DE102014002932B4

DE102014002932B4 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken

Info

Publication number: DE102014002932B4
Application number: DE102014002932.8A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Eckart; Gudrun Lange; Marco Steinhauser
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: DE102014002932A1

Abstract

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken, wobei kein Zusatzwerkstoff eingesetzt wird und die Werkstücke aus Werkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet sind, bei dem mindestens ein zweidimensional auslenkbarer Elektronen- oder Laserstrahl auf eine Oberfläche eines ersten Werkstücks, dessen Schmelztemperatur größer als die Schmelztemperatur eines zweiten Werkstücks ist, gerichtet wird, und dadurch die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich, in dem die Werkstücke in berührendem Kontakt miteinander stehen, ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie über die Randschicht an der Oberfläche des ersten Werkstücks eingekoppelt und absorbiert wird und die Leistung, die Energiedichte und/oder die Auslenkbewegung des Elektronen- oder Laserstrahls so gesteuert oder geregelt wird/werden, dass das erste Werkstück innerhalb des bestrahlten Bereichs soweit erwärmt wird, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks im Kontaktbereich der beiden Werkstücke ausschließlich durch thermische Leitung erreicht und nach Erreichen der Solidustemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Werkstücken hergestellt wird; und die zweidimensionale Auslenkung des Elektronen- oder Laserstrahls innerhalb der Fläche eines vorgegebenen Fügebereichs durchgeführt wird und die bestrahlte Fläche kleiner als die Fläche des Fügebereichs ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken durch Bestrahlung mit einem Energiestrahl. Durch das Verfahren können auch mehr als zwei Werkstücke so miteinander verbunden werden. Dabei wird die Verbindung zwischen mindestens zwei Werkstücken, die aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen gebildet sind, hergestellt.
Das Verfahren ermöglicht die Verbindung von artgleichen und artungleichen Werkstoffen mit differierendem Schmelzpunkt bzw. Schmelzintervall. Nach neuestem Stand der Technik ist das verfahren dem Niedertemperatur-Übersoliduslöten zuzuordnen. (Quelle: K. Wittke, W. Scheel: „Handbuch Lötverbindungen”, Eugen G. Leuze Verlag 2011)
Üblicherweise eingesetzte Schweißverfahren weisen einige wesentliche Nachteile auf, so kommt es häufig zu einem erhöhten Energieeintrag, der zu einer Veränderung des/der Gefüge(s) des/der eingesetzten Werkstoffe(s), zur Bildung eines größeren Anteils an intermetallischen Phasen und/oder zur Mischkristallbildung führen kann. Außerdem kann es zu unerwünschten Verformungen und Eigenspannungen in dem/den Werkstoff(en) kommen. Bei der Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen durch Fügeprozesse auf Diffusionsbasis sind entsprechend große Zeiträume/Taktzeiten und eine aufwändige Anlagentechnik nachteilig. Kaltpresschweißen/-walzpalttieren ist stark von der Geometrie der Fügepartner abhängig und nur für geringe Blechstärken geeignet. Beim Reibschweißen ist die Geometrieabhängigkeit der zu verbindenden Werkstücke ein Nachteil. Bei der Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen durch Rührreibschweißen ist die aufwändige Spanntechnik zu beachten. Das Verfahren des elektromagnetischen Pulsfügens ist nur für rotationssymetrische Bauteile geeignet und befindet sich noch weitgehend im Entwicklungsstadium. Beim Ultraschallschweißen ist die limitierte Dicke des Fügestoßes nachteilig und es treten häufig Anbindungsfehler auf. Walzplattieren/LA-Induktionswalzplattieren ist nur für geeignete planare Geometrien von Werkstücken geeignet und es sind