WO2005082569A1 - Verfahren zum schweissen artungleicher metallischer fügepartner, insbesondere von aluminium-kupfer-verbindungsstellen - Google Patents

Verfahren zum schweissen artungleicher metallischer fügepartner, insbesondere von aluminium-kupfer-verbindungsstellen Download PDF

Info

Publication number
WO2005082569A1
WO2005082569A1 PCT/EP2005/001875 EP2005001875W WO2005082569A1 WO 2005082569 A1 WO2005082569 A1 WO 2005082569A1 EP 2005001875 W EP2005001875 W EP 2005001875W WO 2005082569 A1 WO2005082569 A1 WO 2005082569A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
joining
joining partners
laser beam
welding
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/001875
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ihor Mys
Michael Schmidt
Gerd Esser
Manfred Geiger
Original Assignee
BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH filed Critical BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
Publication of WO2005082569A1 publication Critical patent/WO2005082569A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/22—Spot welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/323—Bonding taking account of the properties of the material involved involving parts made of dissimilar metallic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials

Definitions

  • the invention relates to a method for welding dissimilar metallic joining partners and in particular aluminum-copper connection points.
  • Another problem is that the materials copper and aluminum show great differences in the melting temperature and thermal expansion, which on the one hand lead to segregation of high and low melting phases during fusion welding and on the other hand can cause the build-up of residual stresses in the joining zone.
  • both materials show complete solubility in one another in liquid state and limited solubility in solid state.
  • a copper content of less than 1 mass% or an aluminum concentration of less than 8 mass%, slow cooling leads to mixed crystal formation, while in the intermediate concentration range the structure contains parts of intermetallic compounds in the equilibrium case.
  • the microhardness of such intermetallic phases that can occur in the Cu-Al system is significantly greater than that of pure aluminum or copper. Higher hardnesses of intermetallic compounds cause a reduction in ductility and lead to a notch and crack sensitivity of the connections. Because of their non-purely metallic nature, intermetallic phases also show a fundamentally higher specific resistance than the base materials.
  • connection points between different metallic base materials depend very much on the distribution of the intermetallic phases formed during welding.
  • these so-called “intermetallics” impair the deformability of the connection and the electrical resistance more than in the form of small, separate deposits.
  • the generally good basic properties of the individual materials are often significantly deteriorated by the intermetallics.
  • the invention has for its object to provide a method for welding dissimilar metallic joining partners and in particular aluminum-copper connection points, which achieves improved mechanical and electrical properties of the transition.
  • this object is achieved in that a layer of a welding filler consisting of a third metallic material is layered between the two joining partners from different metallic materials.
  • the two joining partners are then welded to one another using the welding filler material with the aid of an energy beam, preferably a laser beam.
  • the invention is based on the knowledge that when welding dissimilar metals, intermetallic phases can be reduced by using additional materials that are used with both base materials. Substances have a certain solubility.
  • the filler material acts as an enriched melt between the two joining partners, so that the "incompatible" components are no longer in pure contact with each other.
  • Nickel, silver and tin and their lightly doped alloys are preferred as an additional material in the copper-aluminum system.
  • zinc is also conceivable, but due to its high vapor pressure, it will hardly be usable in fusion welding.
  • the filler material layer can be formed by a separate film layer with a thickness order of magnitude in the micrometer range from a few ⁇ m to, for example, about 100 ⁇ m, which is inserted between the two joining partners before welding.
  • the provision of the filler material layer by a coating on at least one of the two joining partners is particularly elegant in terms of process technology, since this eliminates the need to position and fix the intermediate film.
  • this filler material is essentially built into the alloy formed by welding from the two welding base materials, ie primarily a copper-aluminum alloy, as doping. Consequently, there is at least a ternary alloy in the melting range, which is in contrast to the prior art. There are flat additional materials in the joining area of such a thickness that only binary alloys are formed between the filler material as the central layer and the adjacent joining partners.
  • the second application strategy is particularly suitable for connections between a flat and a wire-shaped joining partner, such as are produced, for example, in electronics when contacting copper wires on solid aluminum bodies.
  • the laser beam is applied to the elongated joining partner from the direction facing away from the filler material layer and the flat joining partner.
  • a special feature of the method according to the invention is that which is also provided according to a preferred embodiment compared to the Application of the laser beam offset between the joining partners. Its focus is thus shifted towards one of the two joining partners, which means that the strength of the welded joint can be increased even without the interposition of a filler material layer compared to an undisplaced laser application. Offset paths in the order of magnitude of the thickness of the additional material layer or alternatively approximately half the diameter of the laser beam, in particular in the case of thin additional material layers, are to be assumed as preferred values.
  • 1 and 2 is a side view and plan view of a welding assembly
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of detail III from FIG. 1,
  • Fig. 5 is a graph showing the tensile strength of welds between two joining partners Integration of silver foil as an additional material of different thickness
  • Fig. 6 is a graph showing the tensile strength of welded connections between two joining partners with the incorporation of different galvanic coatings as filler layers, and
  • FIG 7 and 8 are schematic perspective representations of joining partners with filler material layers with an alternative laser beam application.
