Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neue Prüfkonzepte zur schnellen Bewertung der Zuverlässigkeit zyklisch mechanisch beanspruchter Hartlötverbindungen auf der Basis versagenskritischer Unregelmäßigkeiten

Das wesentliche Ziel des geplanten Vorhabens besteht in der Entwicklung eines Bewertungskonzeptes von Lötverbindungen zur Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit in Abhängigkeit von vorhandenen Naht-Unregelmäßigkeiten. Der Fokus soll dabei auf dünnwandigen Rohrproben liegen. Ist die Nahtqualität durch „einfache“ ZfP-Verfahren bekannt, entfallen somit kosten- und zeitintensive Prüfungen zur Schwingfestigkeit. Hieraus ergibt sich ein enormer Zuwachs an Wettbewerbsfähigkeit für kleine und mittelständische Unternehmen, da diese i. d. R. nicht über die notwendigen Mittel für prüftechnische Absicherung verfügen. Darüber hinaus kann die Anwendung der erarbeiteten Bewertungsgrundlage umfassende FE-Analysen ersetzen. Es befähigt somit KMUs, die über keine eigene Berechnungsabteilung verfügen, einen Festigkeitsnachweis anhand klassifizierter geometrischer Details und zugehöriger Unregelmäßigkeiten durchzuführen. Die entscheidende Information ist die Größe/Verteilung der vorhandenen Unregelmäßigkeit(en) in einer Lötnaht und deren spezifischer Nahtgeometrie, welche über zerstörungsfreie Prüfmethoden bestimmt werden kann. Dieser Ansatz zielt darauf ab, Nahtqualitäten zu erzeugen, die eine ausreichende Qualität für einen bestimmten Anwendungsfall besitzen und nicht zwingend frei von Unregelmäßigkeiten sein müssen. Dieses Konzept stellt somit auch eine potentielle Arbeitsgrundlage für zfP-Dienstleister dar.

Bei den geplanten Untersuchungen sollen Werkstoff, Nahtgeometrie, Lotapplikation und Art der Unregelmäßigkeiten variiert werden. Die sich ergebende Versuchsmatrix ist sehr umfangreich und ohne die Anwendung der Hochfrequenzermüdungsprüftechnik nicht umsetzbar. Hierin liegt einer der wesentlichen innovativen, methodischen Ansätze. Der Einsatz dieser Prüftechnik bietet die einmalige Chance einer umfassenden und differenzierten experimentellen Befundung aller Einflussfaktoren.

Die erzielten Forschungsergebnisse bilden im Idealfall eine direkte Grundlage für ein neues DVS-Merkblatt.

Insbesondere KMU können von den Forschungsergebnissen profitieren, da die Lohnlöter und Prüfdienstleister, die zu dieser Gruppe zählen, die Festigkeit von dynamisch belasteten Lötverbindungen schnell und leicht abschätzen bzw. absichern können bzw. entsprechend ihre Dienstleistungen hinsichtlich Prüftechnik deutlich erweitern können.

Ergebniszusammenfassung:

1) Flachproben mit lokaler Versteifung (Grundwerkstoff: 1.4301):

Eine längsseitig unterbrochene Hohlkehle reduziert die Ermüdungsfestigkeit der Proben im Vergleich zum Referenzzustand signifikant. Zudem zeigte sich ein starker Einfluss des ehemaligen Lotdepots bzw. eines Lötgutüberlaufes auf den Grundwerkstoff. Bei einer stirnseitigen Positionierung des Lotdepots in Bezug auf die lokale Versteifung reduzierte sich die ertragbare Ermüdungsfestigkeit um 14% gegenüber dem Referenzzustand. Dies ist der worst-case – Zustand.

Mithilfe der durchgeführten Zuordnung zu den versagensursächlichen Unregelmäßigkeiten gemäß der Norm DIN EN ISO 18279 [1] lassen sich alle geprüften Zustände klassifizieren und die Auswirkungen der erfassten Unregelmäßigkeiten auf die Ermüdungsfestigkeit der Fügeverbindung abschätzen. Dies kann bei ähnlichen, industriellen Belastungssituationen zur Abschätzung der lokalen Bauteilfestigkeit genutzt werden, z.B. bei aufgelöteten Befestigungen Rohren oder blechförmigen Bauteilen.

2) Anwendungsnahe Rundproben (Grundwerkstoff: 1.4301):

Im Rahmen des Projektes wurde eine universelle Rundprobengeometrie entwickelt, mit welcher die Ermüdungsfestigkeit von gelöteten, dünnwandigen Rohr-Steck-Verbindungen ermittelt werden kann. Dieses Prüfkonzept steht industriellen Anwendern offen und kann bei der Erprobung von ähnlichen Verbindungen zum Einsatz kommen.

Im Projekt wurden vier verschiedene Zustände mit definierten Nahtunregelmäßigkeiten miteinander verglichen. Die experimentellen Ermüdungsversuche bis zu sehr hohen Schwingspielzahlen zeigen, dass die Belastbarkeit der Fügeverbindung durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Unregelmäßigkeiten nach DIN EN ISO 18279 bestimmt wird. Bei Kenntnis der vorliegenden Nahtunregelmäßigkeiten kann anhand der Projektergebnisse die Belastbarkeit von industriellen Hartlötverbindungen abgeschätzt werden. Dieses Bewertungskonzept bietet damit ein einfaches Tool zur industriellen Qualitätssicherung für kmU.