Ultraschalllöten – Flussmittelfreies Verbinden von Hartmetallen mit Stahl

Das Ultraschalllöten revolutioniert die Art und Weise, wie Hartmetalle miteinander verbunden werden, und bietet eine sauberere, effizientere Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Durch die Anwendung hochintensiver Ultraschallwellen macht diese fortschrittliche Technik giftige Flussmittel überflüssig, die üblicherweise verwendet werden, um Oxide aufzubrechen und die Verbindung zu ermöglichen. Besonders bei anspruchsvollen Materialien wie Wolframkarbid erhöht das Ultraschalllöten die Festigkeit der Verbindungen und verringert gleichzeitig die Gesundheitsrisiken und die Umweltbelastung. Dieser innovative Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für Branchen, die robuste, zuverlässige Verbindungen zwischen Hartmetallen und Stahl benötigen.

Der Sonicator UIP1000hdT für Lötarbeiten

Das RIF-Institut erzielte seine bahnbrechenden Lötergebnisse mit dem Hielscher UIP1000hdT, einem 1000-Watt-Sondenschallgerät, das für seine Präzision und Leistung bekannt ist. Dieses hochmoderne Gerät erzeugt hochintensive Ultraschallwellen, die fortschrittliche Prozesse wie Kavitation ermöglichen, um Oxide effektiv abzubauen und die Materialbenetzung zu verbessern. Seine robuste Konstruktion gewährleistet eine gleichbleibende Leistung unter anspruchsvollen Bedingungen, während die benutzerfreundliche Touchscreen-Oberfläche und die programmierbaren Einstellungen eine präzise Steuerung der wichtigsten Parameter ermöglichen. Die Fähigkeit des UIP1000hdT, zuverlässige, wiederholbare Ergebnisse zu liefern, macht es zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Spitzenforschung und industrielle Anwendungen, einschließlich ultraschallunterstütztem Löten.

Auf der Suche nach innovativen und nachhaltigen Fertigungslösungen ist dem RIF-Institut für Forschung und Transfer (Dortmund) ein Durchbruch beim ultraschallunterstützten Löten zum Verbinden von Hartmetallen mit Stahl gelungen. Dieser innovative Ansatz macht giftige Flussmittel überflüssig und bietet sowohl gesundheitliche als auch ökologische Vorteile bei gleichzeitiger Beibehaltung einer robusten Verbindungsleistung.

Die Herausforderung beim Löten von Hartmetallen

Hartmetalle, wie z.B. Wolframkarbid, sind aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften und ihres chemischen Verhaltens bekanntermaßen schwer zu löten. Das traditionelle Löten mit Stahl wird durch zwei Hauptfaktoren behindert:

• Differentielle thermische Ausdehnung: Die unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten von Hartmetallen und Stahl während des Lötvorgangs können die Integrität der Verbindung beeinträchtigen.
• Oxid-Bildung: Beim Löten bilden sich auf den Metalloberflächen natürlich Oxidschichten, die den Benetzungsprozess behindern und die Haftfestigkeit verringern.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, stützen sich herkömmliche Lötverfahren stark auf chemisch aggressive Flussmittel. Diese Flussmittel stellen jedoch ein erhebliches Gesundheitsrisiko dar und können die Materialien mit der Zeit beschädigen. Alternativen wie das Vakuum- oder Schutzgaslöten sind zwar effektiv, aber mit hohen Gerätekosten und langen Bearbeitungszeiten verbunden.

Die Lösung mit Ultraschall: Flussmittelfreies Löten

Das ultraschallunterstützte Löten stellt eine bahnbrechende Alternative dar. Dieses Verfahren, das bereits für Leichtmetalle eingesetzt wird, nutzt Ultraschallwellen zur Verbesserung der Lötleistung bei niedrigeren Temperaturen.

Wie Ultraschalllöten funktioniert

Wenn Ultraschallwellen auf den Lötprozess angewendet werden, erzeugen sie ein Phänomen, das als Kavitation bezeichnet wird. Dabei bilden sich mikroskopisch kleine Gasblasen im Lot, die unter hohem Druck und hoher Temperatur zusammenfallen. Diese implosive Wirkung bringt mehrere Vorteile mit sich:

• Bricht die Oxidschichten auf den Metalloberflächen auf und entfernt sie.
• Verteilt Oxidfragmente in der gesamten Lötnaht.
• Verbessert die Benetzung des Hartmetalls durch das Lot.

Da beim Ultraschalllöten kein Flussmittel erforderlich ist, werden die chemischen Gefahren erheblich reduziert und gleichzeitig hochwertige Verbindungen erzielt.

Fortschrittliche Löttechnik

Am RIF-Institut haben Forscher das Ultraschalllöten mit dem Hielscher Sonicator Modell UIP1000hdT für Hartmetall-Stahl-Anwendungen optimiert. Zu den wichtigsten Fortschritten gehören:

• Kundenspezifische Lötstation: Ein spezieller Aufbau, bei dem die Fügepartner induktiv erwärmt werden, während die Ultraschallwellen präzise angewendet werden.
• Prozessüberwachung: Fortschrittliche Mess- und Kontrollsysteme sorgen für reproduzierbare Ergebnisse bei verschiedenen Kombinationen von Stählen und Hartmetallen.
• Gründliche Prüfung: Die Lötverbindungen werden strengen zerstörungsfreien Bildgebungs- und mechanischen Tests unterzogen, um ihre Festigkeit und Zuverlässigkeit zu überprüfen.

Durch sorgfältige Experimente hat das RIF-Institut kritische Prozessparameter wie die Löttemperatur und die Ultraschall-Aktivierungszeit ermittelt. Die Ergebnisse sind bemerkenswert:

• Stärke-Boost: Beim Löten mit Ultraschall wurden Verbindungen mit einer Festigkeit von bis zu 368 MPa hergestellt - eine Steigerung von 347 % im Vergleich zum Löten ohne Flussmittel oder Ultraschall (106 MPa).
• Wettbewerbsfähige Leistung: Die mit dem Ultraschalllöten erzielte Festigkeit der Verbindung übertrifft die herkömmlicher flussmittelbasierter Verfahren.

Henrik Ulitzka, ein führender Forscher am RIF, hob die Bedeutung dieser Ergebnisse hervor:
„Unsere Tests zeigten den entscheidenden Einfluss der Prozessparameter. Durch Feinabstimmung von Temperatur und Ultraschall-Aktivierungszeit konnten wir das volle Potenzial des Ultraschalllötens für Hartmetall-Stahl-Verbindungen erschließen.“

Die Zukunft des Lötverfahrens mit Ultraschall

Mit ihrer Fähigkeit, starke, flussmittelfreie Verbindungen herzustellen, stellen Hielscher-Schallgeräte für das Löten einen vielversprechenden Fortschritt für Branchen von der Automobil- bis zur Luft- und Raumfahrtindustrie dar.
Die Arbeit des RIF-Instituts zeigt, dass Innovation und Nachhaltigkeit Hand in Hand gehen können, und setzt einen neuen Standard für die Löttechnik.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.