Fontargen GmbH: Das MIG-Löten und die Anforderungen an Zusätze

Redakteur: Luca Meister

>> Das Metall-Inertgas(MIG)-Löten hat sich in den letzten 15 Jahren als Werkstoff-schonende Alternative zum Schweissen von Dünnblechen etabliert. Anwendungsbereiche sind der automobile Karosseriebau, der Containerbau, die Herstellung von Polhülsen für Magnetventile sowie die Lüftungs- und Klimatechnik. Darüber hinaus finden sich eine ganze Reihe von Nischenanwendungen, bei denen die Vorzüge dieses Verfahrens zum Tragen kommen.

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Abb. 1: Kehlnaht mit Zusatzwerkstoff CuSi3Mn1 an Grundwerkstoff ZStE 180 BH ZE 75/75 (a) und Diffusionszone zwischen diesen beiden Werkstoffen (b). (Bilder: Fontargen)
Abb. 1: Kehlnaht mit Zusatzwerkstoff CuSi3Mn1 an Grundwerkstoff ZStE 180 BH ZE 75/75 (a) und Diffusionszone zwischen diesen beiden Werkstoffen (b). (Bilder: Fontargen)

Die wesentlichen Vorteile des MIG-Lötens mit Kupferloten gegenüber dem Schweissen sind der weitestgehend erhaltene Korrosionsschutz bei verzinkten Blechen, der geringere Verzug, die einfachere mechanische Bearbeitung der Nähte im Sichtbereich infolge der geringeren Härte und ein homogeneres Eigenschaftsfeld über den Nahtquerschnitt. Eine höhere Fügegeschwindigkeit und eine bessere Spaltüberbrückbarkeit sind ebenfalls Kriterien, die für das MIG-Löten sprechen.

In der Vergangenheit wurden für den Hauptvertreter der Kupferlote, CuSi3Mn1, TÜV-Zulassungen erarbeitet (Abb. 1). Damit hat man den Nachweis erbracht, dass das MIG-Löten an dünnen Stahlblechen der unteren Festigkeitsklassen im Vergleich zum Schweissen mit Drahtelektroden aus Stahl nicht zur Minderung der Festigkeit im Nahtbereich führt. Darüber hinaus wurde mit den Merkblättern DVS 0938-1 und 0938-2 ein Regelwerk für den Praktiker geschaffen. Dort sind die wichtigsten Informationen über Anlagentechnik, Prozessparameter, Grund- und Zusatzwerkstoffe, Konstruktionsvorgaben und Qualitätsprüfung beschrieben.

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Vielfältige Anwendungen

Karosseriebau

Als Schwerpunkt der MIG-Lötanwendungen gilt der Automobilbau, insbesondere die Karosserie (Abb. 2). Im Nichtsichtbereich werden vielmals kurze Steppnähte an Überlappverbindungen gelötet. Dagegen kommen im Aussenbereich vorwiegend das Laserstrahllöten und der kathodenfokussierte Wolfram-Inertgas(WIG)-Lichtbogen zum Einsatz.

Am häufigsten wird die Legierung CuSi3Mn1 nach DIN EN ISO 24373 («A 202 M» der Fontargen GmbH, Eisenberg) verwendet (Abb. 3). Charakteristisch für diesen Zusatz ist der Einfluss des Siliziumanteils. Abweichend von dem breiten Toleranzbereich, den die Norm vorgibt, hat sich bei den Herstellern ein Gehalt zwischen 2,80 und 2,95 Prozent durchgesetzt. Dieser niedrige Anteil führt in der Legierung zu einem engen Schmelzbereich, höherer Kapillarwirkung und damit zu besserem Fliessverhalten.

Alternativ wird auch die Legierung CuAl7 nach DIN EN ISO 24373 («A 2115/8 M» dieses Anbieters) eingesetzt. Vorteilhaft bei diesem Zusatzwerkstoff ist das bessere Festigkeitsverhalten. Zusätzlich reduziert die Verwendung von CuAl-Legierungen an Stahlwerkstoffen die Gefahr der Lötrissigkeit.

Polhülsen für Magnetventile

Eine besonders anspruchsvolle Anwendung des MIG-Lötens ist die Herstellung von Polhülsen für Magnetventile (Abb. 4). Diese Baugruppen kommen für die Durchflusssteuerung an hydraulischen und pneumatischen Anlagen zum Einsatz. Nach dem Drehen einer V-förmigen oder tulpenförmigen Phase an einem Rundstahl erfolgt das Ausfüllen mit Kupferlot. In der Regel wird mit einer Pendeleinrichtung gearbeitet. Dabei ist eine präzise Einstellung der löttechnischen Parameter notwendig. Nur so lassen sich Bindefehler, ein Anschmelzen des Grundwerkstoffs und Poren vermeiden.

