Löten von Blechen mittels Laser.

Feuerverzinkte Bleche lassen sich mit der neuen Mehrfachspot-Technik von Laserline effizient und punktgenau mit Laser verlöten. - Bild: Faulhaber

Die Eigenschaft von Zink, Stahl vor Rost zu schützen, ist schon lange bekannt und insbesondere die Automobilindustrie setzt auf verzinkte Bleche. Wurden diese früher durch Galvanisation veredelt, wird heute mehr und mehr auf Feuerverzinkung gesetzt. Diese bietet einen noch besseren Korrosionsschutz. Allerdings tauchten beim Löten unerwartete Probleme auf.

Fügetechniken im Vergleich

Metalle können durch Löten oder Schweißen verfügt werden. Beim Schweißen werden die Bleche entlang der Schweißnaht auf Schmelztemperatur gebracht und so miteinander verbunden. Man benötigt eine hohe Präzision und eine Sichtnahtqualität ist nicht erreichbar. Zudem wird die Naht rau und durch Zinkausgasungen porig.

Beim Löten hingegen wird eine Naht aus einem anderen Material als Zusatzwerkstoff zwischen die Bleche eingebracht. Das Kupfer-Silizium-Lot ist beim Löten flüssig und wird danach sofort fest, die Teile sind nicht nur verbunden, die Fuge ist auch gefüllt. Die durch Löten entstandenen spaltfreien Verbindungen haben Sichtqualität, das heißt, Bauteile können direkt lackiert werden und die Technik erlaubt eine größere Maßtoleranz.

Herausforderung feuerverzinkte Bleche

Es ist wenig verwunderlich, dass man in der Serienfertigung im Automobilbau auf Löten als Fügetechnik setzt. Beim Löten von feuerverzinkten Blechen stieß man jedoch auch Probleme: „Auf den Flächen neben der Naht gab es vermehrt Spritzer von flüssigem Lot. Vor allem traten Mikrospritzer auf, die anfangs kaum zu sehen sind, die aber nach dem Lackieren deutlich in Erscheinung treten“, erläutert Dr. Axel Luft, Vertriebsleiter Automotive bei Laserline. „Auch die Qualität der Naht selbst ließ nach. Sie wurde rauer und bildete häufig so genannte Wavelets, also Stellen, an denen das Lot die vorgesehene Nahtgrenze überschritt.“

Die Zinkschicht, so stellte sich heraus, war durch das Feuerverzinken insgesamt dicker geworden mit größeren Schwankungen in ihrer Stärke. Auch zeigte sie ein anderes Reflexionsverhalten.

Optik-Modul mit FAULHABER-Antrieb
Im Optikmodul setzt Laserline auf den bürstenlosen DC-Servomotor der Serie 1226 B von FAULHABER mit 12 Millimeter Durchmesser und direkt an die Motorwelle angeklebter Spindel. - Bild: Faulhaber

Lösung Mehrfachspot-Optik

Ein Lösungsvorschlag für diese Herausforderung kam aus der Automobilproduktion. Thorge Hammer, als Ingenieur bei Volkswagen in der Technologieplanung und -entwicklung in Wolfsburg für diesen Lötprozess zuständig, schlug vor, das Zink vor dem eigentlichen Löten von der Nahtkante zu entfernen. Dazu müsse der übliche kreisförmige Laser-Spot rechteckig werden und eine Aussparung für die Lotzuführung haben.

„Diese Lösung ließ sich technisch nicht verwirklichen, doch wir waren damit schon auf der richtigen Spur“, erinnert sich Dr. Markus Baumann, leitender Entwicklungsingenieur bei Laserline. „Statt einem Spot mit einer komplexen – und damit optisch sehr schwierigen – Form zu bilden, haben wir schließlich dem Hauptspot zwei Nebenspots hinzugefügt. Diese sind beim Löten immer vor dem einige Quadratmillimeter großen Hauptspot auf die Randfläche der Naht gerichtet.“ Ihre Energie reicht aus, um die Zinkschicht in diesem Bereich zu verdampfen und eine leichte Oxidation zu erzeugen. So entsteht eine so genannte Passivschicht, die ein Hochschwappen des vom nachfolgenden Hauptspot verflüssigten Lots verhindert. Zudem verteilt der quadratische Spot die Wärme gleichmäßiger, das trägt ebenfalls zu einem ruhigeren Lötbild bei.

