-
QUERVERWEIS(E) AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2018-0080079 , die am 10. Juli 2018 eingereicht wurde und die in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
-
TECHNISCHER BEREICH
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fülldraht zum Verbinden verschiedener Materialien, wie etwa Aluminium und Stahl.
-
HINTERGRUND
-
Wenn Aluminium und Stahl verschweißt werden, ist die Löslichkeit im Verhältnis zueinander äußerst gering, so dass keine stabile Legierung entsteht und eine intermetallische Verbindung mit hoher Sprödigkeit entsteht. Dies hat zur Folge, dass die Verbindungsfestigkeit nicht sichergestellt ist.
-
Aus diesem Grund wird in Fahrzeugen, Schiffen, der Luft- und Raumfahrtindustrie und dergleichen als Verbindung zwischen Aluminium und Stahl trotz gestiegener Kosten und erhöhten Gewichts meist eine mechanische Verbindung, wie etwa Nieten und dergleichen, eingesetzt, und Schweißen oder Löten werden bei der Massenproduktion nicht angewandt.
-
Um eine thermische Verbindungsfestigkeit zwischen zwei Metallen zu erzielen, wurde in den frühen 2000er Jahren die Technologie des Schweißens und Lötens (Selbstlöten) entwickelt, bei der Aluminiumbasismaterial zusammen mit einem festen Fülldraht auf Aluminiumbasis oder Zinkbasis verschmolzen wird und mit einer Oberfläche aus Stahlbasismaterial, die sich in einem festen Zustand befindet, verlötet wird.
-
Die Selbstlöttechnologie wird jedoch nur für Stahl mit bestimmten Plattierungsschichten, wie etwa verzinkten Stahl (GI), verwendet, und bei nach dem Verzinken wärmebehandeltem (galvannealed) Stahl (GA) oder unbeschichtetem Stahl kann eine Dicke der intermetallischen Al-Fe-Verbindung nicht richtig reguliert werden, so dass bei der Zugscherbewertung ein Grenzflächenbruch zwischen einer Lötscheibe und einem Stahlbasismaterial entstehen kann.
-
Andererseits wurde ein Chlorid oder Fluorid enthaltendes Flussmittel verwendet, um Oxid oder Fremdstoffe auf der Oberfläche eines Basismaterials zu entfernen, um die Energie der Grenzflächenbildung beim Löten von geschmolzenem Aluminium auf verzinkten Stahl oder unbeschichteten Stahl zu verringern, wodurch die Regulierung der Dicke der intermetallischen Al-Fe-Verbindung erleichtert wird.
-
Unter Ausnutzung der oben genannten Vorteile wird im Stand der Technik, wie in 1 gezeigt, ein Flussmittelkern-Fülldraht (FCW), der aus einem Volldraht (Mantel) und einem in den Volldraht eingeführtem Flussmittel gebildet ist, bei verzinktem Stahl oder unbeschichtetem Stahl angewandt.
-
Bei einem solchen Fülldraht kann das Flussmittel in dem Aluminium-Silizium-Mantel agglomeriert und beim Löten wirksam verteilt werden, so dass das Flussmittel nicht mit einem Basismaterial reagieren kann. Zudem kann ein Teil des Flussmittels nach dem Löten auf der Oberfläche verbleiben und eine große Menge an Schlamm erzeugen, wie in 2 gezeigt, oder kann keine stabile Lötgrenzfläche ausbilden, wie in 3 gezeigt. Dadurch kann leicht ein nicht verbundener Bereich erzeugt werden.
-
Zudem kann das instabil verdampfte Flussmittel eine Mehrzahl von Poren in einer Lötnaht erzeugen, wie in 4 gezeigt, was ebenfalls als Faktor für eine Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit dienen kann. Beispielsweise ist bei Verwendung des Flussmittels eine gewisse Zeit zur stabilen Umsetzung des Flussmittels mit dem Basismaterial erforderlich, was es schwierig macht, bei hoher Geschwindigkeit eine stabile Lötgrenzfläche zu gewährleisten.
-
Ein Lötvorgang unter Verwendung des Flussmittelkern-Fülldrahts kann zumeist bei einer Geschwindigkeit von 1 m/min oder weniger erfolgen, und ein tatsächlicher Laserlötprozess für eine Fahrzeugkarosserie kann im Allgemeinen unter der Bedingung von 3 m/min oder mehr durchgeführt werden.
