SB_14.429NLP

2007
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung zur
Entstehung von Lötrissen
von verzinkten Stahlfeinblechen
beim Löten mit
Schutzgasverfahren

Untersuchung zur Entstehung
von Lötrissen von verzinkten
Stahlfeinblechen beim Löten
mit Schutzgasverfahren
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 14.429 N
DVS-Nr.: 01.042
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik
International mbH Niederlassung
SLV München
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.429 N / DVS-Nr.: 01.042 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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