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SB_20021NLP

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2022<br />

Abschlussbericht<br />

DVS-Forschung<br />

Prozessüberwachung<br />

beim Löten großflächiger<br />

Fügeverbunde


Prozessüberwachung beim<br />

Löten großflächiger<br />

Fügeverbunde<br />

Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />

IGF-Nr.: 20.021 N<br />

DVS-Nr.: 07.2260<br />

Technische Universität Dortmund<br />

Fakultät Maschinenbau<br />

Lehrstuhl für Werkstofftechnologie<br />

Förderhinweis:<br />

Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.021 N / DVS-Nr.: 07.2260 der Forschungsvereinigung<br />

Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />

wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />

Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz<br />

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />

unter: http://dnb.dnb.de<br />

© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />

DVS Forschung Band 546<br />

Bestell-Nr.: 170656<br />

I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-546-0<br />

Kontakt:<br />

Forschungsvereinigung Schweißen<br />

und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />

T +49 211 1591-0<br />

F +49 211 1591-200<br />

forschung@dvs-hg.de<br />

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />

vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />

Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.


Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20021 N/1<br />

Inhaltsverzeichnis<br />

Zusammenfassung ..................................................................................................................... 2<br />

Änderungen/Anpassungen gegenüber dem ursprünglichen Arbeitsplan aufgrund von<br />

Anregungen und Empfehlungen vom projektbegleitenden Ausschuss (PA) und in<br />

Übereinstimmung mit dem PA .................................................................................................... 3<br />

Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses ......................................................... 5<br />

Forschungsthema ....................................................................................................................... 8<br />

Wirtschaftliche Relevanz für KMU ........................................................................................... 8<br />

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ....................................... 8<br />

Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU ..................... 9<br />

Stand der Forschung und Entwicklung .................................................................................. 10<br />

Forschungsziel...................................................................................................................... 11<br />

Lösungsweg ......................................................................................................................... 13<br />

Zu untersuchende Lot- und Grundwerkstoffe ............................................................................ 19<br />

Verwendete Anlagen ................................................................................................................ 19<br />

Ergebnisse und Auswertung ..................................................................................................... 23<br />

Ergebnisse: AP1 – Auslegung und Konstruktion eines geeigneten Probenkörpers und<br />

Ergebnisse: AP2 – Weiterentwicklung und Konstruktion des Messaufbaus .......................... 23<br />

Ergebnisse: AP3 – Funktionsüberprüfung und Anpassung ................................................... 53<br />

Ergebnisse: AP4 – Untersuchung der Wärmeverteilung ....................................................... 72<br />

Ergebnisse: AP5-9 – Lötexperimente und Gefügeanalyse .................................................... 94<br />

Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ........... 101<br />

Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................................................... 103<br />

Wissenschaftlich-technische Nutzen und der wirtschaftliche Nutzen für KMUs ...................... 104<br />

Sachgerechte Verwendung der finanziellen Mittel .................................................................. 106<br />

Durchgeführter Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................... 107<br />

Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Forschungsvorhabens ...... 110<br />

Literaturverzeichnis ................................................................................................................ 112<br />

Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................ 114<br />

Tabellenverzeichnis ................................................................................................................ 117


Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20021 N/1<br />

Forschungsthema<br />

Prozessüberwachung beim Löten großflächiger Fügeverbunde<br />

Wirtschaftliche Relevanz für KMU<br />

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung<br />

Das Hart- und Hochtemperaturlöten erlaubt als stoffschlüssiges Fügeverfahren die Realisierung<br />

von dichten und festen Verbindungen artgleicher und ungleicher Werkstoffe. Insbesondere bei<br />

der Herstellung großer Werkzeuge und Komponenten besitzt es den Vorteil gegenüber<br />

Schweißprozessen bei moderaten Temperaturen und Druckbeaufschlagungen großflächige<br />

Fügeverbunde herzustellen [Sek13]. Im täglichen Geschäft der klein- und mittelständischen<br />

Dienstleister müssen häufig wechselnde und neue Bauteilgeometrien verarbeitet werden, wobei<br />

es sich häufig um aufwändige Einzelstücke, zum Beispiel von Spritzgießwerkzeugen für die<br />

Kunststoff- und Automobilindustrie, mit erheblichem finanziellen Wert handelt. Ein Versagen oder<br />

eine fehlerhafte Lötung kann somit für das Unternehmen ein hohes wirtschaftliches Risiko<br />

bedeuten. Das Löten solcher großflächigen Bauteile geschieht in der Regel in Vakuumöfen, in<br />

denen bisher lediglich eine Prozessüberwachung mittels Thermoelementen am Bauteil oder in<br />

bauteilähnlichen Testkörpern sowie durch Drucksensoren zur Überwachung des Vakuums<br />

möglich ist. Der Lötprozess stellt daher eine „Blackbox" dar, die nur durch äußere Parameter {z.B.<br />

Löttemperatur, Haltezeit etc.) steuerbar ist. Die Temperatur- sowie die Druckmessungen können<br />

keine direkte Information über den Zustand innerhalb der Lötnaht liefern, wodurch die<br />

