DE102012208227A1

DE102012208227A1 - Verfahren zum Verbinden zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen mittels einer Laserstrahlschweißung, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012208227A1
Application number: DE201210208227
Authority: DE
Inventors: Sonja Dudziak; Eugen Hilz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen (1, 2) mittels einer Laserstrahlschweißung, bei der die beiden Bauteile (1, 2) mittels eines Laserstrahls (100) zur Ausbildung eines Schmelzbades in einem Verbindungsbereich (15) bis über deren Schmelztemperatur erwärmt werden und in dem Verbindungsbereich (15) eine Durchmischung der beiden Materialien erfolgt, wobei nach dem Ausbilden des Schmelzbades der Verbindungsbereich (15) während einer Abkühlphase unter Ausbildung einer im Wesentlichen streifenförmigen Schweißnaht (20) erstarrt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen mittels einer Laserstrahlschweißung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Insbesondere werden dabei unterschiedliche Metalle miteinander verschweißt, um eine feste Verbindung zwischen zwei Bauteilen zu ermöglichen. Ein typischer Einsatzfall einer derartigen Verbindung besteht beispielsweise bei der Verbindung von Polen von Batteriezellen bei Lithium-Ionen-Batterien. Derartige Batterien können Bestandteil von Hybridfahrzeugen sein und müssen elektrisch in Reihe bzw. parallel miteinander geschaltet bzw. verbunden werden. Da die unterschiedlichen Pole der Batteriezellen bauartbedingt aus unterschiedlichen Materialien (Kupfer bzw. Aluminium) bestehen, ergibt sich die Problematik, Aluminium mit Kupfer zu verschweißen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass derartige Schweißverbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien, insbesondere zwischen unterschiedlichen Metallen wie Kupfer und Aluminium, relativ schwierig mit hoher Qualität ausführbar sind, da in dem Übergangsbereich zwischen den Materialien sogenannte intermetallische Sprödphasen gebildet werden. Derartige intermetallische Sprödphasen weisen kleinste Rissstrukturen auf, die sich entlang einer Verbindungszone zwischen den beiden Materialien ausbilden und dadurch die Festigkeit der Verbindungsstelle herabsetzen können. Darüber hinaus ist die Stromleitung im Bereich geschlossener Sprödphasenbänder beschränkt bzw. der elektrische Widerstand in diesem Bereich erhöht.
Aus der DE 103 59 564 A1 ist darüber hinaus ein Verfahren zum Verbinden von zwei aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen bekannt, bei dem durch eine Formschlussgeometrie zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt ist, dass die beiden Teile zuverlässig miteinander verbunden sind.
Dies erfolgt dadurch, dass lediglich einer der beiden Fügepartner durch eine Laserstrahleinrichtung in einer Fügezone aufgeschmolzen wird und sich das Schmelzgut so in einer Formschlussgeometrie ausbreitet, dass nach dem Abkühlen bzw. Erstarren des aufgeschmolzenen Materials eine feste Verbindung durch Formschluss zwischen den beiden Bauteilen erzielt wird.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen mittels einer Laserstrahlschweißung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine qualitativ hochwertige Schweißnaht erzielt wird. Insbesondere sollen die negativen Auswirkungen der aus dem Stand der Technik bekannten intermetallischen Sprödphase in der Verbindungszone zwischen den beiden Materialien vermieden bzw. reduziert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest der Verbindungsbereich zumindest während eines Teils der Abkühlphase mittels eines Schwingungserzeugers in Schwingungen versetzt wird. Es hat sich herausgestellt, dass durch eine Schwingungsanregung der Verbindungszone zumindest während des Erstarrens des aufgeschmolzenen Schmelzgutes die makroskopische Morphologie der Phasenverteilung beeinflusst wird, so dass ein Aufbrechen der geschlossenen Phasensäume im Verbindungsbereich zwischen den beiden Materialien erzielt werden kann. Insbesondere wird durch die Schwingungsanregung ein „Zerpflücken“ des kritischen Phasensaums bewirkt, so dass sich lediglich Inseln mit adversen Eigenschaften bilden, die in einer Matrix aus weniger kritischen Werkstoffvolumina eingebettet sind. Die nachteiligen Eigenschaften treten dadurch nur lokal auf und beeinflussen nicht die Eigenschaften der gesamten Verbindung. Insbesondere werden dadurch sowohl die mechanischen, als auch die elektrischen Eigenschaften im Verbindungsbereich verbessert.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schwingungen in einer Richtung senkrecht zur Verbindungsebene zwischen den beiden Bauteilen erzeugt werden. In diesem Fall findet ein besonders guter Energieübertrag von dem Schwingungserzeuger in das Schmelzbad im Verbindungsbereich statt.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Schwingungen in mehreren Schwingungsachsen bzw. Schwingungsrichtungen erzeugt werden. Eine derartige Schwingungserzeugung kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn komplexe Werkstückgeometrien miteinander verschweißt werden, bei der eine Schweißnaht in unterschiedliche Richtungen verläuft bzw. in unterschiedlichen Ebenen.