„Wir konnten mit dieser Technik schließlich die Probleme, die mit dem feuerverzinkten Blechen entstanden waren, vollständig beseitigen“, stellt Dr. Luft fest. „Inzwischen ist sie bei VW Teil der Serienproduktion. Wir erreichen mit ihr eine Lötgeschwindigkeit von bis zu 4,5 Metern in der Minute.“

Im Optik-Modul, das für die punktgenaue Ausrichtung der Spots zuständig ist, arbeiten verschiedene optische Elemente, die den Laser gezielt verändern. Im Fall der Lötanwendung werden zwei vorauslaufende, den Hauptspot flankierende Vorspots erzeugt. Um am Ende des Prozesses die gewünschte saubere Naht zu erhalten, muss die Leistungsaufteilung zwischen Haupt- und Vorspots sowie zwischen den Vorspots exakt eingestellt werden. Zum Tiefschweißen von Aluminium lässt sich so beispielsweise ein kleiner, intensiver Spot im schwächeren, großen Spot platzieren. Beim Verschweißen unterschiedlicher Bleche kann man zwei Spots an das jeweilige Material anpassen. Und das im laufenden Prozess.

Zwei verlötete Bleche.
Die Probleme, die beim Laserlöten von feuerverzinkten Blechen entstanden, konnten durch die neue Lösung vollständig beseitigt werden. - Bild: Faulhaber

Kompakter Antrieb

Das quadratische Modul hat eine Kantenlänge von 12 Zentimetern bei einer Tiefe von 5 Zentimetern. Diesen Platz teilen sich die optischen Elemente und eine ausgefeilte Mechanik. Die erste Forderung an die Antriebe lautete daher Kompaktheit: „Wir haben uns für bürstenlose DC-Servomotoren der Serie 1226 B FAULHABER mit 12 Millimetern Durchmesser entschieden, mit direkt an die Motorwelle angeklebter Spindel und ohne Wellenkupplung“, berichtet Dr. Baumann.

„Damit haben wir einen sehr kompakten Antrieb, der trotzdem zuverlässig die benötigte Kraft und Geschwindigkeit liefert. Sehr wichtig war uns auch die einfache Integration der Motorsteuerung in die Anlage.“ Dazu wurde der Motion Controller von FAULHABER außerhalb des Moduls angebracht und kommuniziert über RS232, mögliche wäre aber auch CAN-Bus ohne bauliche Veränderungen da der RS232 Controller durch eine Version mit CANopen Schnittstelle ersetzt werden kann.

Preiswürdige Technologie

Laserline wurde für diese Lösung mit dem Innovation Award Laser Technology 2018 ausgezeichnet. Der Award wird alle zwei Jahre als europäischer Preis der angewandten Wissenschaft vom Arbeitskreis Lasertechnik e.V und dem European Laser Institute ELI verliehen. Ebenfalls preiswürdig ist der Hersteller des Antriebs: FAULHABER wurde 2018 sowohl als Fabrik des Jahres in der Kategorie „Hervorragende Kleinserienfertigung“ als auch als TOP 100 Innovator ausgezeichnet.

Magazin mit Antrieb

Erfahren Sie mehr über diese und weitere spannende Anwendungen aus den Bereichen Medizin und Laborgeräte, Luft- und Raumfahrt sowie BXT, der neuen Serie bürstenloser DC-Servomotoren in der aktuellen motion, dem Magazin mit Antrieb von FAULHABER

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