Untersuchung von Gasen und Gasadditiven auf ihre Eignung als Flussmittel beim Lichtbogenlöten
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde untersucht, inwiefern sich mit Monosilan und Diboran als gasförmige Additive im Schutzgas flussmittelähnliche Effekte beim Lichtbogenlöten erzielen lassen. Hierbei wurden die Auswirkungen der Zumischung dieser Additive zu Argon beim WIG- und MSG Löten unter Variation der Materialpaarungen untersucht und quantifiziert. Grundsätzlich kann die Verwendung von Silan und Diboran als Schutzgasadditiv einen positiven Einfluss beim WIG-Löten ausüben. So kann der Benetzungswinkel in Abhängigkeit von der Gaskonzentration verbessert werden. Die Zugabe von Silan kann jedoch beim WIG-Löten nicht in den eigentlichen Schutzgasstrom erfolgen, da aufgrund der chemischen Löslichkeit von Wolfram und Silizium die strukturelle Integrität der Wolframelektrode zerstört wird. Um dies zu vermeiden erfolgte die Zugabe des Additivs mittels einer Zusatzgasdüse ohne unmittelbaren Kontakt zum Kontaktrohr. Beim MSG-Löten wurden mit den Gasadditiven gegenüber Argon Verbesserungen bezüglich der Nahtoberflächen, der Reinigungszone und der Benetzungswinkel erzielt. Da bei den EDX-Untersuchungen der Makroschliffe bei Silan kaum Silizium und bei Diboran nur sehr geringe Mengenanteile von Bor gefunden wurden, liegt die Vermutung nahe, dass der in beiden Gasadditiven in den Gasmolekülen enthaltene Wasserstoff für die Verbesserung der Nahteigenschaften durch Reduktionsvorgänge verantwortlich ist. Dies wurde durch vergleichende Untersuchungen mit Argon/Wasserstoff-Gasgemischen bestätigt. Sowohl Silan als auch Diboran sind als Gasgemische mit Argon kommerziell verfügbar, allerdings ist neben dem hohen Preis die Einhaltung der Gefahrenschutzverordnung ein wesentliches Hemmnis für den produktiven Einsatz der Gasadditive als Flussmittel beim Lichtbogenlöten. Während Silan sich durch seine Selbstentzündlichkeit an Atmosphäre auszeichnet, ist Diboran darüber hinaus hoch toxisch und leicht entzündlich. Bei den Untersuchungen musste deshalb sichergestellt werden, dass die auftretenden Konzentrationen im Bereich der Versuchsanlagen unterhalb der zulässigen Grenzwerte lagen. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Selbstentzündlichkeit von Monosilan wurde darauf verzichtet mit reinen Stoffen zu arbeiten, sondern es wurden Argon-Monosilan- und Argon-Diborangemische in den Konzentrationen 99% Argon/ 1% Monosilan und 99,375% Argon/ 0,625% Diboran verwendet, welche so als Maximalkonzentrationen in den Versuchsreihen zum Einsatz kamen. Diese Maximalkonzentrationen wurden zusätzlich unter Zumischung von Reinargon zur Identifikation von Effektschwellwerten reduziert. Dadurch, dass die Silizium- und Boranteil aus den Prozessgasen verschwindend gering im Prozessraum vorhanden sind, ist davon auszugehen, dass vermutlich keine komplexen Redoxreaktionen für die positiven nahtformenden Eigenschaften verantwortlich sind. Diese Vermutung wird durch oberflächennahe EDX-Analysen unterstützt, welche keine nennenswerten Anteile Silizium, bzw. Bor aufzeigen konnten. Die Anfälligkeit für Korrosion von Silan, bzw. Diboran unterstützten MSG-Lötungen ist gegenüber dem Vergleichsprozess mit Argon als Prozessgas nicht angezeigt. Hierzu wurden vergleichend MSG-Proben, welche mit unterschiedlichen Prozessgaszusammensetzungen und Schweißparametern erstellt wurden, Testzyklen in Anlehnung der EN ISO 9227 in einer Salzsprühkammer ausgesetzt. Im Rahmen der Mess- und Prozessstochastik sind keine Korrelationen des Korrosionsverhaltens der durch die Salzatmosphäre beanspruchten Proben mit den verwendeten MSG-Prozessrandbedingungen zu erkennen.
Publications
- “Gaseous Shielding Gas Additives as Flux Substitute for TIG Arc Brazing”, Soldag. insp. vol. 20 no.3 pp. 315-323 São Paulo July/Sept. 2015
Reisgen, U., Willms, K., Buchholz, G.
(See online at https://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/SI2003.06) - “Eignung von Gasadditiven als Flussmittel beim Lichtbogenlöten”, Schweißen und Schneiden, DVS Media Düsseldorf, 68(10):650-655, 2016
Reisgen, U., Willms, K., Buchholz, G.
