Beschreibung
P 1197 – Untersuchungen zu Eigenspannungen in hochtemperaturgelöteten Cr-CrNi Stahlmisch-verbindungen und Entwicklung löttechnischer Fertigungsstrategien zu deren Minimierung
Viele Bauteile werden aus hochlegierten Stahlwerkstoffen gefertigt, die in Vakuum- oder Schutzgasöfen bei Temperaturen oberhalb von 900°C gelötet werden. Für eine Reihe von Anwendungen ist es wünschenswert, ferritische und austenitische Stahlwerkstoffe miteinander zu fügen. Aufgrund der unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der Fügepartner und Lote können hierbei erhebliche Eigenspannungen auftreten, die zu einer signifikanten Schwächung dieser Lötverbindungen führen können. Im Rahmen dieses Projektes wurden daher die Eigenspannungen in gelöteten
Stahlmischverbindungen analysiert und Fertigungsstrategien zur Minimierung von Eigenspannungen in den gelöteten Mischverbindungen untersucht.
Konkret wurden kastenförmige Blechbauteilmodelle mit unterschiedlicher Fügegeometrie aus den Stahlsorten 1.4301 und 1.4521 im Vakuumofen ohne/mit Spannungsarmglühen und im Schutzgasdurchlaufofen mittels zweier unterschiedlicher Hochtemperaturlote (Kupferlot, Nickelbasislot) gelötet. Die Eigenspannungen wurden hiernach mittels Röntgendiffraktometrie sowie der Bohrlochmethode im Bereich der Fügezonen gemessen und mit ebenfalls durchgeführten FEM-Simulationen verglichen. Folgende Ergebnisse wurden aus diesen Untersuchungen erzielt:
1. Unabhängig vom gewählten Lot, dem Lötverfahren sowie der Reihenfolge der Werkstoffanordnung wurden Eigenspannungen über die gesamte Fügefläche gemessen, die auf Seiten des Ferriten (1.4521) im Maximum die Werkstoffquetschgrenze erreichen. Umgekehrt wurde der Austenit (1.4301) bis oberhalb seiner Streckgrenze durch die auftretenden Spannungskräfte gedehnt.
2. Einhergehend mit den aufgetretenen Eigenspannungen wurde an den gelöteten Proben eine deutliche Verformung festgestellt.
3. Signifikante Unterschiede in der Verteilung und Höhe der Eigenspannungen in Abhängigkeit der Prozessbedingungen und Fügegeometrien werden nicht festgestellt. Einzig durch die Verwendung von zusätzlich angelöteten Kompensationsblechen konnten die Druckeigenspannungen im ferritischen Fügepartner reduziert werden. Hierbei ist auch der Bauteilverzug geringer als an den Bauteilen ohne Kompensationsbleche.
4. Ein zusätzlich durchgeführtes Spannungsarmglühen der gelöteten Bauteilmodelle führte zu einem geringfügigen Abbau von Eigenspannungsspitzen. Ebenso werden Verbesserungen bei der Verwendung dicker Kupferschichten in den Fügezonen festgestellt.
5. Sowohl die Verformungen als auch die experimentell ermittelten Eigenspannungsverteilungen in den Bauteilproben standen in guter Übereinstimmung mit den durchgeführten FEM-Simulationen, bei denen eigens ermittelte Werkstoffdaten zum temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Blechwerkstoffen verwendet wurden. Die FEM-Simulation lieferte zudem auch Informationen über die Eigenspannungen in den messtechnisch nicht zugänglichen Lötnähten selbst: Hier traten immer Zugeigenspannungen in Höhe der Streckgrenze des Lotes (Kupfer) auf.
Veröffentlichung:
2019
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. H. J. Maier, Prof. Dr.-Ing. habil. B. Scholtes
