Erstellen eines Programms zum Gestalten und Berechnen von Schmelzlötverbindungen

  Abstract  1

  Abstract  

Inhalt  dieser Diplomarbeit ist das Erstellen eines Programms zur Festigkeits  

  berechnung von Schmelzlötverbindungen durch Verwenden der IDE Visual  

  Basic NET Standard. In diesem Rahmen wurden verschiedene Berech  

  nungsgrundlagen analysiert und bewertet, die zu einem späteren Zeitpunkt  

vollständig  in das Programm implementiert wurden. Um das Programm von  

  existierenden Lösungen abzugrenzen, wurde eine übersichtliche, benutzer  

  freundliche und inhaltlich korrekte Bedieneroberfläche geschaffen. Zusätzlich  

  entstand eine Datenbank, in der Zug- und Scherfestigkeiten von Schmelzlöt  

verbindungen  dokumentiert wurden. Dazu wurden genormte und häufig ver  

  wendete Lote sowie eine Auswahl von lötbaren Grundwerkstoffen zusam  

  mengestellt. Eine Datenbankpflege wird vorausgesetzt, da aufgrund ausste  

  hender Zugversuche auf Faustwerte zurückgegriffen werden muss  

  Die Dokumentation der Programmerstellung ist das Hauptthema im Schriftteil  

  dieser Diplomarbeit. Notwendige Grundlagen, die zum Verstehen der Pro  

  blematik unverzichtbar sind, wurden zunächst erarbeitet und analysiert. Es  

  werden Probleme im Rahmen der Umsetzung vorhandener Berechnungs  

  grundlagen sowie die Herangehensweise der Lösungsfindung aufgezeigt  

  Dazu wurden schematische Darstellungen entwickelt, die eine Einteilung der  

vorhandenen  Probleme in mehrere Module ermöglichen und eine globale  

  Übersicht über den Entwicklungsprozess bieten. Die daraus resultierenden  

  Module wurden programmiert und über Schnittstellen zusammengefügt  

  Diese Entwicklung wird aufgrund des umfassenden Quellcodes komprimiert  

  und auszugsweise dargestellt  

  Das erstellte Programm muss zum Beseitigen von Fehlern getestet werden  

  Daher ist das Entwickeln von Testverfahren dokumentiert. Testen ist eine  

  langwierige Prozedur, deshalb sind dessen Ergebnisse nicht im Rahmen des  

  Schriftteiles dieser Diplomarbeit ausgewertet  

Inhaltsverzeichnis 3

  Inhaltsverzeichnis  

  Abstract  1

Inhaltsverzeichnis   3

  Abbildungsverzeichnis  5

Tabellenverzeichnis   7

  Symbolverzeichnis  8

1  Einleitung  10

1.1  Aufgabenbeschreibung  11

1.2  Zielstellung  12

2  Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen  13

2.1  Begriffsklärung  13

2.1.1  Festigkeit  13

2.1.2  Löten  13

2.1.3  Lötverbindungen  14

2.1.4  Lötbarkeit  14

2.1.4.1  Löteignung  15

2.1.4.2  Lötmöglichkeit  16

2.1.4.3  Lötsicherheit  17

2.2  Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Lötverbindung  17

2.2.1  Fertigungsbedingte Einflüsse  19

2.2.2  Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der  

  Grundwerkstofffestigkeit  21

2.2.3  Konstruktive Einflüsse  22

2.2.4  Einflüsse der Betriebsbedingung  25

2.3  Klassifizierung des Lötens  27

2.3.1  Schmelzlöten und zugelassene Werkstoffkombinationen  27

2.3.2  Diffusionslöten und zulässige Werkstoffkombinationen  28

3  Entwicklungsphasen eines Programms  30

4  Analyse  31

4.1  Klärung der Aufgabenstellung  31

4.1.1  Konkrete Aufgabenstellung  31

