SB_14.429NLP
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2007<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Untersuchung zur<br />
Entstehung von Lötrissen<br />
von verzinkten Stahlfeinblechen<br />
beim Löten mit<br />
Schutzgasverfahren
Untersuchung zur Entstehung<br />
von Lötrissen von verzinkten<br />
Stahlfeinblechen beim Löten<br />
mit Schutzgasverfahren<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 14.429 N<br />
DVS-Nr.: 01.042<br />
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik<br />
International mbH Niederlassung<br />
SLV München<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.429 N / DVS-Nr.: 01.042 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF<br />
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 107<br />
Bestell-Nr.: 170216<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-106-6<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Bericht 5141 / 2007<br />
Untersuchung zur Entstehung von Lötrissen von verzinkten Stahlfeinblechen<br />
beim Löten mit Schutzgasverfahren<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Einleitung .............................................................................................................4<br />
2 Vorgehensweise...................................................................................................5<br />
3 Stand der Technik / Theorie.................................................................................7<br />
4 Experimentelle Randbedingungen .......................................................................8<br />
4.1 Werkstoffe ........................................................................................................8<br />
4.1.1 Blechwerkstoffe .........................................................................................8<br />
4.1.2 Lotwerkstoffe .............................................................................................8<br />
4.2 Probenvorbereitung und Probenabmessungen ................................................8<br />
4.3 Einspannvorrichtungen.....................................................................................9<br />
4.3.1 Leichte Einspannung.................................................................................9<br />
4.3.2 Feste Einspannung....................................................................................9<br />
4.4 Nahtarten / Stoßformen ....................................................................................9<br />
4.5 Nummerierung der Proben .............................................................................10<br />
4.6 Schweißeinrichtungen / Schweißanlagen.......................................................10<br />
4.6.1 EWM-Schweißanlage..............................................................................11<br />
4.6.2 Cloos-Schweißanlage..............................................................................11<br />
4.6.3 Dalex-Schweißanlagen............................................................................11<br />
4.7 Untersuchungs- und Prüfmethoden................................................................12<br />
4.8 Lötparameter ..................................................................................................13<br />
5 Ergebnisse .........................................................................................................14<br />
5.1 Beschreibung der optimierten Lötverbindungen an ausgewählten Varianten.14<br />
5.1.1 Nahtgeometrie und Zinkschichtschädigung.............................................14<br />
5.1.2 Nahtgüte, Gefügeausbildung und Röntgenprüfung .................................17<br />
5.1.3 Mechanisch-technologische Kennwerte ..................................................18<br />
5.1.4 Zusammenfassung..................................................................................19<br />
5.2 Quantifizierung, Ausprägungsformen, Lage und chemische<br />
Zusammensetzung von Loteindringungen und Rissen...................................20<br />
5.2.1 Quantifizierung der Riss- und Loteindringtiefen.......................................20<br />
5.2.2 Ausprägungsformen von Rissen und Loteindringungen..........................20<br />
5.2.3 Typische Lage der Schädigungen (im Querschliff)..................................21<br />
5.2.4 Chemische Zusammensetzung der Loteindringungen ............................22<br />
5.2.5 Zusammenfassung..................................................................................23<br />
5.3 Einflussfaktoren auf die Ausbildung von Loteindringungen und Rissen .........23<br />
