Fast jeder Montageprozess kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Die Option, die ein Hersteller oder Integrator wählt, um die besten Ergebnisse zu erzielen, ist in der Regel diejenige, die eine bewährte Technologie an eine bestimmte Anwendung anpasst.
Hartlöten ist ein solcher Prozess. Hartlöten ist ein Metallverbindungsprozess, bei dem zwei oder mehr Metallteile durch Schmelzen von Füllmetall und Einfließen in die Verbindung verbunden werden. Das Füllmetall hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als die angrenzenden Metallteile.
Die Wärme zum Löten kann durch Brenner, Öfen oder Induktionsspulen bereitgestellt werden. Beim Induktionslöten erzeugt eine Induktionsspule ein Magnetfeld, das das Substrat erhitzt, um das Zusatzmetall zu schmelzen. Induktionslöten erweist sich für eine wachsende Zahl von Montageanwendungen als die beste Wahl.
„Induktionslöten ist viel sicherer als Brennerlöten, schneller als Ofenlöten und wiederholbarer als beide“, sagte Steve Anderson, Manager für Feld- und Testwissenschaft bei Fusion Inc., einem 88-jährigen Integrator in Willoughby, Ohio. Said ist auf eine Vielzahl von Montagemethoden spezialisiert, einschließlich Hartlöten. „Außerdem ist Induktionslöten 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 10 Hartmetall-Frässtiften für die Metallbearbeitung und den Werkzeugbau. Die Frässtifte werden durch Anbringen zylindrischer und konischer Wolframkarbid-Rohlinge an einem Stahlschaft hergestellt. Die Produktionsrate beträgt 250 Teile pro Stunde, und die separate Teileablage bietet Platz für 144 Rohlinge und Werkzeughalter.
„Ein vierachsiger SCARA-Roboter nimmt einen Griff aus der Ablage, präsentiert ihn dem Lotpastenspender und lädt ihn in das Greifnest“, erklärt Anderson. „Der Roboter nimmt dann ein Stück Rohling aus der Ablage und platziert es auf dem Ende des Schafts, an dem es festgeklebt wird.Beim Induktionslöten wird eine elektrische Spule verwendet, die sich vertikal um die beiden Teile legt und das Silberfüllmetall auf eine Liquidustemperatur von 1.305 F bringt. Nachdem die Gratkomponente ausgerichtet und abgekühlt ist, wird sie durch einen Auswurfschacht ausgeworfen und zur weiteren Verarbeitung gesammelt.“
Der Einsatz des Induktionslötens für die Montage nimmt zu, vor allem weil es eine starke Verbindung zwischen zwei Metallteilen herstellt und weil es sich sehr 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 Verwendung von Elektromagnetismus) mehr als ein Jahrhundert zuvor vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt wurde. Handbrenner waren die erste Wärmequelle zum Hartlöten, gefolgt von Öfen in den 1920er-Jahren. Während des Zweiten Weltkriegs wurden häufig ofenbasierte Methoden eingesetzt, 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 Massenlöten von Aluminium in den späten 1970er Jahren zu vielen Komponenten, die in heutigen Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge zu finden sind.
„Im Gegensatz zum Brennerlöten 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 oder Kühlsystem.
Die Stromversorgung wird an den Arbeitskopf angeschlossen und die Spulen werden individuell so konstruiert, dass sie um die Verbindung passen. Induktoren können aus massiven Stäben, flexiblen Kabeln, bearbeiteten Knüppeln oder 3D-gedruckt aus pulverförmigen Kupferlegierungen hergestellt werden. Normalerweise bestehen sie jedoch aus hohlen Kupferrohren, durch die aus mehreren Gründen Wasser fließt. Einer besteht darin, die Spule kühl zu halten, indem der von den Teilen während des Lötvorgangs reflektierten Wärme entgegengewirkt wird. Das fließende Wasser verhindert auch einen Wärmestau in den Spulen aufgrund des häufigen Vorhandenseins von Wechselstrom und die daraus resultierende ineffiziente Wärmeübertragung.
