SB_16.195NLP

2012
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Berechnungsmethoden und
Auslegungskriterien für die
betriebsfeste Bemessung
von gelöteten Verbindungen
aus Stahlwerkstoffen sowie
Mischverbindungen unter
Berücksichtigung neuartiger
Prozessstrategien

Berechnungsmethoden und
Auslegungskriterien für die
betriebsfeste Bemessung von
gelöteten Verbindungen aus
Stahlwerkstoffen sowie
Mischverbindungen unter
Berücksichtigung neuartiger
Prozessstrategien
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.195 N
DVS-Nr.: 09.051
Technische Universität Clausthal Institut für
Maschinelle Anlagentechnik und
Betriebsfest
Technische Universität Berlin Institut für
Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb -
Beschichtungstechnik
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.195 N / DVS-Nr.: 09.051 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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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2011 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 207
Bestell-Nr.: 170316
ISBN: 978-3-96870-206-3
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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AiF Forschungsvorhaben-Nr. 16195 N
Auslegung gelöteter Mischverbindungen
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung 1
Danksagungen 2
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 3
2 Stand der Technik 5
3 Forschungsziel und Lösungsweg 12
3.1 Forschungsziel 12
3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels 12
4 Experimentelle Untersuchungen 14
4.1 Prozesstechnische Untersuchungen 14
4.1.1 Laserstrahltechnik 15
4.1.2 Kurzlichtbogentechnik 16
4.1.2.1 Kurzlichtbogenverfahren coldArc® 17
4.1.2.2 Kurzlichtbogenverfahren CMT® 18
4.1.3 Werkstoffe 21
4.1.4 Analysemethoden 23
4.1.4.1 Bestimmung der Festigkeit 23
4.1.4.2 Metallographische Untersuchungen 24
4.1.4.3 Härtemessungen 24
4.1.4.4 Hochgeschwindigkeitsvideographie 25
4.1.4.5 Temperaturmessungen 27
4.2 Charakterisierung des Festigkeitsverhaltens der Lötverbindungen 30
4.2.1 Mechanische Prüfmethoden 30
4.2.1.1 Schlagartige Zugscherprüfung und Schälzugprüfung 30
4.2.1.2 Schwingfestigkeitsprüfung unter Biegeschwellbeanspruchung 32
4.2.2 Metallurgie 33
4.2.2.1 Stahl-Stahl-Verbindungen mit Kupferbasislot 33
4.2.2.2 Stahl-Aluminium-Verbindungen mit Aluminiumbasislot 35
4.2.2.3 Stahl-Stahl-Verbindungen mit Zinkbasislot 37
4.2.2.4 Stahl-Aluminium-Verbindungen mit Zinkbasislot 43
4.3 Schwingfestigkeitsuntersuchungen und Entwicklung von
Berechnungsmethoden 49
4.3.1 Schwingfestigkeitsuntersuchungen 49
4.3.1.1 Versuchsaufbau 51
4.3.1.1.1 Versuchsaufbau unter Luft 52
II

AiF Forschungsvorhaben-Nr. 16195 N
Auslegung gelöteter Mischverbindungen
4.3.1.1.2 Durchführung der Dehnungsmessungen an H-Proben 52
4.3.1.1.3 Ergänzungen des Versuchsaufbaus unter korrosiven Medium 55
4.3.1.2 Versuchsdurchführung 55
4.3.2 Untersuchungen zu Berechnungskonzepten 56
4.3.2.1 Nennspannungskonzept 56
4.3.2.1.1 Nennstrukturspannungskonzept 57
4.3.2.2 Strukturspannungskonzept 58
4.3.2.2.1 Nahtstrukturspannungskonzept 59
4.3.2.3 Kerbspannungskonzept 61
4.3.2.3.1 Angepasstes Kerbspannungskonzept mit realen Radien 63
4.3.2.3.2 Angepasstes Kerbspannungskonzept mit Nahtanfangs- und -endgeometrie 64
4.3.2.3.2.1 Vereinfachung des Konzeptes mit Nahtanfangs- und -endgeometrie 67
III

AiF Forschungsvorhaben-Nr. 16195 N
Auslegung gelöteter Mischverbindungen
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Verzinkte Stahlwerkstoffe finden in einer Vielzahl von Anwendungen ihren Einsatz. Durch
den Überzug wird die Korrosionsbeständigkeit der Bauteile um ein Vielfaches erhöht. Der
Schichtaufbau und die Schichtdicke können an die Anwendung angepasst werden und
hängen im Wesentlichen mit dem Verzinkungsverfahren zusammen. Zinküberzüge weisen
darüber hinaus den Vorteil auf, dass geringfügige und örtlich begrenzte Verletzungen der
Zinkschicht toleriert werden können. Die blanke Stahloberfläche wird durch die kathodische
Schutzwirkung des Zinkes bis zu etwa 1 mm Abstand geschützt.
