SB_16.558NLP

2012
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Systematische
Untersuchung der
Eigenschaften gelöteter
Fügeverbunde mit
anwendungsrelevanten
Prüfverfahren II

Systematische Untersuchung der
Eigenschaften gelöteter
Fügeverbunde mit
anwendungsrelevanten
Prüfverfahren II
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.558 N
DVS-Nr.: 07.062
Technische Universität Dortmund Lehrstuhl für
Werkstofftechnologie Fakultät Maschinenbau
RWTH Aachen University Institut für
Oberflächentechnik im Maschinenbau
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.558 N / DVS-Nr.: 07.062 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
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2012 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 231
Bestell-Nr.: 170340
ISBN: 978-3-96870-230-8
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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Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung 2
2 Änderungen/Anpassungen gegenüber dem ursprünglichen
Arbeitsplan aufgrund von Anregungen und Empfehlungen vom
projektbegleitenden Ausschuss (PA) und in Übereinstimmung
mit dem PA 3
3 Zusammensetzung des Projekt begleitenden Ausschusses 4
4 Forschungsthema 8
5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung 8
5.1 Anlass für den Forschungsantrag 8
5.2 Ausgangssituation 8
5.3 Stand der Forschung und Technik 9
6 Forschungsziel/Forschungsergebnisse/Lösungsweg 10
6.1 Forschungsziel 10
6.2 Angestrebte Forschungsergebnisse 11
6.3 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles 11
6.3.1 Projektpakete 12
6.3.2 Prüfmethoden und zu untersuchende Lot- und Grundwerkstoffe 13
6.4 Lötung der Zug- und Scherzugproben 17
6.5 Gefüge der gelöteten Proben 22
6.6 Potentiostatische Messungen mit wässerigen Medien 35
6.7 TGA-Untersuchungen 37
6.8 Korrosionsuntersuchungen in der Klimakammer 40
6.9 Quasistatische Zug- und Scherzugversuche 42
6.10 Quasistatische Zugversuche nach Korrosionsangriff im
Kondenswassertest 52
6.11 Quasistatische Zugversuche nach Heißgaskorrosionsangriff 54
6.11.1 Grundwerkstoff 55
6.11.2 Lötnaht 55
6.11.3 Zugfestigkeit 60
6.12 Dynamisches Verhalten ohne Korrosionsangriff 61
6.13 Dynamisches Verhalten nach dem Korrosionsangriff 69
6.14 Ermittlung der thermomechanischen Kennwerte 70
6.14.1 Ermittlung der E-Moduln der Grund- und Lotwerkstoffe 71
6.14.2 Ermittlung der Wärmeausdehnungskoeffizienten 73
6.14.3 Ermittlung der Wärmeleitfähigkeiten 78
6.14.4 Ermittlung der Fliesskurven 80
6.15 Simulation der gelöteten Zugproben mit Lötfehlern 82
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6.15.1 Einbauen von Lötfehlern 83
6.15.2 Validierung der Simulation 89
6.15.3 Anpassung der Vernetzungsstrategie 94
6.15.4 Parameterstudie – konzentrierte Gasporen 107
7 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine
und mittlere Unternehmen (kmU) 114
8 Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
der angestrebten Forschungsergebnisse 114
9 Publikationen 115
10 Geplante Publikationen 115
11 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und
aktualisierten Transferkonzepts 115
12 Durchgeführter Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft 117
13 Literaturquellen 119
14 Internetquellen 121
15 Abbildungsverzeichnis 121
16 Tabellenverzeichnis 131
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4 Forschungsthema
Systematische Untersuchung der Eigenschaften gelöteter Fügeverbunde mit anwendungsrelevanten
Prüfverfahren II
5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Ausgangspunkt des Projektes war die Problematik, dass zu wenige und nur schlecht auf
reale Bauteile übertragbare Daten zu den Festigkeiten von Lotwerkstoffen existierten.
Zudem werden diese stark von den Lötbedingungen beeinflusst.
