Untersuchungen zum wärmereduzierten Lichtbogenlöten von hochfesten Stahlverbindungen

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbolverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit

2 Aktueller Stand der Lichtbogenlöttechnologie
2.1 Verwendete Lichtbogenlötprozesse und ihre Anwendung in der Industrie

3 Durchführung von Lötversuchen unterschiedlicher Lichtbogenverfahren
3.1 Versuchsdurchführung und Auswertung des Plasmatron-Verfahrens
3.2 Versuchsdurchführung und visuelle Auswertungder Nähte im Super- MIG-Verfahrens
3.2.1 Auswirkungen des Plasmas im Super-MIG-Prozess
3.2.2 Kennlinienanpassung bei gekoppelter Closs und EWM-Anlage
3.2.3 Kennlinienanpassung beiEWM-Drive-Anlage
3.3 Versuchsbeschreibung und visuelle Auswertung des CMT-Verfahrens

4 Visuelle Untersuchung der Lichtbogenlöt-Verfahren
4.1 Werkstoffübergang und Lichtbogenarten
4.2 CMT
4.3 Super-MIG
4.4 Plasmatron

5 Vergleich der Lötverfahren in Abhängigkeit der erzielten Ergebnisse
5.1 Betrachtung der Härtereihenmessungen
5.2 Durchführung von Zugversuchen
5.3 Schwingfestigkeitsanalyse

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der eingesetzten Lötverfahren

7 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wolfram- Plasmaschweißanlage

Abbildung 2: Plasmatronanlage

Abbildung 3: Typische Plasmatronnaht 1

Abbildung 4: Typische Plasmatronnaht 2

Abbildung 5: Versuchsgruppe II, Plasma bei IPlasma/UPlasma = 30A/30V

Abbildung 6: Zugversuch von CuSn6 vom 16.04.2012

Abbildung 7: Vergleich der Nähte 7 aus CuSn6+P und CuSi3+Mn

Abbildung 8: Härteverlauf der CuSn6+P-Nähte

Abbildung 9: Funktionsweise des EWM-coldArc-Prozesses

Abbildung 10: Leistung beim Wiederzünden im EWM-coldArc-Prozess

Abbildung 11: Naht 4 mit ausgeschaltetem Plasma

Abbildung 12: Funktionsweise des CMT-Prozesses

Abbildung 13: Lichtbogen bei MIG- und MAG-Schweißen

Abbildung 14: Vergrößerter Ausschnitt des ersten Lötvorganges

Abbildung 15: Typische CMT-Naht

Abbildung 13: Pinch-Effekt

Abbildung 14: Schematischer Strom- und Spannungsverlauf beim Kurzlichtbogen

Abbildung 15: Schematischer Verlauf des Impulslichtbogens

Abbildung 16: CMT - Sequenz eines CMT-Zyklus

Abbildung 17: CMT - Sequenz eines Puls-Zyklus

Abbildung 18: CMT - Puls-Zyklus ohne Tropfenablösung

Abbildung 19: CMT - Strom- und Spannungsverlauf des Lichtbogens

Abbildung 20: CMT - Strom- und Spannungsverlauf des Lichtbogens beim Puls- Zyklus

Abbildung 21: CMT - Strom- und Spannungsverlauf des Lichtbogens beim CMT- Zyklus

Abbildung 22: Super-MIG - Lichtbogenverläufe unterschiedlicher Parametereinstellungen

Abbildung 23: Super-MIG -Sequenzen des kurzschlussbehafteten Werkstoffübergangs

Abbildung 24: Super-MIG - Lötnähte von Probe 1 (links) und Probe 4 (rechts)

Abbildung 25: Super-MIG - Sequenzen des kurzschlussfreien Werkstoffübergangs

Abbildung 26: Super-MIG - Lötnähte von Probe 2 (links) und Probe 3 (rechts)

Abbildung 27: Super-MIG - Strom- und Spannungsverläufe des MIG-Lichtbogens

Abbildung 28: Super-MIG - Strom- und Spannungsverlauf des MIG-Lichtbogens bei kurzschlussbehaftetem Werkstoffübergang

Abbildung 29: Super-MIG - Strom- und Spannungsverlauf des MIG-Lichtbogens bei kurzschlussfreiem Werkstoffübergang

Abbildung 30: Plasmatron - Sequenz des Abschmelzvorgangs

Abbildung 31: Plasmatron - Verlauf des Plasma-Lichtbogenstroms

Abbildung 32: Plasmatron - Lötnähte

Abbildung 33: Härteprüfung nach Vickers

Abbildung 34: Schliffbild aus Versuchsgruppe II (Super-MIG-Verfahren), Härteprüfung nach Vickers an Ober- und Unterblech

Abbildung 35: Versuchsgruppe I (Plasmatron-Verfahren): Härtereihenmessungen

Abbildung 36: Versuchsgruppe II (Super-MIG-Verfahren): Härtereihenmessungen

Abbildung 37: Versuchsgruppe III (CMT-Verfahren): Härtereihenmessungen

Abbildung 38: Schliffbilder aus Versuchsgruppe III (CMT-Verfahren), geätzt

Abbildung 39: Spannungs-Dehnungsdiagramm

Abbildung 40: Versuchsgruppe II (Super-MIG-Verfahren): Zugverfestigungskurven

Abbildung 41: Idealtypische Darstellung der Wöhlerlinie

Abbildung 42: Versuchsgruppe I (Plasmatron-Verfahren): Ergebnisse aus dem Schwingversuch

Abbildung 43: Versuchsgruppe II (Super-MIG-Verfahren): Ergebnisse aus dem Schwingversuch

Abbildung 44: Versuchsgruppe III (CMT-Verfahren): Ergebnisse aus dem Schwingversuch

