Lysande forskning

Gränges använder världens främsta forskningsanläggningar för att undersöka morgondagens flussfria material. ”Det känns fantastiskt att få vara en pionjär”, säger Torkel Stenqvist, senior lödningsexpert på Gränges Research & Innovation i Finspång.

I maj i år blev ett litet team från Gränges Research & Innovation den första industriella verksamheten någonsin att boka egen forskningstid vid MAX IV-laboratoriet i Lund. MAX IV är världens nyaste synkrotronljusanläggning och kan producera den ljusstarkaste och kvalitetsmässigt bästa röntgenstrålningen i världen.

– Om man bortser från universitet och medicinska företag är vi det första företaget som har fått boka egen forskningstid i anläggningen. Det känns fantastiskt att få vara en pionjär, säger Torkel Stenqvist som är senior lödningsexpert på Gränges Research & Innovation och ledde teamet.

– Vi är tacksamma för finansieringen från statliga Vinnova, som delvis sponsrade detta och ytterligare ett synkrotronljusprojekt.

Under 24 timmar vid HIPPIE-strålröret på MAX IV-anläggningen genomförde teamet – som även bestod Lars-Åke Näslund som är Gränges expert på fotoelektronspektroskopi och Ning Wang som är specialist inom elektronmikroskopi – flera tester på olika flussfria material under verkliga driftsförhållanden (in operando).

– Tekniken som vi använde kallas röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och det är en ytkänslig teknik: I själva verket undersöks bara ungefär 10 nanometer av området närmast ytan, förklarar Torkel Stenqvist.

– Röntgenstrålens ljusstyrka gör det möjligt att använda en gascell med 1 millibar kvävgas. Även om det är ett lägre tryck än i en verklig lödugn ligger det mycket närmare verkligheten än ett XPS-instrument i ett laboratorium som alltid arbetar med högvakuum. Gascellen gör även att det går att värma provet samtidigt som XPS-mätningen utförs, och vi uppnådde nästan den normala lödningstemperaturen.


I labbet: Torkel Stenqvist vid Gränges forskningsanläggning i Finspång.

Med den kunskap vi har förvärvat vid MAX IV skulle jag vilja säga att vi ligger i frontlinjen inom detta område.
- Torkel Stenqvist, lödningsexpert vid Gränges Research & Innovation


I den vanligaste lödningsprocessen används ett flussmedel för att bryta upp den naturligt bildade oxiden på materialytorna som ska sammanfogas. Industrin försöker dock hela tiden minimera användningen av flussmedel för att sänka kostnaderna och för att förbättra arbetsmiljön för de anställda. Vid flussfri hela tiden minimera användningen av flussmedel för att sänka kostnaderna och för att förbättra arbetsmiljön för de anställda. Vid flussfri lödning bryter magnesium upp oxiden. Om inte oxiden avlägsnas kan inga metall-till-metall-fogar bildas.

– På MAX IV lyckades vi studera oxidutvecklingen innan oxiden bryts upp, och vi kunde observera hur magnesium rör sig till den översta ytan och om det reagerar för att bilda en oxid eller om det förblir en metall, säger han.

Ett annat exempel på minskad flussmedelsanvändning är Gränges banbrytande produkt TRILLIUM®. Enligt Torkel Stenqvist är det dock viktigt för Gränges att även ha en ledande roll inom utvecklingen av flussfria material och tekniker, så att företaget kan behålla sin konkurrenskraft även i framtiden.

– TRILLIUM® är en fantastisk produkt som positionerar oss bra inom de flesta användningsområden, men vi behöver även den här typen av forskning för att förbättra våra andra befintliga produkter. Med den kunskap vi har förvärvat vid MAX IV och andra forskningsanläggningar skulle jag vilja säga att vi ligger i frontlinjen inom detta område.

Det är inte bara forskningen vid MAX IV och analysen av testresultaten som står på Torkel Stenqvists och hans kollegors agenda just nu. Gränges Research & Innovation har nyligen även genomfört forskning vid SPring-8-laboratoriet i Japan och vid DESY-anläggningen i Hamburg i Tyskland.

– I det här projektet försöker vi göra noggranna 3D-bilder över kornen i materialet och hur de är orienterade, samt se hur detta korrelerar med lödningsresultatet, säger Stenqvist.

Han kommer för övrigt snart att lämna Gränges Research & Innovation temporärt för att under två år jobba vid Gränges anläggning i Huntingdon i USA, där han ska hjälpa till att utveckla anläggningens nya laboratorium. Även om han inte är på plats fysiskt lämnar han dock inte arbetet helt.
– Jag kommer att fortsätta vara involverad i dessa två projekt.

Fakta om lödning av aluminium

Lödning av aluminium utförs vid en temperatur på ungefär 600 °C. För att skapa en bra och jämn metall-till-metall-fog måste den naturligt bildade ytoxiden först avlägsnas.

Vakuumlödning utförs i en vakuumugn, vilket innebär att inget syre finns närvarande som kan oxidera delarna under uppvärmningen. Det används inget flussmedel. Magnesium, som ofta ingår i lodlegeringen, krävs för att bryta upp oxiden. De lödda enheterna är mycket rena efter lödningen. Nackdelarna med denna metod är att den – i bästa fall – är halvkontinuerlig och att den är långsammare eftersom uppvärmningen endast sker genom värmestrålning. Dessutom används en ugn som är mer komplicerad och underhållskrävande.

Man kan använda flussmedel, som är salter som löser upp oxiden. Flussmedlet smälter innan lödningen, och flödar in i fogen för att avlägsna oxider på delarna och för att förbereda materialet för den flytande lödmetallen.

Vid lödning i skyddsgasatmosfär (CAB, Controlled Atmosphere Brazing) används ett fluoridbaserat flussmedel och vanligtvis sker lödningen i en kontinuerlig process med en tunnelugn för hög produktivitet. Hos mindre operatörer används även satsugnar. En inert kvävgasatmosfär förhindrar oxidering under uppvärmningen. Gasatmosfären transporterar värme till enheterna genom konvektion, vilket gör att de värms snabbare än vid vakuumlödning. Den här metoden började användas i industrin under 1980-talet och är i dag den dominerande processen.

Flussfri lödning kombinerar vakuumlödningens uppbrytande av oxid med magnesium med CAB-lödningens kvävgasatmosfär. Renare kvävgas än vid normal CAB-lödning måste användas.
(Metoden som Gränges testade vid MAX IV)

Aktiv hårdlödning i CAB-miljö. Gränges banbrytande produkt TRILLIUM® har inbyggda egenskaper i kompositmaterialet där flusset är inkorporerat med lodet, vilket gör att inget flussmedel behöver tillsättas.