5.1 Anlass für den Forschungsantrag
Das Löten bietet zahlreiche allgemein bekannte Vorteile gegenüber anderen Fügetechnologien,
so dass es in zahlreichen Bereichen genutzt wird. Ein klarer Nachteil
ergab sich jedoch aus dem Mangel an Kenndaten zu Lotwerkstoffen und gelöteten
Verbindungen sowie der fehlenden Möglichkeit, diese auf reale Bauteile und Belastungen
zu übertragen. So wird die Festigkeit von Fügeverbunden durch eine Vielzahl
miteinander in Wechselwirkung stehender Faktoren, wie z. B. die Lötspaltgeometrie,
beeinflusst. Die Simulation wurde als Werkzeug im Bereich der Löttechnologie nur
selten eingesetzt. Aus den deshalb notwendigen Vorversuchen und der damit häufig
verbundenen Unsicherheit beim Anwender ergaben sich klare wirtschaftliche Nachteile
für das Löten als Fügetechnologie, die dessen Einsatz in der industriellen Praxis häufig
erschweren bzw. in einigen Fällen sogar verhinderten. Ein erster wichtiger Schritt hin
zur Lösung dieses Problems konnte mit dem IGF-Vorhaben Nr. 15.113 N (Laufzeit
01.07.2007-30.06.2009) geleistet werden. Hier wurden die Festigkeiten gelöteter
Fügeverbunde bei quasistatischer und thermischer Belastung untersucht und simuliert.
In der Praxis liegen neben diesen Belastungsarten meist jedoch zusätzlich sowohl
dynamische Belastungen als auch korrosive Angriffe vor, die in diesem Vorhaben
berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Übertragung der Ergebnisse auf weitere Lotund
Grundwerkstoffkombinationen erstrebenswert gewesen, um eine universelle
Anwendbarkeit der erarbeiteten Methodiken zu demonstrieren. Zahlreiche industrielle
Nachfragen zu der beschriebenen Thematik zeigten den deutlichen Forschungsbedarf
zur verlässlichen Ermittlung und Simulation der Eigenschaften gelöteter Fügeverbunde.
5.2 Ausgangssituation
Allgemein existierte im gesamten Bereich der Löttechnik ein deutlicher Mangel an
verlässlichen und übertragbaren Werkstoffkenndaten, universellen Prüfmethoden und
etablierten Simulations- und Modellierungstools. Bisherige Prüfverfahren erlaubten
keine Übertragbarkeit auf andere Löt- oder Prüfbedingungen. FEM-Betrachtungen –
sofern überhaupt genutzt – beschränkten sich meist auf die Analyse der beim Abkühlprozess
auftretenden Eigenspannungen. Jedoch wurden in vorangegangenen Forschungsprojekten
Methoden zur Ermittlung verlässlicher Kenndaten entwickelt und
angewendet. Sowohl in realen Versuchen als auch in der Simulation wurden die
mechanischen Eigenschaften unter quasistatischer, mehrachsiger Beanspruchung bei
Temperaturen bis hin zu 600 °C erfolgreich untersucht. Die Werkstoffkenndaten,
Methoden und Modelle wurden so ermittelt bzw. gestaltet, dass sie für die weitere
Forschungsarbeit genutzt werden können.
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5.3 Stand der Forschung und Technik
Die Eigenschaften einer Lötverbindung werden durch zahlreiche Faktoren bestimmt.
Auch wenn die einzelnen Faktoren größtenteils bekannt sind, ergibt sich aus ihrem
komplexen Zusammenspiel eine besondere Herausforderung bei der Vorhersage der
Eigenschaften gelöteter Fügeverbunde. Hauptfaktor sind die verwendeten Lot- und
Grundwerkstoffe. Die Festigkeit des Lotwerkstoffs bestimmt in der Regel maßgeblich
die Festigkeit der Lötverbindung [Aws07]. Zu beachten ist dabei jedoch, dass die
Eigenschaften des Lötgutes aufgrund des Lötprozesses und der damit verbundenen
Diffusionsvorgänge von denen des Lotes im Ausgangszustand abweichen können.
Weiter hat die Festigkeit des Grundwerkstoffs selbst aufgrund der Stützwirkung bei
kleinen Spaltbreiten einen signifikanten Einfluss auf die Festigkeit des Fügeverbundes.
Auch nach dem Lötprozess ergeben sich weitere Einflussfaktoren, wie z. B. höhere
Einsatztemperaturen und korrosive Schädigungen auf die Belastbarkeit gelöteter Fügeverbunde.
Sie führen allgemein zu einer Abnahme der Festigkeit. Die Art der mechanischen
Beanspruchung – in der Realität meistens dynamisch – hat wesentlichen Einfluss
auf die Festigkeit der Lötverbindung [Hen11]. Da dynamische Belastungen im
Allgemeinen zu einem Versagen bei niedrigeren Spannungen als quasistatische führen
[Ask96], ist die Untersuchung von Lötverbindungen unter dynamischen Belastungen
für die Auslegung von entsprechenden Bauteilen notwendig.
