Lichtbogenlöten Technische Entwicklungen und neue Regelwerke · ThyssenKrupp Steel Europe...

ThyssenKrupp Steel Europe

Lichtbogenlöten 2012-09-28, FuE-A-SW M. Queller


ThyssenKrupp Steel Europe AG Forschung und Entwicklung Anwendungstechnik - Schmelzschweißen 2012-09-28 DVS/NAS-Workshop 2012 / M. Queller

Lichtbogenlöten – Technische Entwicklungen und neue Regelwerke Stahleisenprüfblatt nach SEP 1220-4 zum MIG-Löten





Überblick

Einleitung

Überblick auf Regelwerke zur Vereinheitlichung der Werkstofffreigabe

Vereinheitlichung der Werkstofffreigabe

• Aufbau • Ermittlung der Qualitätsgrenzen • Sichtprüfung • Durchstrahlung • Quasistatische Prüfungen • Metallografie • Härteprüfung

Prüf- und Dokumentationsrichtlinie für die Fügeeignung („PuD-F“)

Zusammenfassung





Einleitung

Das Stahleisenprüfblatt 1220 Teil 4 zum MIG-Löten von Stahlfeinblechen

beschreibt die Methoden zur Ermittlung der Fügeeignung von Stahlfeinblechen

ohne / mit Oberflächenveredelung und die Ergebnisdokumentation. Es ist als

Grundlage zur einheitlichen Werkstoffcharakterisierung durch das MIG-Löten

gedacht und soll den Datenaustausch zwischen Werkstofflieferanten und

Anwender standardisieren. Die Richtlinie legt die Anforderung für die Durchführung

fest. Die Lötbarkeit/Löteignung wird vom Anwender auf Basis der Ergebnisse der

Prüf- und Dokumentationsrichtlinie und dem konkreten Anwendungsfall beurteilt.

Standardisierte Werkstofffreigabe

Vergleichbarkeit der Fügeeignung

Anerkennung einer vereinheitlichten Werkstofffreigabeprozedur

Schnellere Einführung von neuen Werkstoffgüten

Optimierte Datenbereitstellung





Überblick

Einleitung





Zusammenfassung






SEP 1240: 2006

SEP 1220: 2011

SEP 1245: 2011





Überblick

Einleitung





Zusammenfassung






• Für neue Stahlfeinbleche werden durch den Werkstofffreigabeprozess Festlegungen der notwendigen Qualifizierungsschritte von der Entwicklungsphase bis zur Serienreife getroffen.

• Der Freigabeprozess beginnt beim Stahlhersteller und umfasst allgemeine Grundwerkstoff-Kenndaten und die Fügeeignung.

• Hierzu wird eine Prüfmatrix zur Bereitstellung einer Datenbasis vorgegeben.

• Die ausgefüllte Prüfmatrix stellt eine notwendige Voraussetzung für die Freigabe einer Stahlsorte durch einen Automobilhersteller dar.

• Die Datenübermittlung soll zukünftig mittels standardisierter Datensätze erfolgen, denen ein Header vorangestellt ist.





Vereinheitlichung der Werkstofffreigabe Qualifizierungsschritte von der Entwicklungsphase bis zur Serienreife

• Für neue Stahlfeinbleche sollen durch den Werkstofffreigabeprozess Festlegungen der notwendigen Qualifizierungsschritte von der Entwicklungsphase bis zur Serienreife getroffen werden.

• Im Rahmen der Gemeinschaftsarbeit zwischen Automobil- und Stahlindustrie wurden für die Einführung neu entwickelter Stahlsorten in den Serieneinsatz bei den Automobilherstellern vier Phasen des Werkstofffreigabeprozesses definiert:

Labormuster Probecoi l Kleinstatistik Vorserie Serienstatus

0 Monate 3-6 Monate min. 6 Monate ca. 6 Monate

Erstes Coil 6-15 Coils 6-X Coils 250 Coils

Relevant für die Untersuchungen nach SEP 1220-4 MIG-Löten





Vereinheitlichung der Werkstofffreigabe Untersuchungen beim MIG-Löten und deren zeitlicher Ablauf

