WO2020160928A1 - Verfahren zum erzeugen einer funktionsstruktur sowie bauteil - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for generating a functional structure on an aluminum surface, a component comprising a functional structure, and the use of a pulsed laser system.
  • DE 10 201 1 121 546 A1 therefore proposes a method for producing a metal or metal alloy surface or metal oxide or metal alloy oxide layer on a surface, using a pulsed laser system.
  • oxide layers can be produced or provided on aluminum surfaces with such laser systems, but these are often not sufficiently thick or not homogeneous enough to be suitable for a later joining process.
  • a method for generating a functional structure on an aluminum surface comprises the step:
  • At least regional laser treatment of an aluminum surface to generate a functional structure on the aluminum surface or the aluminum alloy surface the laser treatment being carried out by means of a pulsed laser system with a pulse duration of 10-100 ns, and with an average power of the laser system being less than 5 kW.
  • the functional structure produced in this way requires the formation of an optimal oxide layer.
  • the oxide layer in particular is very homogeneous and significantly thicker than known.
  • the thickness of oxide layers on AlMgSi alloys (without any laser treatment) is below 3 nm. With the aforementioned laser treatment, thicknesses of over 5 nm can be achieved.
  • the aforementioned surface is the surface of a component made of, for example, an aluminum-magnesium (Al-Mg) alloy, preferably an aluminum-magnesium-silicon alloy or an aluminum-magnesium-silicon-magnesium (AL-Mg- Si-Mg) alloy.
  • a preferred material is in particular AISilOMnMg.
  • the component is preferably a cast component, for example, according to one embodiment, a die-cast component.
  • the method comprises the step:
  • the joining partner is not limited in detail and can consist of any material, in particular metallic materials, such as. B. steel or aluminum or a metallic alloy. Alternatively, plastics or fiber composite materials can be used as the material for the joining partner.
  • the method comprises the step:
  • Cohesive connection by gluing, welding or soldering.
  • the method has proven to be particularly advantageous when combined with an adhesive process.
  • the adhesives usually used adhere particularly well to the laser-treated, modified surface topology of the area to be joined, in particular the functional structure, the aluminum surface.
  • the functional structure expediently forms or has an oxide layer with a thickness in a range from approximately 5 nm to 700 nm, preferably from 5 nm to 200 nm.
  • the method can also be referred to as a method for producing an oxide layer on an aluminum surface.
  • the laser treatment and the resulting heat input clean the surface and change it in such a way that a very even oxide layer is formed on it.
  • the laser system particularly preferably has an average power between 1 and 3 kW or between 1 and 2 kW, or the laser treatment is carried out with this average power.
  • the following process step has proven to be particularly advantageous:
  • the method comprises the step:
  • a square beam shape is preferably used as the beam shape, although any other beam shapes can also be used.
  • the square shape of the beam has the particular advantage that, when the laser is moved, uniform processing without overlapping areas is made possible.
  • the laser treatment is preferably carried out in the focal position and with a long Rayleigh length, preferred values for the Rayleigh length being between 10 and 25 mm.
  • the surface treatment can thus be made more robust and is, for example, more tolerant of changes in the focus position.
  • a wavelength of the laser system of 1000-1100 nm has proven to be particularly advantageous, since the pulse waves are absorbed and converted very well by the aluminum material.
  • the wavelengths are particularly advantageously 1030 and 1064 nm.
  • the pulse frequency is also advantageously 10-40 kHz and in particular 10-30 kHz.
  • the method advantageously includes the step:
  • the method comprises the step:
  • Laser treatment under an atmosphere the atmosphere being vacuum, ambient atmosphere or an inert gas or gas mixture.
  • the aluminum surface belongs to an aluminum component, in particular a cast aluminum component.
  • the aluminum material used according to the process is not restricted in detail, provided that aluminum makes up the main proportion in percent by mass, based on the total weight of the component.
  • a content of aluminum in the cast aluminum component to be joined to the joining partner is particularly advantageously at least 70 percent by mass, based on the total weight of the cast aluminum component.
  • the invention is also directed to a component, in particular an aluminum component, in particular a cast aluminum component, comprising a functional structure, manufactured according to the method according to the invention, the functional structure having or forming an oxide layer with a thickness of about 5-700 nm.