Bei Versuchen hat es sich als besonders günstig herausgestellt, die Schwingungsfrequenz zumindest in Abhängigkeit von der Schmelzbadmasse und/oder den Materialien zu wählen, wobei diese zwischen 10Hz und 35kHz, vorzugsweise zwischen 100Hz und 10kHz, beträgt.
Vorrichtungstechnisch lassen sich derartige Schwingungen besonders einfach und mit relativ geringem Aufwand dadurch erzeugen, dass diese mittels eines Ultraschall- oder Piezoschwingungserzeugers generiert werden.
Eine weitere Verbesserung der Qualität der Schweißnaht kann erzielt werden, wenn der Laserstrahl zur Erzeugung des Schmelzbades nicht auf den Bereich unmittelbar zwischen den beiden Materialien, sondern auf eines der beiden Materialien bzw. Bauteile gerichtet wird. Beispielsweise ist es bei der Verschweißung von Kupfer und Aluminium sinnvoll, den Laserstrahl etwas seitlich neben der unmittelbaren Verbindungszone bzw. Verbindungsebene im Bereich des Aluminiums zu richten. Dadurch wird im Schmelzbad bezüglich des Volumens ein höherer Aluminiumanteil erzielt.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Laserstrahleinrichtung zum Erwärmen der beiden Materialien über deren Schmelztemperatur mittels eines Laserstrahls und eine Schwingungserzeugungseinrichtung zum Übertragen von Schwingungen auf die beiden Bauteile umfasst.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beim Verbinden von Polen von Batteriezellen, insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen. Dies daher, da die Lithium-Ionen-Zellen bauartbedingt Pole bzw. Verbindungsstellen aus unterschiedlichen Materialien (Kupfer und Aluminium) aufweisen, und bei einer Reihenschaltung derartiger Lithium-Ionen-Zellen ein aus Aluminium bestehender Pol mit einem aus Kupfer bestehenden Pol verbunden werden muss.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Dies zeigt in:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier unterschiedlicher Materialien in Seitenansicht,
2 den Verbindungsbereich zweier unterschiedlicher Materialien, der nach herkömmlicher Art und Weise mittels einer Laserstrahlschweißverbindung erzeugt wird und
3 den Verbindungsbereich gemäß 2 unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Verbinden zweier Bauteile 1, 2 dargestellt, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere bestehen die beiden Bauteile 1, 2 aus unterschiedlichen Metallen wie Kupfer und Aluminium. Alternativ zu Kupfer und Aluminium sind auch andere Metallpaarungen, wie Stahl und Aluminium, Aluminium und Titan oder Titan-Legierungen und Nickel-Legierungen denkbar. Es sind jedoch auch andere Materialkombinationen denkbar, bei denen das eine Bauteil 1, 2 beispielsweise aus Kunststoff und das andere Bauteil 2, 1 aus Metall besteht. Insbesondere handelt es sich bei den beiden Bauteilen 1, 2 um unterschiedliche Pole von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, die miteinander verbunden werden müssen.