Abbildung 45: Auswahl eines Fertigungsverfahrens

Abbildung 46: Wöhlerlinie von CuSn6+P bei der Clossanlage

Abbildung 47: Wöhlerlinie von CuAn6+P bei der EWM-Anlage

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Versuchsgruppe I (Plasmatron-Verfahren): Ergebnisse der Durchläufe

Tabelle 2: Versuchsgruppe II; Ergebnisse der Probedurchläufe für CuSi3Mn1

Tabelle 3: Kennlinienanpassung, Versuchsreihe 1,Ergebnisse der Plasmaanpassung

Tabelle 4: Verwendete Jobnummern

Tabelle 5: Versuchsreihe 2; Blindnähte für die Kennlinienanpassungvom 10.04.2012, EWM- und Closskoppelung

Tabelle 6: Versuchsreihe 3, Blindnähte für die Kennlinienanpassungvom 17.04.2012, EWM- und Closskoppelung

Tabelle 7: Versuchsreihe 4, Blindnähte für die Kennlinienanpassung, EWM

Tabelle 8: Versuchsreihe III, Ergebnisse des CMT-Fügens

Tabelle 9: Parametereinstellungen für den CMT-Prozess

Tabelle 10: Parametereinstellungen für den Super-MIG-Prozess

Tabelle 11: Parametereinstellungen für den Plasmatron-Prozess

Tabelle 12: Versuchsgruppe II (Super-MIG-Verfahren): Ergebnisse aus dem Zugversuch

Tabelle 13: Versuchsgruppe III (CMT-Verfahren): Ergebnisse aus dem Zugversuch

Tabelle 14: Versuchsgruppe I (Plasmatron-Verfahren): Ergebnisse aus dem Schwingversuch, Probe 1

Tabelle 15: Versuchsgruppe III (CMT-Verfahren): Ergebnisse aus dem Schwingversuch, Probe 17

Tabelle 16: Prozessgrenzen: Ergebnisse aus dem Zugversuch

Tabelle 17: Prozessgrenzen: Ergebnisse aus dem Schwingversuch

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Nachfrage der Industrie nach schweißgeeigneten Baustählen ist im Laufe der Zeit immer größer geworden. Insbesondere im Automobil- bzw. Karosseriebau erlangten oberflächenveredelte Feinkornbaustähle in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung.

Aufgrund der in diesem Bereich auftretenden geringen Blechstärken der hochfesten Stähle kann es bei herkömmlichen Fügeverfahren durch die eintretende Wärmewirkung jedoch schnell zum Materialverzug kommen. Außerdem kommt es durch die im Fügeprozess herrschenden hohen Temperaturen oft zu einem Verdampfen der Zinkbeschichtung, die das zu fügende Material vor Korrosion schützen soll. Als Folge führt dies häufig zu einem mangelhaften Korrosionsschutz der gefügten Konstruktion. So hat sich als eines der bekanntesten Metall-Schutzgas-Prozesse (MSG) für die schweißtechnische Verarbeitung das Löten aufgrund seiner guten Regulier- bzw. Steuerbarkeit im Prozess, seiner hervorragenden Automatisierbarkeit und letztlich wegen seiner hohen Wirtschaftlichkeit speziell im Karosseriebau fest etabliert.¹ Das Löten zeigte sich auch deshalb als ein geeignetes Fügeverfahren zum Verbinden hochfester Werkstoffe, weil es sich zum einen aufgrund seiner Individualität optimal an den Fügeprozess anpassen lässt und zum anderen in Bezug auf die Automatisierbarkeit der Fertigung äußerst vielseitig ist.² Letztendlich überzeugt das Löten auch durch den in Relation zu anderen Verfahren verhältnismäßig geringen im Prozess gelieferten Energieeintrag in das Material. Der Hauptvorteil ist hierbei darin zu sehen, dass somit durch dieses wärmearme Fügeverfahren die Beschichtung und Werkstoffeigenschaften des Stahls weniger stark beeinflusst werden. Zusätzlich bleibt durch den geringen Wärmeeintrag die Lötnaht selbst korrosionsfrei und es kommt darüber hinaus durch einen schmalen Zinkabbrand und der kathodischen Wirkung des Zinks zusätzlich zu einem nachhaltigen Schutz des Nebennahtbereiches.³

1.1 Motivation

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Lichtbogenlöten eingesetzt, da dieses Verfahren neben einer hohen Flexibilität über ein breites Prozessfenster verfügt. In direkter Analogiezum Schutzgasschweißen zählen auch zum Lichtbogenlöten eine Vielzahl von Prozessvarianten. Als Voraussetzungen für eine hohe Nahtfestigkeit sind hier einerseits eine günstige Spaltüberbrückbarkeit und andererseits eine geringe Spritzerneigung zu benennen, die mit den hier eingesetzten Verfahren optimal realisiert werden.

Durch den weit verbreiteten Einsatz der angewandten Verfahren und Werkstoffe in der Automobilbranche ist besonders die zyklische Festigkeit von großem Forschungsinteresse vieler Unternehmen. In dieser Arbeit sollen diese Maßnahmen weiterführend untersucht und letztendlich in Bezug auf den Einfluss der Prozess- und Verfahrgeschwindigkeit optimiert werden.

Hauptbeurteilungskriterien der Untersuchungen sollen dabei sowohl die Prozessstabilität als auch die zyklische und statische Festigkeit sein. Desweiteren sollen die Abhängigkeiten der Parametervariationen der Lichtbogenlötprozesse auf die Härteverläufe bzw. auf die Abmessungen der Wärmeeinflusszone (WEZ) untersucht werden. Ebenfalls werden die Benetzungsgüten, Anbindungen, die Mengen der Zusatzwerkstoffe und die Nahtgeometrien bzgl. der eingestellten Parameter betrachtet, um Aussagen für reproduzierbare und stabile Prozesse treffen zu können.