4.1.2  Zielgruppe  32

4.2  Randbedingungen  32

4.3  Vorselektion des Materials  33

4.3.1  Analyse der Berechnung nach VDI/VDE 2251 Blatt 3  33

4.3.1.1  Inhalt der VDI/VDE 2251 Blatt 3  33

4.3.1.2  Anmerkungen zu der VDI/VDE 2251 Blatt 3  36

4.3.2  Analyse der Berechnung nach „Allgemeinen Regeln der Technik“  37

4.3.2.1  Inhalt„Allgemeinen Regeln der Technik“  37

4.3.2.2  Anmerkungen zu den „Allgemeinen Regeln der Technik“  42

5  Entwurf  43

5.1  Sichten von vorhandenen Problemlösungen  43

5.1.1  KISSsoft-Hirnware  43

Inhaltsverzeichnis 4

5.1.1.1  Beschreibung von KISSsoft-Hirnware  44

5.1.1.2  Bewertung von KISSsoft-Hirnware  47

5.1.2  MDESIGN mec 7 3  49

5.1.2.1  Beschreibung von MDESIGN mec 7 3  49

5.1.2.2  Bewertung von MDESIGN mec 7 3  50

5.2  Allgemeine Probleme  50

5.2.1  Einbinden von Werkstoffen  51

5.2.1.1  Lotwerkstoffe  51

5.2.1.2  Grundwerkstoffe  56

5.3  Architektur  59

5.3.1  Bedieneroberfläche  59

5.3.2  Berechnungsstruktur  61

5.3.3  Programmstruktur  64

5.4  Design  66

5.4.1  Fehler  66

5.4.2  Steuerelemente  66

6  Entwurf des Algorithmus und Implementierung  68

6.1  Die Entwicklungsumgebung Visual Basic Net  68

6.1.1  Kurzbeschreibung von Visual Basic Net  68

6.1.2  Einordnung von Visual Basic Net  70

6.2  Programmiertechniken  71

6.2.1  Bottom-Up Komposition  71

6.2.2  Top-Down Dekomposition  72

6.3  Problemstellung und Lösung  72

6.3.1  „Hauptfenster“  73

6.3.2  „Fenster zur Auswahlsteuerung“  75

6.3.3  Eingabefenster „Stoßart“  77

6.3.4  Eingabefenster „Werkstoffe“  78

6.3.5  Eingabefenster „Betriebsfaktor“  81

6.3.6  Eingabefenster „Sicherheit“  82

6.3.7  Eingabefenster „Abmaße“  83

6.3.8  Hilfefenster „Abmaße“  85

6.3.9  Hilfefenster „Werkstoffe“  86

6.3.10  Hilfefenster „Betriebsfaktor“  90

6.3.11  Hilfefenster „Überlappungslänge VDI“  91

6.3.12  Hilfefenster „Überlappungslänge Allgemeine Regeln der Technik“  94

6.3.13  „Fenster zur Berechnung“  95

7  Testen  97

7.1  Fehler  97

7.2  Testprinzipien ( 20 S. 17 )  98

7.3  Testverfahren  99

8  Benutzungshinweise  101

8.1  Kompatibilität  101

8.2  Installation  102

9  Schlussbetrachtung  103

9.1  Aussichten  104

9.2  Einschränkungen  104

  Literaturverzeichnis  106

  Abbildungsverzeichnis  5

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildung 1 : Darstellung der Lötbarkeit ( 6 S. 96 )  15

  Abbildung 2 : Legierungsbildung an der Lötstelle ( 13 S. 243 )  18

  Abbildung 3 : Einfluss der Löttemperatur auf die Festigkeit  20

  Abbildung 4 : Lötzeit in Abhängigkeit vom Flussmittel ( 13 S. 261 )  20

  Abbildung 5 : Einfluss der Zusammensetzung des Flussmittels ( 1 S. 133 )  21

  Abbildung 6 : Zug- und Scherfestigkeit der Lötverbindungen in Abhängigkeit von  

  der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs ( 1 S. 134 )  22

  Abbildung 7 : Kapillare Steighöhe von niedrig schmelzenden Hartloten in  

  Abhängigkeit von der Spaltbreite ( 6 S. 102 )  23

  Abbildung 8 : Zugfestigkeit einer Lötverbindung in Abhängigkeit von der Spaltbreite  

  ( 13 S. 249 )  24

  Abbildung 9 : Kapillarer Fülldruck in Abhängigkeit von der Spaltbreite ( 6 S. 103 )  24

