DE102021207348A1 - Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Lötverbindung - Google Patents

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Abstract

Bei dem Verfahren wird eine Schicht (1.1) aus einem Metall oder es werden Konturelemente (1.2) mit einem Metall, die Erhebungen bilden, mindestens an der Oberfläche eines ersten Bauteils (3), an der die Lötverbindung ausgebildet. Dazu werden kanalförmige Gräben (4) im Faserverbundwerkstoff ausgebildet und anschließend wird die Oberfläche mit einem Metall so beschichtet, dass im Bereich der Gräben (4) kanalförmige Vertiefungen (2) ausgebildet werden, oder die kanalförmigen Gräben (4) mit Metall ausgefüllt, so dass mit dem Metall Konturelemente (1.2) ausgebildet werden. Dabei werden zwischen Konturelementen (1.2) kanalförmige Vertiefungen (2) ausgebildet. Die kanalförmigen Vertiefungen (2) weisen eine Mindesttiefe von 20 µm und eine Mindestbreite von 10 µm auf. Die jeweilige Mündung der kanalförmigen Vertiefungen (2) ist am äußeren Rand der auszubildenden Lötverbindung oder darüberhinausgehend angeordnet. Im Anschluss daran die Lötverbindung ausgebildet und dabei wird überschüssiges Flussmittel durch die kanalförmigen Vertiefungen (2) abgeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Lötverbindung zwischen einem ersten Bauteil, das aus einem Faserverbund-Werkstoff gebildet und an der jeweiligen Oberfläche, an der die Lötverbindung ausgebildet wird, eine Metallschicht aufweist, und einem metallischen oder mit einer Metallbeschichtung versehenen zweiten Bauteil.
  • Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich auf lottechnische Fügeverbindungen von metallisierten Faserverbundwerkstoffen mit metallischen oder metallisierten Gegenkörpern zur Optimierung des Dauerfestigkeitsverhaltens hoch belasteter Faserverbundstrukturen, insbesondere im Bereich von Automobilkarosserien.
  • Der Stand der Technik zum Fügen von hybriden Mischbauweisen umfasst Fügeverbindungen, wie Kleben, Nieten, Clinchen, Pressen, Hybridfügen (Schrauben und Kleben) und ähnliche Verfahren.
    1. a) Eine stoffschlüssige und mechanische feste Fügeverbindung zwischen metallischen und polymeren Gegenkörpern zählt bis jetzt nicht zum Stand der Technik.
    2. b) Die oben genannten Fügeverfahren weisen Nachteile bezüglich der Dauerfestigkeit aufgrund des hygroskopischen Verhaltens der Klebstoffe, der Schädigung der Verbundmatrix durch Bohrungen beim Nieten, aufgrund von Mikrorissen beim Schrauben und anderen strukturellen Veränderungen des Faserverbundes auf.
    3. c) Das Hauptproblem klassischer Fügeverfahren bei Faserverbundwerkstoffen besteht somit in der strukturellen Vorschädigung des Verbundwerkstoffes und oder der Verstärkungsfasern.
  • Aufgrund des hohen Oxidanteils der Metallschichten und der temperatursensiblen polymeren Matrix kommen für das Fügen Weichlotsysteme zur Anwendung. Für das Löten werden zur Reduktion der Oxide sogenannte Flussmittel benötigt, die zum Teil nach dem Fügen in der Lötzone als störende und korrosionsaktive Reste verbleiben. Die Flussmittelreste sind ein Hauptproblem bei der späteren Anwendung, da die Neigung zur Korrosion des Verbundes dadurch signifikant erhöht wird und die Ausfallwahrscheinlichkeit durch Bildung von galvanischen Elementen steigt.
