Teile wurden dann mit dem Goldleim bestrichen, sodass die Teile zusammenklebten. Anschließend wurden sie im Holzkohlefeuer erhitzt.

Bei 100 ˚C verwandelte sich das Karbonat zu Kupferoxid, bei 600 ˚C war dann das Bindemittel verkohlt und bei 850 ˚C vereinigte sich der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff des Kupferoxids zu Kohlendioxid. Spuren von Kupfer blieben zurück. Bei 889 ˚C bildete sich dann der eutektische Zustand zwischen dem Gold und dem Kupfer heraus, das heißt jenen festen, bestimmbaren Schmelzpunkt, an dem alle beteiligten Komponenten gleichzeitig erstarren. So wurde das Löten von goldenen Fügepartnern mit dem Schmelzpunkt bei 1063 ˚C ermöglicht.

Diese Reaktion beim Fügen unterschiedlicher Metallpartner, die die Fähigkeit haben, miteinander in Lösung gehen zu können, wird heute allgemein als Reaktionslöten bezeichnet. Neben diesem Reaktionslöten – als erste, antike Lötmethode – wurde aber auch schon damals mit weiteren Lotzusätzen, wie verschiedenen Legierungen aus Gold, Silber und Kupfer, gearbeitet.

Bis heute hat sich an diesen Methoden nicht viel geändert – auch noch Anfang des vorigen Jahrhunderts wurde von vielen Goldschmieden auf diese Art und Weise gelötet.

 

3. Induktives Löten

Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz

Um die optimale Lösung für eine bestimmte Lötaufgabe mit induktivem Löten realisieren zu können, sind spezielle, fundierte Kenntnisse notwendig. Auch um die Möglichkeiten über die im Lötprozess auftretenden Aufgaben richtig einzuschätzen und umsetzen zu können, ist profundes Wissen vonnöten.

Diese Kenntnisse müssen sich auf die technisch-wirtschaftlichen Auswirkungen erstrecken, d. h. es erfordert weitergehendes Wissen über die Auswirkungen auf die Fertigung sowie die verfahrensspezifischen Anpassungen an den Fertigungsprozess.

Um die Möglichkeiten für einen erfolgreichen Einsatz auszuschöpfen, sind Kenntnisse über die Werkzeuge der Induktionserwärmung, die Induktionsspulen (Induktoren) sowie über die speziellen Probleme der Gestaltung dieser Werkzeuge notwendig. Um die optimale Induktorform in Verbindung mit der geeigneten Energiequelle (HF- oder MF-Generator) zu finden, sind umfangreiche und fundierte Erfahrungen auf diesem Gebiet nötig.
Hinzu kommt, dass über Erfahrungen verfügt wird, wie die erforderliche Energie effizient auf den Lötbereich übertragen werden kann.

Zudem ist eine gründliche Vorbereitung entscheidend, damit der Lötprozess – ob manuell oder vollautomatisch – weitestgehend problemlos in den Fertigungsprozess integriert werden kann.

 

Vorteile des Induktionslötens

Unter den verschiedenen Lötverfahren nimmt das induktive Löten einen vorderen Platz ein, denn einer seiner größten Vorteile ist die präzise Zuführung der Wärme zur Lötstelle. Da beim induktiven Löten nur so viel Wärme der Lötstelle zugeführt wird wie nötig, ist diese Lötmethode in kürzestmöglicher Zeit und auf einfache Art und Weise möglich.

Dies bedeutet einen geringen Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Flexibilität.

Durch die technische Weiterentwicklung auf dem Gebiet des induktiven Lötens konnten sowohl bei bestimmten Weichlöt- als auch besonders bei Hart- und Hochtemperaturlötprozessen bemerkenswerte Fortschritte erzielt werden. So sind die Vorteile neben der Oberflächenaktivierung mit speziellen Flussmitteln, Schutzgasen und Vakua vor allem die flexible Einbindung der induktiven Erwärmungstechnik mit den vielen Möglichkeiten der präzisen Energieübertragung sowohl bei der Einzel- als auch bei der Massenproduktion. Diese weitestgehend optimale Einbindung des induktiven Lötens in den Produktionsprozess erfordert allerdings entsprechend zugeschnittene anwendungsorientierte Geräte, die in den Fertigungsprozess eingebunden werden können.

Ein weiterer Vorteil bei der automatisierten Fertigung sind die fehlerfreien Werkstücke, die hierdurch hergestellt werden können Aber auch die humanere und umweltschonende Arbeitsweise wird als ein großer Vorteil des induktiven Lötens angesehen.

Als ein weiterer Vorteil kann gelten, dass beim induktiven Löten nicht nur Metall an Metall verbunden werden kann, sondern auch das Löten von Metall- an Keramikbauteile induktiv möglich ist.

Die technisch-wirtschaftlichen Vorteile des Induktionslötens auf einen Blick:

- geringe Wärmezufuhrung,
- durch die Konzentration der Energiezufuhr auf die Lötzone ist eine hohe Energieeffizienz möglich,
- schnelle Abkühlung der Lötbauteile, sodass dadurch geringe Oxidation der Oberflächen und ein schneller Bauteildurchsatz entsteht,
- hohe Toleranzgenauigkeit,
- vielfältige Möglichkeiten des Zusammenfügens unterschiedlicher Werkstoffe,
- hohe Festigkeit und somit Zuverlässigkeit der Verbindungen,
- durch die mögliche hohe Energiedichte sind kurze Prozesszeiten möglich
- bessere und umweltschonendere Arbeitsbedingungen.


Dadurch ist eine
- hohe Wirtschaftlichkeit erreichbar sowie eine
- gleichbleibende Fertigungsqualität der Lötbauteile gewährleistet.

Auch bei einem Vergleich der Induktionserwärmung mit den alternativen Erwärmungsverfahren Heißluft, Gasflamme oder Elektroofen zeigt, dass bei den Faktoren Investitions- und Erwärmungskosten, Energiedichte sowie Maximaltemperatur das Induktionswärmeverfahren nur das Laserverfahren gleich gute Werte erzielt.

 

Armin Hain

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