Löten Ultraschall-Löten auf das Fügen von Hartmetall an Stahl adaptiert

Redakteur: Dorothee Quitter

Das RIF Institut für Forschung und Transfer hat das ultraschallgestützte Löten von Leichtmetallen für Stahl-Hartmetall-Verbindungen weiterentwickelt. Auf giftige Flussmittel kann so verzichtet werden.

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Das Projekt „Entwicklung eines Ultraschall-gestützten Lötprozesses zum flussmittelfreien Fügen von Hartmetall an Stahl“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Hier ist die Induktionsanlage mit der Ultraschalleinkopplung zu sehen.
Das Projekt „Entwicklung eines Ultraschall-gestützten Lötprozesses zum flussmittelfreien Fügen von Hartmetall an Stahl“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Hier ist die Induktionsanlage mit der Ultraschalleinkopplung zu sehen.
(Bild: RIF)

Hartmetalle lassen sich aufgrund der Struktur des eingesetzten Wolfram-Carbids beim Löten mit Stahl nur schwer mit gängigen Loten benetzen. Laut RIF beeinträchtigen sowohl unterschiedliche Materialausdehnungen als auch während des Fügevorganges entstehende Oxidschichten die Festigkeit der Verbindung. Um diese entstehenden Oxide aufzubrechen, kommen in der Praxis Flussmittel zum Einsatz. Diese sind jedoch meist chemisch stark ätzend und häufig auch gesundheitsgefährdend, heißt es. Eine Alternative bieten Lötungen im Vakuum oder unter Schutzgas – diese gehen jedoch mit hohen Anlagenkosten und langen Prozesszeiten einher.

Ultraschall-Löten verzichtet auf Flussmittel

Das ultraschallgestützte Löten hingegen wird bereits beim Leichtmetall-Löten bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt. Die Ultraschallwellen erzeugen die so genannte „Kavitation“ an den Oberflächen der Grundwerkstoffe: Durch verschiedene Druckzustände bilden sich Gasblasen im Lötmittel aus, welche anschließend implodieren und durch hohe Temperaturen und hohe Drücke die Oberflächen angreifen. Im Ergebnis werden die Oxidschichten aufgebrochen, abgelöst und in der Lötnaht verteilt. Dadurch wird die Benetzung des Hartmetalls mit dem Lot verbessert.

Versuchsstand für das ultraschallgestützte Lötverfahren am RIF.
Versuchsstand für das ultraschallgestützte Lötverfahren am RIF.
(Bild: RIF)

Für die Versuche am RIF wurden zunächst verschiedene Benetzungsmechanismen untersucht. Danach wurde ein neuer Lötstand entwickelt, an dem die Fügepartner induktiv erwärmt und die Ultraschallwellen eingebracht werden konnten. Über aufwändige Mess- und Steuerungsvorrichtungen während des Fügeprozesses konnten reproduzierbare Ergebnisse mit unterschiedlichen Stahl und Hartmetallsorten sowie angepassten Prozessparametern durchgeführt werden. Die erzeugten Lötverbindungen wurden über verschiedene zerstörungsfreie, bildgebende und anschließend mehrere mechanische Verfahren untersucht. Neben Erkenntnissen über die Zustände der Grundwerkstoffe zielten die Optimierungen vor allem auf die erreichbare Festigkeit.

Mit Hilfe der Ergebnisse der im Projekt durchgeführten Versuche konnten wir die Einflüsse der Parameter identifizieren. Dabei erwiesen sich die Parameter Löttemperatur und Aktivierungszeit des Ultraschalls als signifikant.

Henrik Ulitzka, RIF-Mitarbeiter

Keine Festigkeitseinbußen

Nach Angaben des RIF konnte im Ergebnis mit den optimalen Parametern eine um bis zu 347 Prozent höhere Schwerfestigkeit (368 MPa) im Vergleich zu Lötungen ohne Flussmittel und ohne Ultraschall (106 MPa) erzielt werden. Damit werde mit Hilfe des Ultraschalls eine Festigkeit erreicht, die mit den herkömmlichen Verfahren unter Einsatz von Flussmitteln konkurrenzfähig ist.

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