Von besonderer Bedeutung ist die sogenannte Kenn- oder Trennlinie des Bauteils. Sind die Lötparameter zu hoch, erfolgt ein Einbrand wie beim Schweissen, der dann als negative Trennlinie (magnetische Trennung ist ungleichmässig) zu bewerten ist. Angestrebt wird eine positiv geradlinige Kennlinie, die eine gleichmässige magnetische Trennung ermöglicht.

Das am häufigsten praktizierte Verfahren ist das MIG-Löten – meist zweilagig gepulst – mit den Zusatzwerkstoffen CuAl8Ni2Fe2Mn2 («A 216 M»), CuAl5Ni2Mn («A 2115/5Ni M») oder CuAl7 («A 2115/8 M») nach DIN EN ISO 24373.

Nach dem Löten wird das Bauteil aussen und innen auf Mass gedreht. Die Qualitätskontrolle der fertigen Hülsen umfasst den Pulstest, die Druckprobe und eine zerstörende mechanische Prüfung. Nun kann diese Polhülse ihren Zweck erfüllen: Der Stahlkörper ist durch eine Kupferlegierung unterbrochen und ermöglicht damit die für die Funktion erforderliche magnetische Trennung; das heisst, diese Hülse bewegt sich innerhalb der Magnetbaugruppe, wenn der Strom geschaltet wird.

Regalbau

Regalelemente werden aufgrund ihrer Blechdicke und Beanspruchung üblicherweise mit Drahtelektroden aus Stahl geschweisst. An verzinkten Regalen ist nach dem Schweissen die Verzinkung neben der Naht verbrannt, sodass der Korrosionsschutz nicht mehr vorhanden ist. Ein nachträgliches Lackieren ist erforderlich. Beim MIG-Löten mit einem geeigneten Zusatzwerkstoff wird die Zinkschicht nur unwesentlich beeinflusst, sodass das Lackieren entfallen kann und sich so Kosten einsparen lassen. Ausgehend von der statischen und dynamischen Beanspruchung, kommt in diesem Fall die Legierung CuAl8Ni2Fe2Mn2 («A 216 M») zum Einsatz, die mit entsprechend hohen Festigkeiten den Anforderungen genügt (Abb. 5).

Pressenbau

Das MIG-Löten dient nicht nur zum Verbinden, sondern auch zum Auftragen. Eine typische Anwendung ist das Auftraglöten von Drucksäulen an Pressen. Die Säulen bestehen aus dem Werkstoff 42CrMoV4. Während des Pressenbetriebs können sich Schmutzpartikel und Abriebspäne zwischen Säule und Dichtfläche absetzen und zu Beschädigungen führen. Die Folgen sind eine verkürzte Standzeit und hohe Reparaturkosten. Als Problemlösung bietet sich die Legierung CuAl7 («A 2115/8 M») an. Die Säulen werden bei der Neufertigung im Beanspruchungsbereich abgedreht. Danach erfolgen die Auftragung mit der Kupferlegierung und das Drehen auf Mass (Abb. 6). Die relativ weiche Oberfläche bietet zudem gewisse Notlaufeigenschaften, die bei einer möglichen kurzzeitigen Unterbrechung des Schmierfilms ein unmittelbares Anfressen verhindern sollen.

Fehler vermeiden und beseitigen

Voraussetzung für ein fehlerfreies Lötergebnis ist der Einsatz geeigneter Zusatzwerkstoffe und die Einhaltung angepasster Lötparameter. Generell ist für metallisch blanke, benetzbare Blechoberflächen zu sorgen.

Für feueraluminierte Bleche werden CuAl-Legierungen empfohlen, weil diese sich wesentlich prozesssicherer verarbeiten lassen als das Standardlot CuSi3Mn1. Somit beeinflusst die Oberflächenbeschichtung des Blechs die Qualität des Lötergebnisses.

Häufig kommen elektrolytisch verzinkte Bleche mit 7,5 Mikrometer Verzinkungsdicke zum Einsatz. Zunehmende Zinkschichtdicken führen zu einem unruhigen Lichtbogen mit dem Ergebnis, dass der Spritzeranteil zunimmt. Mit einem aktiven Gasanteil von etwa 2,5 Prozent CO2 oder O2 lässt sich dem entgegenwirken.

Die Wahl der Lötparameter beeinflusst die metallische Beschichtung neben der Naht und auf der Blechrückseite. Deshalb sollten Anwender die Parameter so einstellen, dass so wenig wie möglich Zink abbrennt. Eine reduzierte Wärmeeinbringung wirkt sich auch positiv auf den Verzug bei Dünnblechen aus.

Die Beseitigung von Lötfehlern in der Naht erfolgt durch Ausschleifen und Nachlöten. Das Nachlöten ist nur mit artgleichem Zusatzwerkstoff auszuführen [1]. Bei CuAl-Legierungen erfolgt die Nacharbeit in der Regel im WIG-Verfahren mit Wechselstrom. Für das Löten im Gleichstromlichtbogen werden die Lotstäbe mit dem Flussmittel «F 200» des Eisenberger Anbieters dünn eingestrichen.

