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Erstellen eines Programms zum Gestalten und Berechnen von Schmelzlötverbindungen

Diplomarbeit 2004 108 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbolverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Aufgabenbeschreibung
1.2 Zielstellung

2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen
2.1 Begriffsklärung
2.1.1 Festigkeit
2.1.2 Löten
2.1.3 Lötverbindungen
2.1.4 Lötbarkeit
2.1.4.1 Löteignung
2.1.4.2 Lötmöglichkeit
2.1.4.3 Lötsicherheit
2.2 Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Lötverbindung
2.2.1 Fertigungsbedingte Einflüsse
2.2.2 Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der Grundwerkstofffestigkeit
2.2.3 Konstruktive Einflüsse
2.2.4 Einflüsse der Betriebsbedingung
2.3 Klassifizierung des Lötens
2.3.1 Schmelzlöten und zugelassene Werkstoffkombinationen
2.3.2 Diffusionslöten und zulässige Werkstoffkombinationen

3 Entwicklungsphasen eines Programms

4 Analyse
4.1 Klärung der Aufgabenstellung
4.1.1 Konkrete Aufgabenstellung
4.1.2 Zielgruppe
4.2 Randbedingungen
4.3 Vorselektion des Materials
4.3.1 Analyse der Berechnung nach VDI/VDE 2251 Blatt 3
4.3.1.1 Inhalt der VDI/VDE 2251 Blatt 3
4.3.1.2 Anmerkungen zu der VDI/VDE 2251 Blatt 3
4.3.2 Analyse der Berechnung nach „Allgemeinen Regeln der Technik“
4.3.2.1 Inhalt„Allgemeinen Regeln der Technik“
4.3.2.2 Anmerkungen zu den „Allgemeinen Regeln der Technik“

5 Entwurf
5.1 Sichten von vorhandenen Problemlösungen
5.1.1 KISSsoft-Hirnware
5.1.1.1 Beschreibung von KISSsoft-Hirnware
5.1.1.2 Bewertung von KISSsoft-Hirnware
5.1.2 MDESIGN mec 7.3
5.1.2.1 Beschreibung von MDESIGN mec 7.3
5.1.2.2 Bewertung von MDESIGN mec 7.3
5.2 Allgemeine Probleme
5.2.1 Einbinden von Werkstoffen
5.2.1.1 Lotwerkstoffe
5.2.1.2 Grundwerkstoffe
5.3 Architektur
5.3.1 Bedieneroberfläche
5.3.2 Berechnungsstruktur
5.3.3 Programmstruktur
5.4 Design
5.4.1 Fehler
5.4.2 Steuerelemente

6 Entwurf des Algorithmus und Implementierung
6.1 Die Entwicklungsumgebung Visual Basic.Net
6.1.1 Kurzbeschreibung von Visual Basic.Net
6.1.2 Einordnung von Visual Basic.Net
6.2 Programmiertechniken
6.2.1 Bottom-Up-Komposition
6.2.2 Top-Down-Dekomposition
6.3 Problemstellung und Lösung
6.3.1 „Hauptfenster“
6.3.2 „Fenster zur Auswahlsteuerung“
6.3.3 Eingabefenster „Stoßart“
6.3.4 Eingabefenster „Werkstoffe“
6.3.5 Eingabefenster „Betriebsfaktor“
6.3.6 Eingabefenster „Sicherheit“
6.3.7 Eingabefenster „Abmaße“
6.3.8 Hilfefenster „Abmaße“
6.3.9 Hilfefenster „Werkstoffe“
6.3.10 Hilfefenster „Betriebsfaktor“
6.3.11 Hilfefenster „Überlappungslänge VDI“
6.3.12 Hilfefenster „Überlappungslänge Allgemeine Regeln der Technik“
6.3.13 „Fenster zur Berechnung“

