Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer- VerbindungsstellenProcess for welding dissimilar metallic joining partners, especially aluminum-copper joints
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metalli- scher Fügepartner und insbesondere von Aluminium-Kupfer- Verbindungsstellen.The invention relates to a method for welding dissimilar metallic joining partners and in particular aluminum-copper connection points.
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.With regard to the background of the invention, it should be noted that an increasing interest in joining dissimilar metallic workpieces is being promoted by special fields of application, such as, for example, mechatronic systems in automotive engineering. The currents required for the actuation of such systems typically range from 10 to 100 amperes in the usual range of generators and power distributors, but these currents occur in complex structures of the mechatronic systems. The traditional electrical engineering material copper with its low-loss current carrying capacity and high heat dissipation is well suited to meet the relevant boundary conditions there, but aluminum, in particular, also offers good reasons for use in such systems in terms of costs and other technical properties such as low weight. In order to be able to make an optimal choice of material for different elements of the systems, there are inevitably many transitions between base materials such as copper (alloys) and aluminum (alloys). The assembly and connection technology often requires joining techniques on sufficiently large cross-sections of such material combinations under limited space. The problems associated with this can often be solved by laser welding. The mentioned excellent properties of the materials copper and aluminum with regard to electrical and thermal conductivity are based on their high electron mobility. However, this also leads to strong reflection or low absorption in the infrared range, in which classic welding lasers, such as an Nd: YAG laser, work. As a result, high powers and energies are required for laser beam welding of these materials in order to successfully carry out the process.
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.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.
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.After all, both materials show complete solubility in one another in liquid state and limited solubility in solid state. With 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. In summary, the mechanical and electrical properties of connection points between different metallic base materials, such as copper and aluminum, depend very much on the distribution of the intermetallic phases formed during welding. In particular in the form of coherent strips, these so-called "intermetallics" impair the deformability of the connection and the electrical resistance more than in the form of small, separate deposits. Overall, the generally good basic properties of the individual materials are often significantly deteriorated by the intermetallics.
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.Based on the problems described, 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.
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.According to the characterizing part of claim 1, 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.
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.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.
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.Nickel, silver and tin and their lightly doped alloys are preferred as an additional material in the copper-aluminum system. In principle, zinc is also conceivable, but due to its high vapor pressure, it will hardly be usable in fusion welding.
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.Various basic concepts are possible for introducing the additional material layer between the joining partners. For this purpose, 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 μm to, for example, about 100 μm, which is inserted between the two joining partners before welding.
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.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.
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.Due to the small thickness dimension of the filler material layer in the form of a film or coating, 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.
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.Another reason for the known intermediate layers of filler materials of comparatively greater thickness is that these filler material layers are intended to serve as a diffusion barrier between the two adjacent joining partners.
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.Different strategies are possible for the application of the welding beam depending on the dimensions and shape of the joining partners. Thus, flat joining partners with the filler material layer in between can be butt-welded to one another at one or more individual points or a point seam by means of a preferably pulsed laser beam at their exposed edge edges. The use of a film or coating layer in the additive material has the advantage of uniformly stable welding results, since a “natural” concentration gradient of the additive material is created from one joining partner to the other over the entire area of the melting zone.
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.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.
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.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.
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:Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the following description, in which welding tests and the measurement results resulting therefrom are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 und 2 eine Seitenansicht und Draufsicht auf eine Schweißanordnung,1 and 2 is a side view and plan view of a welding assembly,
Fig. 3 einen vergrößerten Detailausschnitt der Einzelheit III aus Fig. 1,3 shows an enlarged detail of detail III from 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,4 shows a diagram to show the stability and resistance of welded connections between two joining partners with the inclusion of various additional material layers and laser beam displacement paths,
Fig. 5 ein Schaubild zur Darstellung der Zugfestigkeit von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter
Einbindung von Silberfolie als Zusatz Werkstoff unterschiedlicher Dicke,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 ein Schaubild zur Darstellung der Zugfestigkeit von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter Einbindung von verschiedenen galvanischen Beschichtungen als Zusatzwerkstoff-Lagen, sowieFig. 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. 7und8 schematische Perspektivdarstellungen von Fügepartnern mit Zusatzwerkstoff-Lagen mit einer alternativen Laserstrahl- Applikation.7 and 8 are schematic perspective representations of joining partners with filler material layers with an alternative laser beam application.
