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EFB-Forschungsbericht Nr. 058

Kombination von Durchsetzfügeverbindungen mit stoffschlüssigen Fügeverbindungen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dipl.-Ing. Frank Riedel, Institut für Fügetechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz/-Zwickau

84 Seiten (Sw 36 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-121-5

Preis (Digital) EUR 33,00

Preis (Print) EUR 37,50

Schlagwörter: Fügeverbindung, Festigkeit, durchsetzt

Zusammenfassung

Gegenstand des vorliegenden Berichtes ist die Untersuchung der Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten einer Durchsetzfüge-Löt-Verbindung. Erkenntnisse über eine solche kombinierte Verbindung waren den Autoren nicht bekannt. Vorzugsweise wurde, resultierend aus technologischen und wirtschaftlichen Überlegungen, als eine Durchsetzfüge-Löt-Verbindung die Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung für Untersuchungen ausgewählt.

Eine kombinierte Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung besteht aus zwei elementaren Verbindungen, einer form- und kraftschlüssigen Verbindung, der Durchsetzfügeverbindung und einer stoffschlüssigen Verbindung, der Weichlötverbindung. Sowohl der Form- und Kraftschluß als auch der Stoffschluß sind charakteristisch für eine Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung und bestimmen maßgeblich deren Eigenschaften. Die vorteilhaften Eigenschaften beider elementaren Verbindungen werden für eine kombinierte Durchsetzfuge-Weichlöt-Verbindung genutzt, und somit unterscheiden sich auch die Eigenschaften einer Durchsetzfüge-W eichlöt-Verbindung von den Eigenschaften dieser elementaren Verbindungen.

So werden mit der Weichlötverbindung Festigkeitseigenschaften erzeugt, die für stoffschlüssige Verbindungen charakteristisch sind. Diese Festigkeitseigenschaften können sich der jeweiligen Grundwerkstoffestigkeit annähern und betragen ein Vielfaches der übertragbaren mechanischen Kräfte und Momente einer Durchsetzfügeverbindung. Nachteilig bei der Anwendung von konventionellen Weichlötverbindungen wirkt sich das schlechte Langzeitverhalten unter mechanischer Beanspruchung aus. So können beispielsweise schon relativ geringe Scherzugkräfte innerhalb weniger Stunden zur Zerstörung einer Weichlötverbindung fuhren.

Die Ursache hierfür ist die schlechte Kriechfestigkeit von Weichlötverbindungen. Der Formschlußanteil der Durchsetzfugeverbindung kann genutzt werden, um das Kriechen der Weichlötverbindung zu verhindern.

Die Untersuchungen der Eigenschaften einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung an unbeschichteten und beschichteten (verzinkten) Stahlblechen haben folgende Ergebnisse erbracht.
Für die Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung sind prinzipiell alle Durchsetzfügeverfahren und Lötverfahren, einschließlich der notwendigen Lote und Flußmittel, geeignet, die sich auch für die Herstellung der elementaren Durchsetzfügeverbindung bzw.
Weichlötverbindung für das ausgewählte Material und unter den bestimmten Bedingungen eignen.
Für die durchgeführten Untersuchungen wurde das Durchsetzfügeverfahren H - Druckfugen verwendet. Als Lötverfahren fanden hauptsächlich das Ofen- und Induktionslöten Anwendung.

Die Größe der verlöteten Übertappfläche einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung bestimmt maßgeblich die Festigkeitseigenschaften dieser Verbindung. Für die Herstellung hochfester Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen ist die Überlappfläche, die auch für eine konventionelle Durchsetzfügeverbindung notwendig ist, ausreichend.

Die Herstellung von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an unbeschichtetem Stahlblech erfolgte mit 10 handelsüblichen Weichlotpasten, welche Schmelztemperaturen zwischen TS= 136 °C und TS = 299 °C besitzen. Die ermittelten Werte der mittleren statischen Seherzugkräfte betrugen für jede Verbindung FSZ > 10 kN. Die größten Festigkeiten FSZ > 13 kN wurden mit Sn - Pb- Weichloten und Sn - Ag - Weichloten erreicht. Die ermittelten Verbindungswertigkeiten (das Verhältnis der Verbindungseigenschaft zur Werkstoffeigenschaft) betrugen für diese Verbindungen V> 0,80. Das bedeutet, daß mit den Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen mehr als 80% der Festigkeit des Grundwerkstoffes erreicht wurde.

Ein Vergleich der erzielten Festigkeiten und der Streuung dieser Werte zeigt, daß mit zunehmender Festigkeit die relative Streuung (die Streuung bezogen auf die jeweilige Festigkeit) abnimmt und Werte zwischen 10 % und 20 % annimmt. Das bedeutet für die Praxis, daß mit einer Erhöhung der Festigkeit die Zuverlässigkeit solcher Verbindungen verbessert werden kann.

