SB_14.425NLP

2007
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zum
MSG-Löten von mit Zink
beschichteten Stahlblechen
mit dem Impulslichtbogen
bei
Anwendungen von
impulsförmigen AC- und
DC Strömen in der
Grundstromphase

Untersuchungen zum MSG-Löten
von mit Zink beschichteten
Stahlblechen mit dem Impulslichtbogen
bei Anwendungen von
impulsförmigen AC- und DC
Strömen in der Grundstromphase
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 14.425 N
DVS-Nr.: 03.066
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik
International mbH Niederlassung
SLV München
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.425 N / DVS-Nr.: 03.066 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 103
Bestell-Nr.: 170212
ISBN: 978-3-96870-102-8
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 5142/2007
Untersuchungen zum MSG-Löten von mit Zink beschichteten Stahlblechen
mit dem Impulslichtbogen bei Anwendungen von impulsförmigen
AC- und DC-Strömen in der Grundstromphase
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ..................................................................................................3
2 Grundlagen ...............................................................................................5
3 Vorgehensweise .......................................................................................7
4 Experimentelle Randbedingungen........................................................12
4.1 Versuchsstand..........................................................................................12
4.1.1 Schweißanlage.........................................................................................12
4.1.1.1 Schweißstromquelle .................................................................................12
4.1.1.2 Schweißbrenner .......................................................................................13
4.1.1.3 Längsfahrwerk..........................................................................................13
4.1.1.4 Gasversorgung.........................................................................................13
4.1.2 Messtechnik .............................................................................................13
4.1.3 Hochgeschwindigkeitskamera mit Gegenlicht ..........................................14
4.2 Versuchswerkstoffe ..................................................................................15
4.3 Einstellparameter......................................................................................15
4.4 Prozessbewertung....................................................................................16
5 Ergebnisse ..............................................................................................18
5.1 Allgemeine Betrachtungen zur Entwicklung geeigneter Stromformen für
das MSG-Löten in der Praxis ...................................................................18
5.2 Einfluss unterschiedlicher Stromformen auf die Stabilität des Lötprozesses
und die Nahtgüte der Lötverbindungen ...................................24
5.2.1 MSG-Löten konventioneller Stahlfeinbleche (DC04) ................................24
5.2.1.1 Einfluss der Stromformen auf die Nahtausbildung an der Kehlnaht am
Überlappstoß............................................................................................24
5.2.1.2 Auswirkung verschiedener Lotwerkstoffe auf die Wirksamkeit der
Stromformen mit Zwischenimpulsen.........................................................28
5.2.1.3 Auswirkung verschiedener Schutzgase auf die Wirksamkeit der
Stromformen mit Zwischenimpulsen.........................................................33
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Bericht 5142/2007
5.2.1.4 Wirkung der Stromformen auf Steigerungsmöglichkeiten für die
Lötgeschwindigkeit ...................................................................................36
5.2.1.5 Einfluss der Stromformen beim Löten größerer Blechdicken ...................37
5.2.1.6 Einfluss des Zinks auf die Wirkung der Stromformen beim MSG-Löten –
Beschichtungseinfluss..............................................................................37
5.2.1.7 Einfluss der Stromformen auf die Beherrschung von Toleranzen beim
MSG-Löten ...............................................................................................39
5.2.1.8 Zusammenfassung...................................................................................40
5.2.2 MSG-Löten von höher- und hochfesten Stahlfeinblechen aus
HDT450FZE75/75 (H400DT) und HDT780CZE75/75 (CP800) ................41
5.2.2.1 Einfluss der Stromformen auf die Nahtausbildung an der Kehlnaht am
Überlappstoß............................................................................................41
5.2.2.2 Einfluss der Lotwerkstoffe und der Schutzgaszusammensetzung auf die
Wirksamkeit von Zwischenimpulsen ........................................................42
5.2.3 Zusammenfassung...................................................................................43
6 Diskussion der Ergebnisse ...................................................................44
7 Zusammenfassung.................................................................................50
8 Literatur...................................................................................................54
9 Anhang ....................................................................................................57
9.1 Tabellen...................................................................................................57
9.2 Bilder .......................................................................................................66
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Bericht 5142/2007
1 Einleitung
Das MSG-Löten gehört heute mit zu den grundlegenden Fügeverfahren für verzinkte
Stahlbleche in der Metallverarbeitung. Unter allen bekannten Lichtbogen-Lötprozessen
wird das MSG-Löten mit am häufigsten angewendet. Es kommt manuell,
mechanisiert und automatisiert zur Anwendung. In der Großserienfertigung, z.B.
Automobilbau, werden vorwiegend Roboter eingesetzt. Aber auch in Handwerksbetrieben
wird neben den manuell geführten Brennern jetzt auch immer mehr der
Roboter eingesetzt. Selbst Heimwerker und Hobbybastler können mit einfachen
MSG-Schweißgeräten auch Lötungen durchführen. Die Hauptgründe dafür liegen in
der hohen Zuverlässigkeit dieses Lichtbogenprozesses, den günstigen Kosten und
der einfachen Handhabung der konventionellen Gerätetechnik.
