DE102016203363A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils mit einem Fügepartner und Bauteil - Google Patents

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils mit einem Fügepartner und Bauteil Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils (2) mit einem Fügepartner. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Laserbehandeln eines mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereiches des Aluminiumgussbauteils (2), wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems (1) mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz ausgeführt wird und – stoffschlüssiges Verbinden des Aluminiumgussbauteils (2) und des Fügepartners.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils mit einem Fügepartner sowie die Verwendung eines gepulsten Lasersystems. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Bauteil, das ein Aluminiumgussbauteil und einen Fügepartner umfasst, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Zum stoffschlüssigen Verbinden von beispielsweise zwei Aluminiumgussbauteilen ist es erforderlich die Oberfläche der Bauteile vorab zu behandeln, um im nachfolgenden Fügeprozess eine ausreichende Festigkeit der Fügeverbindung zu erzielen. Üblicherweise umfasst die Oberflächenbehandlung ein chemisches Waschen bzw. Beizen, ein Passivieren der Oberflächen und das Vorsehen einer kathodischen Tauchlackierung. Die zur Anwendung kommenden Prozesse sind überwiegend chemischer Natur und belasten damit sowohl die Umwelt als auch die Gesundheit der am Prozess beteiligten Personen. Zudem sind diese Oberflächenbehandlungsprozesse logistisch sowie prozesstechnisch aufwendig und bedingen hohe Betriebs- und Wartungskosten.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfach anwendbares, wartungsarmes und kostengünstiges Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils und eines Fügepartners bereitzustellen, das umweltschonend ist, ohne chemische Ressourcen auskommt und darüber hinaus nicht gesundheitsschädlich in der Anwendung ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils mit einem Fügepartner gelöst, bei dem ein gepulstes Lasersystem verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Schritt des Laserbehandelns eines mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils, wobei eine Pulsdauer des gepulsten Lasersystems 100 bis 200 ns und eine Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz beträgt. Das Verfahren kann auch mehrere Laserbehandlungsschritte vorsehen, sofern mindestens einer dieser Schritte, insbesondere der letzte Laserbehandlungsschritt, mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz ausgeführt wird.
  • Der Fügepartner ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann aus beliebigen Werkstoffen bestehen, insbesondere aus metallischen Werkstoffen, wie z.B. Stahl oder Aluminium oder eine metallische Legierung. Alternativ können Kunststoffe oder Faserverbundkunststoffe als Werkstoff für den Fügepartner zur Anwendung kommen.
  • Überraschend hat sich herausgestellt, dass kurze Pulsdauern von 100 bis 200 ns kombiniert mit einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz eine Modifikation der Oberflächentopologie und der Oberflächenspannung des in einem weiteren Verfahrensschritt stoffschlüssig mit dem Fügepartner zu fügenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils bewirkt, was wiederum zu einer verbesserten Haftfestigkeit des Fügebereichs nach dem Stoffschluss führt. Des Weiteren ermöglicht die Behandlung mit dem gepulsten Lasersystem eine Umwandlung der Randbereiche des Aluminiumgusssubstrats, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiumgussbauteils erhöht wird. Hingegen führt die Verwendung von CW-Lasersystemen (continuous-wave Lasersysteme) oder eine Abweichung von den vorstehend genannten Pulsparametern zu keiner Erhöhung der Haftfestigkeit nach dem stoffschlüssigen Fügeprozess. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen keine chemischen Oberflächenbehandlungsschritte zur Anwendung. Vielmehr macht das erfindungsgemäß zur Anwendung kommende gepulste Lasersystem die Verwendung von chemischen Oberflächenbehandlungen obsolet und ist damit sowohl ressourcensparend als auch umweltschonend und gesundheitlich unbedenklich in der Anwendung. Darüber hinaus können durch das erfindungsgemäße Verfahren Wartungs- und Instandhaltungskosten reduziert und Logistikkosten, beispielsweise durch Transfer des Aluminiumgussbauteils zu unterschiedlichen Bearbeitungsstätten, vermieden werden. Das Verfahren ermöglicht eine gezielte lokale Behandlung des mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils bei hohem Automatisierungsgrad des Prozesses. So können zudem Prozesszeiten verkürzt und Prozesskosten zusätzlich gesenkt werden.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Das zu Anwendung kommende Lasersystem kann beispielsweise eine Strahlenquelle, eine Kühlvorrichtung für die Strahlenquelle, eine Leit-Faser von der Strahlenquelle zu einem Scanner und eben einen Scanner (zur Strahlenablenkung) umfassen, wobei der Scanner auf einer beweglichen Vorrichtung, beispielsweise auf einem Roboter, angeordnet sein kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das stoffschlüssige Verbinden des Aluminiumgussbauteils mit dem Fügepartner ohne weitere Behandlung des mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils nach dem Laserbehandeln ausgeführt wird. Hierdurch können die Prozesszeiten und der logistische Aufwand reduziert werden.
