SB_19894BLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einfluss von fertigungstechnischen
und geometrischen
Parametern auf die
Betriebstauglichkeit lichtbogengelöteter
verzinkter
Stahlkonstruktionen t > 3 mm

Einfluss von
fertigungstechnischen und
geometrischen Parametern auf
die Betriebstauglichkeit
lichtbogengelöteter verzinkter
Stahlkonstruktionen t > 3 mm
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.894 B
DVS-Nr.: 07.085
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen
in der Produktionstechnik IGP
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.894 / DVS-Nr.: 07.085 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.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 477
Bestell-Nr.: 170587
ISBN: 978-3-96870-477-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
Zusammenfassung ................................................................................................................... 3
Danksagung .............................................................................................................................. 4
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................... 5
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................ 7
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................... 11
Abkürzungsverzeichnis ......................................................................................................... 12
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ............................ 13
Stand der Technik und Forschung ................................................................................. 15
2.1 Löten .......................................................................................................................... 15
2.1.1 Metall-Schutzgas-Löten ..................................................................................... 16
2.2 Eigenschaften herkömmlicher Lotwerkstoffe ............................................................... 19
2.3 Eigenschaften lichtbogengelöteter Stahlverbindungen ................................................ 23
2.4 Eignung zur Mehrlagenlötung von Kupfer-Basis-Werkstoffen ..................................... 26
2.5 Schutzwirkung von Zinkschichten ............................................................................... 31
2.6 Stand der Normung .................................................................................................... 32
Motivation, Forschungsziel und Lösungsweg .............................................................. 33
Darstellung und Diskussion der Forschungsergebnisse ............................................. 34
4.1 Verwendete Materialien und Geräte ........................................................................... 34
4.1.1 Grundwerkstoffe ................................................................................................ 34
4.1.2 Lotwerkstoffe ..................................................................................................... 35
4.1.3 Versuchsaufbau ................................................................................................ 36
4.1.4 Probengeometrien ............................................................................................. 37
4.2 Statisches Festigkeitsverhalten................................................................................... 38
4.2.1 Versuchsergebnisse .......................................................................................... 38
Stumpfstoßverbindungen .............................................................................. 38
Doppel-T-Stoß-Verbindungen ........................................................................ 40
4.3 Metallographische Untersuchungen ............................................................................ 44
4.4 Bauteilzugversuche .................................................................................................... 51
4.4.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ..................................................... 52
4.4.2 Versuchsergebnisse .......................................................................................... 52
4.5 Schwingfestigkeit ........................................................................................................ 53
4.5.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ..................................................... 53
4.5.1 Versuchsergebnisse .......................................................................................... 54

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
4.6 Korrosionsuntersuchungen ......................................................................................... 55
4.6.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ..................................................... 55
4.6.1 Versuchsergebnisse .......................................................................................... 55
4.7 Eignung zur Mehrlagenlötung ..................................................................................... 59
4.8 Analyse der Verzugsneigung ...................................................................................... 62
4.9 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ................................................................................ 66
Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzens der erzielten Ergebnisse,
ihr innovativer Beitrag und ihre industrielle Anwendungsmöglichkeit ....................... 69
Verwendung der Zuwendung ......................................................................................... 70
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ........................................ 71
Gegenüberstellung der erzielten Ergebnisse und vorgegebenen Ziele ...................... 72
Fazit und Ausblick ........................................................................................................... 73
Transfer der Forschungsergebnisse ............................................................................. 75
10.1 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft................................................................ 75
10.2 Berichterstattung bei der Forschungsvereinigung im Rahmen der
Fachausschusssitzungen ............................................................................................ 76
10.3 Veröffentlichungen ...................................................................................................... 77
Quellenverzeichnis .......................................................................................................... 78
Anhang ............................................................................................................................. 81
A1 Wöhlerdiagramme ........................................................................................................... 81
A2 Quasistatische Zugversuche .......................................................................................... 89

Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
Die hohe Produktivität und gute Handhabung machen das Metallschutzgasschweißen (MSG)
zum bevorzugten Schweißverfahren für die Verarbeitung von allgemeinen Baustählen im Stahlund
Schiffbau.
Häufig ist es jedoch erforderlich auch verzinkte Konstruktionen wie Ausrüstungselemente,
Geländer, Fassadenelemente oder Seewasserballastrohre (Abbildung 1 (li.)) wirtschaftlich zu
verbinden. Aufgrund des hohen Wärmeeintrags beim Schweißen verdampft das Zink, bei einem
Schmelzpunkt von etwa 420 °C, im Lichtbogen und somit auch im umliegenden Bereich der
Schweißnaht. Diese Zinkverdampfung kann zu Spritzern und Porenbildung in der Schweißnaht
führen, was in der Abbildung 1 (r.) ersichtlich wird. Diese Schweißnahtunregelmäßigkeiten führen
zu drastisch verringerten mechanisch-technologischen Eigenschaften der Verbindung, wodurch
die Funktionalität und Wirtschaftlichkeit sinkt. Des Weiteren kann die eingebrachte Wärme zu
einer teilweisen Zerstörung der rückseitigen Zinkschicht der Konstruktion führen. Das bedeutet,
dass die korrosionshemmende Funktion der Beschichtung nicht mehr gegeben ist. Insbesondere
bei Konstruktionen, welche nur von außen zugänglich sind, wie beispielsweise
Rohrverbindungen, stellt der rückseitige Verlust der Korrosionsschutzschicht ein erhebliches
Risiko für den Betrieb einer solchen Struktur dar.
Aus diesem Grund müssen die Verbindungsflächen verzinkter Stahlstrukturen vor dem
thermischen Fügen mittels MSG- oder Wolframinertgas-Schweißen durch Schleifen oder
Strahlen von der Korrosionsschutzschicht befreit werden. Erst nach dem Fügen erfolgt das
Nachbeschichten sowie die eventuelle Montage zu Baugruppen. Diese zusätzlichen
Prozessschritte sind sowohl zeit- als auch kostenintensiv. Das Verhältnis von Hauptzeit durch
den Fügeprozess zu den Nebenzeiten, die sich aus dem Schleif- und
Nachbeschichtungsprozessen ergeben, beträgt 1/10. Beim Fügen von verzinkten
Seewasserballastrohren werden diese beispielsweise mit Doppelmuffen verbunden, um ein
rückseitiges Abbrennen der Zinkschicht beim Schweißen und somit Nachbeschichtungsprozesse
auf der Rohrinnenseite zu vermeiden
Abbildung 1: Ein Beispiel zu fügender, feuerverzinkter Strukturen im Schiffbau: Ballastwasserrohre (l.),
Schwierigkeiten beim Schweißen verzinkter Strukturen: Bruchfläche einer geschweißten Doppel-T-Probe
(t = 10 mm) mit zahlreichen Poren im Schweißgut (r.).

Seite 14 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
Das Lichtbogenlöten mit niedrigschmelzenden Zusatzwerkstoffen auf Kupferbasis bietet den
Vorteil einer geringeren Wärmeeinbringung, wodurch die korrosionshemmenden Eigenschaften
der Beschichtung weitgehend erhalten bleiben. Ein Nachbeschichten der Lötnaht ist aufgrund der
Ausbildung einer korrosionshemmenden Oxidschicht der Lotwerkstoffe nicht erforderlich. Das
Lichtbogenlöten ist für Blechdicken von t < 3 mm im Automotivebereich längst Stand der Technik
und findet Berücksichtigung in den DVS-Merkblättern 0938-1 bis 0938-3. Der Geltungsbereich
dieser Merkblätter beinhaltet die Anwendung auf un- und niedrig legierte Stähle im
Fügeverfahren konkurrieren zu können, sind Untersuchungen im Blechdickenbereich (t > 3 mm)
notwendig.
Abbildung 2: Makroschliff einer konventionell MSG-geschweißten (li.) sowie einer lichtbogengelöteten
Kehlnaht (r.).
Um Basiswissen für größere Blechdicken zu schaffen, wird die Betriebstauglichkeit sowohl
unbeschichteter als auch feuerverzinkter lichtbogengelöteter Strukturen mit Blechdicken t > 3 mm
analysiert. Die Untersuchungen von statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften sowie
vom Korrosionsverhalten von lichtbogengelöteter Verbindungen stellen eine wertvolle
Erweiterung der Kenntnisse bezüglich des Lichtbogenlötens dar. Diese Untersuchungen werden
durchgeführt, um Empfehlungen für den Einsatz dieser Technologie im Stahlbau und Schiffbau
abzuleiten. Die angestrebten Aussagen zum Einfluss auf die mechanisch-technologischen
Eigenschaften sollen das anwendbare Prozessfenster sowie das verarbeitbare
Werkstoffspektrum erweitern.