Das herkömmliche MSG-Löten mit dem Kurz- und Impulslichtbogen wird bereits bei
vielen komplexen Fügeaufgaben eingesetzt. Die Anforderungen der Anwender an
diese Verbindungstechnik steigen. Die Ursachen dafür sind sehr vielfältig. Auf der einen
Seite werden die zu fügenden Teile in der Blechdicke immer dünner und der
Einsatz neuer Werkstoffe erfordert Anpassungen in den Fügeparametern, die dann
auch entsprechende Änderungen in der dazu erforderlichen Gerätechnik zur Folge
haben. Auf der anderen Seite nehmen die Anforderungen an die Qualität einer Lötnahtverbindung,
wie geringe Spritzerbildung, Beherrschung großer Bauteiltoleranzen,
geringe Zinkverluste neben der Lötraupe und der Lötnahtrückseite usw. zu.
Um dem gerecht zu werden, wird dieser MSG-Lötprozess ständig weiterentwickelt.
Der Impulslichtbogen bietet hierfür gute Gestaltungsmöglichkeiten. Aufgrund der
Fortschritte in der Elektrotechnik ermöglichen getaktete Stromquellen (z.B. Inverter)
aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenzen immer kürzere Regelzeiten und die fast vollständigen
Digitalisierung der Prozessabläufe. Dadurch kann durch den Einsatz von
Prozessrechnern eine fast optimale Führung der komplexen Regelvorgänge beim
Lichtbogenprozess für das Löten erreicht werden. Diese vielfältigen Möglichkeiten in
der Programmierung müssen durch systematische Untersuchungen ermittelt werden.
In den letzten Jahren wurden bereits Untersuchungen zum MSG-AC-Impulslichtbogenschweißen
mit neu entwickelten programmierbaren Stromquellen durchgeführt.
Sie zeigen beim Schweißen dünner Bleche wesentliche Vorteile hinsichtlich der
Spaltüberbrückbarkeit und gezielter Wärmeeinbringung. In der Literatur werden die
Vorteile des MSG-AC-Impulsschweißens bereits für zahlreiche Werkstoffe beschrieben,
für das MSG-Löten werden dazu in diesem Bericht systematische Untersuchungen
vorgestellt.
Die Grenzen des konventionellen Impulslichtbogens beim Fügen von Aluminiumbauteilen
werden dann erreicht, wenn z.B. beim Schweißen von Kehlnähten am
Überlappstoß mit Blechdicken unterhalb von t = 1 mm größere Spaltweiten (w ≥ t)
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Bericht 5142/2007
auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten noch sicher überbrückt werden sollen.
Beim DC-Impulslichtbogenschweißen bestimmt die Pulsfrequenz sowie der Grundstrom
und die Impulsstromform wesentlich den Wärmeeintrag. Die Mindestimpulsenergie
(elektrische Arbeit), die für die synchrone Tropfenablösung nötig ist, wird im
wesentlichen durch den Werkstoff, den Drahtdurchmesser, die Schutzgasart bestimmt.
Trotz der Minimierung der Streckenenergie (kleine Impulsfrequenz) bis an die
Grenzen der Prozessstabilität kann bei dünnen Bauteilen nicht immer ausreichend
energiearm geschweißt werden. Es liegt daher nahe, Untersuchungen zum reduzierten
Wärmeeintrag auch auf das MSG-Löten anzuwenden.
Ziel der Einbringung von Zwischenimpulse mit positiven bzw. negativen Grundstromabschnitten
ist es, damit eine Steuerung des Wärmeeintrags und Tropfenvolumens
zu erreichen. Dieses Forschungsprojekt untersucht verschiedene Stromkurvenformen
(DC, DC2, AC, AC3, ACs) im Hinblick auf die Löteigenschaften beim MSG-
Impulslichtbogen. Die Bezeichnung der Impulse wird durch den Polaritätswechsel in
der Grundstromphase (AC) und die Zahl der Zwischenimpulse (DC2, AC3) bestimmt.
Es soll erforscht werden, welche Vorteile diese neuen Stromformen gegenüber dem
bekannten MSG-Löten mit dem Impulslichtbogen (Standardimpuls – DC) mit einem
Impuls zur Tropfenablösung und einer Grundstromphase zur Vorwärmung der Drahtelektrode
bieten.
Ein wesentlicher Schwerpunkt der Untersuchungen ist der Einfluss der Grund- und
Drahtwerkstoffe, -durchmesser, sowie verschiedener Schutzgase mit und ohne Aktivgasanteil
bei Anwendung der vorgenannten Stromformen auf das Lötverhalten
(Nahtausbildung, Abschmelzverhalten, Spaltüberbrückbarkeit).