  • two strip-shaped joining partners namely an aluminum strip 1 and a copper strip 2 are laid one on top of the other in an overlap area 3.
  • a film layer 4 made of a filler metal is positioned in this overlap area 3.
  • the aluminum layer 1, copper strip 2 and foil layer 4 with their longitudinal edge edges 5 are exposed.
  • the length of the two strips 1, 2 is approximately 50 mm, their thickness 1.2 mm.
  • Test strips made of nickel or silver foil with a thickness of 0.1 mm are used for the foil layer 5. These foils consisted of technical silver or nickel with a purity of 99.9 percent.
  • welding points 6 are set at a distance of approximately 5 mm with the aid of a Nd.YAG laser (not shown) by applying a single pulse.
  • the focus diameter of the Laser beam 7 is 400 ⁇ m, the pulse duration is 10 ms and the laser power is 5.2 kW.
  • the maximum tensile force is significantly increased by using foils as an intermediate layer - when using silver foils - between 40% and 70%.
  • the contact resistance drops by a corresponding amount.
  • the offset in the direction of the aluminum is also advantageous in that the copper surface shows little coupling for the laser beam 7 due to its high reflectivity. Appropriate welding results would therefore only be achieved by increasing the laser power.
  • FIG. 6 shows a diagram with which the strengths of copper-aluminum weldings are shown using different galvanic coatings as an additional material. All spot welds on the edge were carried out with a beam offset of 0.2 mm in the direction of the aluminum strip 1.
  • the galvanic coatings were nickel, silver and tin layers with a thickness of 3 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • a foil layer 4 made of silver in the form of a short, strip-shaped piece of foil is placed on an aluminum base 8 and a copper wire 9 with its end 10 is positioned thereon.
  • the two joining partners 8, 9 are welded by applying a laser beam 7 from the side of the copper wire 9 facing away from the aluminum base 8 and the foil layer 4, so that the silver foil layer 4 and the aluminum base 8 are heated and melted melted in the joining area and connected to each other.
  • the welding filler material is applied to the aluminum base 8 in the form of a strip-shaped silver coating 11. Due to the longitudinal expansion of the silver coating 11 compared to the silver strip 4 in FIG. 5, the copper wire 9 can be spot welded over a greater length at its end to the aluminum base 8 with the aid of several welding spots (not shown).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner weist folgende Verfahrensschritte auf: Bereitstellen des einen Fügepartners (1, 8) aus einem ersten metallischen Werkstoff, Bereitstellen des anderen Fügepartners (2, 9) aus einem zweiten metallischen Werkstoff, Schichten einer Lage eines Schweißzusatzwerkstoffes (4, 11) aus einem dritten metallischen Werkstoff zwischen die beiden Fügepartner (1, 8; 2, 9), und Verschweißen der beiden Fügepartner (1, 8; 2, 9) unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes (4, 11) mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise Laserstrahls (7).

Description

Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer- Verbindungsstellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metalli- scher Fügepartner und insbesondere von Aluminium-Kupfer- Verbindungsstellen.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass ein zunehmendes Interesse am Fügen artungleicher metallischer Werkstücke durch spezielle Einsatzgebiete gefördert wird, wie beispielsweise mechatronische Systeme in der Kraftfahrzeugtechnik. Die für die Aktorik solcher Systeme benötigten Ströme liegen mit typischer Weise 10 bis 100 Ampere zwar im üblichen Bereich von Generatoren und Stromverteilern, jedoch treten diese Ströme in komplexen Strukturen der mechatronischen Systeme auf. Um den entsprechenden Randbedingungen dort Genüge zu leisten, ist der traditionelle elektrotechnische Werkstoff Kupfer mit seiner verlustarmen Stromtragfähigkeit und hohen Wärmeabfuhr gut geeignet, jedoch bietet auch insbesondere Aluminium unter Kostenaspekten und anderer technischer Eigenschaften, wie geringes Gewicht, gute Gründe zum Einsatz in solchen Systemen. Um jeweils eine optimale Materialauswahl bei unterschiedlichen Elementen der Systeme treffen zu können, ergeben sich zwangsweise vielfach Übergänge zwischen Grundwerkstoffen wie beispielsweise Kupfer (-legierungen) und Aluminium (-legierungen). Dabei erfordert die Aufbau- und Verbindungstechnik oft Fügetechniken an aus- reichend großen Querschnitten von solchen Werkstoffpaarungen unter knappen Platzverhältnissen. Die damit verbundenen Probleme lassen sich vielfach durch Laserschweißen lösen. Die erwähnten hervorragenden Eigenschaften der Werkstoffe Kupfer und Aluminium hinsichtlich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit beruhen auf deren hoher Elektronenbeweglichkeit. Dies führt jedoch auch zu einer starken Reflexion beziehungsweise geringen Absorption im Infrarot- Bereich, in dem klassische Schweißlaser, wie ein Nd:YAG-Laser arbeiten. Demzufolge sind beim Laserstrahlschweißen dieser Werkstoffe hohe Leistungen und Energien notwendig, um den Prozess erfolgreich durchzuführen.