Das Verarbeiten von verzinkten Stahlwerkstoffen muss daher so erfolgen, dass keine bzw.
lediglich eine lokal stark begrenzte Verletzung der Zinkschicht erfolgt. Insbesondere das
thermische Fügen stellt hierbei einige Herausforderungen. Zink besitzt eine
Schmelztemperatur von etwa 420°C und eine Siedetemperatur von 907°C. Beim Schweißen,
bei dem Temperaturen über der Liquidustemperatur von Stahlwerkstoffen erreicht werden
(>1500°C), kommt es daher zu einer thermischen Zerstörung der Zinkschicht in der
Schweißzone. Zink verdampft beim Schweißen von verzinkten Stahlwerkstoffen
eruptionsartig, so dass es zu einem spritzenden Prozess kommt. Darüber hinaus entstehen
durch das ausdampfende Zink Poren in der Naht, die die Festigkeit der Verbindung
maßgeblich beeinträchtigen. Die hohen Temperaturen in der WEZ führen dazu, dass der
Zinküberzug in einem weiten Bereich neben der Naht nach dem Schweißen nicht mehr
vorhanden ist.
Die Wärmeführung und der daraus resultierende Zeit-Temperatur-Verlauf beim thermischen
Fügen wirken sich aber auch auf den Gefügezustand und damit auch auf die
Betriebsfestigkeit und Lebensdauer der Verbindung aus. Neuere hochfeste Stahlwerkstoffe
weisen hohe Festigkeiten auf, die sich aus einem gezielten Gefügedesign ergeben. Die beim
Schweißen auftretenden hohen Temperaturen beeinflussen das eingestellte und gewünschte
Gefügedesign, so dass die Festigkeiten dieser Stahlwerkstoffe nicht ausgenutzt werden
können. Es werden Niedrigtemperaturfügestrategien benötigt, die es ermöglichen, hochfeste
Verbindungen ohne Verletzung des Zinküberzuges und des eingestellten Gefügedesigns
herzustellen.
Das Löten stellt vor diesem Hintergrund einen technologischen Lösungsweg zur
Verarbeitung von verzinkten Stahlwerkstoffen und Mischverbindungen Stahl-Aluminium dar,
da die Spitzentemperaturen und somit die Verletzung der Zinkschicht minimiert werden und
die Bildung intermetallischer Phasen vermieden werden kann. In der industriellen Praxis hat
sich seit einigen Jahren das Löten mit Cu-Basiswerkstoffen etabliert. Die Arbeitstemperatur
von beispielsweise CuSi3 und CuAl8 (>940°C) liegt dabei zwar deutlich unterhalb der
Liquidustemperatur von Stahl, aber über der Verdampfungstemperatur von Zink, so dass
eine Verletzung der Zinkschicht, wenn auch nur begrenzt, auftritt. Um die Prozesstemperatur
und somit den Wärmeeintrag weiter abzusenken, müssen niedrigschmelzende Lote
eingesetzt und eine Technologie zum Verarbeiten dieser qualifiziert werden. Eine Lösung
bieten hierbei zinkhaltige Lote, die auf Grund der niedrigen Schmelztemperatur eine
wesentliche Absenkung der Prozesstemperaturen ermöglichen und somit die Verletzung der
Überzüge weiter zu minimieren bzw. zu vermeiden helfen. Darüber hinaus eignen sich
Zinkzusatzwerkstoffe für die Bearbeitung von Mischverbindungen Stahl/Aluminium, da Zink
eine hohe Löslichkeit für Aluminium aufweist.
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AiF Forschungsvorhaben-Nr. 16195 N
Auslegung gelöteter Mischverbindungen
Neben Zinküberzügen kommen in der Praxis immer häufiger Al-Basis-Überzüge oder
Phosphatierungen zum Einsatz, um beispielsweise das Umformverhalten zu verbessern.
Dabei wird beobachtet, dass bei gleich bleibenden Arbeitsbedingungen die Benetzung beim
Löten stark von dem Überzug beeinflusst wird. Systematische Untersuchungen zum Einfluss
des Oberflächenzustandes beschichteter Stahlwerkstoffe liegen heutzutage nicht vor, sind
aber für eine belastungsgerechte Auslegung unumgänglich und von kmU daher von großer
Bedeutung.