„Manchmal wird ein Flusskonzentrator auf der Spule angebracht, um das Magnetfeld an einem oder mehreren Punkten der Verbindungsstelle zu verstärken“, erklärt Holland. „Solche Konzentratoren können vom Laminattyp sein, bestehend aus dünnen Elektrostählen, die eng aneinander gestapelt sind, oder aus ferromagnetischen Rohren, die pulverisiertes ferromagnetisches Material und unter hohem Druck komprimierte dielektrische Bindungen enthalten.Verwenden Sie beides. Der Vorteil des Konzentrators besteht darin, dass er die Zykluszeit verkürzt, indem er schneller mehr Energie in bestimmte Bereiche der Verbindung bringt, während andere Bereiche kühler bleiben.“
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.
Netzteile sind oft in der Lage, Hunderte von Kilowatt Strom zu erzeugen. Das Hartlöten eines handtellergroßen Teils in 10 bis 15 Sekunden erfordert jedoch nur 1 bis 5 Kilowatt. Im Vergleich dazu können große Teile 50 bis 100 Kilowatt Leistung benötigen und das Hartlöten bis zu 5 Minuten dauern.
„In der Regel verbrauchen kleinere Komponenten weniger Strom, erfordern aber höhere Frequenzen, etwa 100 bis 300 Kilohertz“, sagte Bausch. „Im Gegensatz dazu benötigen größere Komponenten mehr Leistung und niedrigere Frequenzen, typischerweise unter 100 Kilohertz.“
Unabhängig von ihrer Größe müssen Metallteile vor der Befestigung korrekt positioniert werden. Es sollte darauf geachtet werden, einen engen Spalt zwischen den Grundmetallen aufrechtzuerhalten, um eine ordnungsgemäße Kapillarwirkung des fließenden Füllmetalls zu ermöglichen. Stumpf-, Überlappungs- und Stumpfüberlappungsverbindungen sind die beste Möglichkeit, diesen Abstand sicherzustellen.
Herkömmliche oder selbstfixierende Vorrichtungen sind akzeptabel. Standardbefestigungen sollten aus weniger leitfähigen Materialien wie Edelstahl oder Keramik bestehen und die Komponenten so wenig wie möglich berühren.
Durch die Gestaltung von Teilen mit ineinandergreifenden Nähten, Stauchungen, Vertiefungen oder Rändelungen kann eine Selbstfixierung erreicht werden, ohne dass eine mechanische Unterstützung erforderlich ist.
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 Zusatzmetalls, das sich durch die angrenzenden Oberflächen der Verbindung zieht, noch weiter.
Nachdem die Teile ordnungsgemäß eingesetzt und gereinigt wurden, trägt der Bediener eine Verbindungsmasse (normalerweise eine Paste) auf die Verbindung auf. Die Verbindung ist eine Mischung aus Zusatzmetall, Flussmittel (um Oxidation zu verhindern) und einem Bindemittel, das das Metall und das Flussmittel vor dem Schmelzen zusammenhält.
Beim Hartlöten verwendete Füllmetalle und Flussmittel sind so formuliert, dass sie höheren Temperaturen standhalten als beim Löten. Zum Hartlöten verwendete Füllmetalle schmelzen bei Temperaturen von mindestens 842 F und sind beim Abkühlen fester. Dazu gehören Aluminium-Silizium-, Kupfer-, Kupfer-Silber-, Messing-, Bronze-, Gold-Silber-, Silber- und Nickellegierungen.
Der Bediener positioniert dann die Induktionsspule, die in verschiedenen Ausführungen erhältlich ist. Spiralspulen haben eine kreisförmige oder ovale Form und umgeben das Teil vollständig, während sich Gabel- (oder Zangen-) Spulen auf jeder Seite der Verbindung befinden und Kanalspulen am Teil einhaken. Andere Spulen umfassen Innendurchmesser (ID), Innendurchmesser/Außendurchmesser (OD), Pancake, Offen und Multiposition.