Problematisch ist ferner, dass die Werkstoffe Kupfer und Aluminium große Unterschiede in der Schmelztemperatur und thermischen Ausdehnung zeigen, die zum einen zur Segregation von hoch- und niedrigschmelzenden Phasen beim Schmelzschweißen führen und zum anderen den Aufbau von Eigenspannungen in der Fügezone hervorrufen können.
Schließlich zeigen beide Werkstoffe in flüssigem eine vollständige, in festem Zustand eine begrenzte Löslichkeit ineinander. Bei einem Kupfergehalt unter 1 Massen-% beziehungsweise einer Aluminiumkonzentration unter 8 Massen-% kommt es bei einer langsamen Abkühlung zur Misch- kristallbildung, während im dazwischenliegenden Konzentrationsbereich das Gefüge im Gleichgewichtsfall Anteile an intermetallischen Verbindungen enthält. Die Mikrohärte solcher intermetallischer Phasen, die im System Cu-Al entstehen können, ist signifikant größer als die von reinem A- luminium beziehungsweise Kupfer. Höhere Härten von intermetallischen Verbindungen bedingen eine Verringerung der Duktilität und führen zu einer Kerb- und Rissempfindlichkeit der Verbindungen. Wegen ihrer nicht reinmetallischen Natur zeigen intermetallische Phasen gegenüber den Grundmaterialien auch einen grundsätzlich höheren spezifischen Widerstand. Zusammenfassend hängen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Verbindungsstellen zwischen verschiedenen metallischen Grundwerkstoffen, wie beispielsweise Kupfer und Aluminium, sehr stark von der Verteilung der beim Verschweißen entstehenden intermetallischen Phasen ab. Insbesondere in Form zusammenhängender Bänder beeinträchtigen diese sogenannten „Intermetallics" das Verformungsvermögen der Verbindung sowie den elektrischen Widerstand stärker als in Form kleiner, voneinander getrennter Einlagerungen. Insgesamt werden durch die Intermetal- lies die an sich guten Basiseigenschaften der einzelnen Werkstoffe oftmals empfindlich verschlechtert.
Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner und insbesondere von Aluminium-Kupfer- Verbindungsstellen anzugeben, das verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften des Übergangs erzielt.
Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass zwischen den beiden Fügepartnern aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen eine Lage eines Schweißzusatzwerkstoffes geschichtet wird, der aus einem dritten metallischen Werkstoff besteht. Anschließend werden die beiden Fügepartner unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise Laser- Strahls, miteinander verschweißt.
Die Erfindung setzt dabei auf die Erkenntnis auf, dass beim Schweißen von ungleichartigen Metallen intermetallische Phasen durch den Einsatz von Zusatzwerkstoffen reduziert werden können, die mit beiden Grundwerk- Stoffen eine gewisse Löslichkeit aufweisen. Der Zusatzwerkstoff agiert dabei als eine angereicherte Schmelze zwischen beiden Fügepartnern, so dass die „unverträglichen" Komponenten nicht mehr in reiner Form miteinander in Kontakt stehen.
Als Zusatz Werkstoff im System Kupfer-Aluminium kommen vorzugsweise Nickel, Silber und Zinn sowie deren niedrig dotierte Legierungen in Frage. Grundsätzlich ist zwar auch Zink denkbar, wird jedoch in Folge seines hohen Dampfdruckes beim Schmelzschweißen kaum verwendbar sein.
Für das Einbringen der Zusatz Werkstoff -Lage zwischen die Fügepartner sind verschiedene Grundkonzepte möglich. Hierzu kann die Zusatzwerkstoff-Lage durch eine separate Folienlage mit einer Dickengrößenordnung im Mikrometer-Bereich von wenigen μm bis beispielsweise etwa lOOμm, gebildet sein, die vor dem Schweißen zwischen die beiden Fügepartner eingelegt wird.
Verfahrenstechnisch besonders elegant ist die Bereitstellung der Zusatz- werkstoff-Lage durch eine Beschichtung auf mindestens einen der beiden Fügepartner, da dadurch ein Positionieren und Fixieren der Zwischenfolie entfällt.