  Abbildung 10 : Zeitstandfestigkeit des Lots LAg40 Cd20 in Abhängigkeit von der  

  Temperatur ( 1 S. 136 )  25

  Abbildung 11 : Zeitstandfestigkeit des Lots LSn50 in Abhängigkeit von der  

  Temperatur ( 11 S. 137 )  26

  Abbildung 12 : Biegewechselfestigkeit verschiedener Lote ( 1 S. 137 )  26

  Abbildung 13 : Mögliche Grundwerkstoff -Lot-Kombinationen ( 6 S. 106 )  28

  Abbildung 14 : Schematische Darstellung der Mechanismen beim Diffusionslöten  

  ( 6 S. 104 )  29

  Abbildung 15 : Werkstoffkombinationen beim Diffusionslöten ( 6 S. 105 )  29

  Abbildung 16 : Entwicklungsphasen eines Programms  30

  Abbildung 17 : Überlappverbindungen ( 14 S. 18 )  33

  Abbildung 18 : Stumpfstoßverbindung ( 14 S. 19 )  35

  Abbildung 19 : Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Übelappstoß) ( 12 S. 89 )  38

  Abbildung 20 : Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Rohrsteckverbindung)  

  ( 12 S. 89 )  38

  Abbildung 21 : Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Steckverbindung-Vollstab)  

  ( 12 S. 89 )  38

  Abbildung 22 : KISSsoft-Hirnware (Screenshot Lötverbindung)  44

  Abbildung 23 : Überlappstoß (Flachverbindung) ( 10 S. 336 )  45

  Abbildung 24 : Überlappstoß (Welle-Nabe Verbindung) ( 10 S. 337 )  46

  Abbildung 25 : MDESIGN mec 7 3 (Screenshot Klebverbindung)  49

  Abbildung 26 : Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 1  60

  Abbildung 27 : Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 2  60

  Abbildung 28 : Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 3  61

  Abbildung 29 : Ablauf und Ergebnisberechnung des Festigkeitsnachweises nach 14  62

  Abbildungsverzeichnis  6

  Abbildung 30 : Ablauf und Ergebnisberechnung des Festigkeitsnachweises nach 12  63

  Abbildung 31 : Fluss-Diagramm  65

  Abbildung 32 : Navigations-Diagramm  65

  Abbildung 33 : Entwicklungsumgebung Visual Basic Net  69

  Abbildung 34 : Beliebtheit von Programmiersprachen nach 19  70

  Abbildung 35 : Verwendete IDEs nach 19  71

  Abbildung 36 : „Hauptfenster“  74

  Abbildung 37 : Auszug aus dem Quellcode (MenuItem)  74

  Abbildung 38 : „Fenster zur Auswahlsteuerung“  75

  Abbildung 39 : Auszug aus dem Quellcode (Auswahlsteuerung)  76

  Abbildung 40 : Auszug aus dem Quellcode (Button „Abmaße“)  76

  Abbildung 41 : Eingabefenster „Stoßart“  77

  Abbildung 42 : Eingabefenster „Werkstoffe“  78

  Abbildung 43 : Auszug aus dem Quellcode (Lotauswahl)  79

  Abbildung 44 : Auszug aus dem Quellcode (Werkstoffübergabe)  80

  Abbildung 45 : Eingabefenster „Betriebsfaktor“  81

  Abbildung 46 : Eingabefenster „Sicherheit“  82

  Abbildung 47 : Eingabefenster „Abmaße“  83

  Abbildung 48 : Auszug aus dem Quellcode (Steuern der Panels)  84

  Abbildung 49 : Auszug aus dem Quellcode (Beschränken derZeichen)  85

  Abbildung 50 : Hilfefenster „Abmaße“  86

  Abbildung 51 : Hilfefenster „Werkstoffe“  87

  Abbildung 52 : Auszug aus dem Quellcode (Binden der Datentabelle)  88

  Abbildung 53 : Auszug aus dem Quellcode (Blättern in Datentabelle)  89

  Abbildung 54 : Auszug aus dem Quellcode (letzter Datensatz)  89

  Abbildung 55 : Hilfefenster „Betriebsfaktor“  90

  Abbildung 56 : Hilfefenster „Überlappungslänge VDI“  91

  Abbildung 57 : Auszug aus dem Quellcode (Überlappungslänge-VDI)  93

  Abbildung 58 : Hilfefenster „Überlappungslänge Allgemeine Regeln der Technik“  94