Die in diesem Projekt gewonnenen Erfahrungen und Kenntnisse mit den neuen
Stromformen tragen dazu bei, die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten auszuloten
und für die Nutzung in der Produktion aufzubereiten. Die erarbeiteten Lötparameter
können als Ausgangsbasis für die Ermittlung von Kennlinien für die entsprechenden
Werkstoffe dienen. Ziel ist es, die Zahl der Parameter für den Praktiker deutlich zu
reduzieren und damit Voraussetzungen zu schaffen, die die Einführung dieser neuen
Stromformen in die Praxis beschleunigen.
Das Besondere bei den Untersuchungen von mit Zink beschichteten Blechen liegt
vor allem darin, inwieweit der Einfluss des Zinks durch den gezielten Einsatz der zu
untersuchenden Stromformen möglichst gemindert und der Zink-Verlust in der Wärmeeinflusszone
reduziert werden kann.
Die Firma DALEX hat auf Basis eines WIG-AC/DC Schweißgerätes ein MSG-
Schweißgerät entwickelt, mit dem der Standard-Impulszyklus (DC) in bis zu acht einzelne
Zeitsegmente unterteilt werden kann. Diese Abschnitte sind alle individuell
programmierbar und können an den Elektroden (Drahtelektrode, Werkstück) sowohl
positiv als auch negativ gepolt werden. Es kann somit eine fast beliebige Stromkurvenform
realisiert werden.
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Bericht 5142/2007
2 Grundlagen
Das MSG-Schweißen und -Löten zählen in der metallverarbeitenden Industrie zu den
am meisten verwendeten Fügeprozessen. Als Schutzgase werden sowohl Argon als
auch Mischgase mit unterschiedlichen Aktivgasanteilen, wie z.B. CO 2 oder O 2 eingesetzt.
Zu den Grundlagen der Schweißtechnik, insbesondere den physikalischen Besonderheiten
des Lichtbogens, sind aus der Literatur [1] - [7] eine Reihe von interessanten
Hinweisen zu entnehmen. Die Diskussion darüber wird noch immer sehr intensiv
in verschiedenen Forschungsbereichen der Schweißtechnik geführt [32], [33].
In der Praxis wird mit verschiedenen Werkstoffübergangsformen (Lichtbogenarten)
gearbeitet [3]. Mit dem Kurzlichtbogen kann bereits gegenüber den anderen Lichtbogenarten,
wie z.B. der Impuls- oder Sprühlichtbogen ein energiereduzierter Lichtbogenprozess
[30] realisiert werden, der insbesondere für verzinkte Bleche sehr gut
geeignet ist. Besonders in Zwangslagen wird dadurch ein guter Werkstoffübergang
ermöglicht. Nachteilig ist der kurzschlussbehaftete Werkstoffübergang, der bei
Stromquellen mit nicht exakter dynamischer Abstimmung der Stromquelleneigenschaften
zu Spritzern führen kann. Die Weiterentwicklung moderner elektronischer
Schweißstromquellen ermöglicht aber auch für diese Lichtbogenart einen nahezu
spritzerfreien Werkstoffübergang, wie z.B. beim CMT- oder ColdArc-Prozess [33].
Der Sprühlichtbogen ist wegen seines langen Lichtbogens und des großen Wärmeeintrags
für das MSG-Löten nicht geeignet. Im Grenzbereich zwischen Kurz- und
Sprühlichtbogen ist der Übergangslichtbogen. Er ist in seinem Prozessverhalten ein
sehr unruhiger Prozess, der Werkstoffübergang erfolgt zum Teil noch kurzschlussbehaftet
aber dann auch ohne eine Kurzschlussbildung. Eine entscheidende Verbesserung
in der Stabilität wird im Bereich des Übergangslichtbogens durch die Anwendung
des Impulslichtbogens erreicht. Die Pinch-Kraft wird damit entscheidend unterstützt
und verbessert so die Tropfenablösung. In Bild 1 werden dazu die auftretenden
Kräfte schematisch dargestellt. Der Impulslichtbogenzyklus (Bild 5) setzt sich aus der
Impuls- und der Grundstromphase zusammen. Der Impulsstrom wird in seiner Impulshöhe
und -breite vom zu lötenden Werkstoff und dem Drahtdurchmesser bestimmt.
Dadurch kommt es bei richtiger Parameterwahl zu einem kontrollierten kurzschlussfreien
Werkstoffübergang mit einem Tropfen pro Impuls. Die Grundstromhöhe
hat wesentlichen Einfluss auf die Wärmeeinbringung in den Grundwerkstoff und beeinflusst
auch, aber in einem weit geringeren Maße wie der Pulsstrom, die Tropfenbildung.
Der Grundstrom dient im wesentlichen der Stabilisierung des Lichtbogens
zwischen den tropfenablösenden Impulsen und wird deswegen möglichst mit einem
niedrigen Wert gewählt.
Impulslichtbögen werden nur mit elektronischen Stromquellen erzeugt [9], [10]. Sie
ermöglichen aufgrund ihrer hohen Taktfrequenz (> 50 kHz) kurze Regelzeiten. Erst
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