Für hochwertige Lötverbindungen ist eine gleichmäßige Wärme unerlässlich. Dazu muss der Bediener sicherstellen, dass der vertikale Abstand zwischen den einzelnen Induktionsspulenschleifen gering ist und dass der Kopplungsabstand (Spaltbreite vom Spulenaußendurchmesser zum Spuleninnendurchmesser) gleichmäßig bleibt.
Als nächstes schaltet der Bediener den Strom ein, um mit dem Erhitzen der Verbindung zu beginnen. Dabei wird mittel- oder hochfrequenter Wechselstrom schnell von einer Stromquelle an einen Induktor übertragen, um um ihn herum ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen.
Das Magnetfeld induziert einen Strom auf der Oberfläche der Verbindung, der Wärme erzeugt, um das Füllmetall zu schmelzen, so dass es fließen und die Oberfläche des Metallteils benetzen kann, wodurch eine starke Verbindung entsteht. Mithilfe von Spulen mit mehreren Positionen kann dieser Vorgang an mehreren Teilen gleichzeitig durchgeführt werden.
Es wird eine abschließende Reinigung und Inspektion jeder gelöteten Komponente empfohlen. Durch Waschen der Teile mit Wasser, das auf mindestens 120 F erhitzt ist, werden Flussmittelrückstände und beim Löten gebildete Ablagerungen entfernt. Das Teil sollte in Wasser getaucht werden, nachdem das Füllmetall erstarrt ist, die Baugruppe jedoch noch heiß ist.
Je nach Teil kann auf eine minimale Prüfung eine zerstörungsfreie und eine zerstörende Prüfung folgen. Zu den ZfP-Methoden gehören visuelle und radiografische Prüfungen sowie Dichtheits- und Beweisprüfungen. Zu den üblichen zerstörenden Prüfungsmethoden gehören metallografische, Schäl-, Zug-, Scher-, Ermüdungs-, Übertragungs- und Torsionsprüfungen.
„Induktionslöten erfordert zwar eine größere Vorabinvestition als die Brennermethode, aber es lohnt sich, weil man dadurch mehr Effizienz und Kontrolle erhält“, sagte Holland. „Wenn man beim Induktionslöten Wärme braucht, drückt man einfach.“Wenn Sie dies nicht tun, drücken Sie.“
Eldec stellt eine breite Palette von Stromquellen für das Induktionslöten her, beispielsweise die ECO LINE MF-Zwischenfrequenzlinie, die in verschiedenen Konfigurationen erhältlich ist, um jeder Anwendung optimal gerecht zu werden. Diese Stromquellen sind mit Nennleistungen von 5 bis 150 kW und Frequenzen von 8 bis 40 Hz erhältlich. Alle Modelle können mit einer Leistungsverstärkungsfunktion ausgestattet werden, die es dem Bediener ermöglicht, die 100 %-Dauerbetriebsleistung innerhalb von 3 Minuten um weitere 50 % zu erhöhen. Weitere wichtige Funktionen sind die Pyrometer-Temperaturregelung, Temperaturschreiber und Bipolartransistor-Leistungsschalter mit isoliertem Gate. Diese Verbrauchsmaterialien erfordern wenig Wartung, arbeiten leise, haben eine geringe Stellfläche und lassen sich leicht in Arbeitszellensteuerungen integrieren.
Hersteller in mehreren Branchen nutzen zunehmend Induktionslöten zur Montage von Teilen. Bausch nennt die Hersteller von Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizintechnik- und Bergbaumaschinen als die größten Anwender von Ambrell-Induktionslötanlagen.
„Die Anzahl induktionsgelöteter Aluminiumkomponenten in der Automobilindustrie nimmt aufgrund von Initiativen zur Gewichtsreduzierung weiter zu“, betont Bausch. „Im Luft- und Raumfahrtsektor werden häufig Nickel und andere Arten von Verschleißpolstern an Düsenschaufeln angelötet.Beide Branchen löten auch verschiedene Stahlrohrverbindungsstücke induktionslöten.“
Alle sechs EasyHeat-Systeme von Ambrell verfügen über einen Frequenzbereich von 150 bis 400 kHz und eignen sich ideal zum Induktionslöten von Kleinteilen unterschiedlicher Geometrie. Die Kompaktgeräte (0112 und 0224) bieten eine Leistungsregelung mit einer Auflösung von 25 Watt;Die Modelle der LI-Serie (3542, 5060, 7590, 8310) bieten eine Regelung innerhalb einer 50-Watt-Auflösung.