Probecoi l Kleinstatistik Vorserie Serienstatus

3-6 Monate min. 6 Monate ca. 6 Monate

Erstes Coil 6-15 Coils 6-X Coils 250 Coils

Sichtprüfung x

Durchstrahlung x

Scherzugprüfung durchgehende Naht x

Scherzugprüfung gesteppte Naht x

Kopfzugprüfung x

Schwingfestigkeitsprüfung x

High Speed Scherzugversuch x

Kehlnaht am Bördelstoß x

Härteprüfung x

Durchstrahlung x





Vereinheitlichung der Werkstofffreigabe Beispiel einer Fügematrix beim MIG-Löten

Quelle: SEP 1245-1





Überblick

Einleitung





Zusammenfassung






• SEP 1220-1: Allgemeine Festlegungen

• SEP 1220-2: Widerstandspunktschweißen

• SEP 1220-3: Laserstrahlschweißen

• SEP 1220-4: MIG-Löten





Prüf- und Dokumentationsrichtlinie für die Fügeeignung (PuD-F) Aufbau des SEP 1220 Teil 4 MIG-Löten

1. Zweck

2. Geltungsbereich

3. Probenvorbereitung

4. Versuchsumfang und -bedingungen

5. Ermittlung der Qualitätsgrenzen

5.1 Durchführung

5.1.1 Untere Qualitätsgrenze

5.1.2 Obere Qualitätsgrenze

5.1.3 Dokumentation und Auswertung

6. Prüfungen

6.1 Probenherstellung / Prüfumfang

6.1.1 Durchgehende Überlappverbindungen

6.1.2 Gesteppte Überlappverbindung

6.1.3 Kopfzug

6.1.4 H-Proben

6.1.5 Lötrissprobe: Bördelstoß

6.2 Zerstörungsfreie Prüfung

6.2.1 Sichtprüfung

6.2.2 Durchstrahlungsprüfung

6.3 Zerstörende Prüfung

6.3.1 Quasistatische Scherzugprüfung

6.3.2 Quasistatische Kopfzugprüfung

6.3.3 Zyklische Prüfung

6.3.4 Dynamische Prüfung

6.3.5 Metallografie

6.3.6 Härteprüfung





Prüf- und Dokumentationsrichtlinie für die Fügeeignung (PuD-F) SEP 1220-4: MIG-Löten

Zweck

Mit den in diesem Stahl-Eisen-Prüfblatt festgelegten Prüfmethoden soll die Eignung von Stahlblechen für das Fügeverfahren Metallschutzgaslöten (Prozess DIN EN ISO 4063: 983) ermittelt werden.

Geltungsbereich

Dieses Prüfblatt gilt für die Prüfung der Fügeeignung zum MIG-Löten (Prozess DIN EN ISO 4063: 983) von Feinblechen aus Stahl bis zu einer Einzelblechdicke von 3mm. Allgemeine Festlegungen finden sich in SEP 1220-1, das im Zusammenhang mit diesem Prüfblatt zu verwenden ist.

Probenvorbereitung

Das Material wird mit dem üblichen Beölungsgrad (Anlieferungszustand) untersucht. Ölsorte und Ölmenge sind zu dokumentieren. Der Blechzuschnitt hat unter Berücksichtigung der Walzrichtung zu erfolgen. Die Lage der Zuschnitte zur Walzrichtung ist abhängig von der späteren Prüfmethode und kann dem jeweiligen Kapitel entnommen werden. Die Bleche sind derart vorzubereiten, dass der Schnittgrat an allen Schnittkanten in die gleiche Richtung weist. Die zu fügenden Einzelbleche sind so zu positionieren, dass die Schnittgrate nicht in die Fügeebene weisen. Bei Dreiblechverbindungen ist das mittlere Blech zu entgraten. Bei Stumpfstoßverbindungen sind die Schnittgrate auf die der Wärmequelle abgewandten Seite zu legen.





Prüf- und Dokumentationsrichtlinie für die Fügeeignung (PuD-F) SEP 1220-4: MIG-Löten

Versuchsbedingungen

Die Versuche werden im Kurzlichtbogen durchgeführt. Parameter wie Drahtvorschub, Kontaktrohrabstand, Maschineneinstellungen und Gerätetechnik sind zu dokumentieren. Parameteränderungen zur Optimierung von Nahtanfang und Nahtende sind zulässig und müssen dokumentiert werden. Die Versuche werden grundsätzlich mit technischem Nullspalt durchgeführt.