Prozessführung bei der Fügeverbundherstellung deutlich erschwert wird. Dies hat insbesondere<br />

Bedeutung bei Werkstoffsystemen, bei denen zwischen der Aufschmelztemperatur des Lotes und<br />

der Austenitisierungstemperatur des Grundwerkstoffs nur ein enges Prozessfenster zur<br />

Verfügung steht. Bei zu hohen Temperaturen kann es dabei zu einer Beeinträchtigung der<br />

Eigenschaften des Grundwerkstoffs kommen. Die Entstehung von Ausscheidungen auf den<br />

Korngrenzen, verringerte Korrosionsbeständigkeit und Grobkornbildung sind einige<br />

unerwünschte Effekte [HoyOS, Lug84, Ste91, Til12], die hierdurch auftreten können. Auf der<br />

anderen Seite weisen die Normen für die Lote ein relativ großes Fenster für die<br />

Zusammensetzung auf. Hierdurch können von Charge zu Charge (bzw. Hersteller zu Hersteller)<br />

unterschiedliche Zusammensetzungen auftreten, wodurch die Lote unterschiedliche<br />

Aufschmelztemperaturen besitzen. Dies hat zur Folge, dass nicht jede Zusammensetzung<br />

zwingend die angegebene Arbeitstemperatur erfordert und somit Potential zur Senkung der<br />

Löttemperatur, abhängig von der Lot-Zusammensetzung, besteht.<br />

Bei großen Bauteilen können während des Lötprozesses nicht zu vernachlässigende<br />

Temperatur-gradienten entstehen, so dass in einigen Bereichen die Löttemperatur bereits<br />

erreicht ist, während andere Teilbereiche noch zu kalt sind. Eine, sich daraus ergebende, lange<br />

Haltezeit, die eine homogene Durchwärmung gewährleistet, führt auf der einen Seite zu erhöhten<br />

Prozesskosten, kann auf der anderen Seite aber auch die Eigenschaften des Lötgutes sowie des


Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20021 N/1<br />

Grundwerkstoffs in Folge der Diffusionsvorgänge deutlich verschlechtern [Jia16, Lil15]. Auch die<br />

Fertigungstoleranzen der Halbzeuge können zu Abweichungen von der exakten Lötspaltbreite<br />

führen. Die daraus resultierende Beeinflussung der Kapillarkräfte sowie das veränderte, vom<br />

flüssigen Lot zu füllende Volumen im Spalt, führen zu einer Veränderung des Lotflusses, so dass<br />

es zu großflächigen lmperfektionen innerhalb der Lötnaht kommen kann [Bau16, Bau15, Bob15].<br />

Dies kann insbesondere kritisch sein, wenn die Lötnaht nicht nur eine tragende Funktion besitzt,<br />

sondern auch eine Gasdichtheit [Sch16, Til14] (bspw. in Kühlkanälen) gewährleisten muss. Die<br />

Motivation dieses Forschungsvorhabens liegt in der Verbesserung der Prozessüberwachung von<br />

Ofenlötungen. Hierzu soll auf Basis der elektrischen Widerstandsmessung eine Messmethode<br />

weiterentwickelt werden, die sich bereits als vielversprechende Methode im IGF-Projekt "18469<br />

N" herausgestellt hat. Die Integration in den Vakuumofen und die Überwachung während des<br />

Lötens großflächiger Bauteile könnte somit zur Prozesskontrolle und -sicherheit beitragen. Die<br />

Verbundherstellung führt nachweislich zu einer signifikanten Verringerung des elektrischen<br />

Widerstandes [Til15a, Til15b] und ist somit potentiell dazu geeignet auch großflächige Bauteile<br />

während der Verbundherstellung zu überwachen.<br />

Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU<br />

Das gebundene Kapital in großflächigen Bauteilen in Form von bspw. gekühlten<br />

Spritzgussmatrizen ist häufig beträchtlich, so dass bei einem Versagen für das haftende<br />

Unternehmen ein erheblicher finanzieller Schaden entsteht. Das Innovationspotenzial und die<br />

wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens begründen sich somit in der Tatsache, dass<br />

sich aktuell im industriellen Sektor lediglich die Ofenatmosphäre und -temperatur mit Hilfe von<br />

Thermoelementen und ggfs. Massenspektrometern kontrollieren lässt. Dies erlaubt aber nur eine<br />

indirekte Aussage über den vorherrschenden Zustand im sich ausbildenden Fügeverbund. Durch<br />

die Prozessüberwachung mit Hilfe der Widerstandsmessung ergibt sich eine direkte<br />

zerstörungsfreie Prüfung im Prozess, die eine Auskunft über den Zustand des Lotes während des<br />

Prozesses erlaubt, wodurch als langfristiges Ziel eine gezielte Prozessregelung angestrebt wird.<br />

Durch diese lassen sich u.a. der Schmelzpunkt an den untersuchten Positionen bestimmen und<br />

somit die Löttemperaturen und der Lötprozess gezielt anpassen, wodurch eine Kostenersparnis<br />

durch geringere Löttemperaturen und kürzere Prozesszeiten erreicht wird.<br />

Hierbei erschließen sich für den potenziellen Nutzerkreis sämtliche Unternehmen, die in ihren<br />