Vergleicht man die ertragbaren Kräfte bei statischer Zugbeanspruchung (Scherzug quer, Scherzug längs und Kopfzug) von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen mit konventionellen in der Praxis eingesetzten Durchsetzfügeverbindungen so zeigt es sich, daß diese ertragbaren Kräfte für Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen um das Fünffache im Vergleich zu konventionellen Durchsetzfügeverbindungen größer sind.

Bei einigen Versuchsproben fand der Riß während des statischen Scherzugversuches im Grundwerkstoff der Versuchsprobe einer Durchsetzfuge-Weichlöt-Verbindung statt. Das bedeutet, daß mit diesen Verbindungen eine höchstmögliche Verbindungswertigkeit von VW = 1, also die Grundwerkstoffestigkeit erreicht wurde.

Die Herstellung von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an beschichteten (verzinkten) Stahlblechen erfolgte mit 5 verschiedenen Weichlotpasten. Verwendet wurden verschiedene Stahlbleche mit einem Zinkauflagengewicht bis zu mZn = 275 g/m2. An allen Blechen konnten mit den ausgewählten Weichloten qualitätsgerechte Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen hergestellt werden. Die besten Ergebnisse wurden mit dem Sn-Ag-Weichlot (L-Sn96,5Ag3,5) erzielt. Für dieses Lot betrugen die statischen Scherzugkräfte der Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an den verschieden beschichteten Blechen zwischen FSZ = 11,64 kN und FSZ = 16,90 kN. Das sind Verbindungswertigkeiten von VW > 0,86, also werden mindestens 86 % der Grundwerkstoffestigkeit erreicht. Mit der Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung an dem verzinktem Stahlblech FHZ (Zinkauflagengewicht: 275 g/m2) konnte in etwa die höchstmögliche Verbindungswertigkeit von VW = 1, das bedeutet die Grundwerkstoffestigkeit, erreicht werden.

Vergleicht man für Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an beschichteten (verzinkten) Stahlblechen die ertragbaren Kräfte bei verschiedenen statischen Zugbeanspruchungen (Scherzug quer, Scherzug längs und Kopfzug) mit den ertragbaren Kräften konventioneller Durchsetzfügeverbindungen, so ist festzustellen, daß Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an verzinkten Stahlblechen etwa sechsfach größere Kräfte im Vergleich zu konventionellen Durchsetzfügeverbindungen übertragen können.

Dynamische Festigkeitsuntersuchungen von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen konnten im Rahmen dieser Forschungsarbeiten nicht durchgeführt werden. Für Proben einer Durchsetzfüge- Weichlöt-Verbindung an unbeschichtetem Stahlblech, hergestellt mit einem Sn- Pb - Weichlot, wurde eine Wöhlerlinie ermittelt. Diese Wöhlerlinie einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung zeigt die Charakteristik einer stoffschlüssigen Verbindung. Vergleicht man diese dynamische Festigkeit mit der einer konventionellen Durchsetzfügeverbindung an dem gleichen Grundwerkstoff, zeigt es sich, daß die dynamische Festigkeit einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung um ein Vielfaches höher ist als die dynamische Festigkeit einer konventionellen Durchsetzfügeverbindung und selbst nach Abfall auf die Dauerfestigkeit noch höher liegt als die Festigkeit einer konventionellen Durchsetzfügeverbindung im Zeitstandfestigkeitsbereich.

Für eine gesicherte Beschreibung des dynamischen Festigkeitsverhaltens von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen ist es notwendig, umfangreichere Untersuchungen durchzufuhren.
Die metallographische Analyse von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an den untersuchten unbeschichteten und beschichteten (verzinkten) Stahlblechen zeigt, daß sich in der Überlappung der Durchsetzfügeverbindung und sogar innerhalb des Durchsetzfügeelementes eine qualitätsgerechte Lötnaht ohne unzulässige Fehler ausbildet.

Mit der Anwendung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung an Überlappnähten ist es möglich, im Gegensatz zu konventionellen Durchsetzfügeverbindungen Dichtnähte gegenüber bestimmten gasförmigen und flüssigen Medien sowie gegenüber bestimmten Feldern, wie z. B. Mikrowellen, zu erzeugen Für eine wirtschaftliche Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung wurden Untersuchungen durchgeführt, die den notwendigen thermischen Prozeß für das Löten einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung in einem vorhandenen F ertigungsprozeß in bestimmten Bauteilefertigungen nutzen können.

