Lichtbogen- und Laserlöten von Stahlblech 1

Vorwiegend im automobilen Karosseriebau, aber auch beim Herstellen von Schaltschränken, verdrängen das Lichtbogen- und das Laserlöten sowohl das Schutzgas- als auch das Laserschweißen. Die Gründe dafür werden im folgenden Beitrag verdeutlicht.

Autor: Gerd Trommer Gemäß DVS Merkblatt 0938-2 ist Löten von ferritischen Stahlblechen eine geeignete Verbindungstechnik, wenn beim Scherzugversuch das Versagen nicht in der Lötnaht eintritt, das heißt deren Festigkeit größer als die des verbundenen Bleches ist.

Dies trifft auf zahlreiche Verbindungen aus unlegierten und auch höher- und hochfesten, unbeschichteten, elektrolytisch verzinkten sowie schmelzgetauchten Stahlblechen ≤ 3 mm Dicke zu.

Ein weiteres Anwendungsfeld sind austenitische CrNi-Stähle bis zu einer Stärke von zwei Millimeter. Allerdings sollten sie frei von Eigenspannungen sein. Als Zusatzwerkstoff hat sich dabei SG-CuSi3 bewährt.

Die Entwicklung des Lichtbogenlötens ist stark von der Automobilindustrie geprägt. Seitdem verzinkte Karosserie-bleche Autofahrer mit längerem Korrosionsschutz überzeugen, sind Fügeverfahren gefragt, die die Zinkschicht im Nahtbereich schonen.

Während Schweißverfahren die Zinkschicht neben der Naht aufschmelzen und verdampfen, kommt seit rund 15 Jahren das MIG-Löten (Metall Inertgas) ohne diesen Abbrand aus. Einen weiteren markanten Entwicklungsschritt vollzog vor gut fünf Jahren das CMT-Löten (Cold Metal Transfer, siehe Infokasten).

Eigenschaften des Lichtbogenlötens versus Schweißen

Der entscheidende physikalische Unterschied zwischen Schweißen und Lichtbogenlöten liegt in der Prozesstemperatur. Aus der niedrigeren Temperatur beim Löten folgen auch weitgehend dessen Vorteile.

Hinzu kommen bei der speziellen kälteren Variante, dem CMT-Löten, noch die nachgewiesene höhere Lichtbogenstabilität. Sie wirkt sich in einem weiter verringerten Wärmeeintrag und einer in zahlreichen Praxis-anwendungen gezeigten praktischen Spritzerfreiheit aus.

Für eine Schweißverbindung soll der Spalt zwischen den zu fügenden Blechen möglichst gering sein, im Idealfall beträgt das Spaltmaß Null. Dies wirkt sich vor allem konstruktiv in der Forderung nach sehr geringen Maßtoleranzen aus.

Oft sind aufwendige Spannvorrichtungen erforderlich; sie erzeugen als Nebenwirkung häufig Spannungen im geschweißten Bauteil. Im Vergleich zwischen Lichtbogen- und Laserschweißen treffen diese Fakten auf Letzteres verstärkt zu.

Beim Lichtbogenlöten hingegen bilden Spalte, in die das Lot diffundieren kann, sogar eine Voraussetzung. Die Spaltmaßtoleranzen bewegen sich in der Größenordnung der Blechdicke. Dies erhöht die konstruktive Freiheit und reduziert den Fertigungsaufwand.

Es wirkt sich besonders dann aus, wenn sich die Toleranzen bei der Montage mehrerer Bleche addieren. Die Temperaturen in der WEZ (Wärmeeinflusszone) betragen beim Schweißen etwa 1500 °C. Beim Lichtbogenlöten dagegen lediglich 910 bis 1025 °C.

Daraus resultiert ein deutlich geringerer Wärmeeintrag, verbunden mit weniger Änderungseinflüssen auf das Werkstoffgefüge und einem geringeren Wärmeverzug. Die teilweise sehr hohen Arbeitsaufwände zum Beseitigen von Spritzern, Oberflächenbearbeitung und Richten entfallen weitgehend.

Die Nähte zeichnen sich oft durch Sichtqualität aus, das heißt weitere Oberflächenbehandlungen wie Lackieren können häufig direkt folgen. Allerdings entsteht gegenüber der Schweißnaht ein deutlicher Unterschied: Die Nahtfarbe Bronze unterscheidet sich von der Stahlfarbe der gefügten Bleche.

Größere Spaltmaßtoleranzen, geringerer Aufwand für Vorrichtungen und Spannmittel, weniger Wärmeverzug und minimale Nacharbeit wirken sich in geringerem Zeit- und Kostenaufwand aus. Hinzu kommt die höhere Produktivität dank der größeren Fügegeschwindigkeit beim Löten.

Nutzen im Praxisbeispiel

Im Karosserierohbau von Vauxhall Motors, Ellesmere Port (England), sind 0,8 mm dünne Bleche aus verzinktem Stahl mit hochfestem Trip-Stahl zu verbinden. Die übliche, material-schonende produktive Methode des Punktschweißens entfällt hier.

Denn die Spaltmaße zwischen den überlappenden Blechteilen oder zwischen Blechen mit großen Radien sind zu groß oder wäre der Elektrodenverschleiß nach Erfahrung der dortigen Produktionsexperten indiskutabel. Sie wählten zunächst statt dessen eine Lichtbogen-Schweißlösung.

Das brachte jedoch unzählige Spritzer. Und infolge des hohen Wärmeeintrags vergrößerte der Materialverzug die Spalten weiter. Außerdem war die Zinkschicht partiell verdampft und damit der Korrosionsschutz um die geschweißten Stellen aufgehoben.

Weiterer Zeitverlust:  Fast in jeder Schicht unterbrach mindestens einmal der Fertigungsfluss, verursacht durch Unregelmäßigkeiten bei den Brennerdüsen und der Drahtzufuhr.

Die Konsequenz daraus hieß bei Vauxhall: Innerhalb einer Fertigungslinie war eine Fachkraft allein für das Prüfen der Teile zum Feststellen der Formabweichung und für die entsprechende Nacharbeit inklusive Beseitigen der Spritzer erforderlich. Das bedeutete 50 000 Euro pro Schicht jährlich an Personalkosten und im Zweischichtbetrieb folglich das Doppelte.

Die Umstellung auf CMT-Löten beseitigt bei Vauxhall gleich mehrere Probleme. Erstens sind die aufwendige Nacharbeit und der damit verbundene hohe Aufwand an Zeit und Personal jetzt komplett eingespart; die qualifizierte Manpower wird für andere Aufgaben frei. Zweitens: Die Ausfälle, die sich zuvor infolge der Unterbrechung der Drahtförderung ergaben, sind eliminiert.

Und die Brennerdüsen, früher hoch verschleißbelastet mit Austausch von bis zu zwei Stück pro Schicht, arbeiten jetzt länger als eineinhalb Jahre im Zweischichtbetrieb. Drittens sparen die Techniker ganze Teile ihrer Produktionsanlagen und den dafür benötigten Platz ein.

Die Fertigungsinsel, die zuvor einzig für die umfangreichen Arbeiten des Prüfens und Richtens bestimmt war, ist entfallen. Das trifft auch auf die zum Teil aufwendigen Vorrichtungen zu, die früher zum Schutz empfindlicher Partien wie Gewindebohrungen gegen Schweißspritzer nötig waren.

Die Vorteile ergänzt Technikmanager Ray Price, Technical Manager Body Shop: „Alle Prozessvorteile aus dem automatisierten Einsatz der vier TransPuls-Synergic 3200 CMT zum Löten im Boden- und Seitenbereich der Karosserie kumuliert ergeben deutlich über 1000 Prozent Steigerung des MTBF gegenüber der vorherigen Kurzlichtbogen-Schweißanwendung.

Deshalb sind wir mit der Lösung von Fronius hoch zufrieden.“ Idealerweise verlängert sich die durchschnittliche Zeit zwischen zwei ausfallbedingten Unterbrechungen MTBF (Meantime between Failure) sogar auf das bis zu Zwanzig-fache. Denn die Stillstände infolge Störungen sanken von zwei pro Schicht auf eine pro (zweischichtiger) Arbeitswoche.

Laserstrahl-Löten

Die Entwicklung des Laserstrahl-Lötens (kurz: Laserlöten) hat der Automobilbauer VW stark gefördert. Maßgebliches Ziel war und ist dabei das Erzeugen möglichst spaltfreier Verbindungen in Sichtqualität, das heißt ohne Nacharbeit.

Die gelöteten Bauteile werden anschließend direkt lackiert. Und – typisch für die Anwendung Laserlöten – beispielsweise bei punktgeschweißten Nähten übliche Abdeckungen (meist aus Kunststoff) entfallen.

Von der Anwendung und dem Ergebnis her ist das Laserlöten dem Lichtbogen-Löten sehr ähnlich. Neben der niedrigen Prozesstemperatur besteht der wesentliche Unterschied zum Laserschweißen im Zusatzwerkstoff.

Während der Laser-Schweißprozess – auch im Unterschied zum Lichtbogenschutzgasschweißen – im Normalfall ohne Zusatzwerkstoff arbeitet, ist dieser beim Löten unabdingbar.

Das Laserlöten arbeitet entweder mit Kalt- oder Heißdraht; diese Methode ist dem WIG-Schweißen sehr ähnlich.

Eine Laserlötanlage besteht im Prinzip aus einer Laserstrahl-Schweiß- und einer Schutzgas-Schweißanlage. Die Stromquelle erwärmt beim Laser-Heißdrahtlöten den Zusatzwerkstoff. Sehr wichtig ist eine leichtgängige und gleichmäßige Drahtförderung für eine qualitativ hochwertige und gleichmäßige Naht.

Mehr als hundertfach bewährt haben sich dafür der PushPull-Antriebe RobactaDrive mit DC-Servomotor als Brennersystem von Fronius. Für das reine Kaltdraht-Laserlöten können die Stromquelle und der PushPull-Drahtvorschub entfallen.

Die Nähte sind von hoher Qualität und guter Optik. Nacharbeit kann normalerweise entfallen. Laserlöten ist deshalb besonders dann geeignet, wenn die Spaltmaße sehr gering sind; zum Beispiel, wenn sie Null bis wenige Zehntel Millimeter betragen.

Wegen der geringen Spaltmaße sind Spannvorrichtungen erforderlich. Im Vergleich zum Lichtbogen-Löten ist die Lötgeschwindigkeit deutlich größer. Die vergleichsweise sehr hohen finanziellen Investionen einer Laserlötanlage sind jedoch nur in der Serienfertigung wirtschaftlich darstellbar.

Deshalb ist das Laserlöten primär im Automobil-Karosseriebau zu finden. Typische lasergelötete Bleche bestehen aus verzinktem oder oberflächenbehandelten Stahl.

www.fronius.com