Aufgrund der geringen Dickendimension der Zusatzwerkstoff-Lage in Form einer Folie oder Beschichtung wird dieser Zusatzwerkstoff im We- sentlichen als Dotierung in die sich durch das Schweißen bildende Legierung aus den beiden Schweiß-Basiswerkstoffen, also in erster Linie einer Kupfer- Aluminium-Legierung eingebaut. Im Schmelzbereich liegt folglich eine zumindest ternäre Legierung vor, was im Gegensatz zum Stand der Technik steht. Dort werden flächige Zusatz Werkstoffe im Fügebereich mit einer so großen Dicke eingesetzt, dass jeweils nur binäre Legierungen zwischen dem Zusatzwerkstoff als zentraler Schicht und den jeweils daran angrenzenden Fügepartnern gebildet werden.
Ein weiterer Grund des bekannten Zwischenschichtens von Zusatzwerkstoffen vergleichsweise größerer Dicke liegt darin, dass diese Zusatzwerkstofflagen als Diffusionssperre zwischen den beiden anliegenden Fügepartnern dienen sollen.
Für das Applizieren des Schweißstrahls sind jeweils nach Dimensionierung und Formgebung der Fügepartner verschiedene Strategien möglich. So können flächige Fügepartner mit der dazwischen liegenden Zusatzwerkstoff-Lage mittels eines vorzugsweise gepulsten Laserstrahls stumpf an ihren freiliegenden Randkanten miteinander über einen oder mehrere Ein- zelpunkte bzw. eine Punktnaht punktverschweißt werden. Die Verwendung einer Folien- oder Beschichtungslage im Zusatz Werkstoff hat dabei den Vorteil gleichmäßig stabiler Schweißergebnisse, da ein „natürlicher" Konzentrationsgradient des Zusatzwerkstoffes von einem zum anderen Fügepartner über die gesamte Fläche der Schmelzzone geschaffen wird.
Die zweite Applikationsstrategie ist für Verbindungen eines flächigem mit einem drahtförmigen Fügepartner besonders geeignet, wie sie beispielsweise in der Elektronik bei der Kontaktierung von Kupferdrähten auf massiven Aluminiumkörpern hergestellt werden. Dabei wird der Laserstrahl von der der Zusatzwerkstoff -Lage und dem flächigen Fügepartner abgewandten Richtung her auf den langgestreckten Fügepartner appliziert.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die weiterhin gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene, gegenüber der Fügeflächenebene zwischen den Fügepartnern versetzte Applikation des Laserstrahls. Dessen Fokus ist also in Richtung zu einem der beiden Fügepartner hin verschoben, wodurch auch ohne Zwischensetzen einer Zusatzwerkstoff-Lage eine gegenüber einer unverschobenen Laserapplikation erhöhte Festigkeit der Schweißverbindung erzielt werden kann. Versatzwege in der Größenordnung der Dicke der Zusatz Werkstoff -Lage oder alternativ entsprechend etwa dem halben Durchmesser des Laserstrahles insbesondere bei dünnen Zusatz Werkstoff -Lagen sind als bevorzugte Werte anzunehmen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Schweißtests und daraus resultierende Messergebnisse anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 eine Seitenansicht und Draufsicht auf eine Schweißanordnung,
Fig. 3 einen vergrößerten Detailausschnitt der Einzelheit III aus Fig. 1,
Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der Stabilität und des Widerstandes von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter Einbindung verschiedener Zusatz Werkstoff -Lagen und Laserstrahl- Versatzwege,
Fig. 5 ein Schaubild zur Darstellung der Zugfestigkeit von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter Einbindung von Silberfolie als Zusatz Werkstoff unterschiedlicher Dicke,
Fig. 6 ein Schaubild zur Darstellung der Zugfestigkeit von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter Einbindung von verschiedenen galvanischen Beschichtungen als Zusatzwerkstoff-Lagen, sowie
Fig. 7und8 schematische Perspektivdarstellungen von Fügepartnern mit Zusatzwerkstoff-Lagen mit einer alternativen Laserstrahl- Applikation.
Wie aus den Fig. 1 und 3 deutlich wird, werden zwei streifenförmige Fü- gepartner, nämlich ein Aluminiumstreifen 1 und ein Kupferstreifen 2 in einem Überlappungsbereich 3 deckend übereinander gelegt. In diesen Überlappungsbereich 3 ist eine Folienlage 4 aus einem Schweißzusatzwerkstoff positioniert. Wie aus Fig. lund insbesondere 3 deutlich wird, liegen die Aluminium- 1, Kupferstreifen 2 und Folienlage 4 mit ihren längsgerichteten Randkanten 5 frei. Die Länge der beiden Streifen 1, 2 beträgt ca. 50 mm, ihre Dicke 1,2 mm. Für die Folienlage 5 werden Teststreifen aus Nickel- beziehungsweise Silber-Folie in einer Dicke von 0,1 mm verwendet. Diese Folien bestanden aus technischem Silber beziehungsweise Nickel in einer Reinheit von 99,9 Prozent.
An den einander abgewandten Randkanten 5 werden in einem Abstand von ca. 5 mm mit Hilfe eines Nd.YAG-Lasers (nicht dargestellt) durch Einzelpuls-Beaufschlagung Schweißpunkte 6 gesetzt. Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 7 beträgt dabei 400μm, die Pulsdauer 10 ms und die Laserleistung 5,2 kW.