-
Um den Nachteil des vorstehend beschriebenen Flussmittelkern-Fülldrahts zu beheben, wurde daher ein mit einem Flussmittel vermischter Stab (FMR) getestet, der durch Vermischen eines Aluminium-basierten Mantels und eines Flussmittels, die sich in einem Pulverzustand befanden, erhalten wurde, wie in 5 gezeigt.
-
In dem mit einem Flussmittel vermischten Stab kann Flussmittelpulver gleichmäßig in Aluminiumlegierungspulver, das eine Lötnaht bilden wird, verteilt sein, so dass eine stabile Oberflächenreaktion des Basismaterials während des Lötens erfolgen kann, wodurch das äußere Erscheinungsbild verbessert werden kann und die Verbindungshaftfestigkeit im Vergleich mit dem Flussmittelkern-Fülldraht verbessert werden kann.
-
Da der mit einem Flussmittel vermischte Stab jedoch durch Extrudieren von Mischpulver hergestellt wird, weist das Material selbst eine sehr geringe Duktilität auf, so dass auch eine geringe Verformung einen Bruch verursacht, wie in 6 gezeigt. Dementsprechend kann der mit einem Flussmittel vermischte Stab nicht wie ein herkömmlicher Fülldraht zum Lichtbogenlöten auf ein Rad aufgewickelt und zum Laser- oder Lichtbogenlöten verwendet werden. Daher können die meisten der mit einem Flussmittel vermischten Stäbe dünn geschnitten und auf das Basismaterial gelegt und dann beim Ofenlöten eingesetzt werden.
-
Das Ofenlöten kann jedoch in dem Prozess zur Montage einer Karosserie eines Transportmittels, wie etwa eines Fahrzeugs, eines Schiffs, eines Flugzeugs und dergleichen, im Hinblick auf die Produktivität nicht angewandt werden, und da in den meisten Prozessen das Löten mittels Laser oder Lichtbogen angewandt wird, kann ein mit einem Flussmittel vermischtes Füllmetall in der Massenproduktion in der Transportmittelindustrie nur sehr begrenzt Anwendung finden.
-
Zudem kann beim Einsatz des mit einem Flussmittel vermischten Stabes eine Grenzfläche nur bei niedriger Geschwindigkeit (z. B. 1 m/min) stabil ausgebildet werden, und bei hoher Geschwindigkeit kann, wie bei dem Flussmittelkern-Fülldraht, ein unverbundener Bereich zwischen einer Lötnaht und dem Stahlbasismaterial auftreten, und es ist schwierig, die gewünschte Verbindungsfestigkeit sicherzustellen.
-
Die in der Beschreibung des Standes der Technik beschriebenen Ausführungen sollen dem besseren Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Offenbarung dienen und können das beinhalten, was einem Durchschnittsfachmann, an den sich die vorliegende Offenbarung richtet, bisher nicht bekannt war.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
In bevorzugten Aspekten stellt die vorliegende Erfindung einen Fülldraht zum Löten von Aluminium und Stahl bereit, der eine Verbindungsfestigkeit des Lötens zwischen Aluminium und Stahl sicherstellen und die Produktivität verbessern kann.
-
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fülldraht bereitgestellt, der einen Stab aus einem Aluminium-Silizium-(Al-Si-)Legierungspulver und einem Fluorid-Flussmittelpulver und einen Mantel, der eine Zink-(Zn-)Legierung umfasst und die Stange umgibt, umfassen kann.
-
Der hierin verwendete Begriff „Aluminium-Silizium(Al-Si)-Legierungspulver“ bezieht sich auf ein Legierungsmaterial, das in Partikeln oder Pulver mit Durchmessern von Nanometern (z. B. 10-990 nm) bis Mikrometern (z. B. 1 µm bis 990 µm) ohne Beschränkung auf Formen oder Gewichte davon gebildet werden kann. Bevorzugt weist das Pulver eine Größe (Durchmesser gemessen bei der maximalen Länge) von ungefähr 100 nm bis ungefähr 100 µm auf. In einem bestimmten Aspekt kann das Al-Si-Legierungspulver als Hauptkomponenten Aluminium und Silizium umfassen, beispielsweise eine Menge von ungefähr 50 Gew.-%, 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% oder mehr Aluminium und eine Menge von ungefähr 5 Gew.-%, 10 Gew.-%, 15 Gew.-%, 20 Gew.-%, 30 Gew.-%, 40 Gew.-% oder 50 Gew.-% oder mehr Silizium bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierungspulverzusammensetzung. Bevorzugt weist das Pulver einen Gehalt an Al von ungefähr 70 Gew.-% bis 90 Gew.-% und einen Gehalt an Si von ungefähr 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, einen Gehalt an Al von ungefähr 80 Gew.-% bis 90 Gew.-% und einen Gehalt an Si von ungefähr 10 Gew.-% bis 20 Gew.-% auf.
