DE112018003900T5

DE112018003900T5 - Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle und Laserschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE112018003900T5
Application number: DE112018003900.5T
Authority: DE
Inventors: Shohei Yomogida; Takashi Murase; Toshihiko Fukuda
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-04-09
Also published as: CN110997216A; JP2019025520A; US20200306854A1; WO2019026614A1

Abstract

Bei dem Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle handelt es sich um ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle eines Al-basierten Basismaterials (2) aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials (3) aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu, wobei das Al-basierte Basismaterial (2) und das Cu-basierte Basismaterial (3) durch Laserschweißen verbunden werden, bei dem mittels eines Schweißzusatzstoffs (5) aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, ein durch eine Bestrahlung mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt geschmolzen und verfestigt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu, sowie eine Laserschweißvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Im Allgemeinen wird ein Cu(Kupfer)-basiertes Material aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit z. B. für Elektroden und Sammelschienen (Bus Bars) von Li(Lithium)-Ionen-Batterien sowie für Elektroden, Anschlüsse, Leitungsdrähte usw. von elektronischen Geräten, Kabelbäumen usw. verwendet. In den letzten Jahren schreitet unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes die Forschung und Entwicklung von Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen usw. rapide voran, wobei eine Gewichtsreduzierung von in diese Fahrzeuge usw. eingebauten Li-Ionen-Batterien, elektronischen Geräten und elektrischen Bauteilen usw. gefordert wird. Um die Gewichtsreduzierung der Energiequellen, der elektrischen Bauteile usw. zu erreichen, wird ein Aufbau eines Teils der Elektroden, Anschlüsse usw. mittels eines Al(Aluminium)-basierten Materials aus einer Al-Legierung oder reinem Al anstelle eines Cu-basierten Materials in Erwägung gezogen.
Das heißt, da bei den obigen elektrischen Bauteilen usw. die aus Cu-basiertem Material bestehende Elektroden, Anschlüsse usw. und aus Al-basiertem Material bestehende Elektroden, Anschlüsse usw. vermischt sind, wird eine Technik benötigt, um diese unterschiedlichen Metalle miteinander zu verbinden. Als Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle miteinander können z. B. ein Ultraschallschweißen, ein MIG-Schweißen, ein Rührreibschweißen (FSW) und ein Laserschweißen angeführt werden. Von diesen Verbindungsverfahren ist insbesondere das Laserschweißen unter dem Gesichtspunkt der Produktivität am hervorragendsten, da durch dieses eine große Leistungsdichte erzielt wird.
Bei dem Laserschweißen wird mittels eines Laserschweißgeräts Laserlicht auf zwei Basismaterialien als Verschweißungsgegenstand gebündelt und diese werden damit bestrahlt. Das Laserlicht zur Bestrahlung wird mittels einer Linse, eines Spiegels usw. derart z. B. auf eine Kreisform gebündelt, dass dieses auf die Oberflächenumgebung der Basismaterialien fokussiert wird. Dadurch verdichtet sich die Leistung (Energie) des Laserlichts in dem Abschnitt, der mit dem Laserlicht bestrahlt wird, sodass verglichen mit einem Lichtbogenschweißen usw. etwa die hundert- bis tausendfache Leistungsdichte erzielt werden kann.
Da beim Laserschweißen ein Schweißen mit einer hohen Geschwindigkeit möglich ist, und die Breite der Wärmeeinflusszone schmal ist, eignet es sich zur Verbindung für unterschiedliche Metalle. Als Verbindungsverfahren für Basismaterialien miteinander aus unterschiedlichen Metallen mittels Laserschweißen erfolgen unter den Gesichtspunkten der Steuerung der Einbrandform, der Verbesserung der Stoßfestigkeit, usw. intensive Untersuchungen zur Optimierung der Bestrahlungsbedingungen mit dem Laser.
In dem Patentdokument 1 ist z. B. ein Herstellungsverfahren für geschweißte Metallplatten beschrieben, durch das Metallplatten mit einem unterschiedlichen Schmelzpunkt auf Stoß miteinander lasergeschweißt werden. Bei dem Verfahren in dem Patentdokument 1 erfolgt das Laserschweißen dadurch, dass der Laserkopf derart bewegt wird, dass der Fokus der Laserstrahlen von der Stoßverbindungsstelle zumindest weiter zur Oberflächenseite der Metallplatte mit einem höheren Schmelzpunkt verschoben wird, mit dem Ziel, dass eine lückenlose Schweißperle (Schweißmetallsektion) beim Laserschweißen erzielt wird. Bei der in dem Patentdokument 1 beschriebenen Erfindung wurde jedoch ein Unterdrücken eines an der Schweißmetallsektion leicht entstehenden Risses oder der Bildungsrate intermetallischer Verbindungen nicht untersucht. Außerdem ist in dem Patentdokument 1 als Kombination zu schweißender Platten mit unterschiedlichem Schmelzpunkt lediglich der Fall einer Stahlplatte und einer aluminiumbasierten Platte, einer Stahlplatte und einer kupferbasierten Platte sowie einer Stahlplatte und einer Edelstahlplatte angeführt, während die Kombination eines aluminiumbasierten Basismaterials und eines kupferbasierten Basismaterials nicht angeführt ist. Bei einem Laserschweißen eines aluminiumbasierten Basismaterials und eines kupferbasierten Basismaterials mittels des Verfahrens in dem Patentdokument 1 erfolgt das Laserschweißen folglich dadurch, dass der Laserkopf derart bewegt wird, dass der Fokus der Laserstrahlen von der Stoßverbindungsstelle weiter zur Oberflächenseite des kupferbasierten Basismaterials als Metallplatte mit einem höheren Schmelzpunkt verschoben wird, was problematisch ist, dass ein Schmelzen des kupferbasierten Basismaterials mittels des Bestrahlens mit Laserlicht aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und Lichtreflexion dieses Materials schwierig ist, sodass zum Schmelzen des kupferhaltigen Basismaterials die Energiedichte des Laserlichts zur Bestrahlung vergrößert werden muss, und dass ferner an der geschmolzenen Sektion eine große Menge hochgradig spröder, intermetallischer Verbindungen wie z. B. Cu₉Al₄ usw. auftritt, sodass eine ausreichende Nahtfestigkeit nicht erzielt werden kann.
In dem Patentdokument 2 ist ferner ein Laserschweißverfahren für eine Aluminiumkomponente und eine Kupferkomponente beschrieben, bei dem mit dem Laserlicht derart bestrahlt wird, dass die Bestrahlungsfläche der Aluminiumkomponente größer wird als die Bestrahlungsfläche der Kupferkomponente. Bei dem Laserschweißverfahren des Patentdokuments 2 ist jedoch eine präzise Steuerung der Bestrahlungsstelle an der Stoßverbindung erforderlich, sodass der Freiheitsgrad der Verbindungsform niedrig ist und auch der ausführungsseitige Spielraum gering ist.
Literaturliste
Patentdokumente

Patentdokument 1: Patentveröffentlichung Nr. JP 2005-254282
Patentdokument 2: Patentveröffentlichung Nr. JP 2011-005499

Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Ausführungsform wurde die obigen Umstände berücksichtigend gemacht, und besteht in der Bereitstellung eines Verbindungsverfahrens für unterschiedliche Metalle und einer Laserschweißvorrichtung, indem ein Al-basiertes Basismaterial und ein Cu-basiertes Basismaterial durch ein Laserschweißen mittels eines eine Angleichung anstrebenden Schweißzusatzstoffs verbunden werden, sodass keine präzise Steuerung der Laserbestrahlungsstelle erforderlich ist, und außerdem eine Schweißverbindung mit einer hohen Nahtfestigkeit hergestellt werden kann.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Als Ergebnis weiterer Forschungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass durch die Durchführung eines Laserschweißens eines Al-basierten Basismaterials und eines Cu-basierten Basismaterials unter Verwendung einer zumindest eines von Si und Cu umfassenden AI-Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt als Schweißzusatzstoff, die Herstellung einer Schweißverbindung eines Al-basierten Basismaterials und eines Cu-basierten Basismaterials mit einer hohen Nahtfestigkeit möglich ist.
Der wesentliche Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist wie folgt:

(1) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu, dadurch gekennzeichnet, dass das Al-basierte Basismaterial und das Cu-basierte Basismaterial durch Laserschweißen verbunden werden, bei dem mittels eines Schweißzusatzstoffs aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, ein durch die Bestrahlung mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt geschmolzen und verfestigt wird.
(2) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Punkt (1), wobei der Schweißzusatzstoff eine Al-Si-basierte Legierung, eine Al-Cu-Si-basierte Legierung oder eine Al-Cu-Si-Zn-basierte Legierung ist.
(3) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Punkt (1) oder Punkt (2), wobei der Schweißzusatzstoff ein pulverförmiger Schweißzusatzstoff ist.
(4) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Punkt (3), wobei ein Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs auf dem Al-basierten Basismaterial und außerdem in Kontakt mit dem Cu-basierten Basismaterial angeordnet wird, und mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts die Oberfläche des Pulverkörpers gescannt wird.
(5) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Punkt (4), wobei der Pulverkörper, der mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts gescannt wird, ferner Fe-Pulver umfasst, dessen Flächenanteil auf der Oberfläche größer oder gleich 1 % einnimmt.
(6) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach einem der Punkte (3) bis (5), wobei der Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs ferner ein Flussmittel in einem Volumenverhältnis von größer oder gleich 10 % umfasst.
(7) Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach einem der Punkte (1) bis (6), wobei bei den Schweißbedingungen in dem Laserschweißen eine Leistungsdichte kleiner oder gleich 50 kW/mm² und eine Schweißgeschwindigkeit größer oder gleich 1 mm/s ist.
(8) Laserschweißvorrichtung, die zum Verbinden unterschiedlicher Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu verwendet wird, umfassend eine Laseremissionseinheit und eine Schweißzusatzstoffzufuhreinheit, wobei die Schweißzusatzstoffzufuhreinheit eine Schweißzusatzstoffzufuhrsektion, die den pulverförmigen Schweißzusatzstoff aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, aufnimmt und außerdem den aufgenommenen pulverförmigen Schweißzusatzstoff zuführt, und eine Fe-Pulverzufuhrsektion aufweist, die Fe-Pulver aufnimmt und das aufgenommene Fe-Pulver zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißzusatzstoffzufuhrsektion derart aufgebaut ist, dass sie den pulverförmigen Schweißzusatzstoff an eine zu verbindende Stelle zuführen und den Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs dort anordnen kann, die Fe-Pulverzufuhrsektion derart aufgebaut ist, dass sie das Fe-Pulver auf die Oberfläche des an der zu verbindenden Stelle angeordneten Pulverkörpers zuführen und dort anordnen kann, und die Laseremissionseinheit derart aufgebaut ist, dass mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts die Oberfläche des Pulverkörpers, auf dem das Fe-Pulver angeordnet wurde, gescannt werden kann.

Wirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Ausführungsform können ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle und eine Laserschweißvorrichtung bereitgestellt werden, indem ein Laserschweißen eines Al-basierten Basismaterials und eines Cu-basierten Basismaterials unter Verwendung einer zumindest eines von Si und Cu umfassenden AI-Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt als Schweißzusatzstoff erfolgt, sodass keine präzise Steuerung der Laserbestrahlungsstelle erforderlich ist, und außerdem eine Schweißverbindung eines Al-basierten Basismaterials und eines Cu-basierten Basismaterials mit einer hohen Nahtfestigkeit hergestellt werden kann.
Figurenliste

1 dient zur Erläuterung eines Verbindungsverfahrens für unterschiedliche Metalle gemäß einer vorliegenden Ausführungsform und ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand vor dem Verbinden zeigt, in dem eine Endsektion einer oberen Platte (bevorzugt ein kupferbasiertes Basismaterial) lediglich auf eine Endsektion einer unteren Platte (bevorzugt ein aluminiumbasiertes Basismaterial) aufgeschichtet wurde.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Zustand vor dem Verbinden zeigt, in dem im in 1 gezeigten aufeinandergeschichteten Zustand der Endsektion der oberen Platte (bevorzugt ein kupferbasiertes Basismaterial) auf der Endsektion der unteren Platte (bevorzugt ein aluminiumbasiertes Basismaterial) ein Pulverkörper eines pulverigen Schweißzusatzstoffs auf der unteren Platte und außerdem in Kontakt mit der Endfläche der oberen Platte angeordnet wurde.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schweißverbindung, die durch das Verbinden der unteren Platte (bevorzugt ein aluminiumbasiertes Basismaterial) und der oberen Platte (bevorzugt ein kupferbasiertes Basismaterial) mittels Laserschweißen erzielt wurde, indem die Oberfläche des wie in 2 gezeigt angeordneten Pulverkörpers mit Laserlicht bestrahlt wurde.
4 ist ein schematischer Querschnitt bei einem zur Schweißrichtung X vertikalen Schnitt der in 3 dargestellten Schweißverbindung.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnungsbeziehung zwischen der oberen Platte, der unteren Platte sowie der Laseremissionseinheit und der Schweißzusatzstoffzufuhreinheit, die die Laserschweißvorrichtung bilden, bei der Herstellung einer Schweißverbindung mittels des Verbindungsverfahrens für unterschiedliche Metalle der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung der Laserschweißvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.

