Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung von Hartmetall-Stahl-Lötverbindungen hinsichtlich Festigkeit, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit durch Verbesserung der Prozesskontrolle beim Induktionslöten

Das Induktionslöten ist ein sehr schneller und gut automatisierbarer Prozess, der insbesondere beim Löten von Hartmetall-Stahl-Verbunden für die Werkzeugindustrie in der industriellen Praxis eine weite Verbreitung findet. Die Eigenschaften induktiv gelöteter Bauteile unterliegen häufig starken Schwankungen, da die Zeit-Temperatur-Führung im Lötprozess direkt die metallurgischen Reaktionen zwischen Lot und Grundwerkstoff und damit die Eigenschaften der entstehenden Verbindung beeinflusst. Zudem stehen nur eingeschränkt Methoden zur Temperaturmessung direkt am Bauteil zur Verfügung. Das Ziel des Vorhabens ist es, zuverlässige alternative Methoden zur Bestimmung der Temperatur beim Lötprozess zu untersuchen, um eine höhere Zuverlässigkeit des Induktionsprozesses und der resultierenden Fügeverbundeigenschaften zu gewährleisten. Die Messmethoden sollten auch in die Steuerung der Induktionsanlage integrierbar sein, so dass der Prozess über die tatsächlich im Bauteil vorherrschende Temperatur gesteuert werden kann.

Der Lösungsweg besteht einerseits aus der Untersuchung der Eignung verschiedener (in)direkter Temperaturmessmethoden während des Induktionslötprozesses, von denen der am besten geeignete Ansatz in die Anlagensteuerung der Induktionsanlage übertragen werden soll. Anschließend soll der Lötprozess für Hartmetall-Stahl-Verbunde, unterstützt durch simulative Ansätze, optimiert werden und mit der angepassten Anlagensteuerung umgesetzt werden. Die Ergebnisse des Projekts sollen in einen Leitfaden für Steuerungskonzepte für Induktionsanlagen sowie einen Leitfaden für optimierte Induktionslötungen führen. Diese können von KMU herangezogen werden, um eine optimierte Steuerung für Induktionsprozesse und damit reproduzierbare und fehlerfreie Lötungen herzustellen. Dadurch erhalten die Firmen einen Wettbewerbsvorteil durch eine hohe Qualität der Lötungen und durch eine Reduktion des Ausschusses.

Ergebniszusammenfassung:

Eine stabile und reproduzierbare Zeit-Temperatur-Führung ist, insbesondere bei sensiblen Verbindungen wie Hartmetall-Stahl-Fügeverbindungen, eine Herausforderung. Nicht selten kommt es zu Benetzungsfehlern, zur Bildung von Sprödphasen wie auch zu hohen, teils kritischen Eigenspannungen.

Im Projekt wurde ein numerischer Ansatz für eine verbesserte Lotauswahl wie auch ein steuerungstechnischer Ansatz verfolgt. Durch die Nutzung eines Kraft- und eines Wegsensors konnten auftretende temperaturbedingte Effekte gemessen und somit auch eine neue Prozesssteuerung entwickelt werden. Diese ermöglicht es, den Prozess auf Grundlage des Lotzustands zu steuern. Die neue Prozesssteuerung kann die Prozesszeiten und somit auch die thermische Werkstoffbeeinflussung ohne Qualitätseinbußen auf ein Minimum reduzieren. Zusätzlich wurde im Rahmen des numerischen Ansatzes zur Eigenspannungsberechnung Modelle aufgestellt, welche die Eigenspannungsentwicklung beim Abkühlen nach dem Lötprozess aber auch die Überlagerung mit externen mechanischen Belastungen beschreiben. Die Resultate zeigen, dass die Wahl der richtigen Lotfolie, Folienarchitektur und Bauteilgeometrie entscheidend ist für die Höhe der Eigenspannungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Eigenspannungssimulation als Werkzeug für die Industrie zur Auslegung von Geometrie, Fügeverbindungen und Lötprozessen geeignet ist.

Auf Grundlage der Resultate ist eine deutliche Steigerung der Reproduzierbarkeit und Qualitätssicherheit für zahlreiche gelötete Produkte zu erwarten. Die Qualität der Bauteile kann maßgeblich gesteigert werden, wodurch die Hersteller und Anwender technologische und wirtschaftliche Vorteile erhalten. Ausschuss und Aufwand zur Prozessentwicklung können signifikant reduziert werden. Hierdurch gewinnt die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens insgesamt und damit alle beteiligten Unternehmen, wie Hersteller von Werkzeugen, Reparaturbetriebe und Lothersteller, häufig KMU, ebenso wie die Hersteller von Induktionsanlagen.