-
Eine „Aluminium-Silizium-(Al-Si-)‟Legierung, wie hierin bezeichnet, kann wahlweise ein oder mehrere Materialien zusätzlich zu Aluminium oder Silizium umfassen, oder die Legierung kann im Wesentlichen aus Aluminium oder Silizium bestehen, oder die Legierung kann ausschließlich aus Aluminium und Silizium bestehen. Es versteht sich, dass die Al-Si-Legierung aus einer Aluminiumlegierung der Serie 4000, wie etwa A4043, A4047 ISO AlSi5 und AlSi12, erhalten werden kann, was auch die Weiterverarbeitung für eine geeignete Verwendung (z. B. Pulver) beinhalten kann.
-
Der Begriff „Halogenid-Flussmittelpulver“, wie hierin verwendet, bezeichnet ein Flussmittel oder ein Mittel, das eine Aluminiumoxidschicht beim Aluminiumlöten oder -schweißen entfernen kann und das in Partikeln oder Pulver im Bereich von Nanometern (z. B. 10 nm bis 990 nm) bis Mikrometern (z. B. 1 µm bis 990 µm) ohne Einschränkung auf Formen oder Gewichte davon ausgebildet sein kann. Bevorzugt kann das Pulver eine Größe (Durchmesser gemessen bei der maximalen Länge) von ungefähr 100 nm bis ungefähr 100 µm aufweisen. Bevorzugt kann das Halogenid-Flussmittelmaterial während eines Lötprozesses in geeigneter Weise angewandt werden, um beispielsweise bei dem Verbinden eines Gelenks durch Löten zur Montage einer Karosserie oder von Teilen eines Fahrzeugs, eines Schiffs, eines Flugzeugs und dergleichen ein ordnungsgemäßes Funktionieren zu gewährleisten. Das Löten kann ein Lichtbogenlöten, ein Laserlöten und ein Ofenlöten umfassen. In einem bestimmten Aspekt kann das Halogenid-Flussmittelpulver geeigneterweise Halogenid als Additiv, beispielsweise in Form einer Halogenidverbindung, von weniger als ungefähr 50 Gew.-%, 40 Gew.-%, 30 Gew.-%, 25 Gew.-%, 20 Gew.-%, 15 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Pulverzusammensetzung, enthalten. Es versteht sich, dass das Halogenid-Flussmittelpulver aus Halogenid-Flussmittelmaterialien, beispielsweise NOCOLOK® oder NOCOLOK® Flux 7028-9028 (Solvay, Deutschland), bereitgestellt wird, was auch die Weiterverarbeitung für eine geeignete Verwendung hierin umfassen kann.
-
Der Begriff „Zink-(Zn-)Legierung“, wie hierin verwendet, bezeichnet ein Legierungsmaterial, das Zink als Hauptbestandteil umfasst, beispielsweise mit einem Gehalt von ungefähr 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-%, 92 Gew.-%, 94 Gew.-%, 96 Gew.-%, 98 Gew.-% oder 99 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Legierungsmaterials. Die Zinklegierung kann in geeigneter Weise weitere metallische Elemente (z. B. Al, Cu, Pb, Fe, Ca, Mg oder dergleichen) oder nichtmetallische Elemente (z. B. C, Si, N, P, S, O oder dergleichen) umfassen.
-
Das Halogenid-Flussmittelpulver kann ein Fluorid-Flussmittelpulver oder ein Chlorid-Flussmittelpulver sein.
-
Bevorzugt kann das Halogenid-Flussmittelpulver das Fluorid-Flussmittelpulver sein.
-
Der Zink-Legierungsmantel kann geeigneterweise eine Dicke von ungefähr D/2×0,1 bis D/2x0,5 aufweisen, wobei D ein Durchmesser des Fülldrahtes ist.
-
Zudem kann eine Mehrzahl von Biegenuten auf dem Fülldraht in vorbestimmten Abständen in Längsrichtung ausgebildet sein.