Formen zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle gemäß einer vorliegenden Ausführungsform detailliert erläutert.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle
Das Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu, wobei es besteht darin, dass das Al-basierte Basismaterial und das Cu-basierte Basismaterial durch Laserschweißen verbunden werden, bei dem mittels eines Schweißzusatzstoffs aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, ein durch die Bestrahlung mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt geschmolzen und verfestigt wird.
Al-basiertes Basismaterial
Das AI(Aluminium)-basierte Basismaterial besteht aus einer AI-Legierung oder aus reinem Aluminium. Als Al-Legierung werden ohne besondere Beschränkung z. B. eine Al-Mnbasierte Legierung (JIS 3000 Serie Legierung), eine Al-Mg-basierte Legierung (JIS 5000 Serie Legierung) und eine Al-Mg-Si-Legierung (JIS 6000 Serie Legierung) und als reines Aluminium wird eine JIS 1000 Serie Legierung angeführt. Konkret handelt es sich um A1100, A1050, A3003, A3004, A5052, A5083, A6061 usw.
Cu-basiertes Basismaterial
Das Cu(Kupfer)-basierte Basismaterial besteht aus einer Cu-Legierung oder aus reinem Kupfer. Als Kupferlegierung werden ohne besondere Beschränkung z. B. eine Cu-Zn-basierte Legierung (Messing), eine Cu-Sn-basierte Legierung (Bronze) usw. und als reines Kupfer z. B. sauerstofffreies Kupfer, zähgepoltes Kupfer, phosphorhaltiges desoxidiertes Kupfer usw. angeführt. Konkret handelt es sich um C1020, C1100, C1201, C2600, C5191, C6191 usw.
Schweißzusatzstoff
Legierungszusammensetzung des Schweißzusatzstoffs
Bei dem Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Schweißzusatzstoff aus einer zumindest eines von Si und Cu umfassenden AI-Legierung verwendet. Als bevorzugte Legierungszusammensetzungsgruppen des Schweißzusatzstoffs wird z. B. eine Al-Si-basierte Legierung, eine Al-Cu-basierte Legierung, eine Al-Cu-Si-basierte Legierung, eine Al-Cu-Zn-basierte Legierung oder eine Al-Cu-Si-Zn-basierte Legierung angeführt. Unter diesen Legierungszusammensetzungsgruppen ist die Verwendung einer Al-Si-basierten Legierung, Al-Cu-Si-basierten Legierung oder einer Al-Cu-Si-Zn-basierten Legierung als Schweißzusatzstoff bevorzugt. Ein Schweißzusatzstoff aus einer solchen Al-Legierung hat einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als der Schmelzpunkt von reinem Al (660 °C). Es ist bekannt, dass beim Schweißen eines Al-basierten Basismaterials und eines kupferbasierten Basismaterials die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen an der Schweißsektion (Abschnitt, der die Schweißmetallsektion und die Wärmeeinflusszone umfasst) größer wird, sodass die Nahtfestigkeit abnimmt und dass die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen umso mehr zunimmt, je länger eine hohe Temperatur beim Schweißen andauert. Das heißt, dadurch dass bei der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung des vorstehenden Schweißzusatzstoffs mit einem niedrigen Schmelzpunkt das Laserschweißen erfolgt, kann der Zeitraum einer hohen Temperatur an der Schweißsektion verkürzt werden, sodass die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen unterdrückt wird, wodurch eine Schweißverbindung mit einer hohen Nahtfestigkeit hergestellt werden kann. Der Schweißzusatzstoff hat wünschenswerterweise einen im Vergleich zu dem Schmelzpunkt von reinem Al um mindestens 10 °C niedrigeren Schmelzpunkt.
Handelt es sich bei dem Schweißzusatzstoff um eine Al-Si-basierte Legierung, ist ein Si-Gehalt von 1 bis 14 M.-% wünschenswert. Bei einem Si-Gehalt von weniger als 1 M.-% kann der Schmelzpunkt im Vergleich zu dem Schmelzpunkt von reinem Aluminium nicht ausreichend gesenkt werden, sodass der Zeitraum einer hohen Temperatur an der Schweißsektion nicht verkürzt werden kann und tendenziell eine Bildung intermetallischer Verbindungen nicht ausreichend unterdrückt werden kann. Überschreitet andererseits der Si-Gehalt 14 M.-%, erhöht sich der Schmelzpunkt des Schweißzusatzstoffs, sodass tendenziell die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zunimmt.
Handelt es sich bei dem Schweißzusatzstoff um eine Al-Cu-basierte Legierung, ist ein Cu-Gehalt von kleiner oder gleich 30 M.-% bevorzugt. Ist der Cu-Gehalt größer als 30 M.-%, erhöht sich nämlich der Schmelzpunkt des Schweißzusatzstoffs, sodass die Gefahr besteht, dass die Wirkung, die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zu unterdrücken, nicht ausreichend entfaltet werden kann.
Handelt es sich bei dem Schweißzusatzstoff um eine Al-Cu-Si-basierte Legierung, ist ein Cu-Gehalt von kleiner oder gleich 30 M.-% und ein Si-Gehalt von kleiner oder gleich 7 M.-% bevorzugt. Ist zumindest einer von dem Gehalt von Cu und dem Gehalt von Si höher als der obige Bereich, erhöht sich nämlich der Schmelzpunkt des Schweißzusatzstoffs, sodass die Gefahr besteht, dass die Wirkung, die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zu unterdrücken, nicht ausreichend entfaltet werden kann.
Handelt es sich bei dem Schweißzusatzstoff um eine Al-Cu-Zn-basierte Legierung, ist ein Cu-Gehalt von kleiner oder gleich 30 M.-% und ein Zn-Gehalt von kleiner oder gleich 7 M.-% bevorzugt. Ist der Gehalt von Cu und der Gehalt von Zn höher als der obige Bereich, erhöht sich nämlich der Schmelzpunkt des Schweißzusatzstoffs, sodass die Gefahr besteht, dass die Wirkung, die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zu unterdrücken, nicht ausreichend entfaltet werden kann.
Handelt es sich bei dem Schweißzusatzstoff um eine Al-Cu-Si-Zn-basierte Legierung, ist ein Cu-Gehalt von kleiner oder gleich 30 M.-%, ein Si-Gehalt von kleiner oder gleich 7 M.-% und ein Zn-Gehalt von kleiner oder gleich 7 M.-% bevorzugt. Ist zumindest einer von dem Gehalt von Cu, dem Gehalt von Si und dem Gehalt von Zn höher als der obige Bereich, erhöht sich nämlich der Schmelzpunkt des Schweißzusatzstoffs, sodass die Gefahr besteht, dass die Wirkung, die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zu unterdrücken, nicht ausreichend entfaltet werden kann.
Form des Schweißzusatzstoffs
Die bevorzugte Form des Schweißzusatzstoffs ist die Pulverform. Bei im Allgemeinen verwendeten Schweißzusatzstoffen einer Stangenform, Drahtform oder Folienform wird eine zum Schmelzen des Schweißzusatzstoffs erforderliche Wärmemenge hoch. Ist die zum Schmelzen des Schweißzusatzstoffs erforderliche Wärmemenge hoch, wird auch die Wärmeübertragungsmenge durch die Wärmeleitung auf das kupferbasierte Basismaterial groß, sodass die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen zunimmt. Andererseits hat ein pulverförmiger Schweißzusatzstoff verglichen mit einem stangenförmigen, drahtförmigen oder folienförmigen Schweißzusatzstoff eine größere Oberflächengröße (spezifische Oberfläche) pro Masseneinheit (oder Volumeneinheit), sodass die Lichtabsorptionsrate des Laserlichts zur Bestrahlung zunimmt und außerdem eine geringere Wärmemenge zum Schmelzen benötigt wird, wodurch die eingesetzte Wärmemenge reduziert werden kann. Dadurch verringert sich die Wärmeübertragungsmenge aufgrund der Wärmeleitung auf das kupferbasierte Basismaterial, sodass die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen unterdrückt werden kann. Zur Verbesserung der Füllrate des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs ist außerdem die Verwendung eines pulverförmigen Schweißzusatzstoffs mit zwei unterschiedlichen Korngrößen aus einem kleindiametrischen pulverförmigen Schweißzusatzstoff A mit einer durchschnittlichen Korngröße von 2 bis 10 µm und einem großdiametrischen pulverförmigen Schweißzusatzstoff B mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 bis 500 µm, die im Masseverhältnis pulverförmiger Schweißzusatzstoff A : pulverförmiger Schweißzusatzstoff B = 1 : 95 bis 105 gemischt werden, wünschenswert. Ferner ist es bevorzugt, dass der pulverförmige Schweißzusatzstoff derart zugeführt wird, dass er auf dem Al-basierten Basismaterial und außerdem in Kontakt mit der kupferbasierten Komponente als Pulverkörper angeordnet wird, und mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts die Oberfläche des Pulverkörpers gescannt wird. Dadurch kann die Zeitraum einer hohen Temperatur an der Schweißsektion verkürzt werden und es wird möglich, die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen zu unterdrücken.