So wurde u. a. eine Simulation durchgeführt, wo Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen an Bauteilen der Automobilindustrie in einer automatischen Fertigungsreihe hergestellt werden können. Das Löten der Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung erfolgte während des Lackeinbrennprozesses bei dem Lackieren der Bauteile. Die Herstellung dieser Durchsetzfüge-Weichlöt- Verbindung während eines solchen Fertigungsprozesses hatte keine negativen Auswirkungen auf den Lackier- und andere Fertigungsprozesse. An den Versuchsproben wurden auch keine Lackfehler festgestellt.

Versuche, den Emaillierprozeß fur die Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung zu nutzen, ergaben im Ergebnis zwar eine qualitätsgerechte Ausbildung der Durchsetzfüge-Weichlöt- Verbindung, aber die Emailschicht wurde in dem Bereich der Überlappung teilweise fehlerhaft ausgebildet. Hierfür sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Lösungsansätze sind in dieser Forschungsarbeit enthalten.

Für die Nutzung thermischer Prozesse bei der Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung eignen sich auch noch andere in Bauteilfertigungen vorhandene Prozesse. Das muß aber für den jeweiligen Anwendungsfall überprüft werden.

Neben der Nutzung vorhandener thermischer Fertigungsprozesse in Bauteilfertigungen ist es denkbar, Beschichtungen gezielt als Lot zu nutzen. Untersuchungen hierzu konnten im Rahmen dieser Forschungsarbeiten nicht durchgeführt werden. Dann ist es aber prinzipiell möglich, daß sich der Fertigungsaufwand einer hochfesten Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung nicht von dem Fertigungsaufwand einer Durchsetzfügeverbindung unterscheidet, also eine Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung sehr wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Zusammenfassend kann man aus den vorliegenden Ergebnissen schlussfolgern, daß eine kombinierte Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung entwickelt wurde, welche die Eigenschaften einer Durchsetzfügeverbindung und auch die Eigenschaften einer Weichlötverbindung bedeutend verbessert.

So können mit einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung an Stahlblechen Festigkeitseigenschaften erzeugt werden, die sich den Festigkeitseigenschaften des jeweiligen Grundwerkstoffes annähern.
Die Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen können an Bauteilen für bestimmte gasförmige und flüssige Medien und Feldern Dichtnähte erzeugen.
Die Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung ist auch wirtschaftlich möglich.

Das Forschungsvorhaben „Kombination von Durchsetzfügeverbindungen mit stoffschlüssigen Fügeverbindungen“ wurde unter der Fördernummer AiF. 78D von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 58 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0 Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
1 Einleitung
2 Kombination von Durchsetzfügeverbindungen mit stoffschlüssigen Verbindungen
2.1 Durchsetzfugeverbindungen
2.1.1 Begriffsdefinition und Einordnung der Verbindung
2.1.2 Eigenschaften einer Druckfugeverbindung
2.2 Stoffschlüssige Verbindungen
2.2.1 Begriffserklärung und Eigenschaften
2.2.2 Lötverbindungen
2.3 Vorteile einer Kombination von Durchsetzfugeverbindungen mit stoffschlüssigen Verbindungen
3 Stand der Erkenntnisse
4 Aufgabenstellung und Zielsetzung
5 Herstellung und Untersuchungsergebnisse von kombinierten Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen
5.1 Probenherstellung und -prüfung
5.1.1 Werkstoffe
5.1.2 Probengeametrien
5.1.3 Probenherstellung
5.1.4 Prüfung der Proben
5.2 Untersuchungsergebnisse
5.2.1 Optimierung der Durchsetzfugeverbindung
5.2.2 Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen
5.2.2.1 Einfluß der Lötfläche auf die Scherzugkraft
5.2.2.2 Einfluß verschiedener Lote auf die Scherzugkraft
5.2.2.3 Mögliche Lötverfahren für die Herstellung von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen
5.2.2.4 Statische und dynamische Festigkeit
5.2.2.5 Zeitstandfestigkeit
5.2.2.6 Metallographische Untersuchungen
5.2.2.7 Vergleich einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung mit Lötverbindungen
6 Eigenschaften von Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindungen
7 Möglichkeiten der wirtschaftlichen Herstellung von Durchsetzfüge-Weichöt-Verbindungen
7.1 Anwendungsmöglichkeiten
7.2 Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung während eines Lackierprozesses in der Automobilindustrie
7.2.1 Versuchsziel
7.2.2 Versuchsdurchfuhrung
7.2.3 Versuchsergebnisse
7.2.4 Versuchsauswertung
7.3 Herstellung einer Durchsetzfüge-Weichlöt-Verbindung während eines Emaillierprozesses in der Haushaltgeräteindustrie
7.3.1 Versuchsziel
7.3.2 V ersuchsdurchfuhrung
7.3.3 Versuchsergebnisse
7.3.4 Versuchsauswertung
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Literatur