keine Endprodukte damit herstellbar. Beim Weich- und Hartlöten sind nur geringe Festigkeiten der Verbindung erreichbar und die dafür eingesetzten Lotwerkstoffe erhöhen die Kosten. So sind in DE 11 35 732 B und DD 2 36 034 A1 Verfahren zum Diffusionsschweißen von Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen beschrieben. In DD 2 36 034 A1 ist bei der Beschreibung des Standes der Technik auf einen möglichen Einsatz von Laser- oder Elektronenstrahlen hingewiesen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen an Werkstücken, die aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen bestehen, anzugeben und dabei eine Verformung oder eine Veränderung der Werkstoffe weitestgehend zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt. Die Werkstücke sind aus Werkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet. Bei der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung wird mindestens ein zweidimensional auslenkbarer Elektronen- oder Laserstrahl auf eine Oberfläche eines ersten Werkstücks, dessen Schmelztemperatur größer als die Schmelztemperatur eines zweiten Werkstücks ist, gerichtet und dadurch die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich, in dem die Werkstücke in berührendem Kontakt miteinander stehen, ausgebildet. Die Leistung, die Energiedichte und/oder die Auslenkbewegung des Elektronen- oder Laserstrahls wird/werden so gesteuert oder geregelt, dass das erste Werkstück innerhalb des bestrahlten Bereichs soweit erwärmt wird, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks im Kontaktbereich der beiden Werkstücke ausschließlich durch thermische Leitung erreicht und nach Erreichen der Solidustemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Werkstücken hergestellt wird.
Die Bestrahlung der Oberfläche des ersten Werkstücks sollte in einem Bereich an und in der Nähe einer Kante oder eines Absatzes mit kleinerer Leistung, Energiedichte und/oder mit einer größeren Vorschubgeschwindigkeit des Elektronen- oder Laserstrahls durchgeführt werden, also in Bereichen, die in einem Abstand zu einer Kante oder einem Absatz angeordnet sind. Absätze oder Kanten können an den äußeren Rändern oder an Durchbrechungen von Werkstücken sowie in Bereichen von Werkstücken mit sich verändernder Werkstückdicke angeordnet sein.
Das zweite Werkstück wird dabei durch thermische Leitung ausschließlich im Fügebereich der beiden miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücke in einem Oberflächenbereich kurzzeitig aufgeschmolzen.
Der kurzzeitig aufgeschmolzene Oberflächenbereich sollte eine maximale Eindringtiefe in den Werkstoff des zweiten Werkstücks von 2 mm aufweisen.
Die zweidimensionale Auslenkung des Elektronen- oder Laserstrahls wird innerhalb der Fläche des vorgegebenen Fügebereichs durchgeführt. Dadurch kann ein Wärmeeintrag in Werkstückbereiche außerhalb des Fügebereichs vermieden, zumindest aber erheblich reduziert. Die bestrahlte Fläche auf der Oberfläche des ersten Werkstücks ist kleiner als die Fläche des Fügebereichs, in dem die stoffschlüssige Verbindung hergestellt worden ist.
Die Auslenkung, Energiedichte und/oder Leistung des Elektronen- oder Laserstrahls werden so gesteuert oder geregelt, dass im Bereich der Fläche des vorgegebenen Fügebereichs in deren Randbereichen ein kleinerer Energieeintrag erfolgt, als in inneren Bereichen dieser Fläche.
Der Laser- oder Elektronenstrahl kann so ausgelenkt werden, dass Positionen innerhalb der bestrahlten Fläche auf der Oberfläche des ersten Werkstücks mehrfach bestrahlt werden. Die Bestrahlung kann aber auch so erfolgen, dass bei der Bestrahlung so genannte Spuren abgefahren werden, wobei der Abstand der Spuren, die nebeneinander angeordnet sind, ebenfalls variiert werden kann, um den Energieeintrag lokal gezielt zu beeinflussen.