Anordnungsverfahren des Schweißzusatzstoffs
Als Anordnungsverfahren des Schweißzusatzstoffs ist eine vorherige Anordnung möglich, oder es kann ein Verfahren angewandt werden, bei dem die Zufuhr unmittelbar vor der Bestrahlung mit Laser erfolgt (vgl. 5). In beiden Fällen ist es bevorzugt, dass der Schweißzusatzstoff derart angeordnet wird, dass er sowohl mit dem Al-basierten Basismaterial als auch mit dem Cu-basierten Basismaterial Kontakt hat. Die Anordnungsmenge des Schweißzusatzstoffs kann entsprechend der Plattendicke der jeweiligen Basismaterialien und Nutform geeignet eingestellt werden. Wird ein stangenförmiger oder drahtförmiger Schweißzusatzstoff verwendet, ist die Einstellung durch eine Änderung der Drahtstärke möglich. Bei der Verwendung eines pulverförmiger Schweißzusatzstoffs genügt es, die Zufuhrmenge des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs zu der zu verbindenden Stelle geeignet einzustellen. Außerdem kann bei einem pulverförmigen Schweißzusatzstoff zur Erhöhung der Füllrate ferner ein Dispersionsmaterial verwendet werden, das Polyethylenglykol, Polyether usw. umfasst.
Andere (den Pulverkörper bildende) Bestandteile außer dem Schweißzusatzstoff Fe-Pulver
In einer anderen Ausführungsform ist es außerdem bevorzugt, dass der Pulverkörper, der mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts gescannt wird, ferner Fe(Eisen)-Pulver umfasst, dessen Flächenanteil auf der Oberfläche größer oder gleich 1 % und bevorzugt größer oder gleich 50 % einnimmt. Das Fe-Pulver kann als Laserlichtabsorptionshilfsstoff verwendet werden, da seine Reflexion von Laserlicht im Vergleich zu dem Al-basierten Basismaterial und dem Cu-basierten Basismaterial gering ist. Das heißt, durch das Anordnen von Fe(Eisen)-Pulver auf der Oberfläche des Pulverkörpers kann der Schweißzusatzstoff (der Pulverkörper) mit wenigerer Energie geschmolzen werden, wodurch die Steuerung der Energie zur Vermeidung eines erheblichen Schmelzens des Al-basierten Basismaterials und des Cu-basierten Basismaterials leichter wird. Der Flächenanteil, den das Fe-Pulver auf der Oberfläche des Pulverkörpers einnimmt, wurde deshalb als größer oder gleich 1 % gewählt, da bei weniger als 1 % eine Verbesserungswirkung der Lichtabsorptionsrate auf der mit dem Laserlicht bestrahlten Pulverkörperoberfläche ggf. nicht genügend erzielt wird.
Es ist als Anordnungsverfahren des Fe-Pulvers außerdem möglich, dass z. B. wie in 1 gezeigt, der pulverförmige Schweißzusatzstoff an eine zu verbindende Stelle W zugeführt und ein Pulverkörper 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs angeordnet wird, und anschließend das Fe-Pulver die Oberfläche dieses Pulverkörpers 5 bedeckend angeordnet wird (nicht dargestellt). In diesem Fall sollte die Dicke der die Oberfläche des Pulverkörpers 5 bedeckend angeordneten Fe-Pulverschicht bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm sein. Ist die Dicke der Fe-Pulverschicht dicker als 1 mm, befindet sich auf dem Pulverkörper Fe-Pulver, das die Energie des Lasers nicht effektiv erreicht, sodass zu befürchten ist, dass die Wärmeübertragung auf den Schweißzusatzstoff und das Al-basierte Basismaterial gehemmt wird.
Als anderes Anordnungsverfahren des Fe-Pulvers können auch der pulverförmige Schweißzusatzstoff und das Fe-Pulver gemischt werden und das Fe-Pulver derart angeordnet wird, dass auf der Oberfläche des Pulverkörpers ein Teil des gemischten Fe-Pulvers freiliegt. In diesem Fall sollte der Mischungsanteil, den das Fe-Pulver in dem pulverförmigen Schweißzusatzstoff (Pulverkörper) einnimmt, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 50 % der Volumenrate liegen. Beträgt der Mischungsanteil des Fe-Pulvers weniger als 1 %, kann nämlich der Flächenanteil, den das Fe-Pulver auf der Oberfläche des Pulverkörpers einnimmt, nicht größer oder gleich 1 % werden, sodass eine Verbesserungswirkung der Lichtabsorptionsrate auf der mit dem Laserlicht bestrahlten Pulverkörperoberfläche ggf. nicht genügend erzielt wird. Übersteigt andererseits der Mischungsanteil des Fe-Pulvers 50 %, kann nämlich der Schweißzusatzstoff nicht mehr ausreichend fließen, sodass eine Hemmung der Verbindbarkeit zu befürchten ist. Ferner beträgt die durchschnittliche Korngröße des Eisenpulvers wünschenswerterweise größer oder gleich 10 µm und kleiner oder gleich 1000 µm.
Flussmittel
In einer anderen Ausführungsform kann ferner ein Flussmittel zur Verbesserung der Verbindbarkeit verwendet werden. Ein Oxidationsfilm von Al ist fest, der selbst wenn er mittels eines Lasers aufgebrochen wird, schnell wieder oxidiert und ein Verbinden hemmt. Wird dann durch ein Flussmittel das Oxidationsfilmaufbrechen gefördert, verbessert sich die Verbindbarkeit. Als Flussmittel werden z. B. Fluoridgruppen oder Chloridgruppen, die gewöhnlich zum Schweißen von Al-basiertem Basismaterial verwendet werden, oder Gemische aus Fluoridgruppen und Chloridgruppen angeführt. Als Flussmittel der Fluoridgruppen werden KAlF₄, K₂AlF₅, K₂AlF₅·H₂O, K₃AlF₆, AlF₃, KZnF₃, K₂SiF₆, Cs₃AlF₆, CsAlF₄·2H₂O, Cs₂AlF_s·H₂O usw. angeführt, wobei diese als Gemische aus einer, zwei oder mehr als zwei Komponenten verwendet werden. Außerdem werden als Flussmittel der Chloridgruppen NaCl, KCl, LiCl, ZnCl₂ usw. angeführt, wobei diese als Gemische aus einer, zwei oder mehr als zwei Komponenten verwendet werden. Hiervon ist die Verwendung eines Cs und F umfassenden Flussmittels der Fluoridgruppen, das insbesondere einen niedrigen Schmelzpunkt und außerdem keine Korrosionsbeständigkeit aufweist, bevorzugter. Konkret werden Cs₃AlF₆, CsAlF₄·2H₂O, Cs₂AlF₅·H₂O usw. angeführt. Als aus Komponenten der Fluoridgruppen und der Chloridgruppen gemischte Flussmittel werden NaCl+KCl+Na₂SiF₆, NaCl+KCl+NaF usw. angeführt.
Ein Anordnungsverfahren des Flussmittels kann durch eines oder eine Kombination von zwei der Verfahren aus (I) es vor dem Anordnen des Schweißzusatzstoffs über einen Abschnitt aufzutragen, der die jeweilige zu verbindende Stelle des Al-basierten Basismaterials und des Cu-basierten Basismaterials umfasst, (II) es nach dem Anordnen des Schweißzusatzstoffs auf die Oberfläche des Schweißzusatzstoffs (Pulverkörpers) aufzutragen, (III) das Flussmittel mit dem pulverförmigen Schweißzusatzstoff zu mischen, durchgeführt werden. Bei dem obigen Punkt (III) sollte das Flussmittel in dem Pulvergemisch (Pulverkörper) bevorzugt in einem Volumenverhältnis von größer oder gleich 10 % vorliegen. Bei einem Volumenverhältnis des Flussmittels von weniger als 10 % ist zu befürchten, dass eine das Oxidationsfilmaufbrechen fördernde Wirkung nicht ausreichend erzielt wird. Übersteigt das von dem Flussmittel in der Pulvermischung eingenommene Volumenverhältnis 50 %, ist außerdem zu befürchten, dass durch einen Mangel an Schweißzusatzstoff die Verbindbarkeit erheblich abnimmt, sodass kleiner oder gleich 50 % bevorzugt ist. Bei einem Mischen des Flussmittels liegt das Volumenverhältnis des pulverförmiger Schweißzusatzstoffs wünschenswerterweise bei größer oder gleich 30 %. Liegt das Volumenverhältnis des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs bei weniger als 30 %, ist zu befürchten, dass durch einen Mangel an Schweißzusatzstoff die Verbindbarkeit erheblich abnimmt.
Laserschweißen
Schweißform
