Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Einflusses von Prozessführung und Gasqualität bei Induktionslötprozessen mit chromhaltigen Lotwerkstoffen

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Lötbarkeit von CrNi-Stählen mit Eisen- und Nickelbasisloten unter Einsatz des Induktionslötens mit lokaler Schutzgasumspülung. Um auch an größeren Bauteilen, welche nicht ofentauglich oder ortsgebunden sind, Lötverbindungen mit Nickel- oder Eisenbasisloten realisieren zu können, ist es erforderlich, das selektive Erwärmungsverfahren des Induktionslötens zu etablieren, bei dem ein lokales Erwärmen der Fügestelle unter Schutzgasatmosphäre bzw. unter Schutzgasumspülung erreicht wird. In der Regel stellt mindestens einer der Fügepartner ein rohrförmiges, dünnwandiges Bauteil dar. Es wird der Einfluss der Zusammensetzung des Prozessgases auf die Benetzungs- und Fließeigenschaften der Lote untersucht. Hierbei sind besonders der Restsauerstoffgehalt und die Feuchte des Schutzgases relevant. Weiterhin wird das Entbinderungsverhalten pastenförmiger Lotwerkstoffe untersucht, da auch hierdurch die Lötbarkeit beim schnellen Erwärmen mittels Induktion beeinflusst wird. Mit der Kenntnis dieser Einflussfaktoren kann die Gestaltung von Induktionsspulen mit Schutzgasumspülung erfolgen. Die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindungen werden daraufhin untersucht. Am Ende soll den Lotherstellern, Anlagenherstellern und Anwendern ein Merkblatt zur Verfügung gestellt werden, welches Hinweise zur Zusammensetzung der Schutzgase, tolerierbaren Verunreinigungen und zur Gestaltung von Induktionsspulen mit Schutzgasumspülung gibt. Vor allem KMU, die vermehrt als Zulieferer in den Bereichen Automotive und HVACR (Heating Ventilation Air Conditioning and Refrigeration) agieren, würden davon profitieren. Durch die kostengünstige und variable Technologie des Induktionslötens könnten sie ihre betriebsinternen Kosten reduzieren und damit ihre Wettbewerbsposition stärken.

Ergebniszusammenfassung:

In dieser Arbeit wurden Rohr-Rohr-Einsteckverbindungen aus dem CrNi-Stahl 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2) mit Lotwerkstoffen in Pastenform bei verschiedenen Prozessgasqualitäten hergestellt. Der Lötprozess wurde nach Vortrocknung der Pasten mit einer Heizrate von 250 K/s bis zur jeweiligen Löttemperatur durchgeführt. Die Sauerstoffgehalte im Prozessgas wurden mit einer Zirkonoxidsonde gemessen und auf mehrere Werte zwischen <5 ppm O2 und 40000 ppm O2 eingestellt. Die Anlassfarben auf der Oberfläche des CrNi-Stahls weisen eine Korrelation mit den Sauerstoffgehalten im Prozessgas auf. Dieser Effekt kann in der löttechnischen Praxis dazu genutzt werden, die Gasqualität auf einfachem Weg abzuschätzen. Zur Visualisierung der Prozessgasumspülung wurde eine Schlierenoptik eingesetzt. Mit einer an die Geometrie der Rohr-Rohr-Einsteckverbindungen und der daraus resultierenden Induktorgeometrie angepassten Prozessgasdüse wurden bei einer Flussrate von 20 l/min die besten Ergebnisse erreicht. Bis 1000 ppm O2 liegen die Zugscherfestigkeiten der Fügeverbindungen bei mindestens 370 MPa. Mit steigender Verunreinigung nimmt die Verbindungsfestigkeit ab. Dies beruht hauptsächlich auf der unvollständigen Spaltfüllung, die in einer reduzierten Anbindungsfläche resultiert. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Restsauerstoffgehalte im Prozessgas einen wesentlichen Einfluss auf das Korrosionsverhalten der Lötverbindungen haben. Durch die Etablierung des selektiven Erwärmungsverfahrens, bei dem ein gleichmäßiges Erwärmen der Fügestelle unter Schutzgasatmosphäre erreicht wird, steht Entwicklern und Anwendern von löttechnisch hergestellten Bauteilen ein Instrument zur Verfügung, um schnell und wirtschaftlich das Induktionslöten mit lokaler Schutzgasumspülung in die Produktion überführen zu können. Mit der Veröffentlichung der Versuchsergebnisse wird eine rasche Überführung der Forschungsergebnisse in die Praxis ermöglicht.