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.As is clear from FIGS. 1 and 3, 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. As is clear from FIG. 1 and in particular 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.
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.On the edge edges 5 facing away from one another, 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 400μm, the pulse duration is 10 ms and the laser power is 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.In addition to the symmetrical application of the welding points 6 to the joining surface plane F defined by the film layer 4 shown in FIGS. 1 to 3, it is also possible to apply the laser beam 7 offset in relation to this joining surface plane F in the direction of a joining partner. As shown in Fig. 4, a beam offset x in the direction of the aluminum strip 1 towards 0.1 mm and 0.2 mm was chosen when using nickel and silver foil for test purposes. The stability of the welded connections made with the test geometry according to FIGS. 1 to 3 was assessed with the aid of tensile tests, the result of which is plotted in FIG. 4. At the same time, the contact resistance for the copper-aluminum transition is recorded there. The corresponding values were determined using the 4-point measurement method that is usual for conductivity measurements.
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.As can now be seen from FIG. 4, the maximum tensile force is significantly increased by using foils as an intermediate layer - when using silver foils - between 40% and 70%. At the same time, the contact resistance drops by a corresponding amount.
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.During the tensile tests, it was also found that the weld samples did not fail at the joint, as was the case with conventional weld spots, but rather in the cross-section of the aluminum samples, which was weakened by the notch effect of weld spots. Here, a reduction in the laser power with a corresponding reduction in the size of the weld notch can lead to a further improvement in the strength of such connections. It can also be seen from FIG. 4 that an offset x of the laser beam 7 into the aluminum strip 1 by 0.1 mm or 0.2 mm, in particular in the case of the silver foil, leads to significantly increased strength values and reduced contact resistance. It is remarkable that, contrary to the usual "welding philosophy", that in the case of unequal joining partners, the energy beam is directed at the higher-melting partner, the direction of offset towards the low-melting aluminum is aimed here.
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.The improvement in the welding results due to the offset is presumably due to a targeted change in the mixing and cooling ratios due to the offset. In the special aluminum-copper system, 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.
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.With the specified welding offsets of 0.1 mm or 0.2 mm in the direction of aluminum, the copper is only partially melted directly by the laser beam, but also indirectly by the aluminum melt. After the tensile tests were carried out, there were relatively high values of the standard deviation, which can be explained by random, extremely strong connections with a strength of 700 to 800 N as well as by the enlargement of the sliding zone due to the exothermic nature of this connection formation.
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.The above statements regarding the gain in strength of the welded connection caused by the laser beam offset are supported by further re welding and tensile tests confirmed, the results of which are shown in the diagram in FIG. 5. On the one hand, it can be seen from this that by using an Ag film as a filler, an enormous increase in strength can be achieved with film thicknesses of 0.025 mm, 0.050 mm and 0.100 mm. The rates of increase compared to welding without the addition of materials can be seen to reach a factor of around 2.5. Furthermore, the diagram according to FIG. 5 shows that with the specified film thicknesses of the additional material, an optimal beam offset is in the range between 0.1 mm and 0.2 mm. From this it can be deduced that the beam offset should correspond to approximately half the beam diameter.
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.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 μm and 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.It is clear from the diagram according to FIG. 6 that the use of 10 μm thick coatings significantly increases the strength of the welded joints. When using silver and tin coatings, the strength can be doubled, whereby the highest strength values are achieved with a tin coating with a thickness of 10 μm. The strength of the welded connection reaches values that are close to the strength when using a silver foil with a thickness of 100 μm. Another advantage of tin coatings is, besides their high strength, the spread of the material in electronics. Tin top layers are the most common and cheapest coatings used in today's state-of-the-art electronics manufacturing.
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.The welding tests on which the diagram according to FIG. 6 is based were carried out with an Nd: YAG laser (power: 9 KW) under argon protective gas. Rectangular pulses with a period of 9 ms were used.
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.7 shows an alternative method for welding dissimilar metallic joining partners. Thus, 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.
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.
8 shows a similar configuration in which 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).