  • Das korrosionsbedingte Versagen hybrider FKV-Metallstrukturen ist das Hauptproblem bei der Anwendung dieser Werkstoffpaarung.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Ausbildung dauerhaft sicherer stoffschlüssiger Lötverbindungen, bei denen die durch den Einsatz von Flussmittel bedingten Nachteile zumindest nahezu vollständig beheben können und den daraus resultierenden Aufwand gering zu halten.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, realisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Die Erfindung betrifft die Verbindung erster Bauteile, die aus einem polymeren Faserverbund-Werkstoff, die mit einer haftfesten Metallisierung an der Oberfläche, an der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, mit unterschiedlichen Metallen, die bevorzugt mit einem Metallspritzverfahren (Drahtlichtbogenbeschichten, Atmosphärenplasmaspritzen) aufgebracht worden ist. Zur Erhöhung der Haftfestigkeiten der Metallschicht werden die Oberflächen des Faserverbundwerkstoffs bevorzugt mittels geeigneter Lasertechnik strukturiert.
  • In die Oberfläche des ersten Bauteils, an der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, werden kanalförmige Gräben im Faserverbundwerkstoff ausgebildet. Dies kann auch an der Oberfläche des zweiten Bauteils, die mit der entsprechenden Oberfläche des ersten Bauteils stoffschlüssig verbunden werden soll, erfolgen.
  • Nach diesem Bearbeitungsvorgang wird in einer ersten Alternative eine bevorzugt geschlossene metallische Schicht auf die Oberfläche des ersten und ggf. der Oberfläche des zweiten Bauteils ausgebildet, die auch in den kanalförmigen Gräben ausgebildet ist. Dabei ist die Schicht aus Metall im Bereich der kanalförmigen Gräben so ausgebildet, dass dort kanalförmige Vertiefungen vorhanden sind.
  • Es kann aber auch eine lokal differenzierte Metallschicht mit Konturelementen in einer weiteren Alternative ausgebildet werden, bei der Oberflächenbereiche frei von Metall gehalten werden. Dazu kann man nur bestimmte Oberflächenbereiche einer Oberfläche mit Metall beschichten und dort Erhebungen als Konturelemente bilden, zwischen denen Oberflächenbereiche vorhanden sind, die nicht oder weniger beschichtet worden sind, so dass zwischen diesen Konturelementen kanalförmige Vertiefungen entstehen.
  • Die kanalförmigen Vertiefungen werden dabei in beiden Alternativen mit einer Mindesttiefe von 20 µm und einer Mindestbreite von 10 µm ausgebildet. Die jeweilige Mündung der kanalförmigen Vertiefungen ist dabei am äußeren Rand der auszubildenden Lötverbindung oder darüberhinausgehend angeordnet. Über „darüberhinausgehend“ soll dabei verstanden werden, dass der Mündungsbereich auch außerhalb der ausgebildeten Lötverbindung angeordnet sein kann.
  • Nach dem Beschichtungsvorgang kann das modifizierte FKV mittels geeigneter Weichlote und einem Flussmittel an metallische oder metallisierte Gegenkörper zumindest stoffschlüssig gefügt werden.
  • Im Anschluss daran wird die Lötverbindung mit einem Lot und einem Flussmittel mit dem zweiten Bauteil nach dessen Positionierung in Bezug zurjeweiligen Oberfläche des ersten Bauteils hergestellt. Das Löten kann in an sich bekannter Art und Weise durchgeführt werden. Nicht genutztes Flussmittel kann durch die kanalförmigen Vertiefungen in Richtung der jeweiligen Mündung strömen und dort austreten, so dass zwischen den miteinander stoffschlüssig verbundenen Oberflächen des ersten und zweiten Bauteils zumindest nahezu keine Flussmittelreste verblieben sind.
  • Die Metallschicht auf der jeweiligen Oberfläche eines ersten Bauteils kann bevorzugt mit einem an sich bekannten Metallspritzverfahren ausgebildet worden sein. Vor Durchführung des Spritzverfahrens wird die mit dem jeweiligen Faserverbund-Werkstoff gebildete Oberfläche eines ersten Bauteils durch einen lokal definiert durchgeführten Werkstoffabtrag bearbeitet. Dies kann bevorzugt mittels Werkstoffabtrag, der durch den Einfluss von Laserstrahlung erreicht werden kann, erreicht werden und dabei die kanalförmigen Gräben ausgebildet werden.