In der vorliegenden Ausführungsform werden, wie in 2 gezeigt, zwei Platten (untere Platte 2 und obere Platte 3) aus einem Al-basierten Basismaterial und einem Cu-basierten Basismaterial übereinander gelegt angeordnet, anschließend wird durch Zuführen eines Schweißzusatzstoffs auf die untere Platte 2 und außerdem die mit der oberen Platte 3 zu verbindende Stelle W (in 1 schraffiert dargestellt), wie in 2 dargestellt, ein Pulverkörper 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs angeordnet, auf die Oberfläche des Pulverkörpers 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs auf der unteren Platte 2 wird ein aus einem Laserkopf einer Laserschweißvorrichtung (5) emittiertes Laserlicht fokussiert und durch Scannen des bestrahlten Bestrahlungspunkts S wird die untere Platte 2 mit der oberen Platte 3 verbunden und die in 3 und 4 gezeigte Schweißverbindung 1 gebildet. In diesem Fall handelt es sich bevorzugt bei der unteren Platte 2 um das Al-basierte Basismaterial und bei der oberen Platte 3 um das Cu-basierte Basismaterial. Als Verbindungsform der Schweißverbindung 1 kann neben einer in 3 gezeigten Überlappstoßform auch eine andere Verbindungsstellenform angewandt werden, wie z. B. eine an der Nut des Al-basierten Basismaterials vorgesehene Stumpfstoßform oder Bördelstoßform. Das Laserschweißen wird wünschenswerterweise von einer Seite in einem Arbeitsschritt ausgeführt, wobei je nach Plattendicke der Schweißverbindung 1 als Verbindungskörper auch eine Mehrzahl von Schweißungen möglich ist. Bei einer Mehrzahl von Schweißungen kann nach dem Schweißen ein Arbeitsschritt umfasst sein, in dem erneut ein Schweißzusatzstoff angeordnet wird.
Laserbestrahlungsbedingungen
Als Bestrahlungsstelle des Lasers ist, wenn das Al-basierte Basismaterial als untere Platte 2 vorgesehen wird, eine Position auf der Oberfläche des Schweißzusatzstoffs (Pulverkörper 5) bevorzugt, der zu der Oberflächenseite des nicht den Überlappungsabschnitt bildenden Al-basierten Basismaterials etwas versetzt ist. Verglichen mit dem Al-basierten Basismaterial 2 ist nämlich das Cu-basierte Basismaterial der oberen Platte 3 besser mit dem Schweißzusatzstoff benetzbar, sodass wenn das Schweißen bei der Anordnung des Schweißzusatzstoffs auf dem Al-basierten Basismaterial 2 erfolgt, der geschmolzene Schweißzusatzstoff das Cu-basierte Basismaterial ausreichend benetzt, sodass das Al-basierte Basismaterial 2 und das Cu-basierte Basismaterial 3 gut verbunden werden können.
Die Erwärmung der vorliegenden Ausführungsform mittels der Laserbestrahlung wird bevorzugt derart gesteuert, dass der Schweißzusatzstoff in einem großen Bereich geschmolzen wird, wobei eine Wärmeleitung auf das Cu-basierte Basismaterial möglichst unterdrückt wird. Als Schweißbedingungen in dem Laserschweißen sind daher eine Leistungsdichte von kleiner oder gleich 50 kW/mm² und eine Schweißgeschwindigkeit von größer oder gleich 1 mm/s bevorzugt. Übersteigt die Leistungsdichte 50 kW/mm², wird die Wärmeübertragungsmenge auf das Cu-basierte Basismaterial durch die Wärmeleitung groß, sodass zu befürchten ist, dass die Menge der an der Schweißsektion entstehenden intermetallischen Verbindungen zunimmt und die Nahtfestigkeit abnimmt. Beträgt die Schweißgeschwindigkeit weniger als 1 mm/s, nimmt außerdem tendenziell die Mengenbildung intermetallischer Verbindungen aufgrund der abnehmenden Abkühlgeschwindigkeit der Schweißsektion zu. Da zudem beim Übersteigen einer Schweißgeschwindigkeit von 2000 mm/s das Schmelzen des Schweißzusatzstoffs unzureichend wird und eine angemessene Verbindungssektion ggf. nicht gebildet werden kann, ist eine obere Grenze der Schweißgeschwindigkeit von 2000 mm/s bevorzugt. Es kann auch ein Dauerstrich (CW)- oder ein Puls (PW)-Laser verwendet werden.
Außerdem ist ein Punktdurchmesser des Laserlichts zur Bestrahlung von größer oder gleich 0,1 mm bevorzugt. Bei einem Punktdurchmesser des Laserlichts von weniger als 0,1 mm wird das Schmelzen des Schweißzusatzstoffs unzureichend, sodass zu befürchten ist, dass kein einwandfreier Verbindungskörper erzielt wird.
Um eine Oxidation einer Schweißmetallsektion 4 zu verhindern, kann ferner beim Laserschweißen auch Schutzgas verwendet werden. Als Schutzgas wird ein inertes Gas, wie z. B. Argon, Stickstoff, Helium usw. verwendet, wobei eine Durchflussmenge zwischen 1 bis 60 L/min geeignet ausgewählt wird.
Die verwendete Wellenlänge des Lasers unterliegt keiner besonderen Beschränkung, wobei eine Festlegung auf 700 bis 2000 nm bevorzugt ist. Bei dieser Wellenlänge hat Al im Vergleich zu Cu eine geringere Reflexion, sodass nämlich die Lichtabsorptionsrate eines Schweißzusatzstoffs aus einer Al-basierten Legierung steigt.
Laserschweißvorrichtung
Als Nächstes wird im Folgenden die Laserschweißvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
5 ist eine schematische Ansicht der Laserschweißvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, die die Anordnungsbeziehung zwischen der oberen Platte, der unteren Platte sowie der Laseremissionseinheit und der Schweißzusatzstoffzufuhreinheit, die die Laserschweißvorrichtung bilden, darstellt.
Eine Laserschweißvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform wird zum Verbinden unterschiedlicher Metalle eines Al-basierten Basismaterials 2 aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials 3 aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu verwendet, und umfasst eine Laseremissionseinheit 20 und eine Schweißzusatzstoffzufuhreinheit 30.
Die Laseremissionseinheit 20 umfasst einen Laseroszillator 22 zum Oszillieren des Lasers und einen Laserkopf 24 zum Bestrahlung mit dem oszillierten und fokussierten Laserlicht, und ist derart aufgebaut, dass während einer von dem Laserkopf 24 und einem Tisch (nicht dargestellt), der die zu schweißende obere Platte 3 und die untere Platte 2 fixiert, zum anderen relativ in die Schweißrichtung x bewegt wird, mit dem Bestrahlungspunkt S des Laserlichts zur Bestrahlung von dem Laserkopf 24 die Oberfläche des Pulverkörpers 5, in 5 die Oberfläche des auf dem Pulverkörper 5 ferner angeordneten Fe-Pulvers 6, gescannt werden kann.
Die Schweißzusatzstoffzufuhreinheit 30 umfasst eine Schweißzusatzstoffzufuhrsektion 32 und eine Fe-Pulverzufuhrsektion 34, sowie einen Schweißzusatzstoffzufuhrkopf 36 und einen Fe-Pulverzufuhrkopf 38.
Die Schweißzusatzstoffzufuhrsektion 32 nimmt den pulverförmigen Schweißzusatzstoff aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, auf und führt außerdem den aufgenommenen pulverförmigen Schweißzusatzstoff zu. Außerdem ist die Schweißzusatzstoffzufuhrsektion 32 derart aufgebaut, dass sie durch das Zuführen des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs an die zu verbindende Stelle W den Pulverkörper 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs anordnen kann.
Die Fe-Pulverzufuhrsektion 34 nimmt das Fe-Pulver auf und führt außerdem das aufgenommene Fe-Pulver zu. Die Fe-Pulverzufuhrsektion 34 ist derart aufgebaut, dass sie das Fe-Pulver 6 auf die Oberfläche des an der zu verbindenden Stelle W angeordneten Pulverkörpers 5 zuführen und dort anordnen kann.
Der Schweißzusatzstoffzufuhrkopf 36 ist derart aufgebaut, dass er den in der Schweißzusatzstoffzufuhrsektion 32 aufgenommenen pulverförmigen Schweißzusatzstoff an die zu verbindende Stelle W jeweils in einer vorgegebenen Menge zuführen kann.
Der Fe-Pulverzufuhrkopf 38 ist derart aufgebaut, dass er das in der Fe-Pulverzufuhrsektion 34 aufgenommene Fe-Pulver auf den an der zu verbindenden Stelle W aufgesetzten Pulverkörper 5 jeweils in einer vorgegebenen Menge zuführen kann.
Außerdem sind der Schweißzusatzstoffzufuhrkopf 36 und der Fe-Pulverzufuhrkopf 38 derart aufgebaut, dass die Zuführung an der zu verbindenden Stelle W erfolgt, indem sie synchron mit dem Laserkopf 24 in die Schweißrichtung x vorlaufen. In diesem Fall genügt es, dass der Schweißzusatzstoffzufuhrkopf 36 und der Fe-Pulverzufuhrkopf 38 ebenso wie beim Laserkopf 24 derart aufgebaut sind, dass sie zu dem Tisch (nicht dargestellt), der die zu schweißende obere Platte 3 und die untere Platte 2 fixiert, relativ bewegbar sind, wobei z. B. sowohl der Schweißzusatzstoffzufuhrkopf 36 und der Fe-Pulverzufuhrkopf 38 als auch der Tisch, auf dem die zu schweißende obere Platte 3 und die untere Platte 2 fixiert sind, bewegt werden können.