1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit

Die Hauptzielsetzung dieser Arbeit liegt darin, allgemeine Zusammenhänge zwischen den eingestellten Parametern der Lichtbogenlötverfahren und den Eigenschaften der Prozesse und den sich ergebenden Lötverbindungen zu ermitteln. Im Rahmen dieser Arbeit werden das CMT-Verfahren der Fa. Fronius, das Plasmatron-Verfahren der Fa. Inocon und das Super-MIG-Verfahren der Fa. PLT untersucht (vgl. Kapitel 2.1).

Für die Untersuchungen wurden feuerverzinkte Stahlfeinbleche der Güte HCT780XD+Z eingesetzt mit einer Dicke von 0,9 mm und 1,6 mmbei Abmessungen von 140 x 145 mm². Die Bleche wurden dabei durch Kehlnähte am Überlappstoß mit einer 10-mm-Überlappung und einem technischen Nullspalt miteinander verbunden oder als Blindnähte für die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen ausgeführt. Der verwendete Zusatzwerkstoff für das CMT-, SuperMIG- sowie für das Plasmatron-Verfahren war CuSn6+P. Sämtliche Verfahren wurden unter ArHe30%-Schutzgas ausgeführt.

Im ersten Abschnitt des Kapitels 2 wird zur Einleitung zunächst ein Überblick über die Lichtbogenlöttechnologien gegeben. Es wird dabei die grobe Einteilung des Lichtbogenlötens in die Metallschutzgas- und Wolframschutzgasprozesse (WSG) vorgenommen, auf die in der nachfolgenden Arbeit mit den untersuchten Lichtbogenprozessen Bezug genommen wird. Im darauffolgenden Abschnitt wird dann ergänzend ein kurzer Überblick über die derzeitigen Anwendungen der untersuchten Prozesse (CMT, Super-MIG und Plasmatron) in der Industrie gegeben.

Das Kapitel 3 beschäftigt sich genauer mit den benutzten Verfahren und geht auf Besonderheiten in der Verwendung ein. Zusätzlich werden die Nähte aufgrund einer Sichtprüfung und teilweise auf Basis einer metallurgischen Untersuchung beschrieben und bewertet. Weiterhin beschäftigt sich der Abschnitt mit der Anpassung der CuSn6-Kennlinie beim Super-MIG-Prozess. Hier werden unterschiedliche Anlagen mit verschiedenen Einsatzprozessen wie bspw. MIG und coldArc ausprobiert.

In Kapitel 3 erfolgt anschließend eine visuelle Untersuchung der Lichtbogenlötprozesse durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Zunächst wird dazu für die Prozesse mit abschmelzender Drahtelektrode (CMT, Super-MIG) eine Übersicht zu den Werkstoffübergängen und den damit verbundenen Einflussgrößen gegeben. Dabei werden für jeden Prozess charakteristische periodisch verlaufende Sequenzen aus den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen abgebildet, die bei den jeweiligen Parametereinstellungen auftreten. Simultan dazu werden die Spannungs- und Stromverläufe des Lichtbogens durch ein Oszilloskop aufgezeichnet. Diese Verläufe werden dann analysiert und auf die abgebildeten Sequenzen bezogen. Durch den Vergleich der Aufnahmen und Verläufe bei verschiedenen Parametereinstellungen eines Prozesses werden anschließend Gesetzmäßigkeiten abgeleitet.

Neben den praktischen Untersuchungen werden im Sinne einer weiteren Qualifizierung im Kapitel5 zusätzliche Untersuchungen bzgl. der statischen und dynamischen bzw. zyklischen Festigkeit sowie hinsichtlich der Härte, aber auch metallographische Methoden wie Makroaufnahmen und lichtmikroskopische Untersuchungen zur näheren Charakterisierung der Proben hinzugezogen. Dementsprechend folgt auf eine Betrachtung von Härtereihenmessungen in Kapitel 5.2 und 5.3 eine qualitative und quantitative Auswertung von Zugversuchen bzw. eine Schwingfestigkeitsanalyse. Am Ende der einzelnen Untersuchungen findet hierzu die Ermittlung der jeweiligen Prozessgrenzen der differenzierten Verfahren sowie des Einflusses der Prozess- bzw. Vorschubgeschwindigkeit auf die unterschiedlichen Festigkeiten statt.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung setzt sich mit Leistungsaspekten der Verfahren und dessen Kostenseite auseinander. Dabei werden Besonderheiten, durch die sich die Prozesse für bestimmte Anwendungen eignen, noch einmal hervorgehoben.

2 Aktueller Stand der Lichtbogenlöttechnologie

Beim Löten handelt es sich gemäß Definition um einen physikalisch-chemischen Fügeprozess, bei dem im Zuge einer thermischen Wechselwirkung zwischen dem zu lötenden Grundwerkstoff (GW) und dem aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoff - dem Lot - nach dessen Erstarrung eine unlösbare feste und stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.⁴ International versteht man gemäß DIN ISO 857-2 unter Löten hingegen einen „Fügeprozess, bei dem ein geschmolzenes Lot genutzt wird, das eine Liquidustemperatur besitzt, die tiefer ist als die Solidustemperatur der/des Grundwerkstoffe(s). Das geschmolzene Lot benetzt die Oberflächen der/des Grundwerkstoffe(s) und wird während oder bei Ende des Aufheizens in einen engen, zwischen den zu fügenden Teilen befindlichen Spalt hineingezogen (oder, falls vorab eingelegt, dort gehalten).“ Durch die Wechselwirkung, die an der Grenzfläche zwischen Werkstück und Lot auftritt, bildet sich eine Art Übergangsschicht, die für den Stoffschluss zwischen den zu fügenden Verbindungspartnern sorgt. Dabei bildet die Kristallisation, die durch diese Wechselwirkung zwischen den zu lötenden Bauteilen und dem Lot hervorgerufen wird, schließlich die Lötverbindung.⁵

