Das induktive Hartlöten

Die Herstellung von Hartlötverbindungen mittels induktiver Er­wär­mung ist eine der effi­zien­tes­ten Anwen­dungen der Induk­tions­erwär­mung. Beim Löten werden zwei Werk­stücke aus gleichen oder un­ter­schied­lichen Werk­stoffen unter Zuhilfe­nahme eines weiteren Werk­stoffes - dem Lot - unlösbar und stoff­schlüssig mitein­ander verbunden. Das Löten ist dadurch gekenn­zeich­net, dass nur der Hilfs­werk­stoff - das Lot - und nicht der Grund­werk­stoff geschmol­zen wird. Das Lot wird im geschmol­zenen Zustand in einen kapil­laren Spalt zwischen den zu verbin­denden Werk­stücken einge­bracht. Das flüssige Lot bildet nun mit beiden Werk­stücken je eine Diffu­sions­grenz­schicht aus, in der das Lot und die zu ver­löten­den Werk­stücke eine Legie­rung bilden. Diese Grenz­schichten sind inter­metal­lische Verbin­dungen von hoher Festigkeit.

Von besonderer Wirtschaftlichkeit ist die induktive Er­wär­mung beim Hart- oder Hoch­tempe­ratur­löten. Diese Füge­tech­nik wird als Hart­löten bezeich­net, wenn die Arbeits­tempe­ratur über 450°​C liegt und als Hoch­tempe­ratur­löten bei Arbeits­tempe­ratu­ren über 900°​C. Durch Hart­löten können sehr unter­schied­liche Werk­stoffe mit einer hohen Festig­keit mitein­ander ver­bunden - gefügt - wer­den. Die Festig­keit einer Hart­lötver­bin­dung ist immer höher als die einer Weich­lötver­bin­dung und wesent­lich höher als die einer Verkle­bung. Die Festig­keit einer tech­nisch einwand­frei ausge­legten Schweiss­verbin­dung kann jedoch nicht erreicht werden, wobei das Schweissen grund­sätz­lich ähn­liche Werk­stoff­paare und zum Schweissen generell geeig­nete Werk­stoffe voraus­setzt. Mit dem induk­tiven Hart- oder HT-Löten lassen sich pro­blem­los hoch­legierte oder hoch­feste Stähle mitein­ander verbinden. Ein Beispiel sind hoch­wertige Fahrrad­rahmen aus hoch­festen Stahl­rohren, welche mit induktiv hartge­löteten Muffen verbunden werden. Diese Rahmen sind nicht schwerer als Alu-Rahmen, haben aber eine höhere dynamische Dauer­festig­keit.

Die Wirtschaftlichkeit der induktiven Er­wär­mung zum Hart­löten resul­tiert im Wesent­lichen aus den nied­rigen Energie­kosten der Erwär­mung der zu verlö­tenden Teile bis zur Arbeits­tempe­ratur des Lotes. Bei Einzel­lö­tungen muss der Grund­werk­stoff - je nach Arbeits­tempe­ratur - mit einem Erdgas- / Luft­gemisch, einem Propan- / Luft­gemisch oder mit einem Acetylen- / Sauer­stoff­gemisch erwärmt werden. Der Wirkungs­grad einer Erwär­mung mit offener Flamme ist nur gering, die Kosten der Energie­träger - insbe­sondere Acetylen und Sauer­stoff - sind hoch. Die Verwen­dung einer induk­tiven Erwär­mung anstelle von Acetylen und Sauer­stoff kann die Energie­kosten einer Hart­lötung um den Faktor 10 senken.

Durch die höhere Aufheizgeschwindigkeit, den repro­duzier­baren Arbeits­ablauf sowie durch die gestie­gene Unab­hängig­keit von den manuellen Fertig­keiten des Fach­arbeiters werden weitere Kosten einge­spart. Der Werker muss sich nicht mehr um die Flammen­führung und Tempe­ratur­vertei­lung kümmern, sondern kann seine Auf­merksam­keit aus­schliess­lich der Ausbil­dung der Löt­stelle widmen, was ins­beson­dere bei Diamant- und ähnlich teueren Hart­stoff­werk­zeugen eine Kosten­reduzie­rung durch Vermin­derung von Aus­schuss bedeutet. Eine weitere Kosten­senkung ergibt sich aus der Reduzie­rung von Oxyda­tion durch die von der Flamme einge­wirbelte Luft und die zur deren Beseiti­gung not­wendi­gen Nach­bearbei­tungs­kosten. Der wesent­liche Kosten­vor­teil liegt jedoch in der Voll­auto­matisier­bar­keit des gesamten Ferti­gungs­prozesses durch die hohe Repro­duzier­bar­keit des Löt­vorgan­ges bei Ver­wendung von STS-Pyro­metern in Verbin­dung mit STS-Regler-Modulen.