Die vorstehenden Ausführungen stellen lediglich Beispiele der Ausführungsform dar, wobei im Bereich der Ansprüche verschiedene Abwandlungen zugesetzt werden können.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden erfolgt eine noch genauere Erläuterung basierend auf Ausführungsbeispielen, wobei die vorliegende Ausführungsform jedoch nicht hierauf beschränkt ist.
Erfindungsgemäße Beispiele 1 bis 15 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Verwendet wurden zwei Platten eines Al-basierten Basismaterials aus A1050 und eines Cu-basierten Basismaterials aus C1100 mit einer Größe von 100 mm Länge, 50 mm Breite und 1 mm Dicke. Nachdem das Al-basierte Basismaterial und das Cu-basierte Basismaterial derart übereinandergelegt worden waren, dass sich wie in 3 dargestellt, eine Überlappstoßform ergab, wurden sie mittels Laserschweißens unter Verwendung eines Schweißzusatzstoffs verbunden. Die Bezugsziffer 2 in den Figuren bezeichnet im Folgenden die untere Platte und 3 die obere Platte.
Als Schweißzusatzstoffe wurden ein zweiartiger stangenförmiger Schweißzusatzstoff aus A4047BY bzw. einer Al-Cu-Si-Zn-Legierung mit einem Durchmesser von 1,2 mm und ein dreiartiger pulverförmiger Schweißzusatzstoff aus einer Al-Si-Legierung, einer Al-Cu-Si-Legierung bzw. einer Al-Cu-Si-Zn-Legierung vorbereitet. Dabei wurde der pulverförmige Schweißzusatzstoff dadurch hergestellt, dass ein Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 5 µm und ein Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 µm in einem Masseverhältnis von 1:100 gemischt wurden. Ferner wurde ein pulverförmiger Schweißzusatzstoff vorbereitet, der ferner als Flussmittel das Flussmittel der Fluoridgruppe Cs₃AlF₆ in einem Volumenverhältnis von 20 % umfasst. Der Schweißzusatzstoff wurde an einer Position auf der unteren Platte 2 in Kontakt mit der Endfläche der oberen Platte 3 angeordnet. Bei der Verwendung eines pulverförmigen Schweißzusatzstoffs wurde an der mit der Endfläche der oberen Platte 3 in Kontakt stehenden Position ein Pulverkörper 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs über die gesamte Breite der unteren Platte 2 derart angeordnet, dass sich eine Schweißlänge von 50 mm mit einer Dicke von 1,5 mm und einer Breite von 1,5 mm ergibt. Die Zusammensetzungsbestandteile von A4047BY und der Al-Cu-Si-Zn-Legierung als stangenförmiger Schweißzusatzstoff und die Zusammensetzungsbestandteile der Al-Si-Legierung, der Al-Cu-Si-Legierung und der Al-Cu-Si-Zn-Legierung als pulverförmiger Schweißzusatzstoff, die in den erfindungsgemäßen Beispielen verwendet wurden, sind wie folgt:
Stangenförmiger Schweißzusatzstoff
[A4047BY]
Si: 12 M.-%, Fe: 0,3 M.-%, Rest Al
[Al-Cu-Si-Zn-Legierung]
Cu: 20 M.-%, Si: 5 M.-%, Zn: 5 M.-%, Rest Al
Pulverförmiger Schweißzusatzstoff
[Al-Si-Legierung]
Si: 12 M.-%, Rest Al
[Al-Cu-Si-Legierung]
Cu: 20 M.-%, Si: 5 M.-%, Rest Al
[Al-Cu-Si-Zn-Legierung]
Cu: 20 M.-%, Si: 5 M.-%, Zn: 5 M.-%, Rest Al
Das Laserschweißen erfolgte unter Verwendung eines YLS-2000 hergestellt von IPG ein Schweißen mittels eines CW-Lasers. Die Wellenlänge des Lasers beträgt 1070 nm. Der Punktdurchmesser wurde auf 0,2 mm vorgegeben, und für die Leistung wurden die beiden Bedingungen 2 kW und 1 kW vorgegeben. Die Leistungsdichte bei einer Leistung von 2 kW beträgt ca. 70 kW/mm² und die Leistungsdichte bei einer Leistung von 1 kW beträgt ca. 35 kW/mm². Als Schweißgeschwindigkeit wurden die drei Bedingungen 0,5 mm/s, 1 mm/s und 5 mm/s vorgegeben. Als Schutzgas wurde Stickstoff verwendet, dessen Durchflussmenge auf 20 L/min vorgegeben wurde. Die Bestrahlungsstelle mit dem Laser wurde von der Endseite der oberen Platte 3 um 0,2 mm weiter zur Oberflächenseite ohne Überlappung mit der unteren Platte 2 versetzt, parallel zur Endfläche der oberen Platte 3 gescannt und das Al-basierte Basismaterial und das Cu-basierte Basismaterial verbunden und eine Schweißverbindung (Verbindungskörper) hergestellt. Beim Schweißen ohne Verwendung eines Schweißzusatzstoffs wurde die Endflächenposition der oberen Platte 3 bestrahlt. Außerdem wurde bei einem Teil der Ausführungsbeispiele vor dem Bestrahlen mit Laserlicht auf die Oberfläche des Pulverkörpers 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs ferner Eisenpulver 6 einer durchschnittlichen Korngröße von 100 µm als Absorptionshilfsstoff zugesetzt. Das Eisenpulver 6 wurde in dem Laserbestrahlungsbereich auf dem Pulverkörper 5 des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs über die gesamte Breite der unteren Platte in einer Schweißlänge von 50 mm mit einer Breite von 0,15 mm und einer Dicke von 0,3 mm zugesetzt. Während der Bestrahlungsbereich mit dem Laserlicht einen Punktdurchmesser von 0,2 mm × eine Schweißlänge von 50 mm = 10 mm² hat, hat die Zusatzfläche des Eisenpulvers eine Breite von 0,15 mm × eine Schweißlänge von 50 mm = 7,5 mm², sodass die von dem Eisenpulver eingenommene Flächenrate der Oberfläche des Pulverkörpers 5 75 % betrug.
Die Kombinationen der Anordnungsbeziehung des Al-basierten Basismaterials und des Cu-basierten Basismaterials, die Zusammensetzung und Form des Schweißzusatzstoffs, das Vorliegen/Nichtvorliegen des Gehalts und das Volumenverhältnis von Flussmittel in dem Pulverkörper, das Vorliegen/Nichtvorliegen des Vorhandenseins eines Absorptionshilfsstoffs (Fe-Pulver) auf der Oberfläche des Pulverkörpers und der Flächenanteil, den der Absorptionshilfsstoff (Fe-Pulver) auf der Pulverkörperoberfläche einnimmt, sowie die Laserbestrahlungsbedingungen (Leistungsdichte und Schweißgeschwindigkeit) beim Laserschweißen sind in Tabelle 1 dargestellt.
Leistungsbewertung
Die hergestellten jeweiligen Schweißverbindungen wurden bezüglich der Einbrandform der Schweißmetallsektion und der Zugscherfestigkeit (Bruchlast) bewertet.
Bewertung der Einbrandform der Schweißsektion
Bezüglich der hergestellten jeweiligen Schweißverbindungen wurde die Einbrandform der Schweißmetallsektion 4 einer vertikal wie in 3 dargestellt zur Schweißrichtung x geschnittenen Schnittfläche (4) der Schweißmetallsektion 4 betrachtet und eine Schenkellänge L1 der Seite der unteren Platte 2 sowie eine Schenkellänge L2 der Seite der oberen Platte 3 der Schweißmetallsektion 4 gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. In Tabelle 2 wurde bei der Schenkellänge L1 der Seite der unteren Platte 2 von größer oder gleich 1,0 mm mit „O“, bei größer oder gleich 0,7 mm und kleiner als 1,0 mm mit „Δ“ und bei kleiner als 0,7 mm mit „x“ bewertet, und außerdem wurde bei der Schenkellänge L2 der Seite der oberen Platte 3 von größer oder gleich 0,9 mm und kleiner oder gleich 1,0 mm mit „O“, bei größer oder gleich 0,7 mm und kleiner als 0,9 mm mit „Δ“ und bei kleiner als 0,7 mm mit „x“ bewertet.
Messverfahren der Zugscherfestigkeit (Bruchlast)
Außerdem wurden bezüglich der hergestellten jeweiligen Schweißverbindungen streifenförmige Proben einer Breite von 10 mm derart hergestellt, dass die Schweißsektion in der Mitte liegt, ein Zugscherprüfung wurde durchgeführt und die Bruchlast wurde gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Dabei wurde die in Tabelle 2 dargestellte Bruchlast bei größer oder gleich 1 kN mit „O“, bei größer oder gleich 0,6 kN und kleiner als 1,0 kN mit „Δ“ und bei kleiner als 0,6 kN mit „x“ bewertet.
Gesamtbewertung
Anhand des Bewertungsergebnisses von Punkt (i) und Punkt (ii) erfolgte eine Gesamtbewertung basierend auf dem folgenden Gesamtbewertungskriterium. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Kriterium der Gesamtbewertung