Darüber hinaus fehlen heutzutage abgesicherte Konzepte zur Bewertung und
Berechenbarkeit der Festigkeit (quasistatisch, dynamisch und unter Crashbeanspruchung)
gelöteter Stahlblechverbindungen. Für geschweißte Verbindungen sind in den letzten Jahren
eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt worden. Zwei Bewertungskonzepte haben
sich hierbei besonders etabliert, das Strukturspannungskonzept und das
Kerbspannungskonzept. Die erfolgreich eingesetzten Konzepte sind auf die spezifischen
Belange des Lötens von Dünnblechverbindungen und neuen Prozessstrategien im Hinblick
auf die geometrische und metallurgische Kerbe, die Stützwirkung des niedrigfesten Lötgutes,
die Mehrachsigkeit und auf Eigenspannungen abzustimmen. Dafür ist eine interdisziplinäre
und fachübergreifende Herangehensweise notwendig.
Probleme können in der Regel immer nur partiell gelöst werden. Daraus folgt, dass die breite
Anwendung neuer Fügetechnologien nur dann möglich ist, wenn eine ganzheitliche
Betrachtung über die Entwicklung, Konstruktion bis hin zur Fertigung abgesichert werden
kann.
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AiF Forschungsvorhaben-Nr. 16195 N
Auslegung gelöteter Mischverbindungen
2 Stand der Technik
Die Herstellung und insbesondere die Entwicklung neuer, marktgerechter und
belastungsoptimierter dünnwandiger Strukturen im Fahrzeugwesen, aber auch im
Containerbau, im Treppen- und Geländerbau stellen Prozesse dar, die einen
fachübergreifenden und interdisziplinären technologischen Ansatz erfordern. Dieser wird
durch die Verknüpfung der Konstruktion, der Fertigungs- und der Werkstofftechnik
ermöglicht.
Die zunehmenden Anforderungen an die Funktionalität von Bauteilen erfordern eine
einsatzgerechte Anwendung von Werkstoffen und Fertigungsverfahren und die zuverlässige
Bewertung der Gebrauchseigenschaften im betrieblichen Einsatz. Unter diesem
Gesichtspunkt haben der Einsatz von Werkstoffen mit herausragenden
anwendungsspezifischen Eigenschaften sowie die Mischbauweise zugenommen.
Beispielhaft seien hier hochfeste Stahlwerkstoffe und weiterentwickelte Verzinkungsarten
zum besseren Korrosionsschutz oder Oberflächenbehandlungen zur verbesserten Haftung
von Lacken genannt.
Für die Fertigung von gefügten Produkten aus artgleichen Werkstoffen oder
Werkstoffkombinationen Stahl/Aluminium stehen heutzutage eine Vielzahl von Verfahren,
wie z.B. das Schweißen (Schweißpunkte, Liniennähte), das Löten, das Kleben und die
mechanischen Verfahren (Clinchen, Stanznieten usw.) zur Verfügung. Die Auswahl der
einzusetzenden Fügeverfahren hängt in der betrieblichen Praxis von der Art der
Konstruktion, dem Werkstoff, den Fertigungsmöglichkeiten, der geforderten Festigkeit und
den Herstellungskosten ab.
Aus werkstoffkundlicher und prozesstechnischer Sicht stellt das Schmelzschweißen von
dünnwandigen verzinkten Stahlstrukturen und von Mischverbindungen Stahl/Aluminium
besondere Anforderungen an die Wärmeführung. Die beim Schweißen auftretenden
Temperaturen führen zum eruptionsartigen Verdampfen des Zinkes und somit zur Störung
des Prozesses sowie darüber hinaus zur Spritzer- und Porenbildung. Zudem wird die
Zinkschutzschicht lokal in der Schweißnaht und über die Wärmeeinflusszone (WEZ) so stark
beschädigt (bis zu mehreren Millimetern), dass in vielen Fällen eine Nacharbeit notwendig
ist. Bei der Paarung Stahl/Aluminium hingegen ist die Bildung spröder und vernetzter
metallischer Phasen zu beobachten, die bei der Abkühlung im Schmelzbad entstehen und
für das frühzeitige Versagen der Verbindung verantwortlich sind [Zer02].
In weiten Bereichen des Metallbaus hat sich zum Fügen von verzinkten Stahlwerkstoffen das
Löten mit Cu-Basis-Zusatzwerkstoffen etabliert (vergleiche auch [Dil01, Bou02, Hei02,
Hof03, Wes03]). Damit ist es möglich, die Fügetemperatur im Vergleich zum Schweißen
stark zu reduzieren und eine geringere Verletzung der Beschichtung zu erreichen. Über den
industriellen Einsatz des Lötens mittels Lasertechnik wird in [Hof03] berichtet, während
Untersuchungen zum Plasmalöten und MIG-Löten in [Hei02] und [Dil01] zusammengefasst
sind.
Die Arbeitstemperaturen von Cu-Basis Zusatzwerkstoffe liegen jedoch immer noch höher als
die Verdampfungstemperatur von Zink, so dass in weiten Bereichen von bis zu 6 mm neben
der Naht eine Schädigung der Zinkschicht auftritt [Hei02]. Die kathodische Schutzwirkung ist
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