7 Testen
7.1 Fehler
7.2 Testprinzipien ([20] S. 17)
7.3 Testverfahren

8 Benutzungshinweise
8.1 Kompatibilität
8.2 Installation

9 Schlussbetrachtung
9.1 Aussichten
9.2 Einschränkungen

Literaturverzeichnis

Abstract

Inhalt dieser Diplomarbeit ist das Erstellen eines Programms zur Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen durch Verwenden der IDE Visual Basic.NET Standard. In diesem Rahmen wurden verschiedene Berechnungsgrundlagen analysiert und bewertet, die zu einem späteren Zeitpunkt vollständig in das Programm implementiert wurden. Um das Programm von existierenden Lösungen abzugrenzen, wurde eine übersichtliche, benutzerfreundliche und inhaltlich korrekte Bedieneroberfläche geschaffen. Zusätzlich entstand eine Datenbank, in der Zug- und Scherfestigkeiten von Schmelzlötverbindungen dokumentiert wurden. Dazu wurden genormte und häufig verwendete Lote sowie eine Auswahl von lötbaren Grundwerkstoffen zusammengestellt. Eine Datenbankpflege wird vorausgesetzt, da aufgrund ausstehender Zugversuche auf Faustwerte zurückgegriffen werden muss.

Die Dokumentation der Programmerstellung ist das Hauptthema im Schriftteil dieser Diplomarbeit. Notwendige Grundlagen, die zum Verstehen der Pro-blematik unverzichtbar sind, wurden zunächst erarbeitet und analysiert. Es werden Probleme im Rahmen der Umsetzung vorhandener Berechnungsgrundlagen sowie die Herangehensweise der Lösungsfindung aufgezeigt. Dazu wurden schematische Darstellungen entwickelt, die eine Einteilung der vorhandenen Probleme in mehrere Module ermöglichen und eine globale Übersicht über den Entwicklungsprozess bieten. Die daraus resultierenden Module wurden programmiert und über Schnittstellen zusammengefügt. Diese Entwicklung wird aufgrund des umfassenden Quellcodes komprimiert und auszugsweise dargestellt (vollständiger Quellcode befindet sich auf der beiliegenden CD).

Das erstellte Programm muss zum Beseitigen von Fehlern getestet werden. Daher ist das Entwickeln von Testverfahren dokumentiert. Testen ist eine langwierige Prozedur, deshalb sind dessen Ergebnisse nicht im Rahmen des Schriftteiles dieser Diplomarbeit ausgewertet.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Darstellung der Lötbarkeit ( [6] S. 96)

Abbildung 2: Legierungsbildung an der Lötstelle ([13] S. 243)

Abbildung 3: Einfluss der Löttemperatur auf die Festigkeit

Abbildung 4: Lötzeit in Abhängigkeit vom Flussmittel ([13] S. 261)

Abbildung 5: Einfluss der Zusammensetzung des Flussmittels ([1] S. 133)

Abbildung 6: Zug- und Scherfestigkeit der Lötverbindungen in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs ([1] S. 134)

Abbildung 7: Kapillare Steighöhe von niedrig schmelzenden Hartloten in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([6] S. 102)

Abbildung 8: Zugfestigkeit einer Lötverbindung in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([13] S. 249)

Abbildung 9: Kapillarer Fülldruck in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([6] S. 103)

Abbildung 10: Zeitstandfestigkeit des Lots LAg40Cd20 in Abhängigkeit von der Temperatur ([1] S. 136)

Abbildung 11: Zeitstandfestigkeit des Lots LSn50 in Abhängigkeit von der Temperatur ([11] S. 137)

Abbildung 12: Biegewechselfestigkeit verschiedener Lote ([1] S. 137)

Abbildung 13: Mögliche Grundwerkstoff -Lot-Kombinationen ([6] S. 106)

Abbildung 14: Schematische Darstellung der Mechanismen beim Diffusionslöten ([6] S. 104)

Abbildung 15: Werkstoffkombinationen beim Diffusionslöten ([6] S. 105)

Abbildung 16: Entwicklungsphasen eines Programms

Abbildung 17: Überlappverbindungen ([14] S. 18)

Abbildung 18: Stumpfstoßverbindung ([14] S. 19)

Abbildung 19: Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Übelappstoß) ([12] S. 89)

Abbildung 20: Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Rohrsteckverbindung) ([12] S. 89)

Abbildung 21: Beanspruchung von Spaltlötverbindungen (Steckverbindung-Vollstab) ([12] S. 89)

Abbildung 22: KISSsoft-Hirnware (Screenshot Lötverbindung)

Abbildung 23: Überlappstoß (Flachverbindung) ([10] S. 336)

