Der Einsatz mechatronischer Produkte wie Sensoren oder Antriebselemente hat insbesondere im Automobilbau stark zugenommen und erfordert häufig Lötverbindungen unterschiedlicher Form und Größe. Klassisches manuelles Löten mit Lötkolben genügt da zunehmend nicht mehr den steigenden Qualitätsansprüchen. In der Automatisierung kommen deshalb bevorzugt berührungslose Einzellötverfahren wie Laserlöten oder Induktionslöten zum Einsatz. Die Kombination beider Verfahren (Hybridlöten) erhöht die Prozesssicherheit und verkürzt die Taktzeit.

Bild 1: Das Quick‑Step-Verfahren fährt den Lötkolben an, senkt den Kolben definiert auf die Leiterplatte ab und fährt anschließend die Lötstelle waagerecht an.

Bild 1: Das Quick‑Step-Verfahren fährt den Lötkolben an, senkt den Kolben definiert auf die Leiterplatte ab und fährt anschließend die Lötstelle waagerecht an. Wolf Produktionssysteme

Prinzip und Prozessablauf

Beim automatischen Kolbenlöten kommt es darauf an, die Wärme von der Lötspitze, deren Temperatur im Prinzip sehr genau regelbar ist, möglichst rasch und prozesssicher auf die Stelle zu übertragen. Erfahrene Werker machen dies durch geschicktes Vorbenetzen der Lötspitze und anschließend sensibles Anpressen der Lötspitze an die Lötstelle. Um dies bei der Automatisierung nachzubilden, hat Wolf Produktionssysteme das Quick-Step-Verfahren entwickelt (Bild 1). Dieses Verfahren ermöglicht das Anfahren des Lötkolbens in unmittelbare Nähe zur Lötstelle mit maximaler Geschwindigkeit. In Schritt 2 wird der Lötkolben mit definierter Kraft auf die Leiterplatte abgesenkt und als Schritt 3 erfolgt das waagrechte Anfahren an die Lötstelle.

Das Beste aus zwei Welten

Um auch beim automatisierten Löten nicht auf die Flexibilität des klassischen Kolbenlötens verzichten zu müssen und gleichzeitig Qualitäts- und Geschwindigkeitsanforderungen gerecht zu werden, kombiniert Wolf Produktionssysteme einen Diodenlaser und einen Lötkolben zu einem Hybridlötwerkzeug. So profitiert der Lötprozess sowohl von der Flexibilität beim Kolbenlöten als auch von den Vorteilen des Lasers.

Der Wärmetransfer hängt aber auch vom Zustand der Lötspitze ab, die als Verschleißteil zu betrachten ist. Grund ist neben der mechanischen Beanspruchung insbesondere die Neigung des Lotes, die eisenbeschichtete Lötspitze anzugreifen. Damit sich der Prozess nicht beim Spitzenwechsel verändert, sind Präzisionslötspitzen notwendig. Ansonsten müssen die Lötpositionen nachgeteacht werden. Beim reinen Kolbenlöten mit feinen Lötspitzen kann die Temperatur an der Spitze zudem regelrecht zusammenbrechen, da der Lötkolben nicht schnell genug nachregeln kann, wenn viel Wärme zur Lötstelle abfließt.

Spezielle Lotdrähte für das Kolbenlöten reduzieren den Verschleiß der Spitzen und haben zudem ein Flussmittel, das die Verzunderung der Lötspitze minimiert. Damit reduziert sich auch die Häufigkeit der Reinigungen, was viel Zeit spart, da die automatische Lötspitzenreinigung mehrere Sekunden dauert.

Schneller löten mit Laser

Bild 2: Beim Hybridlöten kommt die Wärme gleichzeitig vom Lötkolben und durch Laserstrahlung.

Bild 2: Beim Hybridlöten kommt die Wärme gleichzeitig vom Lötkolben und durch Laserstrahlung. Wolf Produktionssysteme

Um die Vorteile des Laserlötens und die Flexibilität des Kolbenlötens miteinander zu kombinieren, hat Wolf Produktionssysteme ein Hybridlötwerkzeug entwickelt (Bild 2). Dabei ist ein 20-W-Diodenlaser direkt auf die Lötspitze gerichtet. Der Laser erwärmt so die Lötspitze, einen Teil der Lötstelle und das abzuschmelzende Lot. Gerade bei feinen Lötspitzen erzeugt der Laser an der Lötspitze eine erwünschte Temperaturerhöhung ohne Temperatureinbrüche durch träges Nachregeln und beschleunigt so den Lötprozess.

Laserquelle, Kühlung und Optik sind in das Lötwerkzeug integriert (Bild 3). Auch beim Hybridlöten ist eine Stickstoffumspülung der Lötspitze möglich, auf das vorhandene Sortiment von Präzisionslötspitzen kann zurückgegriffen werden.

Lötwerkzeug beliebig positionieren

Die Prozesstechnik für das Kolbenlöten lässt sich in maßgeschneiderte Maschinen integrieren. Zentraler Bestandteil ist das Hybridlötwerkzeug. Ein NC-Handhabungssystem mit Servoantrieb und vier frei programmierbaren Achsen fährt das Werkzeug zu beliebigen Lötpositionen (Bild 3).

Bild 3: Mit dem Hybridlötwerkzeug mit 20-W-Diodenlaser erübrigt sich ein Nachregeln der Lötspitzentemperatur.

Bild 3: Mit dem Hybridlötwerkzeug mit 20-W-Diodenlaser erübrigt sich ein Nachregeln der Lötspitzentemperatur. Wolf Produktionssysteme

Die Steuerung der Maschinen erfolgt über einen Industrie-PC mit 17″-Touch-Bildschirm zur Bedienung. Alle Lötparameter lassen sich hier komfortabel verändern, wichtige Parameter wie Lötkolbentemperatur, Menge Lotdrahtvorschub, Anpressung in waagrechter und senkrechter Richtung werden laufend überwacht.

Für die Werkstückzuführung sind drei Alternativen möglich:

  • Schubladen, motorisch angetrieben
  • Rundschalttisch, motorisch angetrieben
  • Doppelgurtband, bei dem die Werkstücke auf Werkstückträgern in die Zelle ein- und ausfahren.

Fallbeispiele

Bild 4: Automatische Anlöten abgeschirmter Leitungen mit nur einem Werkzeug erfordert viel Flexibilität.

Bild 4: Automatische Anlöten abgeschirmter Leitungen mit nur einem Werkzeug erfordert viel Flexibilität. Wolf Produktionssysteme

Ein typisches Fallbeispiel, das die Flexibilität des Kolbenlötens erfordert, ist das Löten geschirmter Kabel an Leiterplatten (Bild 4), denn die Lötstelle für die Isolierung ist gänzlich anders als die für den Innenleiter. Eine Automatisierung mit anderen Lötverfahren ist nicht möglich. Durch die Erweiterung des reinen Kolbenlötens durch einen Laser ist die Taktzeit um 30 Prozent gesunken. Gleichzeitig führte die kürzere Lötzeit zu optisch ansprechenderen Lötstellen.

Auch in einem anderen Fallbeispiel kam für eine Automatisierung nur das Kolbenlöten in Frage. Hier verkürzte die Laserunterstützung die Taktzeit zwar nur um rund 20 Prozent, allerdings wurde mit reduzierter Laserleistung gefahren, um Verbrennungen an der Stirnseite der Leiterplatte zu vermeiden.