Ultraschalllöten – Flussmittelfreies Fügen von Hartmetallen an Stahl

Ultraschalllöten revolutioniert das Fügen von Hartmetallen und bietet eine sauberere, effizientere Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Durch den Einsatz hochintensiver Ultraschallwellen macht diese fortschrittliche Technik giftige Flussmittel überflüssig, die üblicherweise zum Aufbrechen von Oxiden und zur Herstellung einer Verbindung verwendet werden. Ultraschalllöten ist besonders wirksam bei anspruchsvollen Werkstoffen wie Wolframcarbid und erhöht die Verbindungsfestigkeit, während es Gesundheitsrisiken und Umweltbelastungen reduziert. Dieser innovative Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für Branchen, die robuste, zuverlässige Verbindungen zwischen Hartmetallen und Stahl benötigen.

Das Ultraschallgerät UIP1000hdT zum Löten

Das RIF-Institut erzielte seine bahnbrechenden Lötergebnisse mit dem UIP1000hdT von Hielscher, einem für seine Präzision und Leistung bekannten Ultraschallgerät mit Sonotrode und einer Leistung von 1000 Watt. Dieses hochmoderne Gerät erzeugt hochintensive Ultraschallwellen und ermöglicht damit fortschrittliche Prozesse wie Kavitation, um Oxide wirksam aufzubrechen und die Benetzung der Werkstoffe zu verbessern. Seine robuste Bauweise gewährleistet eine gleichbleibende Leistung unter anspruchsvollen Bedingungen, während die benutzerfreundliche Touchscreen-Oberfläche und die programmierbaren Einstellungen eine präzise Steuerung zentraler Parameter ermöglichen. Die Fähigkeit des UIP1000hdT, zuverlässige, wiederholbare Ergebnisse zu liefern, macht es zu einem unverzichtbaren Werkzeug für modernste Forschung und industrielle Anwendungen, einschließlich des ultraschallunterstützten Lötens.

Auf der Suche nach innovativen und nachhaltigen Fertigungslösungen hat das RIF Institut für Forschung und Transfer (Dortmund, Deutschland) einen Durchbruch beim ultraschallunterstützten Löten zum Fügen von Hartmetallen an Stahl erzielt. Dieser hochmoderne Ansatz macht giftige Flussmittel überflüssig und bietet damit Vorteile für Gesundheit und Umwelt, während die Verbindungen weiterhin robust bleiben.

Die Herausforderung beim Löten von Hartmetallen

Hartmetalle wie Wolframcarbid sind aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften und ihres chemischen Verhaltens bekanntermaßen schwer zu löten. Das herkömmliche Löten von Hartmetallen an Stahl wird durch zwei wesentliche Faktoren erschwert:

• Unterschiedliche Wärmeausdehnung: Die unterschiedlichen Ausdehnungsraten von Hartmetallen und Stahl während des Lötprozesses können die Integrität der Verbindung beeinträchtigen.
• Oxidbildung: Beim Löten bilden sich auf natürliche Weise Oxidschichten auf den Metalloberflächen, die den Benetzungsprozess behindern und die Verbindungsfestigkeit verringern.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind herkömmliche Lötverfahren stark auf chemisch aggressive Flussmittel angewiesen. Diese Flussmittel bergen jedoch erhebliche Gesundheitsrisiken und können die Werkstoffe mit der Zeit schädigen. Alternativen wie Vakuum- oder Schutzgaslöten sind wirksam, gehen aber mit hohen Anlagenkosten und langen Prozesszeiten einher.

Die Ultraschalllösung: Flussmittelfreies Löten

Ultraschallunterstütztes Löten bietet eine bahnbrechende Alternative. Dieses bereits für Leichtmetalle eingesetzte Verfahren nutzt Ultraschallwellen, um die Lötergebnisse bei niedrigeren Temperaturen zu verbessern.

So funktioniert Ultraschalllöten

Werden Ultraschallwellen beim Lötprozess eingesetzt, erzeugen sie ein Phänomen namens Kavitation. Dabei bilden sich mikroskopisch kleine Gasblasen im Lot, die unter hohem Druck und hoher Temperatur kollabieren. Dieser implosive Vorgang bietet mehrere Vorteile:

• Der Vorgang bricht Oxidschichten auf den Metalloberflächen auf und entfernt sie.
• Er verteilt Oxidfragmente in der gesamten Lötnaht.
• Er verbessert die Benetzung des Hartmetalls durch das Lot.

Da Ultraschalllöten Flussmittel überflüssig macht, reduziert es chemische Gefahren erheblich und erzielt gleichzeitig hochwertige Verbindungen.

Fortschrittliche Löttechnik

Am RIF-Institut haben Forschende das Ultraschalllöten mit dem Ultraschallgerät Modell UIP1000hdT von Hielscher für das Fügen von Hartmetall an Stahl optimiert. Zu den wesentlichen Fortschritten gehören:

• Maßgeschneiderte Lötstation: Ein spezialisierter Aufbau, bei dem die Fügepartner induktiv erwärmt werden, während Ultraschallwellen präzise eingebracht werden.
• Prozessüberwachung: Fortschrittliche Mess- und Steuerungssysteme gewährleisten reproduzierbare Ergebnisse bei verschiedenen Kombinationen von Stählen und Hartmetallen.
• Gründliche Prüfung: Lötverbindungen werden umfassenden zerstörungsfreien bildgebenden Untersuchungen und mechanischen Prüfungen unterzogen, um ihre Festigkeit und Zuverlässigkeit zu bestätigen.

Durch sorgfältige Versuche identifizierte das RIF-Institut entscheidende Prozessparameter wie die Löttemperatur und die Aktivierungszeit des Ultraschalls. Die Ergebnisse sind bemerkenswert:

• Festigkeitssteigerung: Durch Ultraschalllöten wurden Verbindungen mit einer Festigkeit von bis zu 368 MPa hergestellt – eine Steigerung um 347% gegenüber dem Löten ohne Flussmittel oder Ultraschall (106 MPa).
• Konkurrenzfähige Ergebnisse: Die mit Ultraschalllöten erreichte Verbindungsfestigkeit ist mit der konventioneller Verfahren mit Flussmitteln vergleichbar.

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

Die Zukunft des Ultraschalllötens

Mit ihrer Fähigkeit, feste, flussmittelfreie Verbindungen herzustellen, stellen Ultraschallgeräte von Hielscher zum Löten einen vielversprechenden Fortschritt für Branchen von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt dar.
Die Arbeit des RIF-Instituts zeigt, dass Innovation und Nachhaltigkeit Hand in Hand gehen können, und setzt einen neuen Maßstab für die Löttechnik.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.