Beide Serien verfügen über einen abnehmbaren Arbeitskopf, der bis zu 10 Fuß von der Stromquelle entfernt ist. Die Bedienelemente auf der Vorderseite des Systems sind programmierbar, sodass der Endbenutzer bis zu vier verschiedene Heizprofile mit jeweils bis zu fünf Zeit- und Leistungsschritten definieren kann. Eine Fernsteuerung der Stromversorgung ist für Kontakt- oder Analogeingänge oder einen optionalen seriellen Datenanschluss verfügbar.
„Unsere Hauptkunden für das Induktionslöten sind Hersteller von Teilen, die etwas Kohlenstoff enthalten, oder von Teilen mit großer Masse, die einen hohen Anteil an Eisen enthalten“, erklärt Rich Cukelj, Fusion Business Development Manager. „Einige dieser Unternehmen beliefern die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, 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. Diese Teile haben eine Größe von 2 bis 14 Quadratzoll.
„Jedes System enthält einen Indexierer von Stelron Components Inc. mit 8, 10 oder 12 Arbeitsstationen“, erklärt Cukelj. „Einige Arbeitsstationen werden zum Löten verwendet, während andere zur Inspektion, zum Einsatz von Vision-Kameras oder Lasermessgeräten oder zur Durchführung von Zugtests zur Gewährleistung hochwertiger Lötverbindungen dienen.“
Hersteller nutzen die standardmäßigen ECO LINE-Stromversorgungen von eldec für eine Vielzahl von Induktionslötanwendungen, etwa zum Aufschrumpfen von Rotoren und Wellen oder zum Verbinden von Motorgehäusen, sagte Holland. Kürzlich wurde ein 100-kW-Modell dieses Generators in einer Großteileanwendung eingesetzt, bei der es um das Hartlöten von Kupferkreisringen an Kupferabzweiganschlüsse für Wasserkraftwerksgeneratoren ging.
Eldec stellt auch tragbare MiniMICO-Netzteile her, die mit einem Frequenzbereich von 10 bis 25 kHz problemlos in der Fabrik bewegt werden können. Vor zwei Jahren nutzte ein Hersteller von Wärmetauscherrohren für Kraftfahrzeuge MiniMICO, um Rücklaufkrümmer an jedes Rohr durch Induktion zu löten. Das gesamte Löten wurde von einer Person durchgeführt, und der Zusammenbau 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 Herausgeber des Association for Equipment Engineering Journal und des Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.
Senden Sie eine Angebotsanfrage (RFP) an einen Anbieter Ihrer Wahl und klicken Sie auf eine Schaltfläche, die Ihre Anforderungen detailliert beschreibt
Stöbern Sie in unserem Einkaufsführer und finden Sie Anbieter aller Arten von Montagetechnik, Maschinen und Anlagen, Dienstleister und Handelsorganisationen.
Lean Six Sigma treibt seit Jahrzehnten kontinuierliche Verbesserungsbemühungen voran, aber seine Mängel sind offensichtlich geworden. Die Datenerfassung ist arbeitsintensiv und kann nur kleine Stichproben erfassen. Daten können jetzt über lange Zeiträume und an mehreren Orten zu einem Bruchteil der Kosten älterer manueller Methoden erfasst werden.
Roboter sind billiger und benutzerfreundlicher als je zuvor. Diese Technologie ist selbst für kleine und mittlere Hersteller leicht verfügbar. Hören Sie sich diese exklusive Podiumsdiskussion mit Führungskräften von vier der führenden amerikanischen Robotikanbieter an: ATI Industrial Automation, Epson Robots, FANUC America und Universal Robots.