Ein FE-Modell zur Ermittlung der Spannungen nicht nur infolge des Abkühlvorgangs
nach erfolgter Lötung [Eig99 und Sch97], sondern auch infolge einer externen Last
unter Berücksichtigung der thermisch induzierten Spannungen wurde in früheren
Forschungstätigkeiten erfolgreich erstellt und anhand einer Vielzahl von Lötungen
validiert [Bob10.1]. Dabei wurden elastisch-plastische Werkstoffmodelle unter Berücksichtigung
der Temperaturabhängigkeit der Materialparameter eingesetzt, um eine
möglichst hohe Übereinstimmung zwischen den realen Mess- und den berechneten
Werten zu erhalten. Zur Abbildung der im Lötprozess entstandenen Phasen aufgrund
von Wechselwirkungen zwischen Lot- und Grundwerkstoff wurden zwei Lösungswege
verfolgt. Einerseits wurden über den gesamten Lötspalt konstante Werkstoffeigenschaften
angenommen, die aus den experimentell ermittelten Messwerten errechnet
wurden (Bild 1a). Auf der anderen Seite wurde ein Ansatz verfolgt, bei dem die Phasen
innerhalb des Modells abgebildet wurden (Bild 1b). Bei diesem Ansatz bekommt der
Konstrukteur einen genaueren Einblick über die Stellen, an denen die Spannungsspitzen
besonders hoch sind und an denen gleichzeitig ein Bauteilversagen potenziell
initiiert wird. Dabei war die Genauigkeit der berechneten Spannungen unmittelbar
abhängig von der möglichst realen Abbildung des Materialverhaltens.
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GW
Lötbereich
GW
Grundwerkstoff
Diffusionszone
Lot
Diffusionszone
Grundwerkstoff
a) homogenes Modell b) Modell mit Zwischenphasen
Bild 1:
Innerhalb der Simulation zugrunde gelegte Geometriemodelle zur Abbildung
der Fügezone
Somit ist die Kenntnis über die thermischen und mechanischen Eigenschaften der
beteiligten Grund- und Lotwerkstoffe sowie ggf. über die einzelnen Lötgutphasen zur
Vorhersage der Eigenschaften von Lötverbindungen erforderlich. Im Einzelnen werden
folgende Kennwerte, jeweils in Abhängigkeit von der Temperatur, benötigt: Wärmeleitfähigkeit,
Wärmeausdehnungskoeffizient, Fließkurve und E-Modul. Im Rahmen des
IGF-Vorhabens Nr. 15.113 N wurden Methoden zur Herstellung geeigneter Proben
und zur Ermittlung der Kennwerte entwickelt und erfolgreich angewendet. Diese
Methoden und die für vier Grund- und vier Lotwerkstoffe ermittelten Daten können als
Basis für die zukünftige Forschung genutzt werden.
6 Forschungsziel/Forschungsergebnisse/Lösungsweg
Ziel des Projektes war es, für ausgewählte Werkstoffkombinationen verlässliche
Anwendungsdaten zu ermitteln und mit einer neuen Modellierungsmethodik die
Möglichkeit zu schaffen, die mechanische Belastbarkeit von Lötverbunden vorhersagen
zu können. Die Ergebnisse sollten in geeigneter Form dem Anwender zugänglich
gemacht werden, um so in der Praxis in der Konstruktion eingesetzt werden zu können.
6.1 Forschungsziel
Ziel des Forschungsvorhabens war es, dem Anwender zu ermöglichen, die Festigkeit
und Lebensdauer von gelöteten Fügeverbunden bei quasistatischer und dynamischer
Belastung sowie bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen und nach korrosiver
Schädigung vorherzusagen. Hierzu war die Simulation in der Löttechnik als Hilfsmittel
anzuwenden und weiterzuentwickeln. In diesem Projekt sollten vorhandene Materialmodelle
so verbessert werden, dass unterschiedlichste Belastungen simuliert und
Einflussfaktoren wie Lötspaltgeometrien und Mehrphasigkeit des Lötgutes berücksichtigt
werden konnten. Die thermischen und mechanischen Kennwerte für die Löttechnologie
typischer Werkstoffe sollten ermittelt und umfangreiche mechanische
Prüfungen sowie Korrosionstests durchgeführt werden, um neben wissenschaftlichen
Erkenntnissen dem Anwender verlässliche Daten liefern zu können.
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