  • Weiter vorteilhaft beträgt die Impulsfrequenz 10 bis 40 kHz und insbesondere 10 bis 30 kHz. Hierdurch werden bei reduziertem energetischen Aufwand die Oberflächentopologie und Oberflächenspannung des zu fügenden Aluminiumgussbauteils optimal modifiziert, wodurch die Adhäsion zum Fügepartner erhöht wird.
  • Aus vorstehend genannten Gründen ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Pulsdauer 120 bis 160 ns und insbesondere etwa 150 ns beträgt.
  • Für die Behandlung von Aluminiumgussbauteilen hat sich eine Wellenlänge des Lasersystems von 800 bis 1200 nm als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die Pulswellen so sehr gut von dem Aluminiumwerkstoff aufgenommen und umgesetzt werden. Besonders vorteilhaft beträgt die Wellenlänge 1064 nm.
  • Insbesondere für eine besonders gezielte und lokal beschränkte Anwendung hat sich ein Strahldurchmesser von 500 bis 1000 µm als vorteilhaft erwiesen.
  • Weiter vorteilhaft wird eine mittlere Laserleistung des gepulsten Systems so eingestellt, dass sie 700 bis 1000 W beträgt. Hierdurch kann die Oberflächenmodifizierung optimiert und eine Schädigung des Aluminiumgussbauteils besonders effizient vermieden werden.
  • Das sich an die Behandlung mit dem gepulsten Lasersystem anschließende stoffschlüssige Verbinden des Aluminiumgussbauteils mit dem Fügepartner ist im Einzelnen nicht beschränkt. Vorteilhaft kommen Klebe-, Schweiß- oder Lötverfahren zur Anwendung. Als besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren bei Kombination mit einem Klebeprozess herausgestellt. Die üblicherweise verwendeten Adhäsive haften besonders gut an der laserbehandelten, modifizierten Oberflächentopologie des zu fügenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils.
  • Der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Aluminiumwerkstoff ist im Einzelnen nicht beschränkt, sofern Aluminium den Hauptanteil in Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumgussbauteils, ausmacht. Besonders vorteilhaft beträgt ein Gehalt an Aluminium in dem mit dem Fügepartner zu verbindenden Aluminiumgussbauteil mindestens 70 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumgussbauteils.
  • Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch die Verwendung eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz in Kombination mit einem stoffschlüssigen Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumgussbauteils mit einem Fügepartner beschrieben. Hierdurch kann die Haftfestigkeit zwischen den gefügten Werkstücken deutlich erhöht und deren Haltbarkeit verlängert werden.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Bauteil. Das Bauteil umfasst ein Aluminiumgussbauteil und einen Fügepartner und ist durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt. Durch die Modifikation der Oberflächenmorphologie und Oberflächentopologie des Aluminiumgussbauteils mittels der spezifischen Laserbehandlung wurde der Fügebereich optimiert und der stoffschlüssige Verbund zu dem vorgesehenen Fügepartner verbessert.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. In 1 sind nur die hier interessierenden Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • Im Detail veranschaulicht 1 das Laserbehandeln eines Aluminiumgussbauteils 2 mittels eines gepulsten Lasersystems 1. Das Laserbehandeln ist erfindungsgemäß vorgesehen, um die Oberflächentopologie und Oberflächenspannung des Aluminiumgussbauteils 2 so vorzubehandeln, dass die Adhäsion zu einem Fügepartner beim sich an das Laserbehandeln anschließenden Schritt des stoffschlüssigen Verbindens des Aluminiumgussbauteils 2 mit dem Fügepartner erhöht wird und somit die Haftfestigkeit zwischen den stoffschlüssig gefügten Werkstücken hoch ist. Dies begünstigt eine hohe Haltbarkeit der Fügeverbindung.