Neben der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten symmetrischen Applikation der Schweißpunkte 6 zur durch die Folienlage 4 definierten Fügeflächenebene F ist es auch möglich, den Laserstrahl 7 gegenüber dieser Fügeflächenebene F versetzt in Richtung zu einem Fügepartner hin aufzubringen. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wurde ein Strahl versatz x in Richtung des Aluminiumstreifens 1 hin von 0,1 mm beziehungsweise 0,2 mm bei Verwendung von Nickel- und Silber-Folie zu Testzwecken gewählt. Die Stabilität der mit der Testgeometrie gemäß Fig. 1 bis 3 hergestellten Schweißverbindungen wurde mit Hilfe von Zugversuchen beurteilt, deren Ergebnis in Fig. 4 aufgetragen ist. Gleichzeitig ist dort der Übergangswiderstand für den Kupfer-Aluminium-Übergang aufgezeichnet. Die entsprechenden Werte wur- den mit Hilfe der für Leitfähigkeitsmessungen üblichen 4-Punkt- Messmethode ermittelt.
Wie nun aus Fig. 4 hervorgeht, wird die maximale Zugkraft durch Verwendung von Folien als Zwischenlage deutlich - bei Verwendung von Sil- ber-Folie - zwischen 40% und 70% erhöht. Gleichzeitig sinkt der Übergangswiderstand in entsprechender Größenordnung.
Bei den Zugversuchen hat sich ferner herausgestellt, dass die Schweißproben nicht - wie herkömmliche Schweißpunkte - in der Fügestelle versagen, sondern in dem durch die Kerbwirkung von Schweißpunkten geschwächten Querschnitt der Aluminiumproben. Hier kann eine Reduzierung der Laserleistung mit entsprechender Verkleinerung der Schweißkerbe zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeiten von solchen Verbindungen führen. Ferner ist anhand von Fig. 4 erkennbar, dass durch einen Versatz x des Laserstrahls 7 in den Aluminiumstreifen 1 hinein um 0,1 mm beziehungsweise 0,2 mm insbesondere bei der Silber-Folie zu nochmals signifikant erhöhten Festigkeitswerten und verringerten Übergangswiderständen führen. Bemerkenswert dabei ist, dass entgegen der üblichen „Schweißphilosophie", dass bei ungleichen Fügepartnern der Energiestrahl auf den höher schmelzenden Partner gerichtet wird, hier die Versatzrichtung zum niedrigschmelzenden Aluminium zielt.
Die Verbesserung der Schweißergebnisse durch den Versatz beruht vermutlich auf einer gezielten Änderung der Mischungs- sowie Abkühlverhältnisse durch den Versatz. Im speziellen System Aluminium-Kupfer ist der Versatz in Richtung zum Aluminium auch dahingehend von Vorteil, da die Kupferoberfläche aufgrund ihrer hohen Reflektivität eine geringe Ein- kopplung für den Laserstrahl 7 zeigt. Entsprechend akzeptierbare Schweißergebnisse würden sich also nur durch eine Erhöhung der Laserleistung erreichen lassen.
Bei den angegebenen Schweißversätzen von 0,1 mm beziehungsweise 0,2 mm in Richtung Aluminium wird das Kupfer nur teilweise direkt durch den Laserstrahl, aber auch indirekt durch die Aluminiumschmelze aufgeschmolzen. Nach Ausfertigung der Zugversuche haben sich relativ hohe Werte der Standardabweichung ergeben, die sich durch zufällig auftretende, extrem feste Verbindungen mit einer Festigkeit von 700 bis 800 N so- wie durch die Vergrößerung der Schiebezone aufgrund des exothermen Charakters dieser Verbindungsbildung erklären.
Die vorstehenden Aussagen zu dem durch den Laserstrahl vers atz hervorgerufenen Zugewinn an Festigkeit der Schweißverbindung wird durch weite- re Schweiß- und Zugversuche bestätigt, deren Ergebnisse in dem Diagramm gemäß Fig. 5 dargestellt sind. Daraus lässt sich zum einen entnehmen, dass durch die Verwendung einer Ag-Folie als Zusatzwerkstoff grundsätzlich eine enorme Festigkeitssteigerung bei Foliendicken von 0,025 mm, 0,050 mm und 0,100 mm erzielbar sind. Die Steigerungsraten gegenüber einer Verschweißung ohne Zusatz Werkstoffe reichen erkennbar bis zu einem Faktor von etwa 2,5. Ferner zeigt das Diagramm gemäß Fig. 5, dass bei den angegebenen Foliendicken des Zusatzmaterials ein optimaler Strahlversatz im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt. Daraus lässt sich ableiten, dass der Strahl versatz ca. dem halben Strahldurchmesser entsprechen sollte.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm, mit dem die Festigkeiten von Kupfer- Aluminium- Verschweißungen unter Verwendung verschiedener galvani- scher Beschichtungen als Zusatz Werkstoff dargelegt werden. Alle randsei- tigen Punktverschweißungen wurden dabei mit einem Strahlversatz von 0,2 mm in Richtung des Aluminiumstreifens 1 vorgenommen. Bei den galvanischen Beschichtungen handelte es sich um Nickel-, Silber- und Zinn- Auflagen mit einer Dicke von 3 μm bzw. 10 μm.