Der Induktor erwärmt durch eine ent­spre­chen­de Form­gebung gezielt nur die Lötstelle. Diese partielle Erwär­mung senkt in Verbin­dung mit einer hohen Auf­heiz­geschwin­digkeit die Energie­kosten wesentlich.
 

Das Induktionslöten von Werkzeugen zur Zerspanung

Das Induktionslöten von Hartmetallen wird in der Produk­tion von Werk­zeugen zur Zerspa­nung einge­setzt. Die induk­tive Erwär­mung zum Auf­löten von Hart­metallen, PKD- oder PCBN-Materi­alien hat den Vorteil, dass der Hart­stoff­träger und der Hart­stoff in der Löt­zone aus sich heraus erwärmt werden. Durch die gleich­mässige Erwärmung werden me­cha­nische Span­nungen zwischen den zu verbin­denden Ele­men­ten redu­ziert, wodurch die Gefahr von Riss­bildungen und Ablö­sungen vermin­dert werden. Dies stellt eine deutliche Qualitäts­verbesse­rung der Löt­stelle dar, weil Ablö­sungen an rotie­renden Werk­zeugen nicht nur das Werk­stück zerstören, sondern auch eine erheb­liche Gefahr für den Bedie­ner darstellen würden.

Als weitere Massnahme zur Reduzierung von Spannungen werden Kupfer-Schichtlote verwendet. Hier entsteht eine Doppel­löt­stelle einer­seits zwischen Schneid­stoff­träger und der Kupfer­folie und anderer­seits zwischen Kupfer­folie und Schneid­stoff. Quali­tativ hoch­wertige Diamant­werk­zeuge sind aus­schliess­lich hart­gelötet. Geschraubte Diamant­segmente sind bei Mehr­schneiden­werk­zeug wegen der Unge­nauigkeit der Schraub­verbindung nicht möglich. Besonders hervor­zuheben ist ein Spezial­pyrometer von STS. Es verfügt über eine inte­grierte wirbel­arme Begasung zum Löten von Natur­diamanten unter einer redu­zierenden Atmosphäre von wasser­stoff­haltigem Stick­stoff (Formier­gas) bei etwa 770°C. Durch den nun möglichen Einsatz von L-AgCu28-Loten lässt sich die Verwen­dung von cadmium­haltigen Loten vermeiden.
 

Sägeblätter und Bohrkronen mit induktiv gelöteten Diamantsegmenten

Ein weiterer Anwendungsbereich in der Werkzeugindustrie ist die Her­stellung von Säge­blättern mit bronze­gebun­denen Diamant­seg­menten zur Gesteins­bear­beitung. Diese Säge­blätter und in abge­wandelter Form Bohr­kronen wer­den zur Be­ar­bei­tung von Natur­stein für dekorative Zwecke wie Wand­ver­klei­dungen, Fenster­brettern, Treppen­stufen oder Grab­steinen verwendet. Im Hoch- und Tiefbau werden Diamant­säge­blätter und Bohr­kronen für nach­trägliche Verän­derungen an Beton­bau­werken, wie z.B. das schonende Schneiden zusätz­licher Öffnungen in Wände und Decken verwendet. Das induktive Löten bietet die Möglichkeit einer vollauto­matischen Bestückung der Stammblätter, dass sind die Segment­träger dieser künftigen Diamant­säge­blätter. Dazu wird das Stamm­blatt in eine kleine Maschine eingespannt und positio­niert.

Mit einem automatischen Spender wird eine Lot­folie auf den Umfang des Stamm­blattes gelegt. Eine Vorrich­tung entnimmt aus einem Magazin ein Diamant­segment und setzt dieses auf die Lotfolie. An der Löt­stelle wird nur jeweils ein Stamm­blatt­segment und das daraufge­drückte Diamant­segment mit der Lotfolie induktiv erwärmt, um ein Verziehen des Säge­blattes zu vermeiden. Nach dem Erwärmen und der Diffusions­halte­zeit wird das Blatt auf die nächste Segment­position weiter­gedreht und ein weiteres Segment aufgelötet. Der gesamte Vorgang wird vollauto­matisch von einer SPS gesteuert. Die Löt­tempe­ratur wird mit einem im Generator inte­grierten Pyro­meter zur berüh­rungs­losen Tempe­ratur­messung geregelt. Die bei der Lötung ange­wendete Tempe­ratur und Zeit­dauer kann über eine Schnitt­stelle zur Dokumen­tation der Qualitäts­sicher­heit an einen Rechner übergeben werden. Die Stamm­blätter bestehen aus hoch­wertigem Werkzeug­stahl und haben auch nach dem Verschleiss der Diament­segmente noch einen erheblichen Wert. Deshalb werden die verschlis­senen Diamant­seg­mente induktiv abge­lötet und danach das Stammblatt durch mecha­nisches Richten und Schleifen wieder­aufbereitet. Die wiederaufbe­reiteten Blätter können nun neu bestückt werden.
 