Es besteht auch die Möglichkeit nach dem Erreichen der Solidustemperatur im Fügebereich des zweiten Werkstücks und Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zumindest den Fügebereich mit reduzierter Leistung, Energiedichte und/oder erhöhter Vorschubgeschwindigkeit des Elektronen- oder Laserstrahls zu bestrahlen. Dadurch kann die Abkühlrate reduziert werden und ein günstiger Einfluss auf die erhaltene Fügeverbindung genommen werden, indem mechanische Spannungen reduziert werden.
Es können Werkstücke im Stumpfstoß oder Überlappstoß miteinander verbunden werden. Zumindest bei der Ausbildung einer Stumpfstoßverbindung sollten die miteinander zu verbindenden Werkstücke zusammengepresst werden. Dadurch kann die thermische Leitung vom ersten bestrahlten Werkstück zum zweiten Werkstück im Bereich, in dem die stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden soll, verbessert und Energieverluste vermieden werden.
Mit der Erfindung können eigentlich aufgrund ihrer werkstofftechnischen Eigenschaften als nicht schweißbar mit konventionellen Fügeverfahren geltende Werkstoffkombinationen miteinander stoffschlüssig verbunden werden. So können mit der Erfindung beispielweise Werkstücke aus Aluminium und Kupfer sowie aus Legierungen dieser Metalle miteinander stoffschlüssig verbunden werden, wobei auf einen Zusatzwerkstoff verzichtet werden kann. So kann Kupfer als Leitermaterial in elektrischen Verbindungskabeln für die Fahrzeugtechnik (Stichworte Elektromobilität und Gewichtsreduktion), dem Packaging von Batteriezellen oder Stromschienen in der Hochspannungstechnik zumindest teilweise durch Aluminium ersetzt werden.
Das Verfahren nutzt als Grundlage zum einen die differierenden Schmelztemperaturbereiche der beiden Werkstoffe, der miteinander zu verbindenden Werkstücke und zum anderen können die extrem hohen Energie- bzw. Leistungsdichten in den Strahlquerschnitten der bei der Erfindung einsetzbaren Strahlverfahren ausgenutzt werden. Die Energie wird über die Randschicht an der Oberfläche des ersten Werkstückes, das aus dem Werkstoff mit höherer Schmelztemperatur gebildet ist, eingekoppelt und absorbiert. Durch thermische Leitung wird Energie in den Fügebereich der miteinander zu verbindenden Werkstücke übertragen und der Werkstoff des zweiten Werkstücks wird im Fügebereich, in dem die miteinander zu verbindenden Werkstücke in berührendem Kontakt stehen soweit erwärmt, dass in diesem Bereich die Schmelztemperatur des Werkstoffs aus dem das zweite Werkstück gebildet ist, erreicht wird. Der örtlich stark begrenzte hohe Energieeintrag führt zu einem lokal begrenzten Erwärmen der Fügezone bzw. des Fügebereichs und im Vergleich zu herkömmlichen Fügeprozessen zu kleinen Fügequerschnitten. Nach Abschalten der Strahlquelle oder einer Weiterbewegung des Elektronen- oder Laserstrahls vom Fügebereich oder einer Reduzierung der Leistung, der Energiedichte oder einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Elektronen- oder Laserstrahl über die bestrahlte Oberfläche eines ersten Werkstücks bewegt wird, wird die Solidustemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks erreicht und unterschritten, wodurch es zum Erstarren der ausgebildeten Schmelze des Werkstoffs, aus dem das zweite Werkstück gebildet ist, kommt und die stoffschlüssige Verbindung damit hergestellt ist.
Die Energiedichte kann auf einfache Art und Weise durch eine Defokussierung und damit eine Vergrößerung des Spots/Brennflecks erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch besonders für Werkstoffe mit hohen spezifischen Wärmeleitkoeffizienten. Die Wärmeableitung in den Grundwerkstoff (Selbstabschreckeffekt) begünstigt den schnellen Abkühlgradienten nach dem Fügen und es können so störende Diffusionsvorgänge verhindert werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Abkühlrate zu reduzieren, indem eine Bestrahlung mit reduzierter Leistung, Energiedichte und/oder erhöhter Vorschubgeschwindigkeit des ausgelenkten Elektronen- oder Laserstrahls erfolgt, bei der die Schmelztemperatur des Werkstoffs, aus dem das zweite Werkstück besteht, nicht erreicht ist und die Temperatur der miteinander zu fügenden Werkstücke kontinuierlich oder sukzessive verringert wird, bis die Umgebungstemperatur erreicht worden ist.
