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Die Grundlagen des Induktionslötens werden vorgestellt, um gängige Missverständnisse auszuräumen.
Induktionserwärmung ist ein etabliertes Erwärmungsverfahren, das von vielen immer noch als neue Technologie betrachtet wird. Obwohl die Induktionserwärmung seit nahezu 100 Jahren kommerziell genutzt wird, bestehen weiterhin Fragen und Missverständnisse hinsichtlich ihrer Anwendung. Ein häufiges Missverständnis ist beispielsweise, dass Induktionserwärmung nur magnetische Werkstoffe erhitzen könne. Tatsächlich lassen sich jedoch alle elektrisch leitfähigen Materialien mit Induktion erwärmen.
Es ist zudem wichtig, Löten und Induktionserwärmung als zwei voneinander getrennte und unterschiedliche Prozesse zu verstehen und anzuwenden. Löten ist ein Fügeverfahren, während die Induktionserwärmung ein Erwärmungsprozess ist, der häufig als ein Schritt im Lötvorgang eingesetzt wird.
Zahlreiche Publikationen und Studien wurden über das Löten und andere metallverbindende Verfahren veröffentlicht. Ziel dieses Artikels ist es nicht, alle Einzelheiten der Lötverfahren darzustellen. Vielmehr sollen allgemeine Faustregeln vorgestellt werden, um die Induktionserwärmungstechnologie näher zu erläutern. Außerdem werden häufige Missverständnisse im Zusammenhang mit Induktionserwärmung und ihren Anwendungen beim Löten behandelt.
Induktionserwärmung ist ein thermischer Prozess, bei dem ein elektrisch leitfähiges Material in ein wechselndes Magnetfeld gebracht und durch Hysterese (nur bei magnetischen Materialien) und/oder durch induzierte elektrische Ströme (bei allen leitfähigen Materialien) erwärmt wird. Das veränderliche Magnetfeld wird durch einen Wechselstrom erzeugt, der durch eine elektrische Wicklung (Spule/Induktor) fließt. Im Vergleich zu anderen Erwärmungstechnologien, die beim Löten zum Einsatz kommen, ist die Induktionserwärmung ein berührungsloses, sehr schnelles und effizientes Verfahren.
Mit Induktionserwärmung können alle elektrisch leitfähigen Materialien, sowohl magnetische als auch nichtmagnetische, erhitzt werden. Es gibt jedoch einen zentralen Unterschied zwischen der Erwärmung magnetischer und nichtmagnetischer Teile. Magnetische Werkstoffe wie Eisen besitzen in ihrer atomaren Struktur magnetische Domänen, die wie kleine Stabmagneten wirken. Diese Domänen richten sich physikalisch mit der Polarität des angelegten Magnetfeldes aus und kehren bei Umkehrung des Feldes ebenfalls ihre Richtung. Das ständige Umschalten führt zu innerer Reibungserwärmung – bekannt als Hysteresewärme. Hysteresewärme tritt ausschließlich in magnetischen Materialien auf und ist die effizienteste Form der Induktionserwärmung, mit einem Wirkungsgrad von über 90%.
Werden magnetische Materialien ausreichend erhitzt, verlieren sie ihre Magnetisierung – dieser Punkt wird als Curie-Temperatur bezeichnet (typischerweise etwa 760°C bei Eisen). Sobald diese Temperatur erreicht ist, endet die Hysteresewärme. Ohne die richtige Auswahl von Frequenz oder Leistung kann die Erwärmung bei etwa 760°C stagnieren. Dies ist einer der Gründe, warum manche Einsteiger glauben, dass Induktionserwärmung nicht über 760°C hinaus funktioniert. Mit der passenden Frequenz- und Leistungswahl sind jedoch Temperaturen von mehreren Tausend Grad erreichbar.
Die Erwärmung über den Curie-Punkt hinaus oder bei nichtmagnetischen Materialien erfolgt durch Wirbelströme. Dieser Energietransfermechanismus entspricht dem, was in elektrischen Transformatoren passiert. Der Heizinduktor stellt die Primärwicklung, das zu erwärmende Teil die Sekundärwicklung dar. Die entstehende Wärme wird als „I-Quadrat-R-Verlust“ (P = I²R), abgeleitet aus dem ohmschen Gesetz (U = I*R), bezeichnet.
Wirbelstromerwärmung ermöglicht es, alle elektrisch leitfähigen Materialien zu erhitzen – darunter Gold, Kupfer, Silber, Aluminium und viele weitere. Die Effizienz der Wirbelstromerwärmung variiert je nach Legierung zwischen 50% und bis zu nur 5%. Der Begriff „Wirbelstrom“ stammt von der Beobachtung kleiner Oberflächenströme in größeren Wasserströmen, wie etwa in Flüssen. Analog dazu zirkulieren die induzierten Wirbelströme nur an der Oberfläche des Werkstücks.