  Abbildung 59 : Auszug aus dem Quellcode (Überlappungslänge-Allg )  95

  Abbildung 60 : „Fenster zur Berechnung“  96

Tabellenverzeichnis 7   

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 1  Zugfestigkeit von Lötverbindungen verschiedener Nahtformen ( 1 S. 135 )  22

Tabelle 2  : Optimale Spaltbreite für das Spaltlöten ( 5 S. 205 )  25

Tabelle 3  : Abminderungsfaktor i bei Überlappverbindungen ( 14 S. 19 )  34

Tabelle 4  : Anwendungs- bzw. Betriebsfaktor KA ( 11 S. 41 )  41

Tabelle 5  : Festigkeitsnachweis für Lötverbindungen ( 10 S. 336 337 )  48

Tabelle 6  : Löteignung der Werkstoffe (vgl. 22 S. 2 )  56

Tabelle 7  : Festlegen der Wertebereiche  100

Symbolverzeichnis 8

Symbolverzeichnis

A Fläche A l Lötnahtfläche b Breite der belasteten Lötverbindung, Lötspaltbreite b S Spaltbreite d Durchmesser des Lötnahtringes d a Außendurchmesser des Innenteils bei gefügten zylindrischen Teilen F Normalkraft Ausschlagkraft F ^a F nenn senkrecht zur Stiftachse wirkende Nennbiegekraft g Erdbeschleunigung h Fl Viskosität der Flüssigkeit h max maximale Steighöhe i Abminderungsfaktor bei Überlappverbindungen K A Anwendung- bzw. Betriebsfaktor l Hebelarm der Nennbiegekraft l ü Überlappungslänge (Einstecktiefe) π LUDOLFsche Zahl p 1 Flächenpressung (Drehwirkung) p 2 Flächenpressung (Schubwirkung) Dichte des Flüssigkeitstropfens p ^Fl r 1 innerer Radius r 2 außerer Radius R e Streckgrenze des Grundwerkstoffs R m Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs R ml Zugfestigkeit des Lotes s Blechdicke S Sicherheitsfaktor s Einstecktiefe des Stiftes

Sicherheit gegen (gewalt)-Bruch bzw. Dauerbruch (statisch) S ^B S Bmin mindest Sicherheit gegen (gewalt)-Bruch bzw. Dauerbruch (statisch) S D Sicherheit gegen (gewalt)-Bruch bzw. Dauerbruch (dynamisch) S Dmin mindest Sicherheit gegen (gewalt)-Bruch bzw. Dauerbruch (dynamisch) S erf erforderlicher Sicherheitsfaktor

Symbolverzeichnis 9

s Fl Fließweg S vorh vorhandener Sicherheitsfaktor s z Zugspannung s zzul zulässige Zugspannung t Zeit t azul zulässige Scherspannung t Bl Scherfestigkeit des Lots t min kleinste Bauteildicke T nenn zu übertragenes Nenntorsionsmoment v L Lötnahtfaktor x Hilfsfaktor y i,k Oberflächenspannung β Benetzungswinkel σ BW Biegewechselfestigkeit σ l Normalspannung σ lB Zugfestigkeit der Lötnaht σ lzul zulässige Normalspannung τ a Scherspannung τ a,S Scherspannung bei Zug (dynamisch) τ a,t Scherspannung bei Torsion (dynamisch) τ l (mittlere) Scherspannung τ L,A,t t L,A,t » t ^L,A,z τ L,A,z Ausschlagfestigkeit zugbeanspruchter Lötverbindungen τ L,B,t t L,B,t » t ^L,B,z τ L,B,z Bruchfestigkeit zugbeanspruchter Lötverbindungen τ lB Scherfestigkeit der Lötnaht τ lzul zulässige Scherspannung τ S Scherspannung bei Zug (statisch) τ t Scherspannung bei Torsion (statisch)

Kapitel 1 Einleitung 10

1 Einleitung

Das Verbinden von Bauteilen ist ein wesentlicher Bestandteil des Maschinenbaus. Zu den wichtigsten Verbindungselementen gehören Niete, Schrauben, Federn, Stifte, Bolzen sowie Schweiß-, Löt- und Klebverbindungen, wobei Schweißen, Löten und Kleben zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren gehören. Um vor der Fertigung mit ausreichender Sicherheit behaupten zu können, dass das entstehende Produkt der vorgesehenen Belastung standhält, sind viele Untersuchungen durchgeführt worden. Ziel dieser Untersuchungen war es, Formelwerke zu entwickeln, die eine Voraussage der ertragbaren Belastung ermöglichen. Folglich entstand eine Vielzahl von Gleichungen, die in sehr umfassenden Nachschlagewerken abgedruckt wurden.