Das Lichtbogenlöten, welches - wie eingangs erwähnt - den Hauptbetrachtungskern dieser Arbeit darstellen soll, lässt sich auf funktionaler Ebene unter dem Löten mittels elektrischer Gasentladung einordnen und wird im Regelfall beim Fügen von oberflächenveredelten Blechen aus herkömmlichem Feinkornstahl praktiziert. Durch die relativ niedrige Liquidustemperatur der verwendeten Zusatzwerkstoffe, die sich - je nach Werkstoff - im Intervall zwischen 910 und 1.074 °C befindet, kommt es nur zu einer geringen Schädigung der Materialbeschichtung sowie zu einer geringen thermischen Belastung bzw. Beeinträchtigung der gefügten Bauteile und ihrer Materialeigenschaften.⁶ Die eingesetzten Kupferbasislote sind darüber hinaus in Bezug auf Korrosionserscheinungen weitestgehend unempfindlich. Ferner wird beim Lichtbogenlöten der GW nicht wesentlich aufgeschmolzen, wonach der Einsatz und die Verwendung von Flussmitteln üblicherweise nicht erforderlich ist.⁷ Man unterscheidet grundsätzlich zwischen dem MSG-Löteneinerseits (Metall- Aktivgas, MAG, und Metall-Intergas, MIG) und dem WSG-Löten andererseits (Wolfram-Inertgas, WIG, und Wolfram-Plasma-Löten, WP).⁸

Die wichtige Bedeutung des Lötens wurde in zurückliegenden Jahrzehnten in allen hoch entwickelten Industrienationen erst relativ spät erkannt. Aus diesem Grund wurden die bereits in der Industrie eingesetzten Verfahren erst in den letzten Jahren immer weiter zielführend verbessert, um somit den gegenüber anderen Fügeverfahren, insbesondere den gegenüber dem Schweißen vorhandenen technischen Rückstand nach und nach zu schmälern. Hierzu kamen eine Vielzahl neuer Verfahren auf den Industriemarkt und es fanden die ersten Technologieansätze zum Ziele eines mechanisierten und schließlich vollautomatisierten Lötprozesses statt, wie z. B. der erstmalige Einsatz hochproduktiver Fertigungsanlagen wie sog. Induktions- und Flammenfeldlötanlagen oder der Schutzgaslötofen, um hier nur einige wenige Beispiele aufzuführen. Festzuhalten ist, dass mit der Einführung rationeller Lötverfahren auch der Anwendungsumfang des Lötens als fügendes Fertigungsverfahren über die verschiedensten Industriezweige hinweg rasant zunahm. Gleichzeitig setzte hierzu eine Verlagerung des Hauptanwendungsgebietes von der Einzelteillötung und dem Löten als Reperaturverfahren zur Massenfertigung ein.⁹

2.1 Verwendete Lichtbogenlötprozesse und ihre Anwendung in der Industrie

Für die Lötverbindungen, die in den nachfolgenden Kapiteln bzgl. der veränderten Verfahrparameterbspw. auf ihre Härteverteilung und Zugfestigkeit untersucht werden, wurden drei unterschiedliche Lichtbogenfügeverfahren eingesetzt. Ein Vorteil der verwendeten Verfahren besteht zunächst darin, dass sie sowohl zum Schweißen als auch zum Löten eingesetzt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Verfahren zum Verlöten eines feuerverzinkten hochfesten Stahlfeinblechs der Güte HCT780XD+Z verwendet. Die verwendeten Lichtbogenlötverfahren werden überwiegend für den Karosseriebau in der Automobilindustrie eingesetzt. Dabei eignen sich die Verfahren vor allem zum Verbinden von beschichteten Stahlfeinblechen (Wandstärken zwischen 0,3 und 3 mm) und niedriglegierten oder auch höherlegierten Stahlbauteilen. Im Karosseriebau werden dabei vorallem verzinkte Stahlfeinbleche, die einen Schutz vor Korrosion bieten, durch das Lichtbogenlöten miteinander verbunden.

Die in diesem Rahmen der Arbeit verwendeten Lichtbogenlötprozesse, bei denen es sich um Weiterentwicklungen, Modifikationen und Verbindungen konventioneller Lichtbogenlötprozesse handelt, zeichnen sich im Vergleich zu den konventionellen Verfahren durch eine geringere Wärmeeinbringung in den GW, eine gute Spaltüberbrückbarkeit, stabilere Prozesse mit geringerer Spritzerneigung und teilweise durch eine bessere Nahtoptik aus. Durch die geringere Wärmeeinbringung in den GW kommt es dabei zu einem geringeren Verzug und Eigenspannungen im Bauteil sowie zu einer geringeren Beeinflussung der Beschichtung (z. B. geringerer Zinkabbrand). Nachträgliche Arbeitsschritte für die Wiederherstellung der Beschichtung können dadurch entfallen. Durch die höhrereSpaltüberbrückbarkeit kann zunächst die Flexibilität der Konstruktion gesteigert sowie der Aufwand der Fertigung gesenkt werden. Es sind dadurch größere Maßtoleranzen für die Fertigung zulässig. Zusätzlich können durch die stabileren und spritzerfreien Prozesse Nachbearbeitungen entfallen. Die Betriebe können dabei Kosten- und Zeiteinsparungen erreichen, indem Entfernungen von Spritzern, Nachbearbeitung von Sichtnähten und Abdeckungen bspw. von Gewinden entfallen.

