Verbindungstechnik Ohne Verzug

Das Laserstrahllöten von Hartmetallschneiden an Kreissägeblätter spart Nacharbeit und erhöht Festigkeit.

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Schages GmbH & Co.KG

All for One Group SE

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Kreissägeblätter, die zum Beispiel zum Sägen von Stahlrohren oder Holzspanplatten zum Einsatz kommen, unterliegen sehr hohen Belastungen. Aus diesem Grund werden die Sägezähne häufig mit Hartmetallschneiden bestückt, um so die Verschleißfestigkeit der Werkzeuge zu erhöhen. Konventionell werden diese Schneiden mittels Induktionslöten am Stammblatt aus Werkzeugstahl befestigt. Problematisch ist jedoch die thermische Belastung des Werkzeugstahls, die die Eigenschaften des Sägeblattes nachteilig verändern und außerdem zum Verzug des Sägeblattes führen kann, wodurch ein zusätzliches Richten notwendig wird. Um die Wärmebelastung zu minimieren wurde ein lasergestützter Lötprozess entwickelt, der eine gezielte Energieeinbringung möglich macht.Bei den Untersuchungen kamen Stammblätter aus dem Werkzeugstahl 75Cr1 und Hartmetallschneiden vom Typ P25 zum Einsatz. Wie beim Induktionslöten wurde auch für den Laserlötprozess das Silberlot der Firma Degussa 49/Cu mit einer Arbeitstemperatur von 690 °C verwendet. Dieses Dreischichtlot besitzt eine Kupferzwischenschicht, die es ermöglicht, Abkühlspannungen, welche aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner auftreten, zu kompensieren. Um eine gute Benetzung der Fügekomponenten zu gewährleisten, wurde Flussmittel vom Typ FH12 eingesetzt. Die Einkopplung der Laserstrahlung in die Fügezone erfolgte wie in Bild 1 dargestellt über zwei unterschiedliche Varianten. Bei Variante 1 wurde die Laserstrahlung ausschließlich über die Hartmetallschneide eingebracht, wohingegen bei Variante 2 die Laserstrahlung mittels Strahlteiler zweigeteilt wurde und die Energieeinbringung von beiden Seiten der Fügezone über alle Fügepartner erfolgte. Bei beiden Verfahren wurde mit einem defokussierten Laserstrahl gearbeitet. Versuche mit Variante 1 wurden mit CO2-, Nd:YAG- und Diodenlaser durchgeführt, die Untersuchungen mit dem Strahlteiler (Variante 2) mit einem Nd:YAG-Laser und einem entsprechend für die Aufgabe entwickelten Bearbeitungskopf. Die Laserleistung wurde für beide Varianten zwischen 500 und 2000 W, die Lötzeit zwischen 6 und 20 s variiert. Die Versuchsergebnisse wurden anhand metallographischer Schliffe, flächiger Härtescans am Zahnrücken sowie Scherversuchen zur Charakterisierung der Verbindungsfestigkeit dargestellt.Für Variante 1 erwies sich der Diodenlaser als besonders gut geeignete Strahlquelle. Dies beruht einerseits auf dem hohen Absorptionsgrad der Fügekomponenten für die charakteristische Wellenlänge des Diodenlasers von 940 nm. Andererseits ermöglicht ein rechteckiger Strahlquerschnitt eine gute Anpassung an die Fügefläche. Beides führt zu einer effizienten Energieeinkopplung.Für Variante 2 ergaben sich nach umfassenden Untersuchungen gewisse Vorteile im Vergleich zu Variante 1. Durch die gleichzeitige Energiezufuhr von beiden Seiten wird die Fügezone homogener erwärmt, Überhitzungen der Komponenten können vermieden werden. Da bei entsprechend gewählter Fokuslage alle Fügekomponenten simultan erwärmt werden, entstehen während des Lötvorgangs keine Energie- und Zeitverluste. Generell wurden mit beiden Methoden Härte- und Festigkeitsverluste im Zahnrücken durch Anpassung der Prozessparameter vermieden. Die Scherfestigkeiten der Verbindungen übertrafen die der konventionell induktiv gelöteten um bis zu 40%. Zur Qualifizierung des Laserlötprozesses für industrielle Anwendungen wurde ein Sägeblatt mit einer Stammblattdicke von 5,5 mm, einem Durchmesser von 1150 mm und 100 Zähnen mit Hartmetallschneiden belötet. Als Methode der Strahleinkopplung wurde Variante 2 gewählt. Bei einer Laserleistung zwischen 500 und 600 W pro Teilstrahl betrug die Lötzeit 8 s. Diese Prozessparameter ermöglichen optimale Scherfestigkeiten der Verbindung und gleichzeitig gute Härtewerte im Zahnrücken. Da aufgrund der gezielten Energieeinbringung während des Laserlötens kein Verzug des Sägeblatts auftrat, konnte auf eine Nachbearbeitung in Form von Richten und Spannen verzichtet werden. Mit dem lasergelöteten Sägeblatt wurden in einem Industriebetrieb über 130 Rohre aus vergütetem Baustahl mit Festigkeiten bis 1000 MPa zersägt. Die Durchmesser der Rohre lagen zwischen 240 und 410 mm, die Wandstärken zwischen 9 und 30 mm. Die Schnittgeschwindigkeiten betrugen dabei 72 oder 94 m/min, die Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 300 mm/min. Nach dem Einsatz war lediglich der übliche Verschleiß der Schneidkanten der Sägezähne zu beobachten, weitere Beschädigungen traten ebenso wenig auf wie Zahnbrüche oder Resonanzschwingungen. In Bild ist der Zustand der Sägezähne vor und nach dem Sägeeinsatz dargestellt. Neben der Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften trägt das Verfahren bei entsprechenden Stückzahlen zu einer Verringerung der Gesamtfertigungskosten bei. Auch für das Reparaturlöten, wenn einzelne, verschlissene Sägezähne ausgetauscht werden müssen, ist das Laserlöten ein geeignetes Verfahren.