Aus dem Diagramm gemäß Fig. 6 wird deutlich, dass durch den Einsatz von 10 μm dicken Beschichtungen die Festigkeiten der Schweißverbindungen sich signifikant erhöhen. Beim Einsatz von Silber- und Zinn- Beschichtungen ist eine Verdoppelung der Festigkeiten zu beobachten, wobei die höchsten Festigkeitswerte mit einer Zinn-Beschichtung einer Dicke von 10 μm erzielt werden. Die Festigkeit der Schweißverbindung erreicht hier Werte, die der Festigkeit beim Einsatz einer Silberfolie mit einer Dicke von 100 μm nahe kommen. Ein weiterer Vorteil von Zinn-Beschichtungen ist neben den hohen Festigkeiten die Verbreitung des Materials in der Elektronik. Zinn-Deckschichten sind die gängigsten und billigsten Beschichtungen, die in der Elektronikfertigung nach heutigem Stand der Technik eingesetzt werden.
Die dem Diagramm gemäß Fig. 6 zugrundeliegenden Schweißversuche wurden mit einem Nd: YAG-Laser (Leistung: 9 KW) unter Argon- Schutzgas durchgeführt. Es wurden Rechteckpulse einer Periodendauer von 9 ms verwendet.
In Fig. 7 ist ein alternatives Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner dargestellt. So wird auf eine Aluminiumunterlage 8 eine Folienlage 4 aus Silber in Form eines kurzen, streifenförmigen Folienstückes gelegt und darauf ein Kupferdraht 9 mit seinem Ende 10 positio- niert. Die Verschweißung der beiden Fügepartner 8, 9 erfolgt durch Applikation eines Laserstrahls 7 von der der Aluminium-Unterlage 8 und der Folienlage 4 abgewandten Seite des Kupferdrahtes 9 her, so dass über dessen Erwärmung und Schmelzung die Silber-Folienlage 4 und die Aluminium-Unterlage 8 im Fügebereich aufgeschmolzen und miteinander verbun- den werden.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Konfiguration, bei der der Schweiß- Zusatzwerkstoff in Form einer streifenförmigen Silber-Beschichtung 11 auf die Aluminium-Unterlage 8 aufgebracht ist. Durch die in Längsrichtung größere Ausdehnung der Silber-Beschichtung 11 gegenüber dem Silberstreifen 4 in Fig. 5 kann der Kupferdraht 9 über eine größere Länge an seinem Ende mit der Aluminium-Unterlage 8 mit Hilfe mehrerer Schweißpunkte (nicht dargestellt) punktverschweißt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer- Verbindungsstellen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen des einen Fügepartners (1, 8) aus einem ersten metallischen Werkstoff, Bereitstellen des anderen Fügepartners (2, 9) aus einem zweiten metallischen Werkstoff, Schichten einer Lage eines Schweißzusatz Werkstoff es (4, 11) aus einem dritten metallischen Werkstoff zwischen die beiden Füge- partner (1, 8; 2, 9), und Verschweißen der beiden Fügepartner (1, 8; 2, 9) unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes (4, 11) mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise Laserstrahls (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (1, 2; 8, 9) aus Aluminium bzw. Kupfer bestehen und der Zusatzwerkstoff Silber, Nickel, Zinn oder eine niedrig dotierte Legierung dieser Zusatzwerkstoffe ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz Werkstoff -Lage durch eine separate Folienlage (4) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folienlage (4) einer Dicke im μm-Bereich, vorzugsweise von 20 μm bis 100 μm verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzwerkstoff -Lage durch eine Beschichtung (11), vorzugsweise eine galvanische Beschichtung von Silber, Nickel oder Zinn einer Dicke in einer Größenordnung von 2 μm bis 15 μm, auf mindestens einem der beiden Fügepartner (8) gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Fügepartner (1, 2) und die Zusatzwerkstoff-Lage (4) mittels eines vorzugsweise gepulsten Laserstrahls (7) stumpf an ihren freiliegenden Randkanten (5) miteinander über einen oder mehrere Einzelpunkte oder eine Punktnaht punktverschweißt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der La- serstrahl (7) gegenüber der Fügeflächenebene (F) zwischen den Fügepartnern (1, 2) versetzt in Richtung zu einem der beiden Fügepartner (1) hin appliziert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der La- serstrahl (7) mit einem Versatz (x) in der Größenordnung der Dicke der Zusatzwerkstoff -Lage (4) appliziert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) mit einem Versatz (x) in der Größenordnung seines halben Strahldurchmessers appliziert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen flächigen Fügepartner (8) unter Zwischensetzen der Zusatz Werkstoff -Lage (4, 11) ein langgestreckter, vorzugsweise draht- förmiger Fügepartner (9) mittels eines Laserstrahls (7) geschweißt wird, wobei der Laserstrahl (7) von der der Zusatzwerkstoff-Lage (4, 11) und dem flächigen Fügepartner (8) abgewandten Richtung her auf den langgestreckten Fügepartnem (9) appliziert wird.