  • a component in particular an aluminum component, in particular a cast aluminum component, comprising a functional structure, manufactured according to the method according to the invention, the functional structure having or forming an oxide layer with a thickness of about 5-700 nm.
  • the functional structure or laser-treated surface provides any joining partners with surface-effective groups for binding and is characterized by an increased oxygen concentration.
  • the oxide layer is extremely homogeneous and uniform.
  • the uniformity of the oxide layer is shown by a "reflective" Component surface in the laser-treated areas.
  • the melt zone or heat affected zone in the surface or in the component is very small, for example up to a max. 10 pm.
  • the invention is also directed to the use of a pulsed laser system with a pulse duration of 10-100 ns and an average power between 1 and 5 kW for producing a functional structure or an oxide layer on an aluminum surface, in particular a cast aluminum component.
  • a pulsed laser system with a pulse duration of 10-100 ns and an average power between 1 and 5 kW for producing a functional structure or an oxide layer on an aluminum surface, in particular a cast aluminum component.
  • the laser system used can, for example, comprise a radiation source, a cooling device for the radiation source, a guide fiber from the radiation source to a scanner and a scanner (for deflecting the rays), the scanner being arranged on a movable device, for example on a robot can be.

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, umfassend den Schritt: - Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche, wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10 bis 100 ns durchgeführt wird und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.

Description

Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur sowie Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruk tur auf einer Aluminiumoberfläche, ein Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, sowie eine Verwendung eines gepulsten Lasersystems.
Zum stoffschlüssigen Verbinden von beispielsweise zwei Aluminiumgussbauteilen ist es erforderlich, die Oberfläche der Bauteile vorab zu behandeln, um im nachfol genden Fügeprozess eine ausreichende Festigkeit der Fügeverbindung zu erzielen. Aus dem Stand der Technik sind hierzu unter anderem chemische Prozesse be kannt, wie beispielsweise chemisches Waschen oder Beizen. Auch ein Passivieren der Oberfläche und das Vorsehen einer kathodischen Tauchlackierung oder Anodi sierungsprozesse sind in diesem Zusammenhang bekannt. Die bekannten Ansätze sind allerdings prozesstechnisch oft aufwendig, nicht umweltfreundlich und bedin gen hohe Betriebs- und Wartungskosten. Die DE 10 201 1 121 546 A1 schlägt daher ein Verfahren zur Erzeugung einer Metall- oder Metalllegierungsoberfläche oder Me talloxid- oder Metalllegierungsoxidschicht auf einer Oberfläche vor, wobei mit einem gepulsten Lasersystem gearbeitet wird. Es hat sich allerdings gezeigt, dass mit der artigen Lasersystemen zwar Oxidschichten auf Aluminiumoberflächen erzeugt oder bereitgestellt werden können, diese allerdings oft beispielsweise nicht ausreichend dick bzw. nicht homogen genug sind, um auch für einen späteren Fügeprozess ge eignet zu sein. Insofern besteht insbesondere das Problem, das gepulste Lasersys tem in geeigneter Weise zu betreiben bzw. auszulegen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, ein Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, sowie eine Verwendung eines gepulsten Lasersystems anzuge ben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , durch ein Bauteil ge mäß Anspruch 1 1 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 12 gelöst. Wei tere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Be schreibung. Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche den Schritt:
Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche bzw. der Alu miniumlegierungsoberfläche, wobei das Laserbehandeln mittels eines ge pulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10-100 ns durchgeführt wird, und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die so hergestellte Funktionsstruktur die Bildung einer optimalen Oxidschicht bedingt. Dabei ist die Oxidschicht insbeson dere sehr homogen und deutlich dicker als bekannt. So liegen die Dicken von Oxid schichten auf AlMgSi-Legierungen (ohne irgendeine Laserbehandlung) bei unter 3 nm. Mit der vorgenannten Laserbehandlung können Dicken von über 5 nm er reicht werden. Die vorgenannte Oberfläche ist gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform die Oberfläche eines Bauteils aus beispielsweise einer Aluminium-Mag nesium (Al-Mg) Legierung, bevorzugt einer Aluminium-Magnesium-Silizium Legie rung oder einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Magnesium (AL-Mg-Si-Mg) Legie rung. Ein bevorzugter Werkstoff ist insbesondere AISilOMnMg. Bevorzugt ist das Bauteil ein Gussbauteil, gemäß einer Ausführungsform beispielweise ein Druck gussbauteil.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Stoffschlüssiges Verbinden der Aluminiumoberfläche mit einem Fügepartner über die Funktionsstruktur.