Bei dem ersten Lichtbogenlötverfahren handelt es sich um einen weiterentwickelten MSG-Lötprozess mit einem geregelten Kurzlichtbogen der Fa. Fronius. Dieses Verfahren wird als CMT-Prozess (ColdMetal Transfer) bezeichnet und zeichnet sich insbesondere durch einen geringen Wärmeeintrag in den GW aus. Diese geringe Belastung des GW wird durch eine revidierende Bewegung der abschmelzenden Elektrode und einem annähernd stromlosen Werkstoffübergang in der Kurzschlussphase erreicht. Außerdem ergibt sich im Vergleich zum konventionellen MIG-Lötprozess eine bis zu 50 % höhere Spaltüberbrückbarkeit und eine größere Prozessstabilität.¹⁰ Der CMT-Prozess wird bspw. von Opel für große Spaltmaße des Bodenbereichs im Karosserierohbau eingesetzt, wodurch Nachbearbeitung eingespart und Ausfälle der Fertigungsstraße verringert werden können.¹¹ Ebenfalls wird der CMT-Prozess von Vauxhall-Motors für das Verbinden von 0,8 mm dünnen Blechen aus verzinktem Stahl mit hochfestem TRIP-Stahl verwendet, wodurch analog Fertigungsausfälle reduziert und Nachbearbeitungen eingespart werden können.¹² Bei dem zweiten eingesetzten Lichtbogenlötverfahren handelt es sich um das Plasmatron-Verfahren der Fa. Inocon. Das Plasmatron-Verfahren ist eine Modifikation eines konventionellen Plasma-Verfahrens. Im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren erfolgt die Einschnürung des Plasma-Lichtbogens nicht mechanisch durch die Düse, sondern durch das eingesetzte Schutzgas. Der Vorteil gegenüber dem vorgestellten CMT-Verfahren besteht zunächst darin, dass die Wärmeeinbringung von der Einbringung des Zusatzwerkstoffs unabhängig ist. Durch die gezieltere Wärmeeinbringung und die Prozessstabilität eignet sich dieses Verfahren besonders für den Einsatz bei Sichtnähten, da bei einer geeigneten Parameterfestlegung des Prozesses schmalere Nähte ohne Überhöhung erreichbar sind.¹³ Eingesetzt wird das Plasmatron-Löten bspw. von Audi für das Verbinden des Seitenteils mit der Regenrinne für den Audi A3 Sportback, Audi A6 Avant `05 und den Audi Q7.¹⁴

Das dritte eingesetzte Lichtbogenlötverfahren ist ein Hybridprozess der Fa. PLT, der den MIG-Prozess mit dem Plasma-Prozess verbindet. Das Verfahren wird als Super-MIG-Prozess bezeichnet. Dabei wird der Abstand zwischen dem MIG- und dem Plasma-Lichtbogen über ein Magnetfeld gesteuert.¹⁵ Bei diesem Verfahren kommt es zu einer Stabilisierung des MIG-Prozesses durch die Reinigungswirkung des vorlaufenden Plasma-Lichtbogens, daVerdampfungen der Zinkbeschichtung kaum noch im MIG-Lichtbogen stattfinden. Durch die Erhöhung des Plasmastroms kann dabei eine Wäremeinkopplung in den Zusatzwerkstoff erreicht werden, wodurch die Effektivleistung des MSG- Lichtbogens und damit die Wärmeeinbringung in den GW reduziert werden kann.¹⁶ Außerdem kann durch die Erhöhung des Plasmastroms die Benetzung von Kupferbasisloten deutlich verbessert werden.¹⁷ Der Vorteil dieses Verfahrens liegt somit in der Parameterveränderung des Plasmalichtbogens, der direkte Auswirkungen auf die einstellbaren Parameter des MSG-Lichtbogens hat. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität des Verfahrens. Der Super-MIG- Prozess wird wie bereits die anderen beschriebenen Lichtbogenlötverfahren für das Verbinden von verzinkten Stahlfeinblechen eingesetzt.

3 Durchführung von Lötversuchen unterschiedlicher Lichtbogenverfahren

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der detaillierten Beschreibung der im Rahmen dieser Ausarbeitung durchgeführten Versuche. Zum einen wird auf die benutzten Verfahren mit ihren besonderen Merkmaleneingegangen und zum anderen auf die angewandten Parameter und ihre Auswirkung auf die Ergebnisse. Alle Verfahren werden unter gleichen Ausgangsbedingungen betrachtet. Die DP800- Verbindungen der Bleche mit einer Dicke von 0,9 mm werden unter geregeltem Kurzlichtbogen bei Verwendung einer Doppelkehlnaht und kupferbasierender Lotwerkstoffe untersucht.Zusätzlich wird in diesem Teil der Ausarbeitung eine Kennlinienanpassung bei dem Super-MIG-Verfahren durchgeführt. Diese beinhaltet das Testen unterschiedlicher Anlagen wie der EWM-Drive Alpha Q 551 DW und der Closs GLC 553 MC3 R sowie verschiedener Kennlinien, die diese Anlagen liefern. Eine normgerechte Verbindung entsteht bei guter Vorbereitung der Bleche für den Fügeprozess, diese werden mit Hilfe von Aceton sauber gemacht und eingespannt.

3.1 Versuchsdurchführung und Auswertung des Plasmatron-Verfahrens.

Die Funktionsweise des Plasmatron-Verfahrens unterscheidet insbesondere bei dem Aufbau des Brenners von den „klassischen“ Plasmalöt- und - schweißverfahren. Der Lichtbogen entsteht durch elektrische Entladung im Plasmagas, jedoch fehlt hier die äußere Düse, sodass nur ein Gas als Prozessgas hinzugefügt wird; und zwar das Schutzgas.

Abbildung 1: Wolfram- Plasmaschweißanlage

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Quelle: Handbuch für Technisches Produktdesign, A. Kalweit et al. (Hrsg.) (2012), S. 543

Dieses ist auch für das Einschnüren des Lichtbogens verantwortlich. Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass der Draht separat zugefügt wird. Dies ermöglicht spezifische Anpassungen der Parameter und auch leichteres Erkennen von Ursache und Wirkung im Ergebnis. Zusätzlich hat der Aufsatz einen kleineren Durchmesser; es erlaubt somit auch das Löten an schwer zugänglichen Stellen bei Platzmangel. In Abbildung 1 und 2 sieht man den direkten Unterschied zur herkömmlichen Plasmaschweiß - und Plasmatronanlage.