  • Als Aluminiumwerkstoff für das Aluminiumgussbauteil 2 kommt vorzugsweise eine Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumgehalt von mindestens 70 Masse%, zur Anwendung.
  • Das Lasersystem 1 sendet auf einen mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereich 3 des Aluminiumgussbauteils 2 gepulste Wellen (in 1 angedeutet durch h·ν) mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz aus. Hierdurch wirkt mehrmalig eine sehr hohe und extrem kurzzeitig einwirkende Energiemenge auf vorgesehene Bereiche des Aluminiumgussbauteils 2, die die Oberflächeneigenschaften des behandelten Bereichs des Aluminiumgussbauteils 2 verändern und für einen sich anschließenden Schritt des stoffschlüssigen Verbindens mit dem Fügepartner, beispielsweise durch Verkleben, vorbereiten.
  • Wie in 1 weiter dargestellt, kann das gepulste Laserlicht mit seiner hohen Energiedichte gezielt fokussiert und auf spezifische Bereiche angewendet werden, woraus sich je nach vorgesehener Ausgestaltung des Fügebereichs beispielhaft Spot-Geometrien 4 mit Punkt-zu-Punkt-Überlappung und Linienüberlappung ergeben. Vorteilhaft kann hierzu ein NdYAG-Laser verwendet werden, der eine Wellenlänge von 1064 nm und einen Strahldurchmesser von 500 bis 1000 µm, insbesondere von 700 µm, aufweist.
  • Als Lasersystem kann beispielsweise ein System mit den folgenden Komponenten verwendet werden:
    Strahlenquelle: Rofin DQ·80/Seriennummer: 013;
    Scanner: SCANLAB hurrySCAN 25;
    Kühlvorrichtung für die Strahlenquelle: KKT vBoxX;
    Leit-Faser von der Strahlenquelle zum Scanner: rund.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lasersystem
    2
    Aluminiumgussbauteil
    3
    zu verbindender Bereich
    4
    Spot-Geometrie

Claims (11)

  1. Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines Aluminiumgussbauteils (2) mit einem Fügepartner umfassend: – Laserbehandeln eines mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils (2), wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems (1) mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz ausgeführt wird und – stoffschlüssiges Verbinden des Aluminiumgussbauteils (2) und des Fügepartners.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden des Aluminiumgussbauteils (2) mit dem Fügepartner ohne weitere Behandlung des mit dem Fügepartner zu verbindenden Bereichs des Aluminiumgussbauteils nach dem Laserbehandeln ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfrequenz 10 bis 40 kHz beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer 120 bis 160 ns beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge des Lasersystems 800 bis 1200 nm, insbesondere 1064 nm beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahldurchmesser des Lasersystems (1) 500 bis 1000 µm beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Laserleistung 700 bis 1000 W beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden durch Kleben, Schweißen oder Löten, insbesondere durch Kleben, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an Aluminium im Aluminiumgussbauteil (2) mindestens 70 Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumgussbauteils (2), beträgt.
  10. Verwendung eines gepulsten Lasersystems (1) mit einer Pulsdauer von 100 bis 200 ns und einer Impulsfrequenz von 10 bis 80 kHz in Kombination mit einem stoffschlüssigen Verfahren zum Verbinden eines Aluminiumgussbauteils (2) mit einem Fügepartner.
  11. Bauteil umfassend ein Aluminiumgussbauteil und einen Fügepartner, wobei das Bauteil durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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