Je höher die Betriebsfrequenz (Hz), desto geringer ist die Eindringtiefe der Wirbelströme. Die Tiefe, in der 63% des induzierten Stroms fließen, wird als Bezugsdurchdringungstiefe bezeichnet. Die meisten Induktionserwärmungssysteme für Lötanwendungen arbeiten im Bereich von 10 bis 50 kHz. Abhängig von magnetischer Permeabilität und dem spezifischen Widerstand des Materials kann die Bezugsdurchdringungstiefe in diesem Frequenzbereich zwischen 0,2 und 5 mm liegen.
Bei der Auswahl eines Induktionserwärmungssystems ist die Erwärmungstiefe zu berücksichtigen. Ist sie zu groß, findet kaum Erwärmung statt, da sich die Wirbelströme gegenseitig aufheben – insbesondere, wenn sie von entgegengesetzten Seiten des Werkstücks aufeinandertreffen. Generell sollte die Eindringtiefe des Stroms nicht mehr als die Hälfte der Dicke oder des Durchmessers des erhitzten Teils betragen.
Neben der Betriebsfrequenz beeinflussen auch der elektrische Widerstand und die magnetische Permeabilität des Teils die Erwärmungstiefe. Die Formel zur Berechnung der Bezugsdurchdringungstiefe lautet: D = 3160*√(ρ/μf), wobei ρ der elektrische Widerstand des Materials in Mikroohm-Inch, μ die relative magnetische Permeabilität in Henry pro Meter und f die Betriebsfrequenz in Hertz ist. Die Formel zeigt, dass die Erwärmungstiefe mit steigendem spezifischem Widerstand zunimmt, während sie mit zunehmender Permeabilität oder Frequenz abnimmt.
Magnetische Permeabilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, magnetischen Fluss aufzunehmen und zu speichern. Je besser das Material Fluss speichern kann, desto höher ist die Permeabilität. Nichtmagnetische Materialien besitzen eine Permeabilität von 1, während gutes Magnetmaterial wie Eisen eine Permeabilität von 5000 aufweist. Baustahl hat eine relative magnetische Permeabilität von 100. Besonders bei Löttemperaturen ist die Permeabilität wegen des Curie-Punktes relevant: Stahl verliert seine Magnetisierung bei etwa 760°C, wodurch die Permeabilität von 100 auf 1 sinkt. Dadurch erhöht sich die Eindringtiefe des Stroms bei Temperaturen über dem Curie-Punkt um das Zehnfache. Wird die falsche Frequenz gewählt, stoppt die Erwärmung am Curie-Punkt.
Die Gesetze der Thermodynamik gelten auch für die Induktionserwärmung. Die im Teil erzeugte Wärme bleibt nicht auf die Eindringtiefe des Stroms beschränkt, sondern verbreitet sich durch Wärmeleitung. Die zusätzliche Erwärmungstiefe infolge der Halte- bzw. Erwärmungszeit lässt sich mit der Formel D = √0,0015t (D in Inch, t in Sekunden) abschätzen.
Da Wechselstrom dazu neigt, sich an der Oberfläche eines Teils zu konzentrieren, kann eine zu hohe Frequenz gewählt werden. Eine zu hohe Betriebsfrequenz führt dazu, dass sich der Strom in Ecken, wie beispielsweise an den Kanten einer Sechskantmutter, sammelt – was zu lokalen Überhitzungen und möglicherweise zur Schmelzung des Grundwerkstoffs vor dem Lotfluss führen kann. Die Frequenz optimiert die Effizienz, aber letztlich ist die Leistung entscheidend für die Arbeitsgeschwindigkeit.
Leistung ist die über die Zeit übertragene Energiemenge. Die meisten Induktionserwärmer werden nach ihrer Leistungsfähigkeit in Kilowatt (kW) klassifiziert. Induktionsstromquellen im industriellen Bereich reichen von 1 kW bis über 20 MW (1.000 bis 20.000.000 W). Für Lötanwendungen liegen die meisten Prozesse im Bereich von 5 bis 50 kW, bei größeren Anwendungen auch mehrere hundert kW.
Die Auswahl der richtigen kW-Leistung ist ebenso entscheidend wie die Wahl der Frequenz. Eine zu geringe Leistung reicht nicht aus, um die Löttemperatur zu erreichen, der Prozess dauert zu lange und die Wärmeeinflusszone (WEZ) wird zu groß. Eine zu hohe kW-Leistung bietet zu wenig Feindosierung für die Prozesskontrolle, kann Teile überhitzen und verschwendet Ressourcen bei Anschaffung und Wartung.