Abbildung 2: Plasmatronanlage

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Quelle: Datenblatt der Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH

Der Plasmatron-Prozess ist zudem durch wenige, für die Optimierung veränderbare Parameter gekennzeichnet und erlaubt somit bestimmte Änderungen im Ergebnis leichter auf ihre Ursachen zurückzuführen. Während dieser Versuchsgruppe veränderte sich die Stromstärke, die Drahtzufuhr- und Verfahrensgeschwindigkeit. Ergänzend sei hierbei noch bemerkt, dass durchgehend mit einem angepassten Vorschub (bei einem Einstellwinkel von 15°) 5°-stechend unter einem ArHe-Schutzgasgemisch des Plasmas zwischen 10 und 14 l mit 30-%-Argonanteil gelötet wird. Zusatzwerkstoff ist hier CuSiMn1 mit einem Durchmesser von 1 mm. Ziel ist bei einem möglichst geringen Energieeintrag gute Ergebnisse zu erzielen, sodass die Beschichtung des Bleches weiterhin erhalten bleibt. Die hierbei verwendete Stromquelle ist Magic Wave 2200 der FirmaFronius. In der Tabelle 1 sind die einzelnen Proben mit zugehörigen Parametern genauer abgebildet.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Versuchsgruppe I (Plasmatron-Verfahren): Ergebnisse der Durchläufe

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

Ausgehend von einer Drahtzufuhr von 5 m/min und einer Verfahrensgeschwindigkeit von 1 m/min bei einer Stromstärke von 188 A wird die Anlage mit jeder weiteren Probe näher an ihre Grenze gebracht. Es wurde auch mit unterschiedlichen Verfahrensgeschwindigkeiten gearbeitet, um nach Möglichkeit die Bleche nicht zu stark zu beeinflussen und auch um zu testen, welche Geschwindigkeiten bei diesem Verfahren zusätzlich mit guter Qualität der Nähte gekennzeichnet sind. Im zweiten Anlauf wurde ein niedrigeres I gewählt. Dies führtedazu, dass die thermische Beanspruchung des Bleches nicht so stark war; jedoch wurde auch ein höheres v von 1,5 m/min benutzt. Dies führte zu einer unregelmäßigeren Naht. Diese Änderung hatte in den darauffolgenden Nähten eine Erhöhung der Drahtzufuhr zufolge. Dies ermöglichte zudem auch einen noch höheren Stromfluss, welcher benötigt wurde, um den Draht besser zu führen und zu schmelzen. Im direkten Vergleich wischen Naht 3 und Naht 6 wird sichtbar, dass bei leichter Variation der Parameter stark unterschiedliche Ergebnisse vorliegen. Trotz des höheren Energieeintrags ist die Zinkschicht zwar etwas stärker beeinflusst - ist jedoch noch in einem guten Zustand - die Naht verläuft jedoch besser. In der Dokumentation wird hier nicht genauer auf die Naht 7 eingegangen, da sie unter genau den gleichen Parametern wie die Naht 6 gelötet wurde und das Ergebnis ähnlich aussah. Sie wurde zur Kontrolle der Parameter und für Testzwecke im Sinne der Härtemessung und der Untersuchung der Elastizität angefertigt.

Im darauffolgenden Schritt wird die Verfahrensgeschwindigkeit weiter auf 2 m/min erhöht. Es wird somit auch mehr Draht und damit mehr Energie benötigt. Zwischen den Nähten 8 und 10 wurde ein zur Drahtmenge passender Energieeinsatz gesucht. Zu Beginn wurde 180 A gewählt, was noch vergrößert werden konnte, bis schließlich in der Naht 10 eine Stromstärke von 190 A sich als passend herausstellte. In den letzten drei Nähten wurde die Grenze der Anlage „ausgereizt“. Das erhöhen des Iauf 220 A erforderte das Erhöhen der Drahtmenge. Trotzdem wurde die Zinkschicht sichtbar stärker beansprucht. Es wurde versucht, eine bessere Nahtform zu generieren, und von der Probe 13 zur Probe 14 wurde die Drahtzufuhr gesenkt. Es sei angemerkt, dass dieses sich positiv auf die Form der Naht ausgewirkt hat; jedoch zerstörte man damit die Zinkschicht auf der Rückseite des Bleches. Im Rahmen der visuellen Analyse liefert die Naht 6 sehr gute Ergebnisse und kann als „bestpractice“ angesehen werden.

Mit dem Plasmatronverfahren hergestellte Nähte weisen eine eher runde, glatte und angehobene Struktur auf mit jeweils starkem Einbrennen im Anfangs- und Endpunkt. Der relativ hohe Energieeintrag ermöglichte schnelle Verfahrensgeschwindigkeiten, mit denen wiederum das Werkstück nicht so lange dem Lötprozess aussetzt werden musste. Allerdings waren weitere Anpassungen im Bereich dieser letzten Parameter nicht möglich, da die technischen Möglichkeiten weitestgehend ausgeschöpft wurden.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Typische Plasmatronnaht 1

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Materialprüfung

Die Nahtgeometrie in diesem Verfahren zeigt eine runde und hohe Führung mit einer praktisch vernachlässigbaren Überlappung. Es findet keine bis eine geringe Porenbildung statt und es fließt kein Lot in den Spalt.