PCT/EP2005/001875 2004-02-27 2005-02-23 Verfahren zum schweissen artungleicher metallischer fügepartner, insbesondere von aluminium-kupfer-verbindungsstellen WO2005082569A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004009651.1 2004-02-27
DE102004009651A DE102004009651B4 (de) 2004-02-27 2004-02-27 Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005082569A1 true WO2005082569A1 (de) 2005-09-09

Family

ID=34877167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2005/001875 WO2005082569A1 (de) 2004-02-27 2005-02-23 Verfahren zum schweissen artungleicher metallischer fügepartner, insbesondere von aluminium-kupfer-verbindungsstellen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102004009651B4 (de)
WO (1) WO2005082569A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102035080A (zh) * 2009-09-30 2011-04-27 徐卓辉 采用侧面复合金属结构的导电连接片及其生产方法
CN102394388A (zh) * 2011-07-15 2012-03-28 山东达驰电气有限公司 一种铜铝导体联结接触面的处理方法
EP2995414A1 (de) * 2014-07-30 2016-03-16 Karlsruher Institut für Technologie Stoffschlüssige verbindung zwischen aluminium und kupfer sowie verfahren zur herstellung derselben
CN110253146A (zh) * 2019-07-03 2019-09-20 湖南科技大学 一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺
CN113146037A (zh) * 2021-04-16 2021-07-23 北京工业大学 一种铝/铜异种材料薄板激光高速螺旋点焊方法

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005059544A1 (de) * 2005-12-13 2007-06-14 Ecka Granulate Gmbh & Co. Kg Sn-haltige hochbelastbare Materialzusammensetzung; Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Beschichtung und deren Verwendung
DE102010033221A1 (de) 2010-08-03 2012-02-09 Wieland-Werke Ag Verfahren zum Schweißen artungleicher Fügepartner
DE102011077458A1 (de) * 2011-06-14 2012-12-20 Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Coburg Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen eines Kraftfahrzeuges, Schweißbaugruppe sowie Fahrzeugsitz für ein Kraftfahrzeug
DE102012221617A1 (de) 2012-11-27 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Verbinden von artungleichen metallischen Fügepartnern mittels einer Strahlungsquelle
DE202013012314U1 (de) 2013-10-08 2016-04-27 Engeser Gmbh Innovative Verbindungstechnik Elektrische Verbindung sowie Batteriezellkontakt
DE102013113650A1 (de) * 2013-12-06 2015-06-11 INTER CONTROL Hermann Köhler Elektrik GmbH & Co KG Thermische Schalteinrichtung, Heizungsanordnung sowie Verfahren zur Montage einer thermischen Schalteinrichtung an einer Heizungseinrichtung
DE102014015805B3 (de) 2014-10-24 2016-02-18 Isabellenhütte Heusler Gmbh & Co. Kg Widerstand, Herstellungsverfahren dafür und Verbundmaterialband zum Herstellen des Widerstands
DE102014226411A1 (de) 2014-12-18 2016-06-23 Volkswagen Aktiengesellschaft Beeinflussung der Schweißmetallurgie beim Widerstandsschweißen von Mischverbindungen
DE102015009664B3 (de) * 2015-07-25 2016-12-15 INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner
DE102016008395B3 (de) * 2016-07-09 2017-12-07 INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH Verfahren zum Verschweißen artungleicher metallischer Fügepartner
DE102021213241A1 (de) 2021-11-24 2023-05-25 Hugo Kern Und Liebers Gmbh & Co. Kg Platinen- Und Federnfabrik Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3718968A (en) * 1969-02-14 1973-03-06 Atomic Energy Commission Method for connecting a wire to a component
DE3820848A1 (de) * 1987-09-23 1989-04-13 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zum fuegen von werkstuecken mittels laserstrahlung
DE10040978A1 (de) * 2000-08-22 2002-03-21 Schuler Held Lasertechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Blechpaketen

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5120419B2 (de) * 1973-01-31 1976-06-24
CH690064A5 (de) * 1996-03-07 2000-04-14 Alusuisse Lonza Services Ag Gegenstand aus miteinander verschweissten Aluminium- und Kupferteilen.
