Beschreibung
P 1282 – Einsatz des Lichtbogenlötens zum Fügenvon Anbauteilen an schwingend hochbeanspruchten Stahlkonstruktionen
Im Rahmen des Projektes wurde das Lichtbogenlöten als Ersatz für das konventionelle Schweißen sekundärer Anbauteile an dynamisch belasteten Strukturen untersucht, um neben den notwendigen statischen Festigkeiten hauptsächlich die Kerbwirkung ohne zusätzliche Schweißnahtnachbehandlung zu reduzieren. Es wurden unterschiedliche Lotwerkstoffe hinsichtlich der Löteignung untersucht und in Anbetracht der Ergebnisse sowie der Materialkosten die Kupferbasislegierung CuAl7 für die Hauptuntersuchungen ausgewählt. Alle Lote weisen gute Festigkeitseigenschaften, auch bei Grobblechverbindungen auf, die teilweise oberhalb des Grundmaterialniveaus von normalfesten Baustählen liegen können. Bei der überwiegenden Anzahl der Verbindungen traten im Bereich der Diffusionszonen LMPs (Liquid Metal Penetration) auf, wobei kein negativer Einfluss auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften nachgewiesen werden konnte.
Basierend auf Parameterstudien und zahlreichen Versuchslötungen wurden Best-Practice-Rahmenbedingungen sowie vorläufige Lötanweisungen (pBPS) für die jeweilige Verarbeitung formuliert. Die Nähte der Prüfkörper wurden mikroskopisch und hinsichtlich der Härteverläufe sowie Eigenspannungen und Verzug charakterisiert. Lötverbindungen weisen trotz der wesentlich geringeren Energieeinbringungen im Vergleich zum Schweißen ein betragsmäßig ähnliches Eigenspannungsniveau am Nahtfußpunkt und eine ähnlich starke Verzugsneigung auf. Dies ist auf den wesentlich höheren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der Cu-Legierung bei vergleichbarer Warmfestigkeit zurückzuführen.
Im Rahmen der Schwingfestigkeitsuntersuchungen wurden systematisch Geometrien der aufgelöteten Bauteile, Grundblechdicken, Grundmaterialfestigkeiten und Lastverhältnisse an lichtbogengelöteten Proben variiert und mit geschweißten Referenzprüfkörpern verglichen. Dazu wurden insgesamt 11 Wöhlerlinien aufgenommen. Als aufgelötete bzw. aufgeschweißte Details kamen Teller/Dopplungen sowie die für Türme für Windenergieanlagen typischen Schweißbuchsen zum Einsatz. Die beobachtete Versagenscharakteristik der Details mit gelöteten Anbauteilen ist vergleichbar mit geschweißten Details. Ausgehend vom Schweißnahtübergang, entwickelt sich ein Ermüdungsriss im Grundmaterial, der schließlich zum Versagen des Bauteils führt. Die Neigung der Wöhlerlinie ist dabei vergleichbar mit denen von geschweißten Details ( m ≈ 3). Die Ermüdungsfestigkeit ist für die lichtbogengelöteten Details dabei wesentlich höher. Für die gelöteten Buchsen konnte ein allgemeiner Kerbfall Δσc = 100MPa aus den Versuche ermittelt werden. Die aufgelöteten Teller und Lamellen lieferten einen Kerbfall Δσc = 80MPa.
An den untersuchten 20 mm dicken und 40 mm dicken Grundblechen konnte kein Blechdickeneinfluss beobachtet werden. Die numerischen Untersuchungen legen nahe, dass auch im Bereich über 40 mm Blechdicke kein geometrischer Blechdickeneinfluss zu erwarten ist. Die Geometrie der aufgelöteten Teller beeinflusst die Ermüdungsfestigkeit nur bei Geometrien mit sehr kleinen Durchmessern. Die Teller mit einem Längsdurchmesser von 500 mm zeigen keinen statistisch signifikanten Unterschied der Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu den Bauteilen mit einem Längsdurchmesser von 75 mm.
Die experimentellen Untersuchungen konnten keinen Zusammenhang zwischen der Ermüdungsfestigkeit von gelöteten Anbauteilen und der Festigkeit des Grundwerkstoffes nachweisen.
Um einen statischen Bemessungsansatz für lichtbogengelötete Verbindungen formulieren zu können, wurden Kleinmaßzugproben aus gelöteten Nähten auf Stahl sowie Kupferblöcken entnommen. Die ermittelten Festigkeitswerte variierten bei gleicher Energieeinbringung teils erheblich zwischen den entnommenen Lötdetails (Kehlnaht, Auftragraupe) und dem verwendeten Substrat (Stahl, Kupfer). Das lässt darauf schließen, dass die Abkühlbedingungen sowie der Aufmischungsgrad einen signifikanten Einfluss auf die Nahtfestigkeit haben. Es konnte festgestellt werden, dass hohe Abkühlgeschwindigkeiten sowie eine Aufmischung mit Eisensubstrat, welches in Kupfer als Feinkornbildner fungiert, zu hohen Festigkeiten führt. Die ermittelten Ergebnisse wurden mit den statischen Abziehund Abscherversuchen verglichen.
Bauteilversuche an Kehlnähten zur Ermittlung der statischen Festigkeit des CuAl7 Lotwerkstoffes konnten zeigen, dass das Versagen wie bei Schweißdetails in der Naht stattfindet. Die Festigkeit des Lotzusatzwerkstoffes ist vergleichbar zu Schweißzusatzwerkstoffen aus normalfesten Stahl. Es wurde ein Verfahren zur Schweißnahtbemessung vorgestellt, dass sich an einem bestehenden Nachweisformat im Eurocode orientiert.
Es konnte abschließend anhand einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen am Beispiel geschweißter / gelöteter Buchsen gezeigt werden, dass der Einsatz des Lichtbogenlötens erheblich günstiger ist als der kombinierte Einsatz von Schweißprozess und Schweißnahtnachbehandlungsverfahren zur Erhöhung der Schwingfestigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass kein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Nachbehandlung notwendig ist und die daraus resultierenden Lohnkosten als Kostentreiber eingespart werden.
Veröffentlichung:
2021
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. W. Flügge, Prof. Dr.-Ing. habil. K.-M. Henkel, Dr.-Ing. A. Gericke, M.Sc. K. Drebenstedt