3.2 Versuchsdurchführung und visuelle Auswertungder Nähte im Super-MIG-Verfahrens

Das Super-MIG-Verfahren ist eine Kombination aus dem MIG- und dem Plasmatronverfahren. Man verbindet den vorlaufenden Plasmastrahl, welcher zusätzlich die Werkstückoberfläche vorwärmt und von Verschmutzungen befreit, mit dem hinterher folgenden MIG Prozess. Dieser MIG-Prozess ist dann für das Anbringen des Lotes verantwortlich. Hierbei wird jeder Lichtbogen durch seine eigene separate Gaszufuhr gesteuert. Für die Untersuchungen an der Super-MIG wird die Cloos GLC 553 MC3 mit dem zugehörigen Aufsatz Cloos CK 98 A benutzt. Diese Anlage ermöglicht einen Schweiß- bzw. Lötbereich von 40 A bei 12 V bis 550 A bei 44,5 V und eine Drahtgeschwindigkeit von bis zu 30 m/min. Ähnlich wie beim Plasmatron-Löten wird hier mit einem angepassten Vorschub sowie einem Lichtbogen-Schutzgasgemisch aus 30 % Helium und 70 % Argon gearbeitet. Als Plasma-Schutzgas wird nun innerhalb der Plasma-Lichtbogen- Kopplung zum Zwecke einer hohen Ionisierbarkeit des Schutzgases reines Argon verwendet und vorläufig ein konstantes magnetisches Niveau von 75 % gewählt. Dieses Niveau ist für die Entfernung der einzelnen Lichtbögen verantwortlich. Je größer das Niveau ist, desto stärker sind diese beieinander. Die Plasma- Stromstärke und -Spannung werden am Anfang auf konstant 50 A bzw. 50 V voreingestellt. Bei dem verwendeten Zusatzwerkstoff handelt es sich um CuSn6+P mit 1 mm Durchmesser, da dieser in Voruntersuchungen gute Ergebnisse geliefert hat. Anzumerken ist, dass bei der Parameterfindung vorerst der mittlere, dann der höchste und schließlich der geringste Energieeintrag, wie es die Naht 4 zeigt, gewählt wird und für die Ermittlung der Streckenenergie jeweils ganze Durchläufe verwendet werden können. Bei den Durchläufen zur Parameterfindung treten hingegen unterschiedlichen Energien auf. Des Weiteren ermöglicht es die Anlage, die Drahtzufuhrgeschwindigkeit einzustellen, woraus über die hier zugrundegelegte Kennliniedie Stromstärke resultiert. Die Variation der Energie bei den Durchläufen führt in der Folge schließlich zur Parameterfindung. Die hier benutzte Anlage hat keine Kennlinie auf Kupferbasis. Deswegen wird die Aluminiumsiliziumkennlinie (AlSi) herangezogen, da Aluminium ähnliche Eigenschaften wie Kupfer aufweist.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Versuchsgruppe II; Ergebnisse der Probedurchläufe für CuSi3Mn1

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

Es werden ganze Durchläufe am Überlappstoß durchgeführt. Als erstes wird bei relativ niedrigen Verfahrens- und Drahtzufuhrgeschwindigkeiten begonnen, um ein besseres Gefühl für das Verfahren zu kriegen. Die Änderung des Feinabgleichs liefert, wie in Naht 4 dargestellt, eine bessere Einschätzung für dessen Einstellung. So wird sichtbar, dass bei mittlerer Position des Feinabgleichs verglichen mit der höchsten und der niedrigsten die Blechbeanspruchung am geringsten ist. Wie bei dem Plasmatron wird auch hier versucht, die Grenzen der Anlage auszureizen, um nach Möglichkeit hohe Fügegeschwindigkeiten mit geeigneten Parametern zu finden. Aus diesem Grund erhöht sich zunehmend auch die Verfahrensgeschwindigkeit, an welche auch die Drahtzufuhr anzupassen ist. Der direkte Vergleich der Naht 6 und Naht 7 liefert erhebliche Unterschiede bei fast gleichen Einstellungen. Eine Änderung der Drahtzufuhr um 0,5 m/min bei einer Verfahrensgeschwindigkeit von ca. 1,6 m/min verhilft zu einer gleichmäßigeren Naht und relativ kleinem Zinkwegbrennen. Dieses ist noch deutlich zu sehen, obwohl es um einiges tolerierbarer ist als in den Vorbetrachtungen. Erhöhung des v(auf 6,6 m/min bringt jedoch ein massives Einbrennen mit sich, sodass hierbei zu erwähnen ist, dass für ein v von 1,58 m/min keine weiteren Anpassungen zu besseren Ergebnissen führen. Die Naht 9 stellt ein Fügeprozess bei einer Verfahrensgeschwindigkeit von 1,98 m/min und einem v(von 7,5 m/min dar. Die Werkstückoberfläche ist weitestgehend wärmebeeinflusst und weist in der Mitte der Lötnaht einige Beschädigungen der Zinkschicht auf. Zusätzlich wird noch eine Kontrollnaht (Naht 10) angefertigt, hierbei ist vor allem das Ende der Naht gleichmäßig und behandelt die Werkstückrückseite in einem zu tolerierbaren Bereich. Aufgrund der technischen Grenzen konnte man keine höheren Fügegeschwindigkeiten prüfen und eine zusätzlich verstärkte Drahtzufuhr bringt wieder eine hohe Blechbeeinflussung mit sich. Die Nähte mit den besten Ergebnissen durch die Sichtprüfung liefern somit die Nähte zehn und sieben. In der Abbildung 4 ist eine typische Naht abgebildet.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Typische Plasmatronnaht 2

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Materialprüfung

Allgemein sind die Nähte in diesem Verfahren nicht sehr hoch; weisen dabei aber eine gute Überlappung auf, was in dieser Betrachtung erwünscht ist. Es fließt Lot in den Spalt und es findet eine Porenbildung statt. Noch sei angemerkt, dass die Spritzerbildung, wie in der Naht 4 zu sehen ist, mit zusätzlichem Feinabgleich zunimmt.