-
Eine Länge jeder der Biegenuten in Längsrichtung kann geeigneterweise ungefähr D bis D×10 betragen, wobei D ein Durchmesser des Fülldrahtes ist.
-
Ferner kann der vorgegebene Abstand zwischen den Biegenuten gleich oder kleiner als ungefähr D×30 sein.
-
Zudem kann jede der Biegenuten geeigneterweise eine Tiefe von ungefähr D/2×0,1 bis D/2×0,7 aufweisen.
-
Jede der Biegenuten kann eine longitudinale Länge von ungefähr D bis D×10 und eine Tiefe von ungefähr D/2×0,1 bis D/2×0,7 aufweisen, und der vorgegebene Abstand zwischen den Biegenuten kann gleich oder kleiner als ungefähr D×30 sein, wobei D ein Durchmesser des Fülldrahtes ist.
-
Dabei kann der Zink-Legierungsmantel geeigneterweise Aluminium in einer Menge von ungefähr 3 bis 20% und Silizium in einer Menge von ungefähr 0,1 bis 1,0%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zink-Legierungsmantels, umfassen.
-
Ferner ist ein Verfahren zum Verbinden von Teilen vorgesehen. Das Verfahren kann das Anwenden des Fülldrahts, wie hierin beschrieben, an einem Lötabschnitt umfassen, und der Lötabschnitt kann einen oder mehrere Teile, die unterschiedliche Materialien umfassen, miteinander verbinden.
-
Die „unterschiedlichen Materialien“, wie hierin verwendet, bezeichnen zwei weitere Materialien, die durch ihre Zusammensetzung, den Gehalt der Bestandteile, physikalische Eigenschaften (z. B. Härte, Zugfestigkeit, Dehnungsfestigkeit und dergleichen) oder ihr Gewicht voneinander unterschieden werden können. Bevorzugt können die unterschiedlichen Materialien eine Aluminiumlegierung bzw. Stahl (z. B. eine Eisenlegierung, Kohlenstoffstahl oder dergleichen), die Teile bilden und durch Löten verbunden werden können, umfassen. Beispielsweise können die unterschiedlichen Materialien eine Aluminiumlegierung und Stahl umfassen.
-
Ferner wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das nach dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
-
Andere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden offenbart.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Ansicht, die einen herkömmlichen Flussmittelkern-Fülldraht im Stand der Technik veranschaulicht.
- 2 zeigt ein beispielhaftes Problem, das durch den herkömmlichen Flussmittelkern-Fülldraht im Stand der Technik verursacht wird.
- 3 zeigt ein anderes beispielhaftes Problem, das durch den herkömmlichen Flussmittelkern-Fülldraht im Stand der Technik verursacht wird.
- 4 zeigt ein anderes beispielhaftes Problem, das durch den herkömmlichen Flussmittelkern-Fülldraht des Standes der Technik verursacht wird.
- 5 zeigt einen herkömmlichen mit Flussmittel vermischten Stab des Standes der Technik.
- 6 zeigt ein Problem, das durch den herkömmlichen mit einem Flussmittel vermischten Stab des Standes der Technik verursacht wird.
- 7 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften Fülldrahtes in der Breitenrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 8 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften Fülldrahtes in der Breitenrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 9 zeigt eine beispielhafte Probe, bei der ein beispielhafter Fülldraht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
- 10 zeigt eine durch eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltene Grenzfläche.
- 11 zeigt das Ergebnis einer Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Analyse für einen Teil der in 10 gezeigten Grenzfläche.
- 12 zeigt eine durch ein Vergleichsbeispiel erhaltene Grenzfläche.
- 13 zeigt das Ergebnis einer Rasterelektronenmikroskop-Analyse für einen Teil der Grenzfläche von 12.
- 14 zeigt eine durch ein anderes Vergleichsbeispiel erhaltene Grenzfläche.
- 15 zeigt das Ergebnis einer Rasterelektronenmikroskop-Analyse für einen Teil der Grenzfläche von 14.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dazu, bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben, und soll nicht einschränkend sein. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „einer, eine, eines“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „umfassen“, „enthalten“, „aufweisen“ etc. bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Bereichen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Bestandteilen spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Bereiche, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Bestandteile und/oder Kombinationen davon ausschließen.