Abbildung 24: Überlappstoß (Welle-Nabe-Verbindung) ([10] S. 337)

Abbildung 25: MDESIGN mec 7.3 (Screenshot Klebverbindung)

Abbildung 26: Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 1

Abbildung 27: Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 2

Abbildung 28: Entwurf der Bedieneroberfläche Nr. 3

Abbildung 29: Ablauf und Ergebnisberechnung des Festigkeitsnachweises nach [14]

Abbildung 30: Ablauf und Ergebnisberechnung des Festigkeitsnachweises nach [12]

Abbildung 31: Fluss-Diagramm

Abbildung 32: Navigations-Diagramm

Abbildung 33: Entwicklungsumgebung Visual Basic.Net

Abbildung 34: Beliebtheit von Programmiersprachen nach [19]

Abbildung 35: Verwendete IDEs nach [19]

Abbildung 36: „Hauptfenster“

Abbildung 37: Auszug aus dem Quellcode (MenuItem)

Abbildung 38: „Fenster zur Auswahlsteuerung“

Abbildung 39: Auszug aus dem Quellcode (Auswahlsteuerung)

Abbildung 40: Auszug aus dem Quellcode (Button „Abmaße“)

Abbildung 41: Eingabefenster „Stoßart“

Abbildung 42: Eingabefenster „Werkstoffe“

Abbildung 43: Auszug aus dem Quellcode (Lotauswahl)

Abbildung 44: Auszug aus dem Quellcode (Werkstoffübergabe)

Abbildung 45: Eingabefenster „Betriebsfaktor“

Abbildung 46: Eingabefenster „Sicherheit“

Abbildung 47: Eingabefenster „Abmaße“

Abbildung 48: Auszug aus dem Quellcode (Steuern der Panels)

Abbildung 49: Auszug aus dem Quellcode (Beschränken derZeichen)

Abbildung 50: Hilfefenster „Abmaße“

Abbildung 51: Hilfefenster „Werkstoffe“

Abbildung 52: Auszug aus dem Quellcode (Binden der Datentabelle)

Abbildung 53: Auszug aus dem Quellcode (Blättern in Datentabelle)

Abbildung 54: Auszug aus dem Quellcode (letzter Datensatz)

Abbildung 55: Hilfefenster „Betriebsfaktor“

Abbildung 56: Hilfefenster „Überlappungslänge VDI“

Abbildung 57: Auszug aus dem Quellcode (Überlappungslänge-VDI)

Abbildung 58: Hilfefenster „Überlappungslänge Allgemeine Regeln der Technik“

Abbildung 59: Auszug aus dem Quellcode (Überlappungslänge-Allg.)

Abbildung 60: „Fenster zur Berechnung“

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Zugfestigkeit von Lötverbindungen verschiedener Nahtformen ([1] S. 135)

Tabelle 2: Optimale Spaltbreite für das Spaltlöten ([5] S. 205)

Tabelle 3: Abminderungsfaktor i bei Überlappverbindungen ([14] S. 19)

Tabelle 4: Anwendungs- bzw. Betriebsfaktor KA ([11] S. 41)

Tabelle 5: Festigkeitsnachweis für Lötverbindungen ([10] S. 336-337)

Tabelle 6: Löteignung der Werkstoffe (vgl. [22] S. 2)

Tabelle 7: Festlegen der Wertebereiche

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Das Verbinden von Bauteilen ist ein wesentlicher Bestandteil des Maschinenbaus. Zu den wichtigsten Verbindungselementen gehören Niete, Schrauben, Federn, Stifte, Bolzen sowie Schweiß-, Löt- und Klebverbindungen, wobei Schweißen, Löten und Kleben zu den stoffschlüssigen Fügeverfahren gehören. Um vor der Fertigung mit ausreichender Sicherheit behaupten zu können, dass das entstehende Produkt der vorgesehenen Belastung standhält, sind viele Untersuchungen durchgeführt worden. Ziel dieser Untersuchungen war es, Formelwerke zu entwickeln, die eine Voraussage der ertragbaren Belastung ermöglichen. Folglich entstand eine Vielzahl von Gleichungen, die in sehr umfassenden Nachschlagewerken abgedruckt wurden.