Es eröffnete sich ein neuer Markt, um Ingenieuren die Arbeit mit diesen Gleichungen zu erleichtern und abzunehmen. Ziel ist es, die existierenden Gleichungen in Berechnungsroutinen zu implementieren, um die geforderten Ergebnisse in Abhängigkeit von den Eingabeparametern zu liefern. Mittels neuartiger Berechnungssoftware ist es heute möglich, viele Verbindungen von Werkstoffen durch eine große Zahl an Fügeverfahren zu simulieren. Hilfreich ist dies vor allem in der Konstruktion, da Verbindungen ohne großen Aufwand dimensioniert werden können und Ergebnisse über die ertragbare Belastung geliefert werden. Diese Programme bieten eine große Auswahl an Nachweisen für die verschiedensten Verbindungselemente. Jedoch erhält das Fügeverfahren Löten in solchen Programmen bis heute nicht genügend Beachtung und wird daher Thema dieser Diplomarbeit.

Löten ist ein thermisches Fügeverfahren, das eingesetzt wird, um Bauteile aus meist metallischen Werkstoffen zu verbinden. Die Löttechnik wurde vor ca. 6000 Jahren erfunden und ist damit das älteste Fügeverfahren, das unter Nutzung einer Wärmequelle das Verbinden metallischer Werkstoffe ermöglicht. Ursprünglich war das Anfertigen von Schmuck- und Kunstgegen- ständen das wichtigste Einsatzgebiet. Heute ist das Löten in dieser alten

Kapitel 1 Einleitung 11

Kunst noch immer unverzichtbar und es sind noch viele Bereiche hinzugekommen. Zu diesen Bereichen gehören die Herstellung von Dosen, Kühlern und elektrischen Kontakten beim Weichlöten, sowie die Produktion von Fahrzeugrahmen und Rohrflanschen durch Hartlöten. Die Bedeutung des Lötens stieg besonders im 20. Jahrhundert durch die Erschließung neuer Werkstoffe und Verfahren.

1.1 Aufgabenbeschreibung

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist das Erstellen eines übersichtlichen, bedie-nerfreundlichen und lauffähigen Programms zum Führen eines Festigkeitsnachweises von Schmelzlötverbindungen unter dem Betriebssystem Windows XP. Es ist als Modul einer umfangreichen Software zu verstehen, in der verschiedenste Verbindungselemente berechnet werden können. Dabei ist die Entstehung einer verbesserten Alternative zu marktführenden Berechnungsprogrammen, wie KISSsoft-Hirnware oder MDESIGN mec, anzustreben.

Das Programm soll dem Anwender die Möglichkeit bieten, erforderliche Lötstellenflächen und Überlappungslängen bei vorgegebener Belastung sowie die maximal ertragbaren Kräfte und Momente bei vollständig gestalteten Schmelzlötverbindungen zu berechnen. Es sind Gleichungen zu verwenden, die gefestigten Regeln der Technik entsprechen oder genormt sind. Die Menge der Lot- und Grundwerkstoffe, die in das Programm eingebunden werden, sollen auf Grund ihrer Vielzahl sinnvoll beschränkt werden.

Als Programmieroberfläche wird das Programm VisualBasic.Net verwendet. Die Programmiersprache Basic wird bei den heutigen Prozessorleistungen den Geschwindigkeitsanforderungen gerecht und ist zudem auch leicht zu erlernen.