  • Es sollten geradlinige kanalförmige Vertiefungen oder kanalförmige Vertiefungen, die bogenförmig mit einem Mindestradius von 5 mm geformt sind, ausgebildet werden. Allein oder zusätzlich dazu sollten kanalförmige Vertiefungen so ausgebildet werden, dass sie sich nicht schneiden oder kreuzen.
  • Bei kanalförmigen Vertiefungen, die an der Oberfläche eines ersten und eines zweiten Bauteils ausgebildet worden sind, sollten diese bevorzugt so angeordnet und beim Löten so zueinander positioniert werden, dass sie sich überdecken und dabei einen gemeinsamen Kanal bilden können, der einen entsprechend vergrößerten freien Querschnitt aufweist.
  • Kanalförmige Vertiefungen können auch ausgehend vom Flächenschwerpunkt der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, sternförmig ausgebildet werden, wobei dies dann besonders vorteilhaft ist, wenn grö-ßere Oberflächen miteinander stoffschlüssig verbunden werden sollen und die jeweiligen Oberflächen eben und planar ausgebildet sind. In diesen Fällen kann beim Lötvorgang eine Druckkraftwirkung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil so ausgeübt werden, dass die Druckkraft zeitlich beginnend im Bereich des Flächenschwerpunkts der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, wirkt und anschließend auch äußere Bereiche der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet wird, mit Druckkräften später beaufschlagt werden. So kann man Flussmittel durch die kanalförmigen Vertiefungen ausgehend von innen nach außen verdrängen.
  • Kanalförmige Vertiefungen können auch von einem Punkt ausgehen, der eine maximale Entfernung zum freien Rand der Oberfläche des ersten Bauteils von 15 mm aufweist, ausgebildet werden.
  • Kanalförmige Vertiefungen können vorteilhaft so ausgebildet werden, dass sie im Bereich ihrer jeweiligen Mündung sich konisch vergrößernd ausgebildet sind. Dadurch können das Abfließen von Flussmittel erleichtert und eine Stauwirkung im Mündungsbereich vermieden werden.
  • Der Werkstoffabtrag, mit dem kanalförmige Gräben ausgebildet werden, sollte so durchgeführt werden, dass über die Gräben hinaus möglichst keine Schädigung von Fasern auftritt.
  • Die kanalförmigen Gräben können mit mindestens einem Laserstrahl ausgebildet werden, wobei der Werkstoffabtrag im Wesentlichen durch Ablation oder Sublimation erreicht werden sollte.
  • Dabei kann ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingesetzt werden, bei der mindestens 30 % der Energie des Laserstrahls vom Faserverbund-Werkstoff des jeweiligen Bauteils absorbiert werden.
  • Der Laserstrahl sollte, bevorzugt im Nano-, Femto- oder Pikosekundenbereich gepulst betrieben werden.
  • Die Erfindung ermöglicht die Nutzung der kanalförmigen Vertiefungen als Strömungskanäle für mögliche Flussmittelrückstände. Zudem umfasst die Erfindung auch eine lötgerechte DLBSchicht, die mit einem Lot und Flussmittel gebildet ist. Diese Schicht kann in nicht geschlossener Form auf die Oberfläche des Faserverbund-Werkstoffs aufgetragen sein, da dadurch die Kanalstrukturen blockiert werden könnten. Bei dem Fügeprozess benetzt das Lot die metallisierte Oberfläche und dringt aufgrund seiner niedrigen Viskosität in das Kanalsystem bzw. die Laserstruktur ein und füllt diese unter Austreiben von Flussmittelresten aus.
  • Mit Nutzung der Erfindung können Flussmittelrückstände innerhalb des fertig hergestellten Bauteils, das mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil hergestellt worden ist, vollständig bzw. nahezu vollständig vermieden werden.
  • Dadurch kann auch die Korrosionsneigung reduziert und dadurch ggf. hervorgerufene Schäden vermieden werden.
  • Es kann auch eine hohe Haftzugfestigkeit der Lötverbindung, mit einer stabilen Fügezone durch homogenes Benetzungsverhalten des Lotes sowie eine hohe Dauerfestigkeit des Werkstoffverbundes erreicht werden.
