Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
Fachbereich Ingenieurwissenschaften II

Diplomarbeit

im Studiengang Maschinenbau / Konstruktion
zum Thema

Erstellen eines Programms zum Gestalten und Berechnen von
Schmelzlötverbindungen

Autor: 

Thomas Hauser

Berlin, 03.September 2004

Abstract

Inhalt dieser Diplomarbeit ist das Erstellen eines Programms zur Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen durch Verwenden der IDE Visual Basic.NET Standard. In diesem Rahmen wurden verschiedene Berechnungsgrundlagen analysiert und bewertet, die zu einem späteren Zeitpunkt vollständig in das Programm implementiert wurden. Um das Programm von existierenden Lösungen abzugrenzen, wurde eine übersichtliche, benutzerfreundliche und inhaltlich korrekte Bedieneroberfläche geschaffen. Zusätzlich entstand eine Datenbank, in der Zug- und Scherfestigkeiten von Schmelzlötverbindungen dokumentiert wurden. Dazu wurden genormte und häufig verwendete Lote sowie eine Auswahl von lötbaren Grundwerkstoffen zusammengestellt. Eine Datenbankpflege wird vorausgesetzt, da aufgrund ausstehender Zugversuche auf Faustwerte zurückgegriffen werden muss.

Die Dokumentation der Programmerstellung ist das Hauptthema im Schriftteil dieser Diplomarbeit. Notwendige Grundlagen, die zum Verstehen der Problematik unverzichtbar sind, wurden zunächst erarbeitet und analysiert. Es werden Probleme im Rahmen der Umsetzung vorhandener Berechnungsgrundlagen 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

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
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
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 LAg40Cd20 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

[...]

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

[...]

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 Kunstgegenständen das wichtigste Einsatzgebiet. Heute ist das Löten in dieser alten 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, bedienerfreundlichen 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.

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 Berechnungsgrundlagen. Eine eventuelle Normung der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen ist als Folge wünschenswert.

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 Spannungszustand (ein-, zwei- oder dreiachsig), vom Belastungszustand (statisch oder dynamisch), von der Betriebstemperatur sowie von der Größe und der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils.“ ([2] S. C1)

[....]