Es eröffnete sich ein neuer Markt, um Ingenieuren die Arbeit mit diesen Gleichungen zu erleichtern und abzunehmen. Ziel ist es, die existierenden Gleichungen in Berechnungsroutinen zu implementieren, um die geforderten Ergebnisse in Abhängigkeit von den Eingabeparametern zu liefern. Mittels neuartiger Berechnungssoftware ist es heute möglich, viele Verbindungen von Werkstoffen durch eine große Zahl an Fügeverfahren zu simulieren. Hilfreich ist dies vor allem in der Konstruktion, da Verbindungen ohne großen Aufwand dimensioniert werden können und Ergebnisse über die ertragbare Belastung geliefert werden. Diese Programme bieten eine große Auswahl an Nachweisen für die verschiedensten Verbindungselemente. Jedoch erhält das Fügeverfahren Löten in solchen Programmen bis heute nicht genügend Beachtung und wird daher Thema dieser Diplomarbeit.

Löten ist ein thermisches Fügeverfahren, das eingesetzt wird, um Bauteile aus meist metallischen Werkstoffen zu verbinden. Die Löttechnik wurde vor ca. 6000 Jahren erfunden und ist damit das älteste Fügeverfahren, das unter Nutzung einer Wärmequelle das Verbinden metallischer Werkstoffe ermöglicht. Ursprünglich war das Anfertigen von Schmuck- und Kunstgegen-ständen das wichtigste Einsatzgebiet. Heute ist das Löten in dieser alten Kunst noch immer unverzichtbar und es sind noch viele Bereiche hinzugekommen. Zu diesen Bereichen gehören die Herstellung von Dosen, Kühlern und elektrischen Kontakten beim Weichlöten, sowie die Produktion von Fahrzeugrahmen und Rohrflanschen durch Hartlöten. Die Bedeutung des Lötens stieg besonders im 20. Jahrhundert durch die Erschließung neuer Werkstoffe und Verfahren.

1.1 Aufgabenbeschreibung

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist das Erstellen eines übersichtlichen, bedienerfreundlichen und lauffähigen Programms zum Führen eines Festigkeitsnachweises von Schmelzlötverbindungen unter dem Betriebssystem Windows XP. Es ist als Modul einer umfangreichen Software zu verstehen, in der verschiedenste Verbindungselemente berechnet werden können. Dabei ist die Entstehung einer verbesserten Alternative zu marktführenden Berechnungsprogrammen, wie KISSsoft-Hirnware oder MDESIGN mec, anzustreben.

Das Programm soll dem Anwender die Möglichkeit bieten, erforderliche Lötstellenflächen und Überlappungslängen bei vorgegebener Belastung sowie die maximal ertragbaren Kräfte und Momente bei vollständig gestalteten Schmelzlötverbindungen zu berechnen. Es sind Gleichungen zu verwenden, die gefestigten Regeln der Technik entsprechen oder genormt sind. Die Menge der Lot- und Grundwerkstoffe, die in das Programm eingebunden werden, sollen auf Grund ihrer Vielzahl sinnvoll beschränkt werden.

Als Programmieroberfläche wird das Programm VisualBasic.Net verwendet. Die Programmiersprache Basic wird bei den heutigen Prozessorleistungen den Geschwindigkeitsanforderungen gerecht und ist zudem auch leicht zu erlernen.

1.2 Zielstellung

Das zu erstellende Programm soll eine Alternative zu bereits existierenden Programmen darstellen, daher muss es sich von diesen klar abgrenzen. Die Abgrenzung kann bzw. muss durch ein neues Screendesign und durch Verwendung geeigneter und gefestigter Berechnungsgrundlagen angestrebt werden. Die Gestaltungsziele der Bedieneroberfläche sind in Abschnitt 5.3.1 näher erläutert.

Die Berechnungen nach „allgemeinen Regeln der Technik“ [12] und nach der VDI/VDE Richtlinie 2251 Blatt 3 [14] sind geeignet für einen repräsentativen Festigkeitsnachweis einer Schmelzlötverbindung. Die Möglichkeit eines Festigkeitsnachweises nach verschiedenen Berechnungsgrundlagen innerhalb eines Programms zeigt zusätzlich Unterschiede in den gelieferten Ergebnissen und gibt Anstoß zu einer Vereinheitlichung sämtlicher Berechnungsgrundlagen. Eine eventuelle Normung der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen ist als Folge wünschenswert.