5.3.1 Grundwerkstoffeinfluss............................................................................24<br />
5.3.2 Einfluss der Verzinkungsart.....................................................................25<br />
5.3.3 Einfluss des Lotwerkstoffes .....................................................................26<br />
5.3.4 Einfluss der Einspannbedingungen .........................................................26<br />
5.3.5 Einfluss der Kaltumformung bzw. des Reckens ......................................27<br />
5.3.6 Einfluss des Lötverfahrens ......................................................................28<br />
5.3.7 Einfluss der Blechdicke ...........................................................................29<br />
5.3.8 Einfluss der Naht- und Stoßarten ............................................................30<br />
5.3.9 Zusammenfassung..................................................................................31<br />
6 Diskussion..........................................................................................................33<br />
7 Zusammenfassung.............................................................................................37<br />
8 Schrifttum...........................................................................................................41<br />
3
Bericht 5141 / 2007<br />
1 Einleitung<br />
In vielen Industriezweigen, wie dem Automobilbau, der Bauwirtschaft, der Lüftungsund<br />
Klimatechnik, der Haustechnik sowie für die Herstellung von Weißwaren werden<br />
große Mengen von verzinktem Feinblech eingesetzt. Parallel dazu steigen die Festigkeiten<br />
der verwendeten Bleche stetig an.<br />
Zum Fügen dünner verzinkter Stahlbleche kommt derzeit vorwiegend das MSG-<br />
Schweißen mit dem Kurzlichtbogen zum Einsatz. Die niedrige Siedetemperatur von<br />
Zink führt dabei oft zu Porenbildung. Die relativ hohe Energieeinbringung in den<br />
Grundwerkstoff während des Schweißens bedingt einen Zinkabbrand neben der<br />
Schweißraupe und einen Verzug des Bleches. Der geschädigte Bereich kann meist<br />
durch die Fernwirkung der Zinkschichtauflage nicht mehr geschützt werden.<br />
Der Einsatz des Lichtbogenlötens unter Schutzgasatmosphäre stellt eine alternative<br />
Fügetechnologie zum Schweißen dar. Da hierbei mit geringeren Arbeitstemperaturen<br />
gefügt werden kann, ergeben sich Vorteile wie: geringer Verzug der Bauteile,<br />
schmaler Schädigungsstreifen neben der Lotraupe, porenarme Lotraupe, gute Spaltüberbrückbarkeit<br />
usw.. Die Schutzgaslötprozesse (u.a. MSG-Löten und WIG-Löten)<br />
sind sichere und reproduzierbare Verfahren der Fügetechnik.<br />
Als Lotwerkstoffe kommen überwiegend Kupferbasislote zur Anwendung, deren höherer<br />
Preis gegenüber den Schweißdrähten durch die Vorteile, die die Löttechnologie<br />
bietet, wieder ausgeglichen wird.<br />
Nachteilig beim Löten mit Lichtbogenprozessen unter Schutzgas bei Verwendung<br />
von Kupferbasisloten sind die vielfältigen Diffusions- und Anlösungsmöglichkeiten<br />
zwischen den Grund-, Beschichtungs- und Lotwerkstoffen. Bei vielen Anwendungen<br />
an verschiedenen Blechwerkstoffen treten Lötrisse auf, deren Entstehungsbedingungen<br />
und Entstehungshäufigkeit bislang noch nicht näher wissenschaftlich untersucht<br />
wurde. Lot- und Beschichtungswerkstoffe, die durch Diffusion und Anlösung in die<br />
Grundwerkstoffe eindringen, verspröden diese Bereiche. An den Benetzungsflächen<br />
bilden die Lotwerkstoffe dünne Legierungsschichten mit dem Grundwerkstoff. Außerdem<br />
werden bei der Lotdiffusion in den Grundwerkstoff entlang der Korngrenzen<br />
kleine Werkstoffpartikel angelöst oder untergraben.<br />
Über die Auswirkungen der Angriffe von Lot- und Beschichtungsstoffen auf den<br />
Grundwerkstoff beim MSG- und WIG - Löten wird bisher in der Literatur kaum berichtet.<br />
Deshalb hat sich die Forschungsstelle vorgenommen, den Zusammenhang<br />
zwischen auftretenden Schädigungen in Abhängigkeit von den eingesetzten Löttechnologien,<br />
Spannungszuständen der Bauteile sowie Lot- und Grundwerkstoffen zu erarbeiten.<br />
Aus den Ergebnissen werden für den Anwender Hilfsmittel erarbeitet, die<br />
die Verfahrens-, Hilfsstoffe- und Parameterauswahl unterstützen. Die Kenntnis darüber<br />
ist für einen verbreiteten Einsatz gelöteter Produkte in der Praxis von großer<br />
Wichtigkeit.<br />
4
Bericht 5141 / 2007<br />
2 Vorgehensweise<br />
Die Ziele dieses Projektes lassen sich im Wesentlichen in zwei Gruppen unterteilen.<br />
Zum Einen werden Ergebnisse auf die Frage erwartet, ob die Einspannverhältnisse<br />
(und damit einhergehend ein erhöhter Eigenspannungszustand in den Blechen) das<br />