Spritzer haften im Vergleich zum Metall-Schutzgas(MSG)-Schweissen sehr fest auf der Oberfläche. Deshalb wird für die Entfernung der Spritzer und unerwünschter Nahtüberhöhungen das Abschleifen empfohlen [2].

Auf die Anwendungen zugeschnitten

Der aktuelle Stand der Technik vermittelt gesicherte Erkenntnisse hinsichtlich der Produkte und Prozesse. Die Vielfältigkeit der Grundwerkstoffe hinsichtlich der metallurgischen und mechanischen Eigenschaften sowie der Oberflächenbeschichtungen erfordert beanspruchungsspezifische Zusatzwerkstoffe. Heute werden hoch- und höchstfeste Werkstoffe bis hin zu pressgehärtetem Stahlblech aus 22MnB5 mit einer Zugfestigkeit von 1500 N/mm2 MIG-gelötet. Diese höchstfesten Blechqualitäten finden besonders im Bereich der B-Säule an der Fahrzeugkarosserie Anwendung. Als Zusatzwerkstoff kommen CuAl-Legierungen wie CuAl8Ni2Fe2Mn2 («A 216 M») zum Einsatz (Abb. 7). Der Vorteil des MIG-Lötens ist hier – neben den bekannten Vorzügen – besonders die geringere thermische Beeinflussung des Grundwerkstoffs in der Wärmeeinflusszone im Vergleich zum Schweissen.

Im Zusatzwerkstoffbereich gibt es neben den Standardtypen Legierungen, die auf bestimmte Anwenderbedürfnisse zugeschnitten sind. So werden für hoch beanspruchte Magnetventile die Polhülsen mit der Legierung CuMn12Ni2 («A 746Ni M» des Eisenberger Anbieters) gelötet. Diese Kupferlegierung zeichnet sich vor allem durch ein hohes Streckgrenzenverhältnis aus.

Bei den Al-Bronzen wurde für ausgewählte Anwendungen die Legierung CuAl5Ni2Mn («A 2115/5Ni M») entwickelt. Dieser Typ stellt einen Kompromiss zwischen CuAl7 («A 2115/8 M») und dem mit Ni, Fe und Mn legierten Typ CuAl8Ni2Fe2Mn2 («A 216 M») dar (Abb. 8). Bei höheren Betriebstemperaturen wie im Endschalldämpferbereich ist der Festigkeitsverlust von «A 2115/5Ni M» gegenüber «A 216 M» bei erhöhten Temperaturen nur unwesentlich geringer. Ohne geeignete Schweissstromquellen wären viele Anwendungen des MIG-Lötens nicht möglich. Anlagen mit der Fähigkeit, die eingebrachte Energie auf ein Minimum zu reduzieren, erweitern die Anwendungsbreite und erhöhen die Vorteile des MIG-Lötens gegenüber dem Schweissen.

Was sind die «Wünsche» der Industrie?

Die Industrie wünscht sich neue bzw. weiterentwickelte Zusatzwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften. Die Machbarkeit muss gegeben sein, aber auch die Kosten sind zu berücksichtigen. Im Zuge der ständigen Entwicklung von Stahlblechen mit hoher Festigkeit besteht seit Jahren schon der Bedarf an Kupferlegierungen mit entsprechenden Festigkeitseigenschaften. Eine Annäherung wird sicherlich stattfinden, aber letztlich bleibt Kupfer ein weicherer Werkstoff als Stahl. Ansätze gibt es viele, z.B. das Zulegieren bestimmter Elemente, Fülldraht oder das Löten mit höherer Energieeinbringung.

Ganz vorn auf der Wunschliste steht natürlich eine hohe Lötgeschwindigkeit. Hier wurde ein entscheidender Faktor zur Kostensenkung erkannt. Bei der Entwicklung neuer Legierungen findet dieser Punkt gewiss seine Beachtung. Für die Automobilhersteller und Produzenten anderer Fahrzeuge spielt das Phosphatierverhalten der Lote eine grosse Rolle. Im Vergleich zur verzinkten Blechoberfläche lassen sich die CuSi-Legierungen schlechter phosphatieren. Dies hat Auswirkungen auf den Korrosionsschutz und letztendlich auch auf die Lackanhaftung. Aluminium- bzw. nickelhaltige Legierungen fördern die Phosphatierung. Neue Kupferbasis-Lote mit verbesserten Eigenschaften sind gegenwärtig in der Erprobung.

Mit diesen und weiteren Herausforderungen haben die Hersteller von Loten auch in den nächsten Jahren die Möglichkeit, entsprechend den Bedürfnissen der Industrie den MIG-Lötprozess zu optimieren und die Anwendungsvielfalt zu erweitern. <<

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