Seite 15 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
Das Löten wird als ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von
Werkstoffen in der DIN 8505 definiert. Es entsteht eine flüssige Phase durch Schmelzen des
Lotes (Schmelzlöten), oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten). Beim Löten
wird die Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs üblicherweise nicht erreicht. Im Allgemeinen
wird zwischen Weichlöten WL (< 450 °C), Hartlöten HL (> 450 °C) und Hochtemperaturlöten HTL
(> 900 °C) unterschieden. Diese Kriterien richten sich nach der Höhe der Liquidustemperatur, bei
der das Lot vollkommen verflüssigt wird. Lote werden als reine Metalle oder geeignete
Legierungen verwendet. Die Art der Lote beschränkt sich auf Stäbe, Drähte, Pulver, Pasten,
Bänder, Bleche oder Formteile. Oft wird beim Löten ein auf Grundwerkstoff und Lot abgestimmtes
Flussmittel zur Unterstützung der Benetzung eingesetzt, indem sie die Oxide auf der Lotfläche
beseitigen und ihre Neubildung während der Anwärmphase verhindern. Durch das Löten lassen
sich zahlreiche Vorteile verzeichnen. So können unterschiedliche Metalle, auch nichtmetallische
Werkstoffe, miteinander verbunden werden. Durch die niedrigen Arbeitstemperaturen erfolgt eine
kaum nennenswerte, schädigende Werkstoffbeeinflussung. Oberflächenschutzschichten (z.B.
Zinküberzüge) werden ebenfalls kaum zerstört. Als weitere Vorteile sind der geringe
Bauteilverzug und Eigenspannungszustand, die Korrosionsbeständigkeit und die Möglichkeit der
Lötung unzugänglicher Bereiche zu nennen. [1] [2]
Lötverfahren lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen. In Tabelle 1 sind mögliche
Einteilungskriterien und Verfahren beschrieben.
Tabelle 2: Einteilungskriterien und Verfahrensvarianten des Lötens [1]
Einteilungskriterium
Energieträger
Art der Lötstelle
Verfahrensvarianten
Flammlöten
Lichtbogenlöten
Ofenlöten
Fugenlöten
Spaltlöten
Liquidustemperatur des Lotes
Art der Oxidbeseitigung
Weichlöten
Hartlöten
Hochtemperaturlöten
Löten unter Schutzgas
Löten mit Flussmittel
Löten im Vakuum

Seite 16 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 19.894 B
Abbildung 3: Einteilung der Lötprozesse nach Energieträgern [3]
Das Metall-Schutzgas-Löten (MSG-Löten) wird den Lichtbogenlötprozessen untergeordnet und
ist gerätetechnisch weitgehend identisch mit dem MSG-Schweißen, unter Verwendung eines
drahtförmigen Zusatzwerkstoffes. Als Zusätze werden in der Regel Kupfer-Basis-Lotwerkstoffe
eingesetzt, deren Schmelzbereich kleiner als der des Grundwerkstoffs ist. Angewendet wird das
MSG-Löten bei unbeschichteten und oberflächenveredelten Feinblechen seit Beginn der 1980er-
Jahre. Typische, beim Lichtbogenlöten verwendete Blechdicken, liegen herkömmlicherweise im
Bereich von t 3 mm. Auch beim MSG-Löten sorgt die niedrige Schmelztemperatur des Lotes
für eine geringere Bauteilbelastung, sowie eine geringe Beschädigung der Oberfläche. Es kommt
im Gegensatz zum MSG-Schweißen zu keiner wesentlichen Aufschmelzung des
Grundwerkstoffs.
Das Verfahren eignet sich gut für verzinkte Strukturen, da der Energieeintrag im Vergleich zum
Schweißen um ca. 60 % geringer ist [4]
In Abbildung 4 sind die die Makroschliffe einer MSG-Schweißung und einer Lichtbogenlötung
gegenübergestellt. Flussmittel sind in der Regel nicht erforderlich, da eine Reinigung und
Aktivierung der Oberfläche durch den Lichtbogen erfolgt. [3] [5] [6]