Fertigungsketten Kammer- bzw. Vakuumöfen zum Löten nutzen. Somit stehen gerade<br />

KMU-Dienstleister im Fokus der Zielgruppe, da ihre Werkstücke besonders aufwändig und teuer<br />

sind. Für sie stellt die Methode ein hilfreiches Werkzeug dar, fehlerhafte Lötungen zu vermeiden<br />

und ihre Prozesse zielgerichtet zu optimieren, in dem sie Informationen über den Zustand des<br />

Lotes während des Lötprozesses erhalten. Aber auch Anlagenhersteller von solchen Öfen<br />

können die entwickelte Methodik mit in ihr Produktportfolio aufnehmen, um somit auf dem<br />

internationalen Markt ihre Wettbewerbsfähigkeit zu sichern. Die Widerstandsmessung besticht


Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20021 N/1<br />

zudem durch ihren Vorteil, dass sie im Vergleich zu anderen Untersuchungsmethoden<br />

kostengünstig ist und sich mit geringem Aufwand in die Öfen und Prozesskontrollen integrieren<br />

lässt. Durch die erfolgreiche Anwendung lässt sich der Aufwand für die Parameterermittlung und<br />

die Prozessentwicklung deutlich reduzieren, was sich insbesondere für die adressierten KMUs<br />

als weiterer Vorteil herausstellt.<br />

Stand der Forschung und Entwicklung<br />

Eine umfassende Literaturrecherche ergab, dass die Lötprozesse vorwiegend durch die indirekte<br />

Kontrolle der Temperatur-Zeit-Verläufe überwacht und gesteuert werden. Mit Hilfe von<br />

Thermoelementen [11109, Bel03, Ple02] oder berührungslos durch die Benutzung digitaler<br />

Thermokameras [Jur07, Mat06, Ren87] findet eine Temperaturüberwachung des Prozesses an<br />

der Lötnaht statt. Anhand dieser Temperaturmessung auf der Bauteiloberfläche lassen sich die<br />

Bedingungen in der Lötnaht nur unpräzise feststellen. Mit Hilfe einer Thermokamera konnte<br />

hingegen das Erstarrungsverhalten an titanhaltigen Aktivloten an monokristallinen Diamanten<br />

durch die Diamantschicht hindurch untersucht werden [Wul10]. Dies ist möglich, da der Diamant<br />

für den Spektralbereich der eingesetzten Thermokamera eine Durchlässigkeit besitzt und somit<br />

ein Sonderfall für löttechnische Untersuchungen darstellt. Zur zerstörungsfreien Prüfung der<br />

Lötnaht eignet sich die Inspektion mittels der Röntgendurchstrahlung. In der industriellen<br />

Bauteilüberwachung wird dieses Verfahren vorwiegend im Anschluss an den Fügeprozess<br />

durchgeführt [Neu98, Bro07]. Mittels der Röntgentomographie kann ein Bild der inneren<br />

räumlichen Struktur des Bauteils erstellt werden [Rot08]. Insbesondere an kleinen<br />

Bauteilkomponenten der Mikroelektronik sind in-situ-Untersuchungen durchführbar [Fau07].<br />

Einschränkende Nachteile dieser Prüfmethode liegen in der alleinigen Nachweisbarkeit von<br />

Volumenfehlern, der begrenzten Probengröße sowie -dicke durch die Röntgengeräte. Weiterhin<br />

müssen gängige Vorschriften bezüglich des Strahlenschutzes eingehalten werden, um das<br />

Bedien- bzw. Prüfpersonal nicht zu gefährden, wodurch die in-situ-Prüfung erschwert wird.<br />

Durch die Ultraschallprüfung ist es möglich die Anbindungsqualität der Lötnähte zu beurteilen<br />

[Cro88]. Berthold beschäftigte sich mit der in-situ-Ultraschallprüfung von Lötverbindungen [Ber01,<br />

Cro05]. Die Lötstelle wird mit Ultraschallwellen durchschallt und sowohl das Ultraschallecho wie<br />

auch die Durchschallung ausgewertet, so dass schon während der Lötung eine Aussage über die<br />

Qualität der Lötverbindung gewonnen werden konnte. Bei dem Verfahren muss ein hoher<br />

Aufwand bei der Ankopplung der Prüfköpfe mit Hilfe von Wasser oder Öl getätigt werden, damit<br />

der Ultraschall in das Bauteil eingeleitet werden kann. Gerade in der heißen Atmosphäre eines<br />

Ofens stößt das Verfahren schnell an seine Grenzen, da die Prüfköpfe nur bis zu einer<br />

Temperatur von 80 °C ausgelegt sind und ein entsprechend hoher Kühlaufwand getätigt werden<br />

muss.<br />

Beim Löten großflächiger Fügeverbunde ist die homogene Durchwärmung der Bauteile von<br />

großer Bedeutung. Nur so kann eine gleichbleibende Qualität des Lötgutes an jeder Stelle des

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