Für die Bestimmung der notwendigen Leistung sind mehrere Faktoren entscheidend: zulässige Erwärmungszeit, Zieltemperatur, Ausgangstemperatur, Masse und Grundwerkstoff. Die Erwärmungszeit muss ausreichend sein, damit das Flussmittel aktiv wird und das Lot durch Kapillarwirkung in die Fuge fließen kann. Zu lange Wärmeeinwirkung sollte vermieden werden, da Flussmittel nur eine begrenzte Lebensdauer haben und längere Zeiten die Oxidbildung fördern.
Grundwerkstoffe unterscheiden sich in Dichte, spezifischer Wärme, elektrischem Widerstand und magnetischer Permeabilität – diese vier Eigenschaften sind bei der Berechnung der erforderlichen Leistung am wichtigsten.
Ein Beispiel: Zwei Bauteile mit gleicher Masse, eines aus Eisen, eines aus Kupfer. Kupfer ist eines der schwierigsten Metalle für die Induktionserwärmung, während Eisen sehr leicht zu erhitzen ist. Die Effizienz beim Erwärmen von Kupfer liegt typischerweise bei 15%, bei Eisen über 90%. Um beide Teile in gleicher Zeit auf die gleiche Temperatur zu bringen, bedarf es für das Kupferteil der fünffachen Leistung. Ursache hierfür sind der geringere elektrische Widerstand und die fehlende magnetische Permeabilität von Kupfer. Eisen profitiert zusätzlich von Hysteresewärme.
Die Umwandlungseffizienzen bei der Induktionserwärmung typischer Grundwerkstoffe:
Ein Heizinduktor (Spule) ist eine elektrische Wicklung, durch die Wechselstrom fließt, um ein elektromagnetisches Feld mit einem bestimmten Muster zur Erwärmung eines leitfähigen Objekts zu erzeugen.
Die meisten assoziieren mit einem Induktionsheizinduktor eine einfache Helix aus Kupferrohr, die das zu erwärmende Teil umgibt. Dies ist jedoch nur eine Variante; Heizinduktoren können auch aus Hohlkupferrohr, massivem Stab, flexiblem Kabel, bearbeitetem Vollmaterial oder im 3D-Druck aus Kupferlegierung gefertigt werden. Die Geometrie des Induktors richtet sich nach den Prozessanforderungen. Kupfer ist wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit (geringe Verluste), guten Wärmeleitfähigkeit (leichte Wasserkühlung) und relativ niedrigen Kosten das bevorzugte Material. Meist werden Induktoren wassergekühlt, um der reflektierten Hitze und den hohen Strömen (typisch 1.000 A) zu begegnen.
Der Heizinduktor ist das wichtigste Element im Induktionserwärmungssystem. Induktoren gibt es in vielen Bauformen: Solenoid, Haarspange, Pancake, Querfeld, Innendurchmesser, Kanal, Klappspule und bearbeitete/3D-gedruckte Profile. Nur der Solenoid-Induktor umschließt das Werkstück vollständig.
Ein weit verbreitetes Missverständnis ist, dass der Induktor das Werkstück zwingend umschließen muss. Tatsächlich kann ein Induktor von außen, innen, einseitig, zweiseitig oder dreiseitig erwärmen. Induktoren werden meist der Bauteilform und dem Erwärmungsbereich angepasst. Die Induktorbauform wirkt sich auf die Effizienz aus: Ein Inneninduktor benötigt etwa doppelt so viel Leistung wie ein Solenoid-Induktor. Auch der Abstand zwischen Werkstück und Induktor (Kupplungsspalt) beeinflusst die Effizienz – je größer der Spalt, desto geringer die Effizienz.
Es ist ratsam, bereits in der Entwicklungsphase eines Induktionslötprozesses einen Experten für Induktoren einzubeziehen, um den größtmöglichen Prozesserfolg zu gewährleisten. Ein schlecht konstruierter Induktor führt zu übermäßigem Energieverbrauch, schlechter Wiederholbarkeit, Nachbearbeitung der Teile oder funktioniert gar nicht. Die Qualität des Induktionslötprozesses hängt maßgeblich vom verwendeten Induktor ab.
Wichtige Konstruktionsmerkmale eines hochwertigen Induktors:
Moderne Steuerungssysteme können in den gesamten Induktionslötprozess integriert werden und sorgen für Präzision und Wiederholbarkeit. Zeitgemäße Induktionsanlagen verfügen über zahlreiche Mikroprozessoren und liefern umfassende Daten zu Prozessparametern. Messungen wie Mindest-/Höchsttemperaturen, Abkühlraten, Abschreckströme und Energieübertragung sind Beispiele für erfassbare Daten. Zudem können diese Daten per Netzwerk oder Internet aus der Ferne überwacht und einzelne Prozessdaten für jedes Bauteil gespeichert und später analysiert werden. Die Möglichkeit zur individuellen Prozesssteuerung und extremen Wiederholbarkeit sind zentrale Vorteile der Induktionserwärmung beim Löten.
Mit Finite-Elemente-Analyse (FEA) und spezieller Simulationssoftware können Hersteller von Induktionserwärmungssystemen Wärmeverteilung, Temperaturanstieg, Temperaturverteilung, Spannungen, Verformungen und sogar metallurgische Veränderungen im Bauteil präzise vorhersagen, bevor ein Bauteil tatsächlich erhitzt wird.
Es wird deutlich, dass die Induktionserwärmung gegenüber anderen Erwärmungsverfahren Vorteile hinsichtlich Präzision, Geschwindigkeit, Steuerbarkeit und Energieeffizienz bietet. Dennoch ist sie nur ein Teil des gesamten Lötprozesses. Trotz der durch elektromagnetische Induktion möglichen Temperaturkontrolle hängt die Präzision und Wiederholbarkeit des Lötprozesses auch von anderen Faktoren ab, wie Passgenauigkeit, Positionierung, Sauberkeit, gleichmäßiger Flussmittelauftrag und Lotzufuhr.
Die Bauteile sollten vor der Erwärmung gründlich gereinigt werden, um eine optimale Legierung zwischen Grund- und Lotwerkstoff zu gewährleisten. Während des Erwärmungsprozesses sollten die gereinigten Teile durch ein chemisches Flussmittel oder eine Schutzgasatmosphäre vor Oxidation geschützt werden. Die Induktionserwärmung eignet sich für beide Methoden: klassisches Löten mit Flussmitteln und Löten unter Schutzatmosphäre. Hartmetallwerkzeuge werden häufig mit Mineralflussmitteln und silberhaltigem Lot gelötet, während Hochdruck-Kraftstoffschienen für Automobile meist mit Kupferlot im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre gelötet werden. Unter keinen Umständen sollte ein Flussmittel oder eine Schutzgasatmosphäre als Ersatz für eine unzureichende Reinigung der Bauteiloberflächen dienen.
Die Gestaltung der Lötverbindungen lässt sich leicht auf zwei Grundformen reduzieren: Stumpfstoß- und Überlappungsverbindung. Alle weiteren Geometrien sind Varianten dieser beiden Grundformen. Die Auslegung der Verbindung richtet sich nach dem Anwendungszweck, dem verwendeten Lot, Flussmittel und dem Erwärmungsverfahren. Entscheidend ist, dass die Geometrie von Verbindung und Bauteil von Teil zu Teil konstant bleibt, um einen wiederholbaren Prozess zu gewährleisten. Die Induktionserwärmung liefert zwar von Zyklus zu Zyklus die gleiche Wärmemenge, doch Abweichungen in der Verbindungskonsistenz können zu Schwankungen in der Wärmeübertragung und Festigkeit führen.
Der Verbindungsabstand zwischen den Teilen hängt von Lot, Flussmittel und thermischer Ausdehnung ab. Die Fugenbreite kann von einer leichten Presspassung bis zu 0,25 mm reichen. Für die meisten Induktionslötanwendungen liegt der optimale Spalt zwischen 0,05 und 0,13 mm, was maximale Festigkeit garantiert. Kleinere Spalte oder Presspassungen sind beim flussmittelfreien Löten, etwa im Schutzgas mit Kupferlot, zulässig.
Die meisten Induktionserwärmungsprozesse setzen auf eine fest definierte Induktorgeometrie. Das Design der Lötverbindung sollte die Geometrie des Induktors berücksichtigen. Die Bauteile müssen sowohl vor als auch nach dem Löten problemlos in den Induktor ein- und ausgebaut werden können.
Nach der Auswahl von Grundwerkstoff, Lot, Flussmittel, Fügeverbindung und Erwärmungsmethode ist auch die Fixierung der Bauteile im Lötprozess entscheidend für den Gesamterfolg. Die Aufnahme sollte beim Induktionslöten nicht magnetisch sein, um unerwünschte Erwärmung des Halters zu vermeiden.
Geeignete nichtmagnetische Materialien sind Edelstähle der 300er-Serie und Aluminium. Edelstahl ist hitze-, chemikalien- und verschleißbeständig, bietet geringe Wärmeleitfähigkeit sowie hohe Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Die thermische Ausdehnung der Bauteile während des Lötens muss bei der Konstruktion der Aufnahme berücksichtigt werden.