Die beiden im Ausführungsbeispiel blockförmig dargestellten Bauteile 1, 2 liegen bündig auf einer Trägereinrichtung 11 auf und sind auf dieser beispielsweise fest eingespannt. Mit der Trägereinrichtung 11 ist ein Schwingungserzeuger 12 wirkverbunden angeordnet, der insbesondere als Ultraschallschwingungserzeuger in Form einer Sonode oder in Form eines Piezokristalls ausgebildet ist, derart, dass die von dem Schwingungserzeuger 12 auf die Trägereinrichtung 11 übertragenen Schwingungen in Richtung des Doppelpfeils 13 wirken. Hierbei verläuft der Doppelpfeil 13 in der Ebene der Trägereinrichtung 11 bzw. senkrecht zu einer Verbindungsebene 5 der beiden Bauteile 1, 2. Die beiden Bauteile 1, 2 sollen beispielhaft auf der der Trägereinrichtung 11 gegenüberliegenden Oberseite der beiden Bauteile 1, 2 miteinander verbunden werden. Dabei wird bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 lediglich über einen Teilbereich der Höhe der beiden Bauteile 1, 2 reicht. Selbstverständlich liegt es grundsätzlich auch im Rahmen der Erfindung, dass eine derartige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 auch über die gesamte Höhe der Bauteile 1, 2 erfolgen kann.
Die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 wird mittels eines Laserstrahls 100 erzeugt, der von einer Laserstrahleinrichtung 101 generiert wird. Die Wahl des Laserstrahls 100 bzw. der geeigneten Laserstrahleinrichtung 101 hängt insbesondere von den verwendeten Materialien, der Größe des Verbindungsbereichs 15 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 sowie weiteren Parametern ab, und muss dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Durch die Einwirkung des Laserstrahls 100 werden die beiden Bauteile 1, 2 bzw. deren Materialien im Verbindungsbereich 15 bis über deren Schmelztemperatur hinaus erwärmt und dadurch verflüssigt, wobei sich die Materialen der beiden Bauteile 1, 2 vermischen. Dadurch bildet sich ein Schmelzbad an der Oberseite der beiden Bauteile 11, 12 beidseitig der Verbindungsebene 5 aus. Wie anhand der 1 ersichtlich ist, kann es dabei vorteilhaft sein, wenn der Laserstrahl 100 nicht direkt mit der Verbindungsebene 5 zwischen den Bauteilen 1, 2 ausgerichtet wird, sondern seitlich etwas neben der Verbindungsebene 5 im Bereich des einen Bauteils 1. Wenn das Bauteil 1 aus Aluminium und das Bauteil 2 aus Kupfer besteht, wird dadurch im Bauteil 1 ein Schmelzbad erzeugt, das hinsichtlich seines Volumens mehr Aluminiumanteil enthält als Kupfer.
Nachdem der Verbindungsbereich 15 bis über die Schmelztemperatur der Materialien der beiden Bauteile 1, 2 erwärmt wurde, oder bereits zu Beginn der Einwirkung des Laserstrahls 100, werden die beiden Bauteile 1, 2 erfindungsgemäß mittels des Schwingungserzeugers 12 in Richtung des Doppelpfeils 13 mit einer Frequenz zwischen 10Hz und 35kH, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 10kHz, zu Schwingungen angeregt. Insbesondere hängt die Schwingungsfrequenz dabei von der Schmelzbadmasse sowie gegebenenfalls von den verwendeten Materialien ab. Eine typische Amplitude der Schwingungen kann dabei zwischen 1µm und 1000µm betragen.
Diese Schwingungen übertragen sich über die Bauteile 1, 2 auch in den zunächst noch verflüssigten Verbindungsbereich 15. Wesentlich ist, dass nach Abschalten des Laserstrahls 100 der Schwingungserzeuger 12 zumindest während eines Teils der sich daran anschließenden Abkühlphase der Verbindungszone 15, bei der die Materialien der Bauteile 1, 2 erstarren und eine zumindest im Wesentlichen streifenförmige Schweißnaht 20 ausbilden, weiterhin zu Schwingungen angeregt werden. Vorzugsweise erfolgt die Schwingungsanregung bis zur vollständigen Erstarrung der Schweißnaht 20.