2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung von Schmelzlötverbindungen

2.1 Begriffsklärung

Im Folgenden sind für die Erstellung des Programms notwendige Begriffe abgegrenzt, um die Grundstrukturen des entstehenden Programms begreiflich zu machen.

2.1.1 Festigkeit

Definition der Festigkeit:

„Die Festigkeitslehre soll Spannungen und Verformungen in einem Bauteil ermitteln und nachweisen, dass sie mit ausreichender Sicherheit gegen Versagen des Bauteils aufgenommen werden. Ein Versagen kann in unzulässigen großen Verformungen oder Dehnungen, im Auftreten eines Bruchs oder im Instabilwerden (z.B. Knicken oder Beulen) des Bauteils bestehen. Die hierfür maßgebenden Werkstoffkennwerte sind abhängig vom Spannungszustand (ein-, zwei- oder dreiachsig), vom Belastungszustand (statisch oder dynamisch), von der Betriebstemperatur sowie von der Größe und der Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils.“ ([2] S. C1)

2.1.2 Löten

Definition des Begriffes Löten:

„Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lots (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht.“ ([25] S. 1)

2.1.3 Lötverbindungen

Definition des Begriffes Lötverbindungen:

„Lötverbindungen sind das Ziel und Ergebnis des Lötens. Als allgemein kennzeichnendes und von den ebenfalls stoffschlüssigen Schweiß- und Klebverbindungen abgrenzendes Merkmal von Lötverbindungen lässt sich zusammenfassen, dass nach dem Löten alle Bereiche der Lötverbindung zwar die gleiche chemische Bindung besitzen, sich jedoch einzelne Bereiche in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden.“ ([6] S. 96)

2.1.4 Lötbarkeit

Definition der Lötbarkeit :

„Lötbarkeit ist die Eigenschaft eines Bauteils, durch Löten derart hergestellt werden zu können, dass es die gestellten Forderungen erfüllt. Die Lötbarkeit eines Bauteils (vgl. Abbildung 1) ist vorhanden, wenn

- die Löteignung des Werkstoffes
- und die Lötmöglichkeit in der Fertigung, d.h. die Anwendbarkeit eines oder mehrerer Lötverfahren
- und die Lötsicherheit der Konstruktion, d.h. ausreichende Zuverlässigkeit des Bauteils bei den vorgesehenen Betriebsbedingungen

vorhanden sind.“ ([27] S. 1) „Jede der drei Eigenschaften Löteignung, Lötmöglichkeit, Lötsicherheit hängt von den Einflussgrößen Werkstoff, Fertigung, Konstruktion ab, wobei der Grad der Abhängigkeit von der jeweiligen Lötaufgabe bestimmt wird.“ ([27] S. 1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Darstellung der Lötbarkeit ( [6] S. 96)

2.1.4.1 Löteignung

„Die Löteignung ist eine Werkstoffeigenschaft; sie wird von der Fertigung und in geringen Maß von der Konstruktion mitbestimmt. Die Löteignung eines Werkstoffes ist umso besser, je weniger die werkstoffbedingten Faktoren beim Festlegen der Bedingungen für die Löteignung einer bestimmten Lötkonstruktion berücksichtigt werden müssen. Der Werkstoff bestimmt die Löteignung im Wesentlichen durch seine folgenden Eigenschaften:“ ([27] S. 1)

- Chemische und metallurgische Eigenschaften ([27] S. 1)

chemische Zusammensetzung einschließlich unerwünschter Verunreinigungen, Oxidationsverhalten, Korrosionsverhalten, Diffusions- und Löslichkeitsverhalten, Härteneigung, Gefügeausbildung und deren Änderung bei Wärmebehandlung.

- Physikalische Eigenschaften ([27] S. 1)

Benetzbarkeit, Spaltfüllbarkeit, Solidustemperatur, Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme.

- Mechanische Eigenschaften ([27] S. 1)

Festigkeits- und Verformungsverhalten, Eigenspannungszustand.