Der Fügepartner ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann aus beliebigen Werk stoffen bestehen, insbesondere aus metallischen Werkstoffen, wie z. B. Stahl oder Aluminium oder einer metallischen Legierung. Alternativ können Kunststoffe oder Faserverbundwerkstoffe als Werkstoff für den Fügepartner zur Anwendung kom men.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Stoffschlüssiges Verbinden durch Kleben, Schweißen oder Löten.
Als besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren bei Kombination mit einem Klebe prozess herausgestellt. Die üblicherweise verwendeten Adhäsive haften besonders gut auf der laserbehandelten, modifizierten Oberflächentopologie des zu fügenden Bereichs, insbesondere also der Funktionsstruktur, der Aluminiumoberfläche. Zweckmäßigerweise bildet die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis 700 nm, bevorzugt von 5 nm bis 200 nm, aus bzw. weist diese auf. Mit anderen Worten kann das Verfahren auch als ein Verfahren zum Erzeugen einer Oxidschicht auf einer Aluminiumoberfläche bezeichnet werden. Durch die Laserbehandlung und den daraus resultierenden Wärmeeintrag wird die Oberfläche gereinigt und so geändert, dass sich in der Folge eine sehr gleichmä ßige Oxidschicht darauf bildet.
Besonders bevorzugt weist das Lasersystem eine mittlere Leistung zwischen 1 und 3 kW bzw. zwischen 1 und 2 kW auf bzw. wird die Laserbehandlung mit dieser mitt leren Leistung durchgeführt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei folgender Ver fahrensschritt herausgestellt:
Fokussieren des Laserstrahls auf einen Durchmesser von etwa 500 bis 3000 pm. Weitere bevorzugte Durchmesser liegen in einem Bereich von etwa 900 bis 1800 pm.
Hieraus ergibt sich, insbesondere mit den vorgenannten mittleren Leistungen, ein optimaler Energieeintrag, welcher zur Formung der Funktionsstruktur bzw. der Oxid schicht führt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Laserbehandeln mit einer Pulsdauer von 20-40 ns.
Dieser Bereich hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Erzeugung der Funktionsstruktur herausgestellt. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass als Strahlform bevorzugt eine quadratische Strahlform verwendet wird, wobei aller dings auch beliebige andere Strahlformen verwendbar sind. Die quadratische Strahlform hat insbesondere den Vorteil, als damit beim Abfahren mit dem Laser insbesondere eine gleichmäßige Bearbeitung ohne Überlappungsbereiche ermög licht wird. Bevorzugt erfolgt das Laserbehandeln in Fokuslage und mit hoher Ra- yleigh-Länge, wobei bevorzugte Werte für die Rayleigh-Länge zwischen 10 und 25 mm liegen. Die Oberflächenbehandlung kann so robuster gestaltet werden und ist beispielsweise toleranter gegenüber Fokuslagenveränderungen.
Für die Oberflächenbehandlung hat sich eine Wellenlänge des Lasersystems von 1000-1 100 nm als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die Pulswellen so sehr gut von dem Aluminiumwerkstoff aufgenommen und umgesetzt werden. Besonders vorteilhaft beträgt die Wellenlänge 1030 und 1064 nm. Weiter vorteilhaft beträgt die Impulsfrequenz 10-40 kHz und insbesondere 10-30 kHz. Hierdurch wird bei reduziertem energetischen Aufwand die Oberflächentopolo gie und Oberflächenspannung des zu fügenden Aluminiumgussbauteils optimal mo difiziert, wodurch die Adhäsion zum Fügepartner erhöht werden kann.
Vorteilhafterweise kommen keine chemischen Oberflächenbehandlungsschritte zur Anwendung. Entsprechend umfasst das Verfahren mit Vorteil den Schritt:
Verbinden unmittelbar nach dem Laserbehandeln bzw. Fügen unmittelbar nach dem Laserbehandeln.