Wesentlich ist die Art und Weise des Energieeintrages und dessen Wirkung in der Fügezone. Die Nutzung der den Strahlverfahren (Elektronenstrahl und Laser) eigenen sehr schnellen Strahlablenkung ermöglicht die exakte Steuerung des Energieeintrages in jedem Punkt der Fügefläche. Der Energieeintrag kann örtlich gezielt gesteuert werden, um eine homogene Anbindung über den gesamten Fügequerschnitt zu erreichen. Lokale Überhitzungen oder Wärmestaus in den Randbereichen der Fügeteile können so ausgeglichen werden.
Der Energieeintrag über den Werkstoff mit größerer Schmelztemperatur stellt eine weitere Neuerung dar, da dessen Schmelztemperatur (Liquidustemperatur) beim Ausbilden der stoffschlüssigen Verbindung nicht erreicht wird, was das Gegenteil zu den herkömmlichen technischen Lösungen darstellt. Bei der Erfindung erfolgt eine Benetzung des Werkstoffes mit höherer Schmelztemperatur.
Vorteilhaft kann die jeweilige hochenergetische Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) mit hoher Energie- bzw. Leistungsdichte und kleiner Wirkzone genutzt werden. Es ist eine stufenlose und konturbezogene Anpassung des Energieeintrages auch bei aufwendigeren Fügegeometrien möglich. Die Größe des Fügebereiches kann gezielt gesteuert werden. Außerdem besteht eine große Freiheit in Bezug auf mögliche Bauteilgeometrien von zu fügenden Werkstücken. Ein weiterer Vorteil ist die Formbeständigkeit der Fügepartner (Fertigung von Endprodukten möglich). Infolge des reduzierten, im Vergleich zu anderen Verfahren geringen Energieeintrags in der Fügezone wird, wenn überhaupt, nur ein sehr kleiner Anteil an intermetallischer Phase oder Mischkristallen gebildet und es kann eine hohe Festigkeit der Fügeverbindung erreicht werden.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Fügeverfahren für Metall-Mischverbindungen.
Grundlage des Verfahrens ist die Nutzung der schnellen Strahlablenkung zur Erzeugung eines Wärmefeldes auf und in dem Werkstoff. Der jeweilige Energiestrahl wird hierbei schnell (Ablenkfrequenzen im MHz-Bereich möglich) in einer frei wählbaren zweidimensionalen Fläche, die für die jeweilige auszubildende stoffschlüssige Verbindung spezifisch ist, auf der Oberfläche eines ersten Werkstücks abgerastert (Prinzip Braunsche Röhre in klassischen Röhrenfersehern oder schnellen Scanneroptiken bei einem Laserstrahl). Durch die Zuordnung von Haltezeiten zu den einzelnen Ortskoordinaten des Wärmefeldes ist eine Steuerung des Energieeintrages möglich. Eine Erhöhung des Energieeintrags in einem Punkt kann durch Verlängern der Haltezeit am jeweiligen Punkt erreicht werden.