2.1.4.2 Lötmöglichkeit

„Die Lötmöglichkeit ist eine Fertigungseigenschaft; sie wird vorwiegend von der Konstruktion und weniger vom Werkstoff bestimmt. Die Lötmöglichkeit für ein Bauteil ist umso besser, je weniger beim Entwurf der Konstruktion die fertigungsbedingten Merkmale bei dem gewählten Werkstoff berücksichtigt werden müssen. Die Fertigung bestimmt die Lötmöglichkeit im Wesentlichen durch ihre folgenden Merkmale:“ ([27] S. 1)

- Größe und Form des Bauteils,
- Maßhaltigkeit der zu lötenden Teile,
- Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit, Rissigkeit, Oxidationsgrad, Verunreinigungen),
- Oberflächenbeschichtung,
- Form und Abmessung des Lötspaltes oder der Lötfuge,
- Lage der Lotdepots und Spaltenlüftungen,
- Fixierung der Bauteile,
- Lot (Art, Menge, Form),
- Stoffe und Maßnahmen zur Oxidbeseitigung (Flussmittel, reduzierende Gase, Schutzgase, Vakuum, Reibung, Ultraschall),
- Lötprogramm (Temperatur und Zeit),
- Lötfolge (Stufenlöten),
- Wärmenachbehandlung (Diffusionsglühen, Vergüten),
- Reinigen der Lötstelle (Entfernen der Flussmittelreste),
- Prüfen der Lötstelle.

2.1.4.3 Lötsicherheit

„Die Lötsicherheit ist eine Konstruktionseigenschaft; sie wird gleichermaßen vom Werkstoff und von der Fertigung bestimmt. Die Lötsicherheit eines Bauteils ist umso größer, je weniger die konstruktionsbedingten Merkmale bei der Wahl des Werkstoffs sowie der Art der Lötfertigung und je weniger die Anforderung an das Bauteil im Betrieb beachtet werden müssen. Die Konstruktion bestimmt die Lötsicherheit im Wesentlichen durch ihre folgenden Merkmale:“ ([27] S. 2)

- Konstruktive Gestaltung ([27] S. 2)

Lage der Lötnaht, Querschnittsverhältnisse, Kerbwirkung, Fehler in der Lötnaht.

- Beanspruchungszustand ([27] S. 2)

Statische oder dynamische Beanspruchung, Spannungszustand im Lötnahtbereich, Beanspruchungsgeschwindigkeit, Beanspruchungstemperatur, Beanspruchungsmedium (Eigenschaften der Umgebung, Klima).

2.2 Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Lötverbindung

Die Festigkeit einer Lötverbindung kann nach „Allgemeinen Regeln der Technik“ (z.B. [12]) oder nach VDI/VDE Richtlinie 2251 Blatt 3 nachgewiesen werden. Bevor ein solcher Nachweis geführt wird, sollte geklärt sein, wovon die Festigkeit einer Lötverbindung abhängig ist.

Eine Lötverbindung besteht nicht nur aus Grund- und Lotwerkstoff sondern auch aus einer Legierungszone. Diese Legierungszone entsteht durch Diffusion von Legierungselementen des Lots und des Grundwerkstoffs. Durch das Einbringen von thermischer Energie wird eine zwischenatomare Bindung ausgeprägt, wobei die Atome des geschmolzenen Lots unmittelbar mit der Oberfläche des Grundwerkstoffs in Kontakt stehen müssen. Dieser Kontakt wird durch die Lötstellenvorbereitung realisiert (vgl. [6] S. 103).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Legierungsbildung an der Lötstelle ([13] S. 243)

Vier Prozesse sind grundlegend für eine Lötverbindung (vgl. [6] S. 103):

- Diffusion von Atomen des Grundwerkstoffs in das geschmolzene Lot unter Bildung einer festen Lösung bei einer sich anschließenden Kristallisation
- Diffusion von Atomen des Lots in den festen Grundwerkstoff unter Bildung einer festen Lösung
- Gegenseitige Diffusion von Atomen des Lots und des Grundwerkstoffs unter Bildung intermetallischer Verbindungen (auch als intermetal-lische Phase bezeichnet)
- Adhäsion (diffusionsfreie Bindung)