Kapitel 1 Einleitung 12

1.2 Zielstellung

Das zu erstellende Programm soll eine Alternative zu bereits existierenden Programmen darstellen, daher muss es sich von diesen klar abgrenzen. Die Abgrenzung kann bzw. muss durch ein neues Screendesign und durch Verwendung geeigneter und gefestigter Berechnungsgrundlagen angestrebt werden. Die Gestaltungsziele der Bedieneroberfläche sind in Abschnitt 5.3.1 näher erläutert.

Die Berechnungen nach „allgemeinen Regeln der Technik“ [12] und nach der VDI/VDE Richtlinie 2251 Blatt 3 [14] sind geeignet für einen repräsentativen Festigkeitsnachweis einer Schmelzlötverbindung. Die Möglichkeit eines Festigkeitsnachweises nach verschiedenen Berechnungsgrundlagen innerhalb eines Programms zeigt zusätzlich Unterschiede in den gelieferten Ergebnissen und gibt Anstoß zu einer Vereinheitlichung sämtlicher Berech-nungsgrundlagen. Eine eventuelle Normung der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen ist als Folge wünschenswert.

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 13

2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von

Schmelzlötverbindungen

2.1 Begriffsklärung

Im Folgenden sind für die Erstellung des Programms notwendige Begriffe abgegrenzt, um die Grundstrukturen des entstehenden Programms begreiflich zu machen.

2.1.1 Festigkeit

Definition der Festigkeit:

„Die Festigkeitslehre soll Spannungen und Verformungen in einem Bauteil ermitteln und nachweisen, dass sie mit ausreichender Sicherheit gegen Versagen des Bauteils aufgenommen werden. Ein Versagen kann in unzulässigen großen Verformungen oder Dehnungen, im Auftreten eines Bruchs oder im Instabilwerden (z.B. Knicken oder Beulen) des Bauteils bestehen. Die hierfür maßgebenden Werkstoffkennwerte sind abhängig vom Span-nungszustand (ein-, zwei- oder dreiachsig), vom Belastungszustand (statisch oder dynamisch), von der Betriebstemperatur sowie von der Größe und der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils.“ ([2] S. C1)

2.1.2 Löten

Definition des Begriffes Löten:

„Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 14

eines Lots (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht.“ ([25] S. 1)

2.1.3 Lötverbindungen

Definition des Begriffes Lötverbindungen:

„Lötverbindungen sind das Ziel und Ergebnis des Lötens. Als allgemein kennzeichnendes und von den ebenfalls stoffschlüssigen Schweiß- und Klebverbindungen abgrenzendes Merkmal von Lötverbindungen lässt sich zusammenfassen, dass nach dem Löten alle Bereiche der Lötverbindung zwar die gleiche chemische Bindung besitzen, sich jedoch einzelne Bereiche in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden.“ ([6] S. 96)

2.1.4 Lötbarkeit

Definition der Lötbarkeit :

„Lötbarkeit ist die Eigenschaft eines Bauteils, durch Löten derart hergestellt werden zu können, dass es die gestellten Forderungen erfüllt. Die Lötbarkeit eines Bauteils (vgl. Abbildung 1) ist vorhanden, wenn

• die Löteignung des Werkstoffes

• und die Lötmöglichkeit in der Fertigung, d.h. die Anwendbarkeit eines oder mehrerer Lötverfahren

• und die Lötsicherheit der Konstruktion, d.h. ausreichende Zuverlässigkeit des Bauteils bei den vorgesehenen Betriebsbedingungen

vorhanden sind.“ ([27] S. 1) „Jede der drei Eigenschaften Löteignung, Lötmöglichkeit, Lötsicherheit hängt von den Einflussgrößen Werkstoff, Ferti-

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 15

gung, Konstruktion ab, wobei der Grad der Abhängigkeit von der jeweiligen Lötaufgabe bestimmt wird.“ ([27] S. 1)

2.1.4.1 Löteignung

„Die Löteignung ist eine Werkstoffeigenschaft; sie wird von der Fertigung und in geringen Maß von der Konstruktion mitbestimmt. Die Löteignung eines Werkstoffes ist umso besser, je weniger die werkstoffbedingten Faktoren beim Festlegen der Bedingungen für die Löteignung einer bestimmten Lötkonstruktion berücksichtigt werden müssen. Der Werkstoff bestimmt die Löteignung im Wesentlichen durch seine folgenden Eigenschaften:“ ([27] S. 1)