  • Mit nachfolgender Tabelle sollen mögliche Parameter, die bei der Erfindung berücksichtigt werden können, angegeben werden. Laserparameter:
    Parameter Kurzgepulster UV-Laser
    Wellenlänge [nm] 355
    Pulsdauer [s] 30×10-9
    Max. Laserleistung [W] 20
    Brennweite [mm] 163
    Fluence [J/cm2] 9,4
    Lasertyp Nd:YAG
    Geometrische Angaben zu Gräben im Substrat:
    Dimension Wert
    Abstand von Vertiefungen[µm] 200/300/400
    Breite einer Vertiefung[µm] < 40
    Tiefe einen Vertiefung[µm] Ca. 60 - 100
  • Der Laserstrahl wird auf die Oberfläche des ersten oder zweiten Bauteils, die für die jeweilige Lötverbindung genutzt werden soll, fokussiert gerichtet und der Brennfleck des Laserstrahls vorzugsweise mit einer Strahlablenkeinheit (Scanner) über die jeweilige Oberfläche geführt um die Grabenstrukturen mit den kanalförmigen Gräben auszubilden.
  • Gepulst betriebene Laserstrahlquellen können im Mikrosekundenbereich, besser im Nanosekundenbereich oder noch besser im Piko-/Femtosekundenbereich betrieben werden.
  • Es sollte eine ausreichend hohe Intensität der Laserstrahlung im Brennfleck erreicht sein, um das Material zu ablatieren und/oder sublimieren.
  • Es können Wellenlängen der Laserstrahlung im Bereich 250 nm bis 2 µm, bevorzugt in Abhängigkeit des Absorptionsvermögens des abzutragenden Materials gewählt werden.
  • Bei der Bestrahlung kann auch beachtet werden, dass je kleiner die Pulsdauer desto unwichtiger der Einfluss der Wellenlänge ist.
  • Für die Ausbildung gröberer kanalförmiger Gräben sind auch CO2 -Laser geeignet (große Wellenlänge von 10,6 µm, die in der Regel gut von vielen auch transparenten Werkstoffen absorbierbar ist. CO2-Laser sind aber weniger gut fokussierbar, so dass die Miniaturisierung der Brennfleckgröße begrenzt ist.
  • Es können zumindest nahezu alle gängigen faserverstärkten Kunststoffe, wie z.B. kohlenstofffaserverstärktes Epoxid (CFK); glasfaserverstärktes Polyamid/ Polypropylen; glasfaserverstärkte Sheet Mould Compound (Glas-SMC) u.a.m. für erste Bauteile eingesetzt werden.
  • Die geometrische Gestalt der CFK-Substrate ist zumindest nahezu frei wählbar, solange eine Abflussmöglichkeit für überschüssiges Flussmittel gegeben ist. Es können flache oder zylindrische Fügeflächen (Muffen-Geometrie) an ersten und zweiten Bauteilen miteinander verbunden werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein gemäß einer Alternative erhaltenes erstes Bauteil vor der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung und
    • 2 ein gemäß einer weiteren Alternative erhaltenes erstes Bauteil vor der Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung.
  • Sowohl bei dem in 1 gezeigten Beispiel, wie auch dem Beispiel nach 2 sind in einer Oberfläche eines ersten Bauteils 3 mit Laserstrahlung kanalförmige Gräben (4) im Faserverbund-Werkstoff ausgebildet worden.
  • Bei Beispiel nach 1 wurde Metall im Bereich der kanalförmigen Gräben 4 aufgebracht, so dass mit dem Metall Konturelemente 1.1 ausgebildet worden sind, die Erhebungen über die eigentliche Oberfläche des Faserverbund-Werkstoffs überstehend. Zwischen den Konturelementen 1.2 wurden kanalförmige Vertiefungen 2 ausgebildet, die so angeordnet und dimensioniert sind, wie es im allgemeinen Teil der Beschreibung und im Anspruch 1 definiert ist.
  • Beim in 2 gezeigten Beispiel wurde die Oberfläche des ersten Bauteils 3, in der die kanalförmigen Gräben 4 ausgebildet worden sind, mit einer geschlossenen Schicht 1.2 aus Metall so beschichtet, dass im Bereich der kanalförmigen Gräben 4 kanalförmige Vertiefungen 2 verblieben sind, die ebenfalls entsprechend angeordnet und dimensioniert sind.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Lötverbindung zwischen einem ersten Bauteil, das aus einem Faserverbund-Werkstoff gebildet und an der jeweiligen Oberfläche, an der die Lötverbindung ausgebildet wird, eine Schicht (1.1) aus einem Metall aufweist oder Konturelemente (1.2) mit einem Metall, die Erhebungen bilden, ausgebildet sind und einem metallischen oder mit einer Metallbeschichtung versehenen zweiten Bauteil, bei dem mindestens an der Oberfläche des ersten Bauteils (3), an der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, werden kanalförmige Gräben (4) im Faserverbundwerkstoff ausgebildet und anschließend wird die Oberfläche mit einem Metall so beschichtet, dass im Bereich der Gräben (4) kanalförmige Vertiefungen (2) ausgebildet werden, oder die kanalförmigen Gräben (4) mit Metall ausgefüllt werden, so dass mit dem Metall Konturelemente (1.2) ausgebildet werden, wobei zwischen Konturelementen (1.2) kanalförmige Vertiefungen (2) ausgebildet werden und die kanalförmigen Vertiefungen (2) mit einer Mindesttiefe von 20 µm und einer Mindestbreite von 10 µm ausgebildet werden und die jeweilige Mündung der kanalförmigen Vertiefungen (2) am äußeren Rand der auszubildenden Lötverbindung oder darüberhinausgehend angeordnet ist und im Anschluss daran die Lötverbindung mit einem Lot und einem Flussmittel mit dem zweiten Bauteil nach dessen Positionierung in Bezug zur jeweiligen Oberfläche des ersten Bauteils (3) hergestellt und dabei überschüssiges Flussmittel durch die kanalförmigen Vertiefungen (2) abgeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (2) jeweils in einem Abstand zwischen nebeneinander angeordneten kanalförmigen Vertiefungen (2) ausgebildet werden, der mindestens dem Zweifachen der Breite der kanalförmigen Vertiefungen (2) entspricht, und/oder kanalförmige Vertiefungen (2) mit einem Maximalabstand von 10 mm zwischen nebeneinander angeordneten kanalförmigen Vertiefungen (2) ausgebildet werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass geradlinige kanalförmige Vertiefungen (2) oder kanalförmige Vertiefungen (2), die bogenförmig mit einem Mindestradius von 5 mm geformt sind, und/oder sich nicht schneidend oder kreuzend ausgebildet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kanalförmige Vertiefungen (2) ausgehend vom Flächenschwerpunkt der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, sternförmig oder kanalförmige Vertiefungen (2) von einem Punkt ausgehen, der eine maximale Entfernung zum freien Rand der Oberfläche des Bauteils (3) von 15 mm aufweist, ausgebildet werden.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Lötvorgang eine Druckkraftwirkung zwischen dem ersten Bauteil (3) und dem zweiten Bauteil so ausgeübt wird, dass die Druckkraft zeitlich beginnend im Bereich des Flächenschwerpunkts der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet werden soll, wirkt und anschließend auch äußere Bereiche der Oberfläche, auf der die Lötverbindung ausgebildet wird, mit Druckkräften beaufschlagt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kanalförmige Vertiefungen (2) so ausgebildet werden, dass sie im Bereich ihrer jeweiligen Mündung sich konisch vergrö-ßernd ausgebildet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (2) mit mindestens einem Laserstrahl ausgebildet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingesetzt wird, bei der mindestens 30 % der Energie des Laserstrahls vom Faserverbund-Werkstoff, in den die kanalförmigen Vertiefungen (2) eingebracht werden, absorbiert werden, eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl, bevorzugt im Nano-, Femto- oder Pikosekundenbereich gepulst betrieben wird.
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