Induktionslöten

Nahezu jeder Montagevorgang kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Welche Option ein Hersteller oder Integrator wählt, um das beste Ergebnis zu erzielen, ist in der Regel diejenige, die eine bewährte Technologie mit einer bestimmten Anwendung verbindet.

Ein solcher Prozess ist das Hartlöten. Beim Hartlöten handelt es sich um einen Metallverbindungsprozess, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch Schmelzen und Einfließen eines Füllmetalls in die Verbindung verbunden werden. Das Zusatzmetall hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die angrenzenden Metallteile.

Die Wärme zum Löten kann durch einen Brenner, einen Ofen oder eine Induktionsspule zugeführt werden. Beim Induktionslöten erzeugt eine Induktionsspule ein Magnetfeld, das die Grundmaterialien erhitzt, um das Zusatzmetall zu schmelzen. Für eine wachsende Zahl von Montageanwendungen erweist sich Induktionslöten als die beste Option.

„Induktionslöten ist viel sicherer als Brennerlöten, schneller als Ofenlöten und wiederholbarer als beide“, sagt Steve Anderson, Manager für Feld- und Testwissenschaft bei Fusion Inc., einem 88-jährigen Integrator mit Sitz in Willoughby, Ohio. Das Unternehmen ist auf verschiedene Montagemethoden, einschließlich Hartlöten, spezialisiert. „Außerdem ist das Induktionslöten viel einfacher. Im Vergleich zu den beiden anderen Methoden benötigt man eigentlich nur normalen Strom.“

Vor einigen Jahren entwickelte Fusion eine vollautomatische Sechs-Stationen-Maschine zur Montage von zehn Arten von Hartmetallfrässtiften für die Metallbearbeitung und den Werkzeugbau. Die Frässtifte werden hergestellt, indem zylindrische und konische Rohlinge aus Wolframcarbid mit Stahlschäften verbunden werden. Die Produktionsrate beträgt 250 Teile pro Stunde und separate Teilefächer fassen 144 Rohlinge und Schäfte.

„Ein vierachsiger SCARA-Roboter nimmt einen Schaft aus dem Tablett, präsentiert ihn dem Pastenspender und lädt ihn dann in das Vorrichtungsnest“, erklärt Anderson. „Der Roboter nimmt dann einen Rohling aus einem Tablett und platziert ihn auf dem beklebten Schaftende. Das Induktionslöten erfolgt mit einer elektrischen Spule, die die beiden Teile vertikal umgibt und das Silberfüllmetall auf eine Liquidustemperatur von 1.305 F bringt. Nach dem Entgraten Nachdem die Baugruppe ausgerichtet und abgekühlt ist, wird sie über einen Auswurfschacht ausgeworfen und zur weiteren Verarbeitung gesammelt.

Der Einsatz von Induktionslöten für die Montage nimmt zu, vor allem weil es starke Verbindungen zwischen zwei Metallteilen schafft und weil es sich so effektiv beim Verbinden unterschiedlicher Materialien eignet. Umweltbedenken, verbesserte Technologie und nicht-traditionelle Anwendungen zwingen Fertigungsingenieure auch dazu, sich genauer mit dem Induktionslöten zu befassen.

Induktionslöten gibt es bereits seit den 1950er Jahren, obwohl das Konzept der Induktionserwärmung (unter Nutzung von Elektromagnetismus) mehr als ein Jahrhundert zuvor vom englischen Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt wurde. Handbrenner waren die erste Wärmequelle zum Hartlöten, in den 1920er Jahren folgten Öfen. Die ofenbasierte Methode wurde während des Zweiten Weltkriegs häufig verwendet, um große Mengen an Metallteilen mit minimalem Arbeits- und Kostenaufwand herzustellen.

Die Nachfrage der Verbraucher nach Klimaanlagen in den 1960er und 1970er Jahren führte zu neuen Anwendungen für das Induktionslöten. Tatsächlich führte das großvolumige Hartlöten von Aluminium in den späten 1970er-Jahren zu vielen Baugruppen, die in heutigen Kfz-Klimaanlagen zu finden sind.

„Im Gegensatz zum Brennerlöten erfolgt das Induktionslöten berührungslos und minimiert das Risiko einer Überhitzung“, bemerkt Rick Bausch, Vertriebsleiter bei Ambrell Corp., einem inTEST Co. „Es ist außerdem effizienter, ohne Energieverschwendung und fast ohne Anstieg der Umgebungsluft.“ Temperatur."