⊙: Bei einer Bewertung der beiden Schenkellänge der unteren Platte und der oberen Platte in Punkt (i) mit jeweils „O“ und außerdem auch bei einer Bewertung der Bruchlast in Punkt (ii) mit „O“.
O: Bei einer Bewertung von zwei von der Schenkellänge der unteren Platte und der oberen Platte in Punkt (i) sowie der Bruchlast in Punkt (ii) mit „O“ und bei einer restlichen Bewertung mit „△“.
△: Bei einer Bewertung von mindestens zwei von der Schenkellänge der unteren Platte und der oberen Platte in Punkt (i) sowie der Bruchlast in Punkt (ii) mit „△“ und außerdem bei keiner Bewertung mit „×“.
×: Bei einer Bewertung einer von der Schenkellänge der unteren Platte und der oberen Platte in Punkt (i) sowie der Bruchlast in Punkt (ii) mit „x“.

Tabelle 1

	obere Platte	untere Platte	Schweißzusatzstoff		Flussmittel		Absorptionshilfsstoff (Fe-Pulver)		Laserbestrahlungsbedingungen
	obere Platte	untere Platte	Art	Form	Vorliegen/ Nichtvorliegen des Gehalts	Volumenverhältnis (%)	Vorliegen/ Nichtvorliegen des Vorhandenseins	Flächenanteil (%)	Leistungsdichte (kW/mm2)	Schweiß -geschwindigkeit (mm/s)
erfindungsgemäßes Beispiel 1	C1100	A1050	Al-Si	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	35	1
erfindungsgemäßes Beispiel 2	C1100	A1050	Al-Cu-Si	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	35	5
erfindungsgemäßes Beispiel 3	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	35	1
erfindungsgemäßes Beispiel 4	C1100	A1050	Al-Cu-Si	Pulver	Vorliegen	20	Nichtvorliegen		35	5
erfindungsgemäßes Beispiel 5	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Pulver	Nichtvorliegen		Vorliegen	75	35	1
erfindungsgemäßes Beispiel 6	C1100	A1050	Al-Cu-Si	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	70	5
erfindungsgemäßes Beispiel 7	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	35	0,5
erfindungsgemäßes Beispiel 8	A1050	C1100	Al-Cu-Si	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	35	1
erfindungsgemäßes Beispiel 9	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Pulver	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		35	5
erfindungsgemäßes Beispiel 10	C1100	A1050	Al-Cu-Si	Pulver	Vorliegen	20	Vorliegen	75	70	0,5
erfindungsgemäßes Beispiel 11	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Pulver	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		70	0,5
erfindungsgemäßes Beispiel 12	C1100	A1050	A4047BY	Stange	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		35	1
erfindungsgemäßes Beispiel 13	C1100	A1050	A4047BY	Stange	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		70	0,5
erfindungsgemäßes Beispiel 14	C1100	A1050	Al-Cu-Si-Zn	Stange	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		70	0,5
erfindungsgemäßes Beispiel 15	A1050	C1100	Al-Cu-Si	Pulver	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		35	5
Vergleichsbeispiel 1	C1100	A1050	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		35	1
Vergleichsbeispiel 2	C1100	A1050	Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		Nichtvorliegen		70	0,5