Mit Vorteil sind also keine weiteren Verfahrens- oder Prozessschritte nach dem La serbehandeln notwendig. Dies gilt auch hinsichtlich einer etwaigen Vorbehandlung vor dem Laserbehandeln, welche ebenfalls nicht nötig ist. Im Einzelfall ist es aller dings durchaus möglich, die zu behandelnde Oberfläche vorab zu reinigen, ggf. auch mechanisch.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Laserbehandeln unter einer Atmosphäre, wobei die Atmosphäre Vakuum, Umgebungsatmosphäre oder ein inertes Gas oder Gasgemisch ist.
Gemäß einer Ausführungsform gehört die Aluminiumoberfläche zu einem Alumini umbauteil, insbesondere einem Aluminiumgussbauteil. Der gemäß dem Verfahren eingesetzte Aluminiumwerkstoff ist im Einzelnen nicht beschränkt, sofern Aluminium den Hauptanteil in Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bauteils, ausmacht. Besonders vorteilhaft beträgt ein Gehalt an Aluminium in dem mit dem Fügepartner zu verbindenden Aluminiumgussbauteil mindestens 70 Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumgussbauteils.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Bauteil, insbesondere ein Aluminiumbauteil, insbesondere ein Aluminiumgussbauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, herge stellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 5-700 nm aufweist oder ausbildet. Dies be dingt eine optimale Klebstoffhaftung und Korrosionsbeständigkeit. Die Funktions struktur bzw. laserbehandelte Oberfläche stellt etwaigen Fügepartnern oberflächen wirksame Gruppen zur Anbindung bereit und zeichnet sich durch eine erhöhte Sauerstoffkonzentration aus. Insbesondere ist die Oxidschicht extrem homogen und gleichmäßig. Die Gleichmäßigkeit der Oxidschicht zeigt sich durch eine„spiegelnde“ Bauteiloberfläche an den laserbehandelten Bereichen. Mit Vorteil ist die Um schmelzzone bzw. Wärmeeinflusszone in die Oberfläche bzw. in das Bauteil hinein sehr gering, beispielsweise bis max. 10 pm. Weiter richtet sich die Erfindung auf die Verwendung eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10-100 ns und einer mittleren Leistung zwischen 1 und 5 kW zum Herstellen einer Funktionsstruktur bzw. einer Oxidschicht, auf einer Alumi niumoberfläche, insbesondere eines Aluminiumgussbauteils. Die im Zusammen hang mit dem Verfahren bzw. mit dem Bauteil erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für die Verwendung.
Das zur Anwendung kommende Lasersystem kann beispielsweise eine Strahlen quelle, eine Kühlvorrichtung für die Strahlenquelle, eine Leitfaser von der Strahlen quelle zu einem Scanner und einen Scanner (zur Strahlenablenkung) umfassen, wobei der Scanner auf einer beweglichen Vorrichtung, beispielsweise auf einem Ro boter, angeordnet sein kann.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberflä che,
umfassend den Schritt:
Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche, wo- bei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer
Pulsdauer von 10 bis 100 ns durchgeführt wird und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
umfassend den Schritt:
Stoffschlüssiges Verbinden der Aluminiumoberfläche mit einem Fügepart ner über die Funktionsstruktur.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
umfassend den Schritt:
Stoffschlüssiges Verbinden durch Kleben, Schweißen oder Löten.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 5 bis 700 nm aufweist oder ausbildet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Lasersystem eine mittlere Leistung zwischen 1 und 2 kW aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Schritt:
Fokussieren des Laserstrahls auf einen Durchmesser von 500 bis 3000 pm .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Schritt:
Laserbehandeln mit einer Pulsdauer von 20 bis 40 ns.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7,
umfassend den Schritt:
Verbinden unmittelbar nach dem Laserbehandeln.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Schritt:
Laserbehandeln unter einer Atmosphäre, wobei die Atmosphäre Vakuum, Umgebungsatmosphäre oder ein inertes Gas oder Gasgemisch ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Aluminiumoberfläche zu einem Aluminiumbauteil, insbesondere ei nem Aluminiumgussbauteil, gehört.
11. Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke von 5 bis 700 nm aufweist.
12. Verwendung eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10 bis 100 ns und einer mittleren Leistung zwischen 1 und 5 kW zum Herstellen ei ner Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche.
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