Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von fertigungstechnischen und geometrischen Parametern auf die Betriebstauglichkeit lichtbogengelöteter verzinkter Stahlkonstruktionen t > 3 mm

Im Schiff- und Stahlbau wird aus Korrosionsschutzgründen ein erheblicher Anteil von Ausrüstungselementen, Rohrleitungen, Fassaden und allgemeinen Stahlkonstruktionen verzinkt. Das Fügen von bereits verzinkten Strukturen in der Montage erfolgt zumeist durch Schweißen oder Schrauben. Dabei bedeutet das Schweißen für die Fügestelle einen Verlust der Korrosionsschutzfunktion, die aufwendig durch nachträgliches Beschleifen und Beschichten wiederhergestellt werden muss. Ohne das Entfernen des Zinks von der Fügestelle ist die Verbindungsqualität durch Spritzer und verringerte Festigkeiten erheblich beeinträchtigt. Im Bereich verzinkter Feinbleche hat sich das Lichtbogenlöten als Fügeverfahren, welches ohne große Vor- und Nacharbeitsaufwände einen Erhalt des Korrosionsschutzes garantiert, etabliert. Im Blechdickenbereich größer 3 mm stehen dem weitreichenden Einsatz des Lichtbogenlötens, als ein alternatives Fügeverfahren für verzinkte Stahlkonstruktionen, fehlende Erkenntnisse über den Einfluss von fertigungstechnischen und geometrischen Parametern auf die Betriebstauglichkeit gegenüber. In Vorversuchen wurde bereits die prinzipielle Möglichkeit der Lichtbogenlötung im Dickblechbereich nachgewiesen sowie über die Anpassung der Legierungssysteme eine Möglichkeit zur Verbesserung der Erfüllung der mechanischen Anforderungen aufgezeigt.

Ziel ist die Ermittlung der Einflüsse von Fertigungsrandbedingungen und deren Optimierung zur Erhöhung der Betriebstauglichkeit von Lötverbindungen. Die gewonnen Erkenntnisse münden in einer Handhabungsrichtlinie für lichtbogengelöteten Grobblechverbindungen. Dadurch wird KMU-Anwendern die Möglichkeit gegeben das Lichtbogenlöten an verzinkten Strukturen zur massiven Reduzierung von Nacharbeiten und Stückkosten einzusetzen sowie gleichzeitig Bauteilsicherheit zu gewährleisten. Die Möglichkeit der Verwendung verzinkter Halbzeuge und dem damit verbundenen Wegfall der Stückverzinkung können die gesamten Produktionskosten erheblich senken.

Ergebniszusammenfassung:

Ein wesentlicher Beitrag des Projekts liegt in der Analyse von fertigungstechnischen und geometrischen Parametern auf die Betriebstauglichkeit lichtbogengelöteter Stahlstrukturen im Blechdickenbereich von 5 mm bis 10 mm. Im Sektor des Stahlbaus werden notwendigerweise zeit- und kostenintensive Entschichtungs- und Nachbeschichtungsprozesse in Kauf genommen. Dabei bietet das Lichtbogenlöten großes Potential, da hierbei auf eine Nachbeschichtung meist verzichtet werden kann. Erkenntnisse über den Verlust der korrosionsschützenden Zinkschicht beim Lichtbogenlöten in Abhängigkeit der Blechdicke können direkt zur Abschätzung der Funktionalität von Verzinkungen nach dem Fügeprozess verwendet werden. Unternehmen, welche auf das thermische Fügen und den Einsatz von feuerverzinktem Material unter korrosiven Bedingungen angewiesen sind, können somit Nachbeschichtungsprozesse einsparen. Die umfangreichen werkstofftechnischen Untersuchungen bilden die Grundlage für weitere Zusatzwerkstoffentwicklungen für einen großen Anwendungsbereich. Grundlegende Kenntnisse über erreichbare Tragfähigkeiten sowie Schwingfestigkeiten lichtbogengelöteter Nähte in Abhängigkeit des Zusatzwerkstoffes, des Oberflächenzustandes und der Blechdicke konnten in diesem Projekt erarbeitet werden, welche unmittelbar in die Berechnungen zur Auslegung von Stahlstrukturen genutzt werden können. Zur Vergrößerung der Anbindungsfläche bei gelöteten Kehlnähten wurden Analysen zur Eignung zur mehrlagigen Ausführung von Lötnähten durchgeführt, wobei potentielle Vor- und Nachteile sowie Risiken dargestellt wurden. Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen welche zur Bestimmung des Bauteilverzuges durch die Messung von Reaktionskräften beim Löten bzw. Schweißen von Kehlnähten entwickelt wurden, können unmittelbar auf andere Werkstoffe sowie Geometrien erweitert werden und bieten großes Potenzial gewonnene Erkenntnisse bereits in der Konstruktionsphase von Strukturen einfließen zu lassen.