-
Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche Begriffe, wie hierin verwendet, allgemein Kraftfahrzeuge, wie etwa Personenkraftwagen einschließlich Sport-Nutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen umfasst sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Kraftfahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) einschließt. Wie hierin erwähnt, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
-
Wenn nicht spezifisch aufgeführt oder aus dem Kontext offensichtlich, ist ferner der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereiches normaler Toleranz im Stand der Technik zu verstehen, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. „Ungefähr“ kann als innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Wenn nicht anderweitig aus dem Kontext ersichtlich, sind alle numerischen Werte, die hierin bereitgestellt werden, durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert.
-
Soweit es nicht anders definiert ist, haben alle hierin verwendeten Begriffe einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe dieselben Bedeutungen wie die, die der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, allgemein versteht. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, wie etwa solche, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, dass sie eine Bedeutung haben, die ihrer Bedeutung in dem Kontext des Standes der Technik und der vorliegenden Erfindung entspricht, und sind nicht in einem idealisierten oder übermäßig formellen Sinn zu interpretieren, es sei denn, dies ist vorliegend ausdrücklich so angegeben.
-
Um die vorliegende Erfindung, die betrieblichen Vorteile der vorliegenden Erfindung und die Aufgaben, die durch verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst wurden, vollständig zu verstehen, ist auf die begleitenden Zeichnungen und den Inhalt in den begleitenden Zeichnungen hinzuweisen, die die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
-
Bei der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden bekannte Techniken oder wiederholte Beschreibungen, die den Kern der vorliegenden Erfindung unnötig verschleiern können, reduziert oder weggelassen.
-
7 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften Fülldrahtes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Breitenrichtung, und 8 zeigt einen Abschnitt eines beispielhaften Fülldrahts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Längsrichtung.
-
Im Folgenden wird der Fülldraht zum Löten von Aluminium und Stahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.
-
Die vorliegende Erfindung stellt einen Fülldraht bereit, der angewandt werden kann, um eine Verbindungsfestigkeit beim Löten zwischen Aluminium und Stahl sicherzustellen und die Verbindungsfestigkeit zwischen Aluminium und Stahl so sicherzustellen, dass die Produktivität im Vergleich zu einem herkömmlichen Flussmittelkern-Fülldraht oder einem mit einem Flussmittel vermischten Stab verbessert werden kann.
-
Bevorzugt kann die stabile Verbindungsfestigkeit zwischen Aluminium und Fe, die eine geringe Löslichkeit aufweisen, verbessert und sichergestellt werden, und Rückstände, wie etwa Schlamm und dergleichen, können nach dem Löten minimiert werden, um ein vorteilhaftes Aussehen zu erhalten. Zudem kann der Draht nicht verformt oder gebrochen werden, wenn der hergestellte und um ein Rad gewickelte Draht freigegeben und einer Laser- oder Lichtbogenwärmequelle zugeführt wird. Ferner kann die Verbindungsfestigkeit auch unter Hochgeschwindigkeits-Lötbedingungen (z. B. 3 m/min) ohne Grenzflächenbruch des Drahtes stabil sichergestellt werden.
-
Die vorliegende Erfindung kann einen mit einem Flussmittel vermischten flexiblen Draht mit einem Zink-(Zn-)Mantel (FMW) bereitstellen, der in der Lage ist, die oben genannten Bedingungen zu erfüllen. 7 und 8 zeigen Ansichten, die Abschnitte des obigen Drahtes in der Dicken- bzw. der Längsrichtung zeigen.
-
Der Fülldraht der vorliegenden Erfindung kann durch Umwickeln eines aus Legierungspulver hergestellten Stabes 10 (im Folgenden als „mit einem Legierungspulver versehener Stab“ bezeichnet) mit einem Legierungsmantel gebildet werden. Mit anderen Worten, der Fülldraht kann einen Stab 10, der ein Legierungspulver enthält, und einen Mantel 20, der eine Legierung (z. B. eine Zinklegierung) enthält, umfassen.
-
Um den Prozess des Zuführens des mit einem Flussmittel vermischten Stabs zu verbessern, kann der Zink-Legierungsmantel 20 in engem Kontakt mit dem mit einem Legierungspulver versehenen Stab 10 stehen und unter hohem Druck um diesen gewickelt werden.
-
Der mit dem Legierungspulver versehene Stab 10 kann Aluminium-Silizium-(Al-Si-)Legierungspulver und Halogenid-Flussmittelpulver enthalten.
-
Das Al-Si-Pulver kann durch Pulverisieren einer Legierung aus vermischtem Aluminium und Silizium gebildet werden.