DE19839343A1 (de) * 1998-08-28 2000-03-16 Patent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils oder einer Bauteilanordnung mittels elektromagnetischer Strahlung sowie Vorrichtung zum Fügen, insbesondere Verlöten
JP2002336959A (ja) * 2001-05-14 2002-11-26 Denso Corp 異種金属接合品の接合方法
JP2002346737A (ja) * 2001-05-22 2002-12-04 Denso Corp 異種金属のろう付け方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3718968A (en) * 1969-02-14 1973-03-06 Atomic Energy Commission Method for connecting a wire to a component
DE3820848A1 (de) * 1987-09-23 1989-04-13 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zum fuegen von werkstuecken mittels laserstrahlung
DE10040978A1 (de) * 2000-08-22 2002-03-21 Schuler Held Lasertechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Blechpaketen

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1978 IND AND SCI CONF MANAGE INC, CHICAGO, ILL, 1978, pages 91 - 101, XP008047694 *
BANDOW H: "BEITRAG ZUM VERBINDEN VON ALUMINIUM MIT KUPFER DURCH ELEKTRONENSTRAHLSCHWEISSEN", SCHWEISSEN UND SCHNEIDEN, DEUTSCHER VERLAG FUR SCHWEISSTECHNIK, DUSSELDORF, DE, vol. 23, 1971, pages 274 - 277, XP000605579, ISSN: 0036-7184 *
WELDING J; WELDING JOURNAL DEC 1965 NEW YORK, NY, UNITED STATES, vol. 44, no. 12, December 1965 (1965-12-01), pages 1018 - 1026, XP008047685 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102035080A (zh) * 2009-09-30 2011-04-27 徐卓辉 采用侧面复合金属结构的导电连接片及其生产方法
CN102394388A (zh) * 2011-07-15 2012-03-28 山东达驰电气有限公司 一种铜铝导体联结接触面的处理方法
EP2995414A1 (de) * 2014-07-30 2016-03-16 Karlsruher Institut für Technologie Stoffschlüssige verbindung zwischen aluminium und kupfer sowie verfahren zur herstellung derselben
CN110253146A (zh) * 2019-07-03 2019-09-20 湖南科技大学 一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺
CN113146037A (zh) * 2021-04-16 2021-07-23 北京工业大学 一种铝/铜异种材料薄板激光高速螺旋点焊方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004009651A1 (de) 2005-09-22
DE102004009651B4 (de) 2008-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2005082569A1 (de) Verfahren zum schweissen artungleicher metallischer fügepartner, insbesondere von aluminium-kupfer-verbindungsstellen
EP2729277B1 (de) Verfahren zur herstellung einer scheibe mit einem elektrischen anschlusselement
DE60119695T2 (de) Verfahren zur herstellung einer verbindung zwischen kupfer und rostfreiem stahl
DE3446780A1 (de) Verfahren und verbindungswerkstoff zum metallischen verbinden von bauteilen
DE102014110777B4 (de) Stoffschlüssige Verbindung zwischen Aluminium und Kupfer sowie Verfahren zur Herstellung derselben
DE202012013150U1 (de) Scheibe mit einem elektrischen Anschlusselement
EP0805733B1 (de) Laserunterstütztes plattieren von band
EP0123702A1 (de) Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen
DE102013015710A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer flächigen Schweißverbindung und Anordnung mit einer flächigen Schweißverbindung
DE102019106988A1 (de) Batterielasche mit einer lokalisierten schweissverbindung und verfahren zu deren herstellung
DE102012221617A1 (de) Verfahren zum Verbinden von artungleichen metallischen Fügepartnern mittels einer Strahlungsquelle
DE102019115436A1 (de) VERBESSERUNG DER MECHANISCHEN LEISTUNG VON AL-STAHL-SCHWEIßNÄHTEN
DE102008044691A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung
WO2008009670A1 (de) Verfahren zum erzeugen einer löt- oder diffusionsverbindung
DE10017453B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Schweiß- bzw. Lötverbindung
DE2517347C2 (de) Kontaktkörper und Herstellungsverfahren hierzu
DE2747087C2 (de) Elektrischer Kontakt und Verfahren zu dessen Herstellung
EP2542374B1 (de) Verfahren zur erzeugung einer korrosionsbeständigen laserschweissverbindung zwischen zwei bauteilen und anordnung aus zwei miteinander verschweissten bauteilen
DE102006060899A1 (de) Anschlussdraht, Verfahren zur Herstellung eines solchen und Baugruppe
DE102011010457A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Batterie
EP1413029B1 (de) Verfahren zur anbringung einer edelmetallspitze auf einer elektrode, elektrode und zündkerze
DE112018007755T5 (de) Metallverbindungsstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Metallverbindungsstruktur
DE102015226746A1 (de) Lot, Lotmetallpulver und Verfahren zum Fügen von Bauteilen
DE60120408T2 (de) Lötfüllmaterial
EP4037849B1 (de) Metallband und verfahren zur herstellung solch eines metallbands

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase