EP3423230A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden eines aluminiumgussbauteils mit einem fügepartner und bauteil - Google Patents

Verfahren zum stoffschlüssigen verbinden eines aluminiumgussbauteils mit einem fügepartner und bauteil

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EP3423230A1
EP3423230A1 EP17709372.1A EP17709372A EP3423230A1 EP 3423230 A1 EP3423230 A1 EP 3423230A1 EP 17709372 A EP17709372 A EP 17709372A EP 3423230 A1 EP3423230 A1 EP 3423230A1
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EP
European Patent Office
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component
aluminum
joining partner
joining
cast
Prior art date
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Pending
Application number
EP17709372.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Anasenzl
Jean-Marc Segaud
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • C09J2400/166—Metal in the pretreated surface to be joined

Definitions

  • the present invention relates to a method for materially joining an aluminum casting component with a joining partner as well as the use of a pulsed laser system. Moreover, the present invention also relates to a component which comprises an aluminum casting component and a joining partner, which are connected to one another in a material-locking manner.
  • the surface treatment includes chemical pickling, passivation of the surfaces, and the provision of cathodic dip painting.
  • the processes used are predominantly of a chemical nature and thus burden both the environment and the health of the persons involved in the process.
  • these surface treatment processes are logistical and process-technically complex and entail high operating and maintenance costs.
  • the object is achieved by a method for cohesive bonding of a cast aluminum component with a joining partner, in which a pulsed laser system is used.
  • the method according to the invention comprises a step of laser-treating a region of the cast aluminum component to be joined with the joining partner, wherein a pulse duration of the pulsed laser system is 100 to 200 ns and a pulse frequency of 10 to 80 kHz.
  • the method may also provide several laser treatment steps, provided that at least one of these steps, in particular the last laser treatment step, is performed by means of a pulsed laser system with a pulse duration of 100 to 200 ns and a pulse frequency of 10 to 80 kHz.
  • the joining partner is not limited in detail and may consist of any materials, in particular of metallic materials, such as. Steel or aluminum or a metallic alloy. Alternatively, plastics or fiber composites may be used as the material for the joining partner.
  • Adhesive strength of the joint area leads to the material bond. Further, treatment with the pulsed laser system allows for conversion of the edge regions of the aluminum casting substrate, thereby providing the
  • the laser system used can, for example, a
  • Radiation source a cooling device for the radiation source, a guide fiber from the radiation source to a scanner and just a scanner (for
  • Device for example, on a robot, can be arranged.
  • the integral connection of the aluminum casting component with the joining partner is carried out after the laser treatment without further treatment of the region of the aluminum casting component to be joined with the joining partner. This allows the process times and the logistic
  • the pulse frequency is 10 to 40 kHz and in particular 10 to 30 kHz.
  • Pulse duration is 120 to 160 ns and in particular about 150 ns.
  • a wavelength of the laser system of 800 to 1200 nm has been found to be particularly advantageous since the pulse waves are so well absorbed and implemented by the aluminum material.
  • the wavelength is 1064 nm.
  • a beam diameter of 500 to 1000 ⁇ has proven to be advantageous.
  • an average laser power of the pulsed system is adjusted so that it is 700 to 1000 W. This allows the
  • Aluminum casting components are particularly efficiently avoided.
  • the cohesive bonding of the aluminum casting component to the joining partner subsequent to the treatment with the pulsed laser system is not limited in detail.
  • inventive method when combined with an adhesive process highlighted.
  • the adhesives commonly used adhere particularly well to the laser-treated, modified surface topology of the region of the cast aluminum component to be joined.
  • the aluminum material used according to the method according to the invention is not limited in detail, as long as aluminum makes up the majority in mass%, based on the total weight of the cast aluminum component.
  • Joining partner to be joined aluminum casting component at least 70% by weight, based on the total weight of the cast aluminum component.
  • the present invention also relates to a component.
  • the component comprises an aluminum casting component and a joining partner and is produced by the method described above. By modifying the surface morphology and surface topology of the aluminum cast component by means of the specific laser treatment, the joining area was optimized and the cohesive bond to the intended join partner was improved.
  • Figure 1 is a schematic representation for illustrating the
  • Figure 1 illustrates the laser treatment of a
  • Aluminum casting component 2 by means of a pulsed laser system. 1
  • Laser treatment is provided according to the invention in order to pretreat the surface topology and surface tension of the cast aluminum component 2 in such a way that the adhesion to a joining partner during the subsequent step of integrally bonding the laser treatment to the laser treatment
  • Aluminum casting 2 is increased with the joining partner and thus the adhesion between the cohesively joined workpieces is high. This favors a high durability of the joint connection.
  • the aluminum material for the aluminum casting component 2 is preferably an aluminum alloy having an aluminum content of at least 70
  • the laser system 1 transmits pulsed waves (indicated in FIG. 1 by hv) to a region 3 of the aluminum casting component 2 to be connected to the joining partner with a pulse duration of 100 to 200 ns and a pulse frequency of 10 to 80 kHz off. This causes several times a very high and extremely short-acting amount of energy on intended areas of the
  • Aluminiumgussbauteils 2 which change the surface properties of the treated portion of the cast aluminum component 2 and for a
  • the pulsed laser light with its high energy density can be focused in a targeted manner and applied to specific regions, from which point geometries 4 with point-to-point overlap and, depending on the intended configuration of the joining region
  • a NdYAG laser can be used, which has a wavelength of 1064 nm and a beam diameter of 500 to 1000 ⁇ , in particular of 700 ⁇ .
  • a laser system for example, a system with the following
  • Cooling device for the radiation source KKT vBoxX;

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Abstract

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

Description

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

Claims

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