3.2.1 Auswirkungen des Plasmas im Super-MIG-Prozess

Dieses Unterkapitel geht wie die nächsten zwei auch etwas genauer auf das Super- MIG-Verfahren ein. Neuerung hierbei ist der zu verwendende Draht. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Betrachtung der ausgewählten Verfahren bei Verwendung von CuSn6+P. Es wird somit versucht, diesen in den Prozess zu integrieren und zu optimieren, da die bis jetzt verwendete Anlage keine explizite Kupferkennlinie hat. Alle Parameter in Bezug auf die verwendeten Schutzgase bleiben weiterhin erhalten. Es wird das Lichtbogenschutzgasgemisch aus 30 % Helium und 70 % Argon und als Plasmaschutzgas reines Argon zum Zweck der guten Ionisierbarkeit verwendet. Speziell wird hier die Auswirkung des Plasmas auf die Ergebnisse untersucht. Deswegen werden die Drahtzufuhrgeschwindigkeit auf 4 m/min und die Verfahrensgeschwindigkeit auf 1 m/min zum Zweck einer gemeinsamen Entscheidungsbasis konstant gehalten. Aus vorangegangener Betrachtung hat sich ein Magnetic Level von 75 % und IPlasma/UPlasma von 50A/50V als gut herauskristallisiert.

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Kennlinienanpassung, Versuchsreihe 1,Ergebnisse der Plasmaanpassung Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

In der Tabelle 3 sind die einzelnen Ergebnisse dieser Untersuchung abgebildet. Anfangs werden nur Blindnähte auf einzelnen Blechen durchgeführt. Die schon vorher angesprochenen Werte liefern in der ersten Naht generell eine gute Nahtform; brennen jedoch das Blech beträchtlich durch. Im zweiten Versuch wird zum Zweck der Senkung des Wärmeeintrags das IPlasma und UPlasma jeweils um 10 Ampere bzw. 10 Volt. Das Resultat ist eine etwas unruhigere Naht aber auch ein deutlich geringerer Wärmeeintrag. Mit diesen plasmakennzeichnenden Werten kann weiter gearbeitet werden. Im Folgenden wird die Änderung des Magnetic Levels analysiert. Zuerst wird dieses auf 100 % erhöht und dann auf 50 % gesenkt. Der Vergleich dieser Blindnähte zeigt die schmalere und etwas besser ausgeprägte Naht bei der Probe 3; jedoch ruft dieser, in Gegenüberstellung mit der Naht 4 oder Naht 2, auch eine massive Zerstörung der Zinkschicht hervor.

Abbildung 5: Versuchsgruppe II, Plasma bei IPlasma/UPlasma = 30A/30V

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

Nun was passiert, wenn wir den Wärmeeintrag durch das Plasma weiter reduzieren wollen? Antwort darauf liefert die Sondernaht 5 in der Abbildung 2. Hier wurde dasIPlasmaund UPlasma jeweils auf 30A und 30V bei einem Magnetic Level von 100% gesetzt.

Im Endeffekt brach man den Fügeprozess ab, da dieser von Anfang an nur Spritzer hervorbrachte und somit auch keine vernünftige Verbindung sicherstellen konnte. Nach diesem Durchlauf musste der Super-MIG-Kopf gereinigt werden, da es zu einer Verschmutzung durch die Spritzer kam. Weiterhin musste die Anlage neu ausgerichtet werden, da aufgrund der Reinigung der MIG-Prozess etwas versetzt im Vergleich zum Plasmastrahl verlief, was auch in der Probe 6 zum Vorschein trat. Für die weiterführenden Ergebnisse zog man die Einstellungen der Naht 3 in Betracht. Trotz des in Relation hohen Wärmeeintrags blieb man bei 100% des Magnetic Level, da dieser, wie danach in der Naht 7 und Naht 8 zu sehen, bei der Überlappverbindung nicht so stark beeinflusst hat. Es ist eine schmale Wärmewirkung des Prozesses auf der Blechrückseite sichtbar, dabei ist die Zinkschicht nicht vollkommen durchgebrannt aber auch wärmebeansprucht. Es wurde eine zusätzliche Kontrollnaht mit den selben Eigenschaften wie die Naht 7 für Testzwecke angefertigt. Diese Betrachtung liefert folgende Ergebnisse beim Zugversuch.

Abbildung 6: Zugversuch von CuSn6 vom 16.04.2012

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Quelle TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

Abbildung 7: Vergleich der Nähte 7 aus CuSn6+P und CuSi3+Mn

Abbildung in dieser eseprobe nicht enthalten

Quelle: TU Clausthal, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren

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¹ Vgl. Höfemann und Flügge (2007), S. 218.

² Vgl. Dilthey und Höcker (2003), S. 1 f.

³ Vgl. Dilthey und Höcker (2003), S. 5.

⁴ Vgl. Dorn et al. (2007), S. 1.

⁵ Vgl. Dorn et al. (2007), S. 1 f. Vgl. dazu auch DIN ISO 857-2.

⁶ Vgl. DVS e. V. (2001), S. 1 f.

⁷ Vgl. DVS e. V. (2001), S. 5.

⁸ Vgl. DVS e. V. (2001), S. 1 f.

⁹ Vgl. Türpe (2007), S. 190 f.

¹⁰ Vgl. Trommer (2008), S. 53.

¹¹ Vgl. Trommer (2008), S.53.

¹² Vgl. Trommer (2011), S. 50.

¹³ Vgl. Hahmann (2003), S. 2.

¹⁴ Vgl. o. V. (2005), S. 7.

¹⁵ Vgl. Wesling et al. (2012), S. 50.

¹⁶ Vgl. Thurner und Kusch (2007), S. 318.

¹⁷ Vgl. Thurner und Kusch (2007), S. 320.