Untersuchungen nach SEP 1220-4

Ermittlung der Qualitätsgrenzen •Probenanzahl: so viel wie nötig •Qualitätsgrößen: Drahtvorschubgeschwindigkeit, Prozessstabilität, Benetzungswinkel, Nahtgeometrie, Imperfektion

Sichtprüfung •Probenanzahl: alle •Qualitätsgrößen: Aussehen der Oberraupe und Unterseite, Oberflächenrisse, Poren, Spritzer-anhaftung

Durchstrahlung (Röntgenprüfung) •Probenanzahl: alle •Qualitätsgrößen: Imperfektion (z.B. Porenanteil, Risse, Bindefehler)

Quasistatische Scherzugprüfung (25mm Naht) •Probenanzahl: je 5 Proben VDmin und VDmax

•Qualitätsgrößen: Fmax, SFmax, WFmax, FB, WFB

Quasistatische Scherzugprüfung (45mm Naht) •Probenanzahl: je 5 Proben VDmin und VDmax

•Qualitätsgrößen: Fmax, SFmax, WFmax, FB, WFB

Quasistatische Kopfzugprüfung • Probenanzahl: je 8 Proben VDmin

• Qualitätsgrößen: Fmax, SFmax, WFmax, FB, WFB

Zyklische Prüfung • Probenanzahl: 10 bei VDmin • Qualitätsgrößen: Bruchbild, Neigungs-

exponent (K-Wert), Lebensdauerstreu-spanne TN

Metallografie • Querschliffe: 13 für VDmin und 13 Proben

für VDmax

• Qualitätsgrößen: Nahtgeometrie, Imperfektionen (Porenanteil, Risse)

Härtemessung • Härteverläufe: 4 für VDmin und 4 für VDmax • Qualitätsgrößen: Härteverlauf über Grund-

werkstoff, Wärmeeinflusszone und Lötgut





Ermittlung der Qualitätsgrenzen

Untere Qualitätsgrenze (VDmin ):

Als untere Qualitätsgrenze gilt die kleinste Drahtvorschubgeschwindigkeit, bei der bei stabilem Lichtbogen eine Naht mit einem Benetzungswinkel Φ>90°erreicht wird. Dabei sind eine spritzarme Lötung und eine visuell porenfreie Naht anzustreben.

Obere Qualitätsgrenze (VDmax ):

Als obere Qualitätsgrenze gilt die Drahtvorschub-geschwindigkeit, bei der bei stabilem Lichtbogen eine Naht mit einer maximalen Aufschmelzung h des unteren Blechs von 10% der Blechdicke t2 und/oder einer Nahtüberhöhung e von maximal 0,5 x t1 erreicht wird. Dabei sind eine spritzarme Lötung und eine visuell porenfreie Naht anzustreben.

Einstellgrößen (Schweißparameter):

Variabel: Drahtvorschubgeschwindigkeit

Konstant: Schutzgas, Zusatzdraht, Brennerstellung, Brennerneigung, Lötgeschwindigkeit, Lötposition

Ermittlung der Qualitätsgrenzen anhand von Querschliffen

Beispiele für niedrige Benetzungswinkel Beispiele für zu hohe Aufschmelzung





Sichtprüfung

Löcher / Auswürfe / Poren

Oberflächenrisse, Lötrisse

Nahtüberhöhung

Lotspritzer

Nahtschuppung

Gleichmäßigkeit der Nahtoberfläche

Schmauch und Verfärbungen

Bild Oberseite

Bild Unterseite

• Das typische Aussehen von Oberseite und Unterseite des Prüfblechs wird fotografisch festgehalten. (Maßstab ist anzugeben)

• Bei sichtbaren Rissen sind die Anzahl und die Länge der Oberflächenrisse zu dokumentieren.

• Die Dokumentation berücksichtigt den Untersuchungswerkstoff im Vergleich zu einer Referenz, wobei folgende Merkmale aufgenommen werden:





Durchstrahlung

• Bei der Durchstrahlungsprüfung nach DIN EN ISO 1435 werden Verbindungen auf Unregelmäßigkeiten gemäß DIN EN ISO 5817 untersucht.

• Der Draht mit dem Durchmesser 0,1mm eines Bildgütenprüfkörpers muss nach DIN EN 462 auf dem Röntgenfilm sichtbar sein.