Das Induktionslöten in der Elektrotechnik

Das induktive Löten hat in der Elektrotechnik eine grosse Be­deu­tung, weil Hart- und Weich­löt­verbin­dungen - bei ent­sprechen­der Stück­zahl - eine kosten­günstige Alter­na­tive bei elek­tri­schen Ver­bin­dungen im Ver­gleich zu kraft­schlüs­sigen Klemm- und form­schlüs­sigen Schraub­verbin­dungen darstellt. Eine beson­dere Bedeu­tung haben Hart­löt­verbin­dungen im Elektro­maschi­nen­bau. Hier werden nieder­ohmige Ver­bin­dungen an grossen Quer­schnit­ten mit kleinsten Ab­mes­sungen bei höchster Tempe­ratur­festig­keit benötigt. Die Gene­rator­bau­reihe S412 mit ihrem kleinen und leichten Aussen­schwing­kreis an einer hoch­beweg­lichen Leitung bietet durch den Betrieb mit Hoch­frequenz - im Ver­gleich zu MF-Gene­rato­ren mit wasser­gekühltem Schlauch­paket und gleicher Leistung - eine wesent­lich höhere Erwär­mungs­geschwin­digkeit an Kupfer­leitern mit grossem Quer­schnitt, bei gleich­zeitig besserer Beweg­lich­keit des Induk­tors. Durch die höhere Auf­heiz­geschwin­digkeit ist der Tempera­turgra­dient der Löstelle grösser, deshalb wird in der Nähe der Löt­stelle ein klei­nerer Bereich der Lack­isolie­rung verbrannt, was die Nach­arbeits­kosten reduziert. Die Haupt­anwendungen sind maschinen­interne Verbin­dungen an Ständer­wick­lungen und das Hartver­löten der Käfig­stäbe von hoch­werti­gen Kurz­schluss­läufer­moto­ren.

Induktionserwärmung ist eine An­wen­dung für das massen­hafte Hart­löten von etwas grösseren Schalt­kon­takten aus Silber­legie­rungen auf Träger­platten aus reinem Kupfer oder Stahl / Kupfer-Sand­wich-Träger­platten. Derar­tige Kon­takt­brücken und Einzel­kontakt­ele­mente werden für die Produk­tion von Schaltern und Schützen in der Energie­anlagen- und Auto­matisie­rungs­technik ver­wen­det. Bei sach­gemässer An­wen­dung bietet eine Hart­lötver­bindung einen niedrigeren ohmschen und ther­mischen Wider­stand der Kontakte auf dem Träger als bei dem bei kleineren Kontakten üblichen Wider­stands­schweiss­verfahren.

Die z.Z. übliche Grösse der Kontakte variiert bei der induk­tiven Lötung zwischen 7x7 und 25x25mm. Die Haupt­for­de­rung an das Verfah­ren ist ein Bindungs­anteil zwischen Kontakt und Träger von möglichst 100%. Der Bindungs­anteil ist mass­geb­lich für den elek­tri­schen und thermi­schen Wider­stand zwischen Kontakt und Träger­element. Ist der thermi­sche und elektri­sche Wider­stand zu hoch, werden die Kontakte bei Strom­fluss und Hoch­last­schalt­vor­gängen zu warm, was die Neigung zum Ver­schweis­sen der Kontakte erhöht. Ver­schweiss­te Schalt­kontakte können zu schweren Anlagen- und Personen­schäden führen, weil z.B. mecha­nische Bewe­gungen nicht mehr gestoppt werden können. Damit kann die richtige Wahl des Ver­bin­dungs­ver­fahrens sogar eine produkt­haftungs­recht­liche Relevanz haben. Für die Ausbildung eines hohen Bindungs­anteils ist das Halten der Arbeits­tempe­ratur für eine gewisse Zeit von aus­schlag­geben­der Bedeu­tung, weil die Ausbil­dung einer genügend dicken Diffusions­grenz­schicht nicht sofort passiert, sondern das Produkt aus Arbeits­tempe­ratur und Halte­zeit ist.

Moderne Kontaktwerkstoffe, welche einen niedrigen Über­gangs­wider­stand, eine hohe Abbrand­festig­keit sowie eine geringe Neigung zum Ver­schweis­sen haben, werden aus Ag-SnO-System­legie­rungen pulver­metallur­gisch herge­stellt. Die vorstehend erwähnte Art von Kontakt­werk­stoff ist heute der beste zur Verfügung stehende Werk­stoff für die Herstel­lung von elek­trischen Kon­tak­ten mit hervor­ragen­den physi­kali­schen und elektri­schen Eigen­schaften. Leider hat dieser Werk­stoff nicht nur eine Abnei­gung gegen das Ver­schweis­sen, sondern auch gegen das Löten. Dafür sind die in diesem Werkstoff homogen enthal­tenen Metall­oxyde verant­wort­lich.

Da nur die Oberseite des Schalt­kon­tak­tes eine ver­schweis­sungs­hemmende Eigen­schaft aufweisen muss, werden an den Rändern und auf der zu verlö­tenden Unter­seite die Metall­oxyde durch Glühen unter einer wasser­stoff­haltigen Atmo­sphäre redu­ziert. Um das zu erreichen, sind die gesin­terten Kontakt­rohlinge mehr als doppelt so dick wie eigent­lich benötigt. Nach dem Reduk­tions­glühen ist die gesamte Ober­fläche in einer Tiefe von 10..20% oxydfrei. Der Kontakt­würfel wird nun wie ein Brötchen durchge­schnitten. Die neue, vorher innere Ober­fläche ist oxyd­haltig und stellt jetzt die Kontakt­fläche dar, während die reduzierte Aussen­fläche nun die hart­löt­bare Unter­seite des Kontaktes bildet. Die ebenfalls reduzierten Ränder tragen zur Bildung eines sauberen Lotme­niskus bei. Als Auto­matisie­rungs­bau­stein hat STS einen optischen Sensor zur Kon­trolle der Seiten­richtigkeit der Schalt­kontakte entwickelt. Mit diesem Sensor ist es auch möglich, die Löt- bzw. Kontakt­seite von vorbe­loteten Kontakten zuver­lässig zu identifizieren.
 

Hochfrequenz-Halbleiter-Generatoren zum induktiven Löten

Die niedrige Ausgangsimpedanz und hohe Betriebsfrequenz der STS Hoch­frequenz-Halb­leiter-Gene­ratoren der Bau­reihen S200 und S400 erleich­tern die Verwen­dung von mechanisch stabilen Induktoren mit geringer Windungs­zahl. Das garan­tiert in Verbindung mit den von STS verwendeten voll­digi­talen Pyro­metern eine hohe Repro­duzier­barkeit und damit Qualität der gelöteten Kontakt­elemente. Ein weiterer Vorteil der Halbleiter-Generatoren von STS ist die über­durch­schnitt­lich hohe Blind­leistung, das bedeutet, dass der Abstand zwischen Induktor und Werk­stück relativ gross gemacht werden kann. Deshalb ist das Risiko von Werk­stückbe­rührung sowie Lot- oder Fluss­mittelver­schmut­zung des Induktors während des Lötvor­ganges geringer, als bei Gene­ratoren mit geringerer Blindleistung.

Für alle Hoch- und Mittelfrequenz-Ge­ne­ra­to­ren von STS stehen eine Reihe von analogen und digitalen Schnitt­stellen zur Einbin­dung in die Auto­matisie­rung einer Anlage zur Verfü­gung. Alle Schnitt­stellen sind opto­isoliert, um die Ver­schlep­pung von HF in andere Anlagen­teile zu vermeiden. STS-Halbleiter-Genera­toren werden bei Bedarf mit internen Prozess­reglern betrieben, um eine Ver­schlech­te­rung des Regel­verhal­tens durch den Einfluss der Todzeit der opto­isolierten Schnitt­stellen zu vermeiden. An diese Regler werden für jeden Bedarfs­fall optimal geeignete Pyrometer direkt ange­schlossen und direkt vom Gene­rator mit der benötigten Betriebs­spannung versehen. Auf diese Weise bilden Pyrometer, Regler und Gene­rator einen auf kürzestem Weg geschlos­senen Regelkreis mit einer Soll­wert­vor­gabe durch interne Pro­gramme oder via Schnitt­stelle mit SPS oder Prozess­rechner.

Einen weiteren Vorteil bei der Automatisierung von Löt­pro­zessen bieten die Hoch- und Mittel­fre­quenz-Genera­toren der Baureihen S400 sowie S300. Diese Geräte sind mit einem sehr kompakten Aussen­schwing­kreis mit einer hoch­flexiblen Leitung ausgerüstet. Der Aussen­schwing­kreis kann deshalb besonders leicht mit einem Roboter­arm an schwer zugängliche Löt­stellen im Elektro­maschi­nen­bau heran­gebracht werden. Das Bruch­risiko der blind­leistungs­führenden und deshalb wasser­gekühlten Metall-Flex-Schläuchen entfällt.

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