Lötrissaufkommen verändern. Zum Anderen werden für viele Kombinationen aus Lot,<br />
Grundwerkstoff, Schutzgas und Lichtbogenart das Lötrissaufkommen untersucht und<br />
dargestellt.<br />
Zur Klärung des Einflusses des Einspanngrades werden eine leichte und eine feste<br />
Einspannung definiert. Bei der leichten Einspannung ist die Probe relativ leicht verformbar,<br />
bei der festen Einspannung sind die Proben so fest gespannt, dass eine<br />
Probenverformung nicht möglich ist. Ist ein Einfluß dieser beiden Varianten klar ersichtlich,<br />
wird die Thematik „Einspanngrad“ mittels spezieller Eigenspannungsmessungen<br />
gesondert untersucht. In diesem Vorhaben wird lediglich der Frage nachgegangen,<br />
in welchem Maße die Randbedingungen (Einspanngrade) Einfluß auf die<br />
Lötrisshäufigkeit haben.<br />
Für praxisgerechte Kombinationen aus Lot- und Grundwerkstoff ist für die häufigsten<br />
Nahtarten die Frage zu klären, unter welchen Bedingungen Lötrissigkeit auftritt. Es<br />
wird überprüft, ob die unterschiedlichen Lichtbogenarten und Schutzgase die Benetzungs-,<br />
Anlösungs- und Diffusionsvorgänge beeinflussen.<br />
Mit zwei Lötverfahren, dem Metallschutzgaslöten und dem Wolframinertgaslöten,<br />
werden Untersuchungen durchgeführt. In die Untersuchungen zum Metallschutzgaslöten<br />
werden die Lichtbogenformen Kurzlichtbogen, GleichstromImpulslichtbogen<br />
und Impulslichtbogen mit AC-Zwischenimpulsen einbezogen. Als Schutzgase<br />
zum Metallschutzgaslöten kommen 100 % Argon für die Lotwerkstoffe SG-CuAl8 und<br />
CuSn10 sowie 97,5 % Argon mit 2,5 % CO 2 bei den siliziumhaltigen Lotwerkstoffen<br />
SG-CuSi3 und CuSi2Mn1 zum Einsatz (CuSn10 und CuSi2Mn1 sind nicht genormte<br />
Drahtbezeichnungen von Bedra, die mit SG bezeichneten Drähte sind in ihrer Zusammensetzung<br />
nach in DIN1733 genormt).<br />
Das Wolframinertgaslöten erfolgt mit dem Gleichstrom-Impulslichtbogen unter<br />
100 %iger Argon-Schutzgasabdeckung.<br />
Die Versuche erfolgen an verzinkten Stahlwerkstoffen, vorzugsweise an 1 mm dicken<br />
Blechen. Tastversuche werden auch an 0,8 mm und 1,5 mm dicken Blechen durchgeführt.<br />
Als Grundwerkstoffe kommen die verzinkten Tiefziehbleche DX54D+Z140,<br />
ZStE340+ZE75/75, HCT600X+Z140, HCT790C+ZE75/75 und DC04 unverzinkt (für<br />
Tastversuche) zur Anwendung.<br />
Die derzeit in der Praxis am meisten verwendeten Lotwerkstoffe werden eingesetzt:<br />
SG-CuSi3 und CuSi2Mn1 (firmeninterne Bezeichnung von Bedra: COMAS) für die<br />
Grundwerkstoffe bis 340 N/mm² Streckgrenze, SG-CuAl8 und CuSn10 (firmeninterne<br />
Bezeichnung: BS100) für die Grundwerkstoffe mit Festigkeiten größer 340 N/mm².<br />
Die Lötungen werden als Auftragraupen und als Verbindungslötungen ausgeführt<br />
(Bild 1): Kehlnaht am Überlappstoß, HV-Naht am Überlappstoß und V-Naht an der<br />
Bördelfuge.<br />
Die Auftraglötungen in der leichten Einspannung dienen der Grundlagenuntersuchung.<br />
Sie erfolgen an den in den Bildern 2 und 3 dargestellten Kombinationen.<br />
Ein Vergleich mit den Auftraglötungen in der festen Einpannung soll zeigen, ob der<br />
Einspanngrad die Lötrisshäufigkeit und die Lötrissausbildung beeinflusst. Die Lötgeschwindigkeit<br />
liegt bei 1 m/min.<br />
5
Bericht 5141 / 2007<br />
Nach einer Sichtprüfung bei mindestens 25-facher Vergrößerung werden die Raupen-<br />
und Wärmeeinflussbereiche durch Mikroschliffe und die Aufnahme von Härteprofilen<br />
untersucht.<br />
Die Verbindungslötungen werden in Vorrichtungen mit geringer Wärmeableitung gelötet.<br />
Die in den Grundlagenuntersuchungen an Auftraglötungen gewonnen Parameter<br />
und Ergebnisse werden bei den Untersuchungen der Verbindungsnähte berücksichtigt.<br />
D. h., bei der Herstellung der Verbindungslötungen wird mit optimierten<br />
Lötparametern gelötet. Im Vordergrund der Untersuchung steht die Ermittlung der<br />
Auswirkung werkstofflicher und prozessbedingter Einflüsse auf das Lötergebnis. Soweit<br />
möglich, werden auch die Einflüsse der Naht- und Stoßart berücksichtigt.<br />
Durch den projektbegleitenden Ausschuss, der ca. halbjährlich tagt, werden im Laufe<br />
des Projektes Festlegungen zum Projektverlauf getroffen: So ist der Lotwerkstoff<br />
CuSn6 durch den Lotwerkstoff CuSn10 zu ersetzen. Die feste Einspannung wird,<br />
ebenso wie bei den Auftraglötungen, auch auf Verbindungslötungen angewandt. Zusätzlich<br />
werden Untersuchungen an gereckten Blechen sowie an spannungsarmgeglühten<br />
Blechen durchgeführt. Zur Rissdedektierung sind stichpunktartig Längsschliffe<br />
anzufertigen.<br />
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