In der 2 ist der Verbindungsbereich 15 zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 dargestellt, wie sich dieser nach Ausbilden der Schweißnaht 20 darstellt, wenn kein Schwingungserzeuger 12 vorgesehen ist. Insbesondere erkennt man einen sogenannten Sprödphasensaum 21 mit in etwa konstanter Breite, der sich über die gesamte Länge des Verbindungsbereichs 15 erstreckt. In einem zentralen Bereich des Sprödphasensaums 21 ist eine intermetallische Sprödphase 22 ausgebildet, in der sich ein durchgehender Riss 23 befindet. Ein derartiger Sprödphasensaum 21 wird aufgrund der unterschiedlichen Materialien der beiden Bauteile 1, 2 erzeugt und bewirkt bei einer Schweißnaht 20, die ohne Einwirkung des Schwingungserzeugers 12 gebildet wird, eine Festigkeitsreduzierung. Demgegenüber ist in der 3 der Zustand einer Schweißnaht 20 und Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit einem Schwingungserzeuger 12 dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass der Sprödphasensaum 21 über die Länge des Verbindungsbereichs 15 keine konstante Breite mehr aufweist, sondern gewissermaßen „zerpflückt“ wurde. Auch verlaufen die vorhandenen Risse 23 nicht mehr über eine (durchgehende) Länge des Verbindungsbereichs 15, sondern sind inselförmig ausgebildet, so dass zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 quer zum Verbindungsbereich 15 durchgängige Verbindungen ohne Risse 23 erzeugt werden.
Das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung 10 zum Durchführen des Verfahrens können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom erfindungsgemäßen Gedanken abzuweichen. Insbesondere kann es bei komplexeren Bauteilgeometrien bzw. Schweißnähten 20, die Richtungsänderungen aufweisen bzw. in unterschiedlichen Ebenen verlaufen vorgesehen sein, dass der Schwingungserzeuger 12 die beiden Bauteile 1, 2 nicht, entsprechend des Doppelpfeils 13, in einer einzigen Schwingungsrichtung anregt, sondern in mehreren Schwingungsebenen bzw. Schwingungsrichtungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10359564 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteilen (1, 2) mittels einer Laserstrahlschweißung, bei der die beiden Bauteile (1, 2) mittels eines Laserstrahls (100) zur Ausbildung eines Schmelzbades in einem Verbindungsbereich (15) bis über deren Schmelztemperatur erwärmt werden und in dem Verbindungsbereich (15) eine Durchmischung der beiden Materialien erfolgt, wobei nach dem Ausbilden des Schmelzbades der Verbindungsbereich (15) während einer Abkühlphase unter Ausbildung einer im Wesentlichen streifenförmigen Schweißnaht (20) erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Verbindungsbereich (15) zumindest während eines Teils der Abkühlphase mittels eines Schwingungserzeugers (12) in Schwingungen versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Materialien der beiden Bauteile (1, 2) unterschiedliche Metalle, insbesondere Kupfer und Aluminium, sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen in Richtung senkrecht zu einer Verbindungsebene (5) zwischen den Bauteilen (1, 2) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen durch den Schwingungserzeuger (12) in mehreren Schwingungsachsen bzw. Schwingungsrichtungen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz zumindest in Abhängigkeit von der Schmelzbadmasse und/oder den Materialien der Bauteile (1, 2) gewählt wird und zwischen 10Hz und 35kHz, vorzugsweise zwischen 100Hz und 10kHz, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen mittels eines Ultraschall- oder Piezoschwingungserzeugers erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (100) ausschließlich auf eines der beiden Bauteile (1, 2) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Verwendung von Kupfer und Aluminium für die beiden Bauteile (1, 2) der Laserstrahl (100) auf den Bereich des aus Aluminium bestehenden Bauteils (1) gerichtet wird.
Vorrichtung (10) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Laserstrahleinrichtung (101) zum Erzeugen eines Laserstrahls (100) und einen Schwingungserzeuger (12) zum Übertragen von Schwingungen auf die beiden Bauteile (1, 2).
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Verbinden von Polen von Batteriezellen, insbesondere von Li-Ionen-Zellen.