Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Bemessungskonzepten zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit

hartgelöteter Fügeverbindungen unter Berücksichtigung prozessbedingter Lötnahtzustände

Sicherheitsrelevante hartgelötete Bauteilkomponenten wie Wärmetauscher oder Kraftstoffzuleitungen im Motorbereich sind im Einsatz komplexen Belastungskollektiven ausgesetzt. Weiterhin steigen die Anforderungen an die Komponenten z. B. durch die Steigerung des Systemdrucks. Um die betriebssichere Funktion dieser Bauteile im Einsatz abschätzen zu können, bedarf es zuverlässiger Methoden zur Bewertung und Sicherstellung der Betriebsfestigkeit der Komponenten.

In dem abgeschlossenen IGF-Projekt 17766N wurde eine solide Grundlage für die zuverlässige Beurteilung der Betriebsfestigkeit von hartgelöteten Fügeverbunden abgeleitet. Dennoch zeigte sich, dass das Ermüdungsverhalten der Komponenten von weiteren Faktoren abhängt, nämlich von der Oberfläche der Hohlkehle und innerer Unregelmäßigkeiten der Lötnaht und der Art der auftretenden Schadensmechanismen. Um die Bemessungskonzepte zuverlässig zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit einsetzen zu können, müssen diese bislang nicht betrachteten Phänomene berücksichtigt werden. Dies macht eine systematische Untersuchung des Einflusses der fertigungstechnischen Randbedingungen auf die mikroskopische Ausbildung der Lötnaht u. damit auf die Schwingfestigkeit sowie die Entwicklung von innovativen, zerstörungsfreien Ansätzen zur in-situ-Analyse der Ausfallmechanismen notwendig.

Die Untersuchungsergebnisse zu der prozessbedingten Lötnahtqualität geben den Firmen, die sich mit der Löttechnik beschäftigen, wertvolle Erkenntnisse zur weiteren Optimierung ihrer Prozesse. Diese Branche der Lohnlöter ist in Deutschland stark durch KMU geprägt. Darüber hinaus profitieren auch die vielen kleineren Ingenieurbüros, die häufig selbstverantwortlich ganze Teilsysteme für die größeren Firmen entwickeln, von den Ergebnissen. Mithilfe eines zuverlässigen Bemessungskonzepts können aufwändige Schleifen in der Produktentwicklung vermieden u. somit die Entwicklungszeiten signifikant reduziert werden. Dies steigert die Wettbewerbsfähigkeit dieser KMU.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Vorhaben wurde der Einfluss der fertigungsbedingten Lötnahtzustände, mit besonderem Fokus auf die Hohlkehle und auf die Schwingfestigkeit untersucht. Hierbei wurden mikroskopische, als auch makroskopische Untersuchungen der Lötnaht durchgeführt und mit Schwingfestigkeitsversuchen abgeglichen. Auf Basis der Untersuchungen wurde anschließend eine Berechnungsvorschrift für die schwingfesten Auslegung von Lötverbindungen in dem hier Untersuchten Werkstoffsystem ausgearbeitet.

Anwendungsmöglichkeiten:

1. Durch die in dem Vorhaben geplante Entwicklung der Bemessungsmethodik werden KMUs in die Lage versetzt, zuverlässige Aussagen über die Beanspruchbarkeit von gelöteten Konstruktionen treffen zu können. Die Bewertungsmethodik führt zudem zu einem besseren Verständnis der festigkeitsrelevanten Einflussgrößen. Der Industrie werden alle notwendigen Kennwerte aus dem Forschungsvorhaben zur Verfügung gestellt. So können schon im frühen Entwicklungsstadium belastbare Aussagen über die Schwingfestigkeit von Konstruktionsvarianten oder den Einfluss von nahtbezogenen Parametern, wie z.B. der mikroskopischen Gefügestruktur an der Hohlkehle getroffen werden. Somit kann eine gelötete Fügeverbindung gezielt mit größerer Betriebssicherheit ausgelegt werden. Für KMUs ergibt sich zudem der Vorteil, ihre Bauteile deutlich effizienter im Sinne einer Gewichts- und somit auch Materialreduktion konstruieren zu können, da die verwendeten Werkstoffe bis an ihre Belastungsgrenze optimal bzw. betriebssicher eingesetzt werden können.

2. Des Weiteren werden der Industrie kosteneffiziente Verfahren und Methoden aufgezeigt, mit denen die Lötnähte hinsichtlich der Qualität schnell und effizient analysiert werden können. Diese Erkenntnisse lassen sich zum Beispiel in der Qualitätssicherung nutzen, um eine quantitative Bewertung einer Produktcharge vornehmen zu können.