Die eingebrachte Wärmeenergie wird durch thermische Leitung zur Fügestelle geführt. Die thermische Trägheit des Werkstoffs in Verbindung mit der hohen Wiederholfrequenz führt zu einer flächigen Erwärmung der Fügestelle. Hierbei kann der Energieeintrag konturbezogen an jeder Stelle des Wärmefeldes frei variiert werden. Durch Wärmeleitung z. B. im Kupferwerkstoff kann ein Aluminiumblech als zweites Werkstück an der Grenzfläche zum Kupfer lokal über die Solidustemperatur erwärmt werden. Das Kupfer verbleibt im festen Zustand, so dass dessen Solidustemperatur nicht erreicht wird. Eine schmelzflüssige Durchmischung der Fügepartner, wie sie bei klassischen Schmelzschweißprozessen auftritt, kann vermeiden werden. Hierdurch können sich nur wenige, die Festigkeit der Verbindung herabsetzende intermetallische Phasen bilden. Die äußere Formkontur der Bleche als erste und zweite Werkstücke kann erhalten werden, es treten keine Verformungen durch den Prozess oder Verzüge durch den Wärmeeintrag auf.
Bei einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügte Cu-Al-Verbindung ist ein Kupferwerkstoff vollständig und homogen mit Aluminium im Fügebereich benetzt. Bei Belastung tritt eher ein Reißen des Aluminiumwerkstoffs als der stoffschlüssigen Verbindung auf.

Claims

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken, wobei kein Zusatzwerkstoff eingesetzt wird und die Werkstücke aus Werkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet sind, bei dem mindestens ein zweidimensional auslenkbarer Elektronen- oder Laserstrahl auf eine Oberfläche eines ersten Werkstücks, dessen Schmelztemperatur größer als die Schmelztemperatur eines zweiten Werkstücks ist, gerichtet wird, und dadurch die stoffschlüssige Verbindung in einem Bereich, in dem die Werkstücke in berührendem Kontakt miteinander stehen, ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie über die Randschicht an der Oberfläche des ersten Werkstücks eingekoppelt und absorbiert wird und die Leistung, die Energiedichte und/oder die Auslenkbewegung des Elektronen- oder Laserstrahls so gesteuert oder geregelt wird/werden, dass das erste Werkstück innerhalb des bestrahlten Bereichs soweit erwärmt wird, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks im Kontaktbereich der beiden Werkstücke ausschließlich durch thermische Leitung erreicht und nach Erreichen der Solidustemperatur des Werkstoffs des zweiten Werkstücks die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Werkstücken hergestellt wird; und die zweidimensionale Auslenkung des Elektronen- oder Laserstrahls innerhalb der Fläche eines vorgegebenen Fügebereichs durchgeführt wird und die bestrahlte Fläche kleiner als die Fläche des Fügebereichs ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung der Oberfläche des ersten Werkstücks in einem Bereich an und in der Nähe einer Kante oder eines Absatzes mit kleinerer Leistung, Energiedichte und/oder mit einer größeren Vorschubgeschwindigkeit des Elektronen- oder Laserstrahls durchgeführt wird, als in Bereichen, die in einem Abstand zu einer Kante oder einem Absatz angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Werkstück aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem zweiten Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkstück durch thermische Leitung ausschließlich im Fügebereich der beiden miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Werkstücke in einem Oberflächenbereich kurzzeitig aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kurzzeitig aufgeschmolzene Oberflächenbereich eine maximale Eindringtiefe in den Werkstoff des zweiten Werkstücks von 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung, Energiedichte und/oder Leistung des Elektronen- oder Laserstrahls so gesteuert oder geregelt wird/werden, dass im Bereich der Fläche des vorgegebenen Fügebereichs in deren Randbereichen ein kleinerer Energieeintrag erfolgt, als in inneren Bereichen dieser Fläche.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen der Solidustemperatur im Fügebereich des zweiten Werkstücks und Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zumindest der Fügebereich mit reduzierter Leistung, Energiedichte und/oder erhöhter Vorschubgeschwindigkeit des Elektronen- oder Laserstrahls bestrahlt wird, um die Abkühlrate zu reduzieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke im Stumpfstoß oder Überlappstoß miteinander verbunden werden, wobei bei der Ausbildung einer Stumpfstoßverbindung die miteinander zu verbindenden Werkstücke zusammengepresst werden.