-
Zudem kann das Al-Si-Legierungspulver im Allgemeinen bei einer Al-Si-Legierung zum Löten angewandt werden.
-
Das Halogenid-Flussmittelpulver kann ein Fluorid-Flussmittelpulver und ein Chlorid-Flussmittelpulver umfassen.
-
Das Fluoridpulver ist jedoch dem Chlorid-Flussmittelpulver vorzuziehen, da das Chlorid-Flussmittelpulver Korrosion verursachen kann.
-
Zudem kann der Zink-Legierungsmantel 20 das sich im Inneren befindliche Legierungspulver des Stabes fixieren, so dass das Legierungspulver einem Zielpunkt zugeführt werden kann, ohne gebrochen oder verformt zu werden, wenn der Draht (Stab) gebogen wird.
-
Eine Dicke t des Zink-Legierungsmantels 20 kann jedoch in geeigneter Weise in einem bestimmten Bereich liegen um das Problem zu vermeiden, dass die sich im Inneren befindlichen Pulver beim Löten wie der Flussmittelkern-Fülldraht nicht gut dispergiert werden.
-
Zudem kann zur Verbesserung der Biegbarkeit in regelmäßigen Abständen oder in einem vorgegebenen Abstand in Längsrichtung der Fülldrähte eine Mehrzahl von Biegenuten H auf dem Fülldraht ausgebildet sein, so dass beim Biegen des Drahtes an einem Abschnitt mit verringertem Radius eine Verformung herbeigeführt werden kann, wenn der Draht gebogen wird, um einen Bruch des Legierungspulvers in dem Draht zu verhindern.
-
Der Abstand zwischen den Biegenuten H und die Tiefe jeder Biegenut können entsprechend der Dicke t des Zink-Legierungsmantels 20 berücksichtigt werden.
-
Wenn der Abstand zwischen den Biegenuten H kleiner als der vorgegebene Abstand ist oder die Tiefe jeder Biegenut größer als der vorgegebene Bereich ist, kann die Nut als Kerbe wirken, um einen Bruch in einem entsprechenden Abschnitt zu bewirken. Wenn dagegen der Abstand größer als der vorgegebene Abstand ist, kann kein Verbesserungseffekt bezüglich der Biegbarkeit erwartet werden.
-
Diese Bedingungen sind unter Berücksichtigung der Bedingungen für das Zuführen von Laser- oder Lichtbogendraht und der Biegbarkeit des Drahtes zu bestimmen und können wie in Tabelle 1 dargestellt zusammengefasst werden.
Tabelle 1
| Durchmesser (D) des Drahtes | Dicke des Mantels (t; mm) | Längsrichtung (a; mm) | Abstand zwischen Biegenuten (b; mm) | Tiefe (d; mm) |
| D/2×0,1∼D/2×0,5 | D∼D×10 | Max. D×30 | D/2×0, 1∼D/2×0,7 |
-
Der Zink-Legierungsmantel 20 kann Aluminium in einer Menge von ungefähr 3 bis 20 Gew.-% enthalten, Silizium in einer Menge von 0,1 bis 1,0 Gew.-% und Zink als Rest des Zink-Legierungsmantels enthalten, wenn sich sämtliche Gew.-%-Angaben auf das Gesamtgewicht des Zink-Legierungsmantels beziehen.
-
Zink, wie es hierin verwendet wird, kann eine hohe Duktilität aufweisen und kann für eine Biegeverformung vorteilhaft sein. Beispielsweise wird bei der Zugabe von Aluminium zu Zink der Schmelzpunkt von Zink auf eine Temperatur von ungefähr 400°C abgesenkt. Da dieser Schmelzpunkt deutlich niedriger als ein Schmelzpunkt von ungefähr 500 bis 600°C des sich im Inneren befindlichen Mischpulvers ist, ist es möglich, dass Zink beim Löten zuerst schmilzt, und daher kann Zink nicht verhindern, dass das sich im Inneren befindliche Pulver schmilzt und zu einem Basismaterial fließt.
-
Wenn Aluminium und Zink nicht innerhalb des oben erwähnten vorgegebenen Gehalts liegen, kann der Zink-Legierungsmantel einen erhöhten Schmelzpunkt aufweisen und das Löten nachteilig beeinflussen.