• Chemische und metallurgische Eigenschaften ([27] S. 1)

• Physikalische Eigenschaften ([27] S. 1)

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 16

• Mechanische Eigenschaften ([27] S. 1)

2.1.4.2 Lötmöglichkeit

„Die Lötmöglichkeit ist eine Fertigungseigenschaft; sie wird vorwiegend von der Konstruktion und weniger vom Werkstoff bestimmt. Die Lötmöglichkeit für ein Bauteil ist umso besser, je weniger beim Entwurf der Konstruktion die fertigungsbedingten Merkmale bei dem gewählten Werkstoff berücksichtigt werden müssen. Die Fertigung bestimmt die Lötmöglichkeit im Wesentlichen durch ihre folgenden Merkmale:“ ([27] S. 1)

• Größe und Form des Bauteils,

• Maßhaltigkeit der zu lötenden Teile,

• Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit, Rissigkeit, Oxidationsgrad, Verunreinigungen),

• Oberflächenbeschichtung,

• Form und Abmessung des Lötspaltes oder der Lötfuge,

• Lage der Lotdepots und Spaltenlüftungen,

• Fixierung der Bauteile,

• Lot (Art, Menge, Form),

• Stoffe und Maßnahmen zur Oxidbeseitigung (Flussmittel, reduzierende Gase, Schutzgase, Vakuum, Reibung, Ultraschall),

• Lötprogramm (Temperatur und Zeit),

• Lötfolge (Stufenlöten),

• Wärmenachbehandlung (Diffusionsglühen, Vergüten),

• Reinigen der Lötstelle (Entfernen der Flussmittelreste),

• Prüfen der Lötstelle.

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 17

2.1.4.3 Lötsicherheit

„Die Lötsicherheit ist eine Konstruktionseigenschaft; sie wird gleichermaßen vom Werkstoff und von der Fertigung bestimmt. Die Lötsicherheit eines Bauteils ist umso größer, je weniger die konstruktionsbedingten Merkmale bei der Wahl des Werkstoffs sowie der Art der Lötfertigung und je weniger die Anforderung an das Bauteil im Betrieb beachtet werden müssen. Die Konstruktion bestimmt die Lötsicherheit im Wesentlichen durch ihre folgenden Merkmale:“ ([27] S. 2)

• Konstruktive Gestaltung ([27] S. 2)

• Beanspruchungszustand ([27] S. 2)

2.2 Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Lötverbin-

dung

Die Festigkeit einer Lötverbindung kann nach „Allgemeinen Regeln der Technik“ (z.B. [12]) oder nach VDI/VDE Richtlinie 2251 Blatt 3 nachgewiesen werden. Bevor ein solcher Nachweis geführt wird, sollte geklärt sein, wovon die Festigkeit einer Lötverbindung abhängig ist.

Eine Lötverbindung besteht nicht nur aus Grund- und Lotwerkstoff sondern auch aus einer Legierungszone. Diese Legierungszone entsteht durch Diffu- sion von Legierungselementen des Lots und des Grundwerkstoffs. Durch das

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 18

Einbringen von thermischer Energie wird eine zwischenatomare Bindung ausgeprägt, wobei die Atome des geschmolzenen Lots unmittelbar mit der Oberfläche des Grundwerkstoffs in Kontakt stehen müssen. Dieser Kontakt wird durch die Lötstellenvorbereitung realisiert (vgl. [6] S. 103).

Vier Prozesse sind grundlegend für eine Lötverbindung (vgl. [6] S. 103):

• Diffusion von Atomen des Grundwerkstoffs in das geschmolzene Lot unter Bildung einer festen Lösung bei einer sich anschließenden Kristallisation

• Diffusion von Atomen des Lots in den festen Grundwerkstoff unter Bildung einer festen Lösung

• Gegenseitige Diffusion von Atomen des Lots und des Grundwerkstoffs unter Bildung intermetallischer Verbindungen (auch als intermetallische Phase bezeichnet)

• Adhäsion (diffusionsfreie Bindung)

Grundlage für diese Prozesse ist die Legierungsbildung zwischen einem Legierungselement des Grundwerkstoffs und einem Mischkristall, ein Eutektikum oder einer intermetallischen Phase aus wenigstens einem Legierungselement des Lots. Deshalb ist die Festigkeit einer Lötverbindung nicht nur vom Lotwerkstoff abhängig. Weitere Faktoren sind die Grundwerkstoff-

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 19

zusammensetzung und -festigkeit, Größe und Beschaffenheit der Lötfläche, Spaltbreite, Spaltform, Zusammensetzung des Flussmittels, Löttemperatur, Qualität der Ausführung und Betriebsbedingungen. Einflüsse auf die Festigkeit einer Lötverbindung sind eingeteilt in (vgl. [1] S. 131):

• fertigungsbedingte Einflüsse

• Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der Grundwerkstofffestigkeit

• konstruktive Einflüsse

• Einflüsse der Betriebsbedingungen.

2.2.1 Fertigungsbedingte Einflüsse

Der Einsatz mechanisierter Lötverfahren lässt eine gleich bleibende Festigkeit der Lötverbindung erwarten. Bei manuellen Lötverfahren, wie beim Löten mit der Flamme oder dem Lötkolben, ist die Festigkeit abhängig von den Fähigkeiten der Person, die die Lötung ausführt.

Die Löttemperatur hat ebenfalls Einfluss auf die Festigkeit einer Lötverbindung (vgl. Abbildung 3). Bei niedrigen Löttemperaturen sind geringe Festigkeitswerte mit einem großen Streubereich zu erwarten. Grund dafür ist eine zu schnelle Erstarrung in zumeist engen Lötspalten. Bei höheren Löttemperaturen gestaltet sich die Erstarrung langsamer und ermöglicht einen längeren Diffusionsvorgang. Demzufolge ist eine höhere Festigkeit der Lötverbin- dung zu erwarten (vgl. [1] S. 131-132).

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 20

Auf den Faktor Zeit ist beim Löten besonders zu achten. Ein Flussmittel wird vor der Lötung auf die Spaltoberfläche aufgetragen. Dieses benötigt mindestens 4 bis 5 Sekunden um die Spaltoberfläche zu reinigen. Nach 4 Minuten Erwärmungsdauer sättigt sich jedoch das Flussmittel mit Metalloxiden und es bildet sich erneut eine Oxidschicht. Deshalb wird die Erwärmungsdauer bis Löttemperatur auf maximal 2 Minuten beschränkt (vgl. [13] S. 261).

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 21

Die Dauer eines Lötvorganges sollte ebenfalls zeitlich begrenzt werden, da sich die Diffusionsvorgänge bei zunehmender Lötzeit fortsetzen. Dabei besteht die Möglichkeit einer Kristallentstehung, die eine Verfestigung oder Versprödung bewirkt. Ebenso können zu kurze Lötzeiten zu Fehlern in der Lötnaht führen. Dies bewirkt wiederum einen Festigkeitsverlust der Lötverbindung (vgl. [13] S. 261).

2.2.2 Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der Grundwerkstofffestigkeit

Passend zum Lot sollte ein Flussmittel gewählt werden. Dieses Flussmittel ist ausschlaggebend für die Ausbreitung des Lots. Mit dem entsprechenden Flussmittel ist es möglich eine größere Fläche mit einem Lot zu benetzen und dadurch eine höhere Festigkeit in der Lötverbindung zu erzielen (vgl. [1] S. 133).

Durch die Wahl eines Grundwerkstoffs mit einer höheren Festigkeit steigt im Allgemeinen die Festigkeit der Lötverbindung. Die Zugfestigkeit einer Lötverbindung erhöht sich dabei stärker als die Scherfestigkeit einer Lötverbindung (vgl. [1] S. 133).

Kapitel 2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen 22

Abbildung 6: Zug- und Scherfestigkeit der Lötverbindungen in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des

Grundwerkstoffs ([1] S. 134)

2.2.3 Konstruktive Einflüsse

Bei der Konstruktion einer Lötverbindung ist darauf zu achten, dass entsprechend der Bauteilbelastung die Lötspaltform zu wählen ist. Die Form des Lötspaltes hat eine erhebliche Auswirkung auf die Festigkeit der Lötverbindung.

Tabelle 1 Zugfestigkeit von Lötverbindungen verschiedener Nahtformen ([1] S. 135)