Tabelle 2

	obere Plalte		untere Platte		Zugscherprüfung		Gesamtbewertung
	Schenkellänge L2 (mm)	Bewertung	Schenkellänge L1 (mm)	Bewertung	Bruchlast (kN)	Bewertung	Gesamtbewertung
erfindungsgemäßes Beispiel 1	1,0	O	1,5	O	1,4	O	⊙
erfindungsgemäßes Beispiel 2	1,0	O	1,6	O	1,8	O	⊙
erfindungsgemäßes Beispiel 3	1,0	O	1,7	O	1,8	O	⊙
erfindungsgemäßes Beispiel 4	1,0	O	0,9	△	1,1	O	O
erfindungsgemäßes Beispiel 5	1,0	O	0,9	△	1,2	O	O
erfindungsgemäßes Beispiel 6	1,0	O	1,5	O	0,8	△	O
erfindungsgemäßes Beispiel 7	1,0	O	1,9	O	0,9	△	O
erfindungsgemäßes Beispiel 8	0,8	△	1,1	O	1,1	O	O
erfindungsgemäßes Beispiel 9	0,9	O	0,8	△	1.0	O	O
erfindungsgemäßes Beispiel 10	1,0	O	2,2	O	0,8	△	O
erfindungsgemäßes Beispiel 11	0,9	O	0,8	△	0,6	△	△
erfindungsgemäßes Beispiel 12	0,9	O	0,8	△	0,8	△	△
erfindungsgemäßes Beispiel 13	1,0	O	1,1	O	0,6	△	O
erfindungsgemäßes Beispiel 14	1,0	O	1,2	O	0,8	△	O
erfindungsgemäßes Beispiel 15	0,7	△	0,8	△	0,9	△	△
Vergleichsbeispiel 1	1,0	O	0,8	△	0,5	×	×
Vergleichsbeispiel 2	1,0	O	1,2	O	0,4	×	×

Anhand des in Tabelle 2 dargestellten Bewertungsergebnisses liegt bei der Fügeverbindung der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 15, die mittels des Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegenden Ausführungsform (Laserschweißen) hergestellt wurden, die Schenkellänge der unteren Platte bei größer oder gleich 0,8 mm, die Schenkellänge der oberen Platte bei größer oder gleich 0,7 mm und die Schweißsektion hat eine gute Einbrandform, und außerdem liegt die Bruchlast in der Zugscherprüfung bei größer oder gleich 0,6 kN, sodass eine hohe Nahtfestigkeit vorlag. Andererseits wiesen bei den ohne Verwendung eines Schweißzusatzstoffs mittels Laserschweißens hergestellten Vergleichsbeispielen 1 und 2 die Schweißsektionen zwar eine gute Einbrandform auf, bei der Zugscherprüfung ergab sich jedoch eine Bruchlast von kleiner oder gleich 0,5 kN, sodass ein Defizit bei der Nahtfestigkeit vorlag.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können ein Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle und eine Laserschweißvorrichtung bereitgestellt werden, wobei keine präzise Steuerung der Laserbestrahlungsstelle erforderlich ist, und außerdem eine Schweißverbindung eines Al-basierten Basismaterials und eines Cu-basierten Basismaterials mit einer hohen Nahtfestigkeit hergestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Schweißverbindung
2: untere Platte
3: obere Platte
4: Schweißmetallsektion
5: Pulverkörper (oder Schweißzusatzstoff)
6: Fe-Pulver
10: Laserschweißvorrichtung
20: Laseremissionseinheit
22: Laseroszillator
24: Laserkopf
30: Schweißzusatzstoffzufuhreinheit
32: Schweißzusatzstoffzufuhrsektion
34: Fe-Pulverzufuhrsektion
36: Schweißzusatzstoffzufuhrkopf
38: Fe-Pulverzufuhrkopf
x: Schweißrichtung

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

JP 2005254282 [0007]
JP 2011005499 [0007]

Claims

Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu, dadurch gekennzeichnet, dass das Al-basierte Basismaterial und das Cu-basierte Basismaterial durch Laserschweißen verbunden werden, bei dem mittels eines Schweißzusatzstoffs aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, ein durch eine Bestrahlung mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt geschmolzen und verfestigt wird.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Anspruch 1, wobei der Schweißzusatzstoff eine Al-Si-basierte Legierung, eine Al-Cu-Si-basierte Legierung oder eine Al-Cu-Si-Zn-basierte Legierung ist.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schweißzusatzstoff ein pulverförmiger Schweißzusatzstoff ist.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Anspruch 3, wobei der Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs auf dem Al-basierten Basismaterial und außerdem in Kontakt mit dem Cu-basierten Basismaterial angeordnet wird, und mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts die Oberfläche des Pulverkörpers gescannt wird.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach Anspruch 4, wobei der Pulverkörper, der mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts gescannt wird, ferner Fe-Pulver umfasst, das einen Flächenanteil von größer oder gleich 1 % auf der Oberfläche einnimmt.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs ferner ein Flussmittel in einem Volumenverhältnis von größer oder gleich 10 % umfasst.
Verbindungsverfahren für unterschiedliche Metalle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei den Schweißbedingungen in dem Laserschweißen eine Leistungsdichte kleiner oder gleich 50 kW/mm² und eine Schweißgeschwindigkeit größer oder gleich 1 mm/s ist.
Laserschweißvorrichtung, die zum Verbinden unterschiedlicher Metalle eines Al-basierten Basismaterials aus einer Al-Legierung oder reinem Al und eines Cu-basierten Basismaterials aus einer Cu-Legierung oder reinem Cu verwendet wird, umfassend eine Laseremissionseinheit und eine Schweißzusatzstoffzufuhreinheit, wobei die Schweißzusatzstoffzufuhreinheit eine Schweißzusatzstoffzufuhrsektion, die den pulverförmigen Schweißzusatzstoff aus einer AI-Legierung, die zumindest eines von Si und Cu umfasst, aufnimmt und außerdem den aufgenommenen pulverförmigen Schweißzusatzstoff zuführt, und eine Fe-Pulverzufuhrsektion aufweist, die Fe-Pulver aufnimmt und außerdem das aufgenommene Fe-Pulver zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißzusatzstoffzufuhrsektion derart aufgebaut ist, dass sie den pulverförmigen Schweißzusatzstoff an eine zu verbindende Stelle zuführen und den Pulverkörper des pulverförmigen Schweißzusatzstoffs dort anordnen kann, die Fe-Pulverzufuhrsektion derart aufgebaut ist, dass sie das Fe-Pulver auf die Oberfläche des an der zu verbindenden Stelle angeordneten Pulverkörpers zuführen und dort anordnen kann, und die Laseremissionseinheit derart aufgebaut ist, dass mit dem Bestrahlungspunkt des Laserlichts die Oberfläche des Pulverkörpers, auf dem das Fe-Pulver angeordnet wurde, gescannt werden kann.