Grundlage für diese Prozesse ist die Legierungsbildung zwischen einem Legierungselement des Grundwerkstoffs und einem Mischkristall, ein Eutektikum oder einer intermetallischen Phase aus wenigstens einem Legierungselement des Lots. Deshalb ist die Festigkeit einer Lötverbindung nicht nur vom Lotwerkstoff abhängig. Weitere Faktoren sind die Grundwerkstoff-zusammensetzung und –festigkeit, Größe und Beschaffenheit der Lötfläche, Spaltbreite, Spaltform, Zusammensetzung des Flussmittels, Löttemperatur, Qualität der Ausführung und Betriebsbedingungen. Einflüsse auf die Festigkeit einer Lötverbindung sind eingeteilt in (vgl. [1] S. 131):

- fertigungsbedingte Einflüsse
- Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der Grundwerkstofffestigkeit
- konstruktive Einflüsse
- Einflüsse der Betriebsbedingungen.

2.2.1 Fertigungsbedingte Einflüsse

Der Einsatz mechanisierter Lötverfahren lässt eine gleich bleibende Festigkeit der Lötverbindung erwarten. Bei manuellen Lötverfahren, wie beim Löten mit der Flamme oder dem Lötkolben, ist die Festigkeit abhängig von den Fähigkeiten der Person, die die Lötung ausführt.

Die Löttemperatur hat ebenfalls Einfluss auf die Festigkeit einer Lötverbindung (vgl. Abbildung 3). Bei niedrigen Löttemperaturen sind geringe Festigkeitswerte mit einem großen Streubereich zu erwarten. Grund dafür ist eine zu schnelle Erstarrung in zumeist engen Lötspalten. Bei höheren Löttemperaturen gestaltet sich die Erstarrung langsamer und ermöglicht einen längeren Diffusionsvorgang. Demzufolge ist eine höhere Festigkeit der Lötverbindung zu erwarten (vgl. [1] S. 131-132).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Einfluss der Löttemperatur auf die Festigkeit

von Spaltlötverbindungen ([1] S. 132)

a) Lot LMs60 an St38 b) Neusilberlot an St52

Auf den Faktor Zeit ist beim Löten besonders zu achten. Ein Flussmittel wird vor der Lötung auf die Spaltoberfläche aufgetragen. Dieses benötigt mindestens 4 bis 5 Sekunden um die Spaltoberfläche zu reinigen. Nach 4 Minuten Erwärmungsdauer sättigt sich jedoch das Flussmittel mit Metalloxiden und es bildet sich erneut eine Oxidschicht. Deshalb wird die Erwärmungsdauer bis Löttemperatur auf maximal 2 Minuten beschränkt (vgl. [13] S. 261).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Lötzeit in Abhängigkeit vom Flussmittel ([13] S. 261)

Die Dauer eines Lötvorganges sollte ebenfalls zeitlich begrenzt werden, da sich die Diffusionsvorgänge bei zunehmender Lötzeit fortsetzen. Dabei besteht die Möglichkeit einer Kristallentstehung, die eine Verfestigung oder Versprödung bewirkt. Ebenso können zu kurze Lötzeiten zu Fehlern in der Lötnaht führen. Dies bewirkt wiederum einen Festigkeitsverlust der Lötverbindung (vgl. [13] S. 261).

2.2.2 Einflüsse der Zusammensetzung des Flussmittels und der Grundwerkstofffestigkeit

Passend zum Lot sollte ein Flussmittel gewählt werden. Dieses Flussmittel ist ausschlaggebend für die Ausbreitung des Lots. Mit dem entsprechenden Flussmittel ist es möglich eine größere Fläche mit einem Lot zu benetzen und dadurch eine höhere Festigkeit in der Lötverbindung zu erzielen (vgl. [1] S. 133).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Einfluss der Zusammensetzung des Flussmittels ([1] S. 133)

Durch die Wahl eines Grundwerkstoffs mit einer höheren Festigkeit steigt im Allgemeinen die Festigkeit der Lötverbindung. Die Zugfestigkeit einer Lötverbindung erhöht sich dabei stärker als die Scherfestigkeit einer Lötverbindung (vgl. [1] S. 133).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Zug- und Scherfestigkeit der Lötverbindungen in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs ([1] S. 134)

2.2.3 Konstruktive Einflüsse

Bei der Konstruktion einer Lötverbindung ist darauf zu achten, dass entsprechend der Bauteilbelastung die Lötspaltform zu wählen ist. Die Form des Lötspaltes hat eine erhebliche Auswirkung auf die Festigkeit der Lötverbindung.

Tabelle 1 Zugfestigkeit von Lötverbindungen verschiedener Nahtformen ([1] S. 135)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für das Löten ist meist der Kapillarfluss des Lots im Lötspalt entscheidend. Die Ausbreitung des Lots wird durch die statische und dynamische Theorie zum Verhalten einer Flüssigkeit beschrieben. Nach der statischen Theorie besteht ein Zusammenhang zwischen dem hydrostatischen Druck und der Steighöhe der Flüssigkeit. Dieser Zusammenhang wird unter Beachtung der Dichte der jeweiligen Flüssigkeit betrachtet. Die maximale Steighöhe ist erreicht, wenn der hydrostatische Druck gleich dem kapillaren Fülldruck ist (vgl. [6] S. 101-102).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Je größer die Oberflächenspannung des Lots und je kleiner der Benetzungswinkel und die Spaltbreite, desto größer die Steighöhe.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Kapillare Steighöhe von niedrig schmelzenden Hartloten in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([6] S. 102)

Um die Kinetik des Auffüllens des Spaltes zu ermitteln, wird die dynamische Theorie zum Verhalten einer Flüssigkeit herangezogen. Sie beschreibt den Fließweg des Lots.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Zugfestigkeit einer Lötverbindung in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([13] S. 249)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Kapillarer Fülldruck in Abhängigkeit von der Spaltbreite ([6] S. 103)

Beim Löten wird oft der Begriff des kapillaren Fülldruckes verwendet. Unter ihm versteht man den hydrostatischen Druck einer benetzten Flüssigkeit in einem senkrechten Spalt (vgl. [6] S. 103).

Die Spaltbreite einer Lötverbindung sollte in Abhängigkeit von dem Lötverfahren und dem jeweiligen Lot gewählt werden. Spaltbreiten von 0,05 mm bis 0,20 mm sind bei Flussmittellötungen anzuwenden. Bei Spaltbreiten ≤ 0,05 mm ist es dem Lot nicht mehr möglich das Flussmittel vollständig zu verdrängen. Die Folge sind mögliche Flussmitteleinschlüsse, was eine fehler-hafte Lötstelle bedeuten würde. Beim Ofenlöten sind wiederum Lötspalte ≤ 0,05 mm vorzusehen (vgl. [13] S.262).

In puncto Spaltbreite unterscheiden sich die Aussagen verschiedener Fachbücher, z.B. ist eine Auswahl nach Tabelle 2 zu treffen (vgl. [5] S.205).

Tabelle 2: Optimale Spaltbreite für das Spaltlöten ([5] S. 205)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.4 Einflüsse der Betriebsbedingung

Mit steigender Betriebstemperatur sinkt die Festigkeit einer Lötverbindung erheblich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Zeitstandfestigkeit des Lots LAg40Cd20 in Abhängigkeit von der Temperatur ([1] S. 136)

Bei Langzeitbeanspruchungen von Hartlötverbindungen nimmt die Festigkeit mit steigender Temperatur ab (siehe Abbildung 11). Bei Raumtemperatur ist der Festigkeitsabfall noch recht gering. An einer Weichlötverbindung regis-triert man bereits bei Raumtemperatur einen sehr starken Abfall der Festigkeit (vgl. [1] S.137).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Zeitstandfestigkeit des Lots LSn50 in Abhängigkeit von der Temperatur ([11] S. 137)

Die Dauerfestigkeit von Lötverbindungen ist von dem verwendeten Lot abhängig. Mit zunehmender Arbeits- bzw. Löttemperatur sinkt die Dauerfestigkeit der Lötverbindung (siehe Abbildung 12) (vgl. [1] S.137).

[...]

Details

Seiten
108
Jahr
2004
ISBN (eBook)
9783638350709
Dateigröße
1.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v35015
Institution / Hochschule
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
Note
1,3
Schlagworte
Erstellen Programms Gestalten Berechnen Schmelzlötverbindungen

Autor

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Titel: Erstellen eines Programms zum Gestalten und Berechnen von Schmelzlötverbindungen