-
Zudem können Zink und Silizium, wie hierin verwendet, eine hohe Affinität zu Eisen (Fe) aufweisen, so dass dann, wenn das Fe eines sich im festen Zustand befindlichen Stahlbasismaterials zum Zeitpunkt des Lötens in den Schmelzdraht und das Aluminiumbasismaterial diffundiert, Zink und Silizium die Bildung von intermetallischen Verbindungen auf Fe-Al-Basis mit hoher Sprödigkeit hemmen oder intermetallische Verbindungen auf Fe-Al-Zn- oder Fe-Al-Si-Basis mit einer Sprödigkeit bilden, die geringer ist als die von intermetallischen Verbindungen auf Fe-Al-Basis. Dadurch können Zink und Silizium die Lötfestigkeit erhöhen.
-
Insbesondere bei der Zugabe von Silizium kann Silizium die Bildung intermetallischer Verbindungen wirksam hemmen und gleichzeitig eine Grenzfläche unter der Voraussetzung, dass der Wärmeeintrag beim Hochgeschwindigkeitslöten zwangsläufig erhöht wird, stabil bilden.
-
Bei einer Erhöhung des Siliziumgehalts kann der Schmelzpunkt im ternären Phasendiagramm Al-Si-Zn jedoch stark erhöht werden, so dass ein Siliziumgehalt von nicht mehr als ungefähr 1 Gew.-% verwendet werden darf.
-
Zudem kann das Zink eine dünne Schicht zwischen dem Mischpulver, das zu schmelzen beginnt, und dem Stahlbasismaterial bilden, damit sich das geschmolzene Mischpulver in kurzer Zeit über das Stahlbasismaterial verteilen kann und das sich im Inneren befindliche Flussmittel des Fülldrahts mit dem Basismaterial schneller reagieren kann, wodurch die Bildung einer Lötgrenzfläche bei hohen Drehzahlverhältnissen stabil gefördert wird.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie oben beschrieben, verschiedene beispielhafte Fülldrähte, die einen bestimmten Dickenbereich aufweisen, die bestimmten Biegenuten aufweisen und können durch Wickeln des Legierungsmantels aus vermischtem Zink, Aluminium und Silizium um den mit dem Legierungspulver versehenen Stab ausgebildet werden. Auf diese Weise können die Verbindungsfestigkeit und Produktivität beim Löten verbessert werden, was die Kosten und das Gewicht im Vergleich zu einer herkömmlichen mechanischen Verbindung zwischen Aluminium und Stahl reduziert.
-
9 zeigt einen beispielhaften Prüfkörper zum Nachweis der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung, wobei der Prüfkörper eine dachseitige Verbindungsstruktur mit einer Stahlseite nach außen aufweist. Beispielsweise wurden eine Stahlaußenseite und ein Aluminiumdach einem Laserlöten unterzogen, bei dem der Fülldraht der vorliegenden Erfindung angewandt wird, und das Ergebnis wurde als Prüfkörper verwendet.
-
Als Ergebnis wurde eine stabile Verbindungsfestigkeit erzielt, da selbst unter einer Hochgeschwindigkeitsbedingung (3 m/min) beim Löten kein Bruch an der Grenzfläche erzeugt wurde und in der Lötnaht Poren von weniger als ungefähr 3% ausgebildet wurden, was der Zustand ist, der der Norm ISO 13919-2 entspricht.
-
Darüber hinaus wurde an der Außenseite des Lötabschnitts kein Schlamm oder sonstiger Rückstand festgestellt, wodurch ein zusätzlicher Reinigungsprozess nach dem Löten entfallen kann.
-
Tabelle 2 zeigt die Prüfergebnisse der Prüfkörpers gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele.
Tabelle 2
| | Kriterien | Beispiel 1 | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 | Vergleichsbeispiel 3 |
| Durchmesser des Drahts | - | 1,2 mm↑ |
| Zusammensetzung des Mantels (%) | - | Al; 15,0, Si; 0,5 und Zn; Rem. | Al; 15,0, Zn; Rest | Al; 25,0, Si; 5,0 und Zn; Rest | Zn100 |
| Lötrate | | 3 m/min. |
| Ob ein Drahtbruch beim Zuführen auftritt | Bruch × | Bruch × | Bruch × | Bruch × | - |
| Verbindungsfestigkeit (N/mm) | 140 (Grenzflächenbruch ×) | 160 (Grenzflächen - bruch ×) | 120 (Grenzflächen - bruch) | 110 (Grenzflächenbruch ×) | |
| Äußeres Erscheinungsbild | Es sollte kein Flussmittelschlamm oder andere Verunreinigung vorhanden sein. | Gut | Gut | Gut | - |
| Porös (%) | Weniger als 3 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | - |
| Bemerkung | . | - | Die Wärmezufuhr wird entsprechend der schnellen Laserübertra - gung erhöht. → Es ist notwendig, die Bildung von intermetalli-schen Verbindungen weiter zu hemmen. | Es ist eine Ursache für die Erhöhung des Schmelzpunktes des Mantels zu erwarten. | Mantelbruch tritt während eines Prozesses zum Pressen des (FMW) mit einem Flussmittel vermischten flexiblen Drahtes mit einem Zinkmantel aufgrund mangelnder Mantelfestig - keit auf. |
-
Wie in Tabelle 2 zusammengefasst, trat bei Verwendung des Fülldrahtes des Beispiels der vorliegenden Erfindung beim Löten während der Drahtzuführung kein Bruch auf, so dass eine zufriedenstellende Verbindungsfestigkeit und ein zufriedenstellendes äußeres Erscheinungsbild erzielt wurden und nur wenige Poren gebildet wurden.
-
In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 entsprach dagegen die Verbindungsfestigkeit nicht den Kriterien, und es trat ein Teilgrenzflächenbruch auf.
-
Überdies trat im Vergleichsbeispiel 3, in dem der Mantel nur aus Zink bestand, ein Bruch des Mantels selbst auf.
-
10 zeigt eine in Beispiel 1 aufgetretene und mit einem optischen Mikroskop beobachtete Grenzfläche, und 11 ist ein Rasterelektronenmikroskop-Analyseergebnis eines Kastenabschnitts in 10. Beispielsweise war in Beispiel 1 die Benetzbarkeit verbessert, die intermetallische Verbindung war auf weniger als ungefähr 10 g reguliert und die stabile Verbindungsfestigkeit wurde ohne das Auftreten von Grenzflächenrissen erhalten.
-
Zudem zeigt 12 eine mit dem optischen Mikroskop beobachtete Grenzfläche im Vergleichsbeispiel 1, und 13 ist ein Rasterelektronenmikroskop-Analyseergebnis eines Kastenabschnitts in 12.
-
Obwohl der Verbindungsbereich in 12 gut zu sein schien, wurden entlang der intermetallischen Verbindungen, wie in 13 gezeigt, Risse beobachtet, so dass Risse ein Faktor bei einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit sein können.
-
14 zeigt eine mit dem optischen Mikroskop beobachtete Grenzfläche im Vergleichsbeispiel 2, und 15 ist ein Rasterelektronenmikroskop-Analyseergebnis eines Kastenausschnitts in 14. Beispielsweise verschlechterte sich die Benetzbarkeit (Erhöhung des Benetzungswinkels), da der Schmelzpunkt des Mantels erhöht wurde und Grenzflächenmikrorisse beobachtet wurden, wie in 15 gezeigt, die die Verbindungsfestigkeit verschlechtern können.
-
Durch das Anwenden des Fülldrahtes beim Aluminium-Stahl-Löten gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darf die Grenzfläche auch unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen beim Löten nicht geschält werden, so dass die stabile Verbindungsfestigkeit erhalten werden kann und in der Lötnaht Poren in einer Anzahl von weniger als 3% erzeugt werden, wobei diese Bedingung die Norm ISO 13919-2 erfüllt.
-
Da kein Schlamm oder andere Rückstände auf der Außenseite des Lötabschnitts vorhanden sind, muss nach dem Löten kein zusätzlicher Reinigungsprozess durchgeführt werden.
-
Wie oben beschrieben, kann beim Anwenden des Fülldrahtes der vorliegenden Erfindung die Verbindungsfestigkeit des Lötabschnitts zwischen Aluminium und Stahl verbessert werden und die Produktivität kann gesteigert werden, so dass Kosten und Gewicht im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Verbinden unter der Bedingung reduziert werden können, dass Aluminium unvermeidbar zur Reduzierung des Gewichts eines Fahrzeugs verwendet wird.
-
Obwohl die oben beschriebene vorliegende Erfindung mit Bezug auf die veranschaulichten Zeichnungen beschrieben wurde, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist zu verstehen, dass solche Änderungen oder Ergänzungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche der vorliegenden Erfindung fallen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung sollte auf der Grundlage der beigefügten Ansprüche ausgelegt werden.
-
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
-