Beispiel eines Prüfprotokolls

den Grundwerkstoff

das Löt-Verfahren

die Materialdicke

(die Dosis der Röntgenstrahlen in Minuten)

die Bildgütenzahl

die Unregelmäßigkeiten (Poren, Risse, Bindefehler)

Das Prüfprotokoll muss Aussagen treffen über: TPN-W 780





Quasistatische Zugprüfungen

Die Dokumentation beinhaltet die Bruchform und die aus dem Kraft-Verlängerungs-Diagramm resultierenden Kennwerte.

1. BMF_1: Bruch im GW 1

2. BMF_2: Bruch im GW 2

3. HAZF_1: Bruch in der WEZ von GW 1

4. HAZF_2: Bruch in der WEZ von GW 2

5. BF: Bruch im Lötgut

6. IF_1: Bruch im Übergang Lötnaht/WEZ 1

7. IF_2: Bruch im Übergang Lötnaht/WEZ 2

Scherzugkraft Fmax

Probenverlängerung SFmax bei Fmax

Energieaufnahme WFmax bis Fmax

Kraft FB (≥0,3 Fmax)

Weg SFB

Energieaufnahme WFB bis FB





Zyklische Prüfung

• Geprüft wird die Festigkeit und das Bruchverhalten von H-Scherzug-Proben bei zyklischer Belastung nach DIN EN ISO 18592.

• Anzugeben ist die Zeitfestigkeit Z bis 2x106

Lastwechseln in Form eines Wöhlerdiagramms. Die Lebensdauer-streuspanne TN und der Neigungsexponent der Wöhlerlinie (k-Wert) sind gesondert anzugeben.

H-Proband





Metallografie

• Als Prüfkörper dient ein geätzter Querschliff der gefügten Probe.

• Die Analyse erfolgt hinsichtlich Imperfektionen.

• Wichtig bei der Analyse ist die Nahtgeometrie.

• Bei Rissen sind Anzahl und Tiefe der Risse im Lötgut und im Grundwerkstoff anzugeben.

Nahtanfang Nahtende Nahtmitte





Härteprüfung

Gemessen wird die Härte im Grundwerkstoff, in der Wärme-einflusszone sowie im Lötgut. Für Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Lötgut sind die maximale und die minimale Härte anzugeben.

Beispiel eines Härteverlaufs

Schliffbild mit Härtepunkten





Überblick

Einleitung



• Aufbau • Ermittlung der Qualitätsgrenzen • Sichtprüfung • Durchstrahlung • Quasistatische Prüfungen • Zyklische Prüfung • Metallografie • Härteprüfung


Zusammenfassung





• Die Prüfungen der PuD-F werden zur Zeit von einem Arbeitszusammenschluss der deutschen Automobil- und Stahlindustrie bestimmt.

• Folgende Fügeverfahren sind derzeit als PuD-F verabschiedet: Teil 1 allgemeine Angaben, Teil 2 Widerstandspunktschweißen, Teil 3 Laserstrahlschweißen und Teil 4 MIG-Löten.

• Die Anwendung der PuD-F sichert sowohl eine zielorientierte Entwicklung neuer Werkstoffe beim Stahlhersteller/Stahlanbieter, als auch eine schnelle interne Werkstofffreigabe beim Automobilhersteller.

• Beim MIG-Löten werden die Qualitätsgrenzen nur über die Drahtvorschubgeschwindigkeit eingestellt, um eine optimale Vergleichbarkeit unter den Werkstoffen zu erzielen. Der eingestellte Arbeitspunkt entspricht in der Regel nicht dem optimalen Parametersatz des Werkstoffes.

• Durch die definierte Prüfung bei neuen Stahlentwicklungen des Herstellers bekommt der Anwender Ergebnisse einer Werkstofffreigabeprüfung aus den unterschiedlichen Qualifizierungsschritten (Probecoil, Vorserie).

• Die Ergebnisse der PuD-F-Untersuchungen werden den Automobilherstellern in Form einer detaillierten Prüfmatrix bereitgestellt, die Bewertung der Ergebnisse erfolgt durch den Anwender.

• Nach Fertigstellung soll die PuD-F alle derzeitig relevanten Fügeprozesse für die Automobil-industrie abdecken.

Zusammenfassung



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