Laut Greg Holland, Vertriebs- und Betriebsleiter bei eldec LLC, besteht das Standard-Induktionslötsystem aus drei Komponenten. Dies sind die Stromversorgung, der Arbeitskopf mit angeschlossener Induktionsspule und ein Kühler bzw. Kühlsystem.

Das Netzteil wird an den Arbeitskopf angeschlossen und die Spule ist speziell so konzipiert, dass sie um das Gelenk passt. Der Induktor kann aus einem massiven Stab, einem flexiblen Kabel, einem bearbeiteten Knüppel oder aus 3D-gedruckten pulverförmigen Kupferlegierungen bestehen. Oft besteht es jedoch aus hohlen Kupferrohren, durch die aus verschiedenen Gründen Wasser fließt. Eine besteht darin, die Spule kühl zu halten, indem die vom Teil während des Lötens reflektierte Wärme ausgeglichen wird. Fließendes Wasser verhindert außerdem den Aufbau von Wärme, die in der Spule durch das häufige Vorhandensein eines elektrischen Wechselstroms entsteht, und die daraus resultierende ineffiziente Wärmeübertragung.

„Manchmal wird ein Flusskonzentrator auf der Spule angebracht, um das Magnetfeld an einem oder mehreren Punkten in der Verbindung zu verstärken“, erklärt Holland. „Bei diesem Konzentrator kann es sich entweder um einen Laminierungstyp handeln, der aus eng aneinander gestapelten dünnen Elektrostahlstücken besteht, oder um einen Ferrotron, der pulverförmige ferromagnetische Materialien und eine dielektrische Verbindung enthält, die unter hohem Druck komprimiert werden. Der Vorteil bei der Verwendung beider Konzentratoren besteht darin, dass sie den Zyklus verkürzen.“ Zeit, indem mehr Energie schneller in bestimmte Bereiche des Gelenks geleitet wird, während andere Bereiche kühler bleiben.

Bevor die Metallteile für das Induktionslöten positioniert werden, muss der Bediener die Frequenz und Leistungsstufen des Systems richtig einstellen. Die Frequenz kann zwischen 5 und 500 Kilohertz liegen, wobei eine höhere Frequenz zu einer intensiveren Oberflächenerwärmung führt.

Netzteile sind in der Regel in der Lage, mehrere hundert Kilowatt Strom zu erzeugen. Allerdings werden nur 1 bis 5 Kilowatt benötigt, um ein handtellergroßes Teil innerhalb von 10 bis 15 Sekunden zu löten. Im Gegensatz dazu erfordern große Teile möglicherweise 50 bis 100 Kilowatt und das Hartlöten dauert bis zu fünf Minuten.

„In der Regel verbrauchen kleinere Teile weniger Strom, benötigen aber eine höhere Frequenz, etwa 100 bis 300 Kilohertz“, sagt Bausch. „Das Gegenteil davon ist, dass große Teile mehr Leistung bei einer niedrigeren Frequenz benötigen, normalerweise weniger als 100 Kilohertz.“

Unabhängig von ihrer Größe müssen die Metallteile vor der Befestigung richtig positioniert werden. Es sollte darauf geachtet werden, einen engen Abstand zwischen den Grundmetallen einzuhalten, um eine ordnungsgemäße Kapillarwirkung des fließenden Zusatzmetalls zu ermöglichen. Stoß-, Überlappungs- und Stoßüberlappungsverbindungen sind die beste Möglichkeit, diesen Abstand sicherzustellen.

Herkömmliche oder selbstmontierende Lösungen sind akzeptabel. Standardbefestigungen sollten aus schlecht leitenden Materialien wie Edelstahl oder Keramik bestehen und die Baugruppe so wenig wie möglich berühren.

Eine Selbstfixierung, die eine mechanische Unterstützung überflüssig macht, kann durch die Gestaltung der Teile mit ineinandergreifenden Nähten, Stauchen, Vertiefungen oder Rändelungen erreicht werden.

Anschließend wird die Verbindung 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 Zusatzmetalls, das sich durch die angrenzenden Oberflächen der Verbindung zieht, weiter.

Nachdem die Teile ordnungsgemäß befestigt und gereinigt wurden, trägt der Bediener eine Verbindungsmasse (normalerweise eine Paste) auf die Verbindung auf. Diese Verbindung ist eine Mischung aus Zusatzmetall, Flussmittel (um Oxidation zu verhindern) und Bindemittel, das das Metall und das Flussmittel vor dem Schmelzen zusammenhält.

Das beim Löten verwendete Füllmetall und Flussmittel ist so formuliert, dass es höheren Temperaturen standhält als denen, die beim Löten verwendet werden. Zusatzmetalle zum Hartlöten schmelzen bei einer Temperatur von mindestens 300 °C und sind fester, wenn sie abgekühlt werden. Dazu gehören Aluminium-Silizium, Kupfer, Kupfer-Silber, Messing, Bronze, Gold-Silber, Silber und Nickellegierungen.

Anschließend positioniert der Bediener die Induktionsspule, die es in vielen Ausführungen gibt. Eine Spiralspule ist rund oder elliptisch und umgibt das Teil vollständig, wohingegen eine Gabelspule (oder Zangenspule) auf jeder Seite der Verbindung positioniert ist und eine Kanalspule über dem Teil einhakt. Andere Spulen umfassen Innendurchmesser (ID), Innendurchmesser/Außendurchmesser (OD), Pfannkuchen, offenes Ende und Mehrfachposition.

Für eine hochwertige Lötverbindung ist eine gleichmäßige Hitze unerlässlich. Um dies zu erreichen, muss der Bediener sicherstellen, dass der vertikale Abstand zwischen den einzelnen Induktionsspulenschleifen klein ist und der Kopplungsabstand – die Spaltbreite vom Außen- zum Innendurchmesser der Spule – gleichmäßig bleibt.

Als nächstes schaltet der Bediener den Strom ein, um mit dem Erhitzen der Verbindung zu beginnen. Dabei wird ein mittel- oder hochfrequenter Wechselstrom schnell von der Stromversorgung zum Induktor übertragen, um um ihn herum ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen.

Das Magnetfeld erzeugt einen induzierten Strom in der Oberfläche der Verbindung, der Wärme erzeugt, um das Füllmetall zu schmelzen, so dass es fließt und die Oberflächen der Metallteile benetzt, was zu einer starken Verbindung führt. Mit einer Spule mit mehreren Positionen kann dieser Vorgang gleichzeitig an mehreren Teilen durchgeführt werden.

Für jedes gelötete Teil wird eine abschließende Reinigung und Inspektion empfohlen. Durch Reinigen der Teile mit Wasser, das auf mindestens 120 F erhitzt ist, werden Flussmittelrückstände und etwaige beim Löten gebildete Oxidablagerungen entfernt. Teile sollten in Wasser getaucht werden, nachdem das Füllmetall erstarrt ist, die Baugruppe jedoch noch heiß ist.

Je nach Teil kann die Inspektion minimal sein und anschließend eine zerstörungsfreie und zerstörende Prüfung durchführen. Zu den zerstörungsfreien Methoden gehören visuelle und radiologische Untersuchungen sowie Dichtheits- und Beweisprüfungen. Übliche zerstörende Prüfmethoden sind metallografische Untersuchungen sowie Schäl-, Zug-, Scher-, Ermüdungs-, Einwirkungs- und Torsionsprüfungen.

„Induktionslöten erfordert zwar eine größere Vorabinvestition als die Brennermethode, aber es lohnt sich aufgrund der zusätzlichen Effizienz und Kontrolle, die man erhält“, sagt Holland. „Wenn Sie bei der Induktion Wärme benötigen, drücken Sie einfach auf. Wenn nicht, drücken Sie auf.“

Eldec stellt mehrere Netzteile für das Induktionslöten her, beispielsweise die Mittelfrequenzlinie ECO LINE MF, die in verschiedenen Konfigurationen erhältlich ist, um jeder Anwendung optimal gerecht zu werden. Die Netzteile haben einen Leistungsbereich von 5 bis 150 Kilowatt mit Frequenzen von 8 bis 40 Kilohertz. Alle Modelle können mit einer Leistungsverstärkungsfunktion ausgestattet werden, die es dem Bediener ermöglicht, die 100-prozentige Dauerbetriebsleistung bis zu drei Minuten lang um weitere 50 Prozent zu steigern. Zu den weiteren Hauptmerkmalen gehören die Pyrometer-Temperaturregelung, ein Temperaturlogger und ein Bipolartransistor-Leistungsschalter mit isoliertem Gate. Die Verbrauchsmaterialien sind wartungsarm, arbeiten leise, nehmen wenig Platz ein und lassen sich problemlos in eine Arbeitszellensteuerung integrieren.

Hersteller in mehreren Branchen nutzen zunehmend Induktionslöten zur Montage von Teilen. Bausch nennt die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizingeräte- und Bergbauausrüstungshersteller als die größten Nutzer der Induktionslötanlagen von Ambrell.

„Die Zahl der Aluminiumteile, die induktionsgelötet werden, nimmt in der Automobilindustrie aufgrund von Initiativen zur Gewichtsreduzierung weiter zu“, stellt Bausch fest. „In der Luft- und Raumfahrt werden Nickel und andere Arten von Verschleißpolstern regelmäßig an Düsenblätter gelötet. Beide Branchen löten auch eine breite Palette von Stahlrohrverbindungen durch Induktion.“

Alle sechs EasyHeat-Systeme von Ambrell verfügen über einen Frequenzbereich von 150 bis 400 Kilohertz und eignen sich daher ideal für das Induktionslöten von Kleinteilen mit unterschiedlichen Geometrien. Die kompakten Modelle (0112 und 0224) bieten eine Leistungsregelung innerhalb einer 25-Watt-Auflösung; Modelle der LI-Serie (3542, 5060, 7590, 8310) ermöglichen eine Steuerung innerhalb einer 50-Watt-Auflösung.

Beide Serien verfügen über einen beweglichen Arbeitskopf, der bis zu 10 Fuß von der Stromversorgung entfernt aufgestellt werden kann. Die Steuerung auf der Vorderseite des Systems ist programmierbar, sodass Endbenutzer bis zu vier verschiedene Heizprofile mit jeweils bis zu fünf Zeit- und Leistungsschritten definieren können. Eine Fernsteuerung der Stromversorgung ist für Kontakt- oder Analogeingänge oder einen optionalen seriellen Datenanschluss verfügbar.

„Unsere Hauptkunden im Bereich Induktionslöten sind Hersteller von Teilen, die etwas Kohlenstoff enthalten, oder großvolumigen Teilen mit einem hohen Eisenanteil“, erklärt Rich Cukelj, Business Development Manager bei Fusion. „Einige dieser Unternehmen beliefern die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, während andere Schusswaffen, Komponenten für Schneidwerkzeuge, Wasserhähne und Abflüsse oder Blöcke und Sicherungen für die Stromverteilung herstellen.“

Fusion verkauft kundenspezifische Rotationssysteme, die 100 bis 1.000 Teile pro Stunde induktiv löten können. Laut Cukelj ist das höhere Volumen für einen einzelnen Teiletyp oder eine bestimmte Teilefamilie möglich. Diese Teile können eine Größe von 2 bis 14 Quadratzoll haben.

„Jedes System beinhaltet einen Indexer von Stelron Components Inc. mit acht, zehn oder zwölf Stationen“, erklärt Cukelj. „Einige Stationen dienen zum Löten, während andere entweder zur Inspektion mit einer Bildverarbeitungskamera oder einem Lasermessgerät oder zur Zugprüfung dienen, um eine qualitativ hochwertige Lötverbindung sicherzustellen.“

Holland sagt, dass Hersteller die Standard-ECO-LINE-Stromversorgungen von eldec für so unterschiedliche Induktionslötanwendungen wie das Schrumpfen von Rotoren und Wellen oder das Verbinden von Elektromotorgehäusen verwenden. Kürzlich wurde ein 100-Kilowatt-Modell dieses Generators in einer Großteilanwendung eingesetzt, bei der ein Kupferkreisring an einen Kupferanschluss für einen Generator an einem Wasserkraftwerk gelötet wurde.

Eldec stellt auch das tragbare MiniMICO-Netzteil her, das leicht in einer Anlage bewegt werden kann und über einen Frequenzbereich von 10 bis 25 Kilohertz verfügt. Vor zwei Jahren nutzte ein Hersteller von Wärmetauscherrohren für die Automobilindustrie den MiniMICO, um an jedem Rohr eine Rückleitungsbiegung durch Induktionslöten anzulöten. Das gesamte Löten wurde von einer Person durchgeführt, wobei die Montage jedes Rohrs weniger als 30 Sekunden dauerte.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.