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Dokumentenidentifikation DE102004009651B4 09.10.2008
Titel Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen
Anmelder BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH, 91052 Erlangen, DE
Erfinder Mys, Ihor, 91058 Erlangen, DE;
Schmidt, Michael, Dr., 91054 Erlangen, DE;
Eßer, Gerd, Dr., 91056 Erlangen, DE;
Geiger, Manfred, Prof. Dr., 91341 Röttenbach, DE
Vertreter Patentanwälte Rau, Schneck & Hübner, 90402 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 27.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004009651
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.10.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.10.2008
IPC-Hauptklasse B23K 26/42(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23K 35/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer 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 ausreichend 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 Mischkristallbildung, 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 Aluminium 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 Intermetallics 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.

Aus dem Fachartikel von BANDOW, H. „Beitrag zum Verbinden von Aluminium mit Kupfer durch Elektronenstrahlschweißen" in „Schweißen und Schneiden", Jahrgang 23 (1971), Heft 7, Seiten 274–277 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen den beiden artungleichen Fügepartnern Aluminium und Kupfer bekannt, bei dem zwischen den beiden Fügepartnern ein Schweißzusatzwerkstoff in Form einer metallischen Folie angeordnet wird. Die Fügepartner werden unter Einbindung des Schweißzusatzwerkstoffes mit Hilfe eines Energiestrahls verschweißt.

Aus der JP 49-099941 A ist ein Verschweißen von Aluminium- und Kupferbauteilen unter Zwischenlage einer Silberschicht bekannt, bei dem der Schweißstrahl zum höher schmelzenden Kupfer hin versetzt appliziert wird.

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 Laserstrahls, stumpf an ihren frei liegenden Randkanten miteinander verschweißt, wobei der Laserstrahl gegenüber der Fügeflächenebene zwischen den Fügepartnern versetzt in Richtung zu dem niedriger schmelzenden Fügepartner hin appliziert wird.

Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt diese gegenüber der Fügeflächenebene zwischen den Fügepartnern versetzte Applikation des Laserstrahls dar. Dessen Fokus ist also in Richtung zu einem der beiden Fügepartner hin verschoben, wodurch auch ohne Zwischensetzen einer Zusatzwerkstoff-Lage eine gegenüber einer unverschobenen Laserappliktion erhöhte Festigkeit der Schweißverbindung erzielt werden kann. Versatzwege in der Größenordnung der Dicke der Zusatzwerkstoff-Lage sind als bevorzugte Werte anzunehmen. 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 niedriger schmelzenden Partner zielt.

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 Grundwerkstoffen 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 Zusatzwerkstoff im System Kupfer-Aluminium kommen vorzugsweise Nickel und Silber in Frage. Grundsätzlich sind zwar auch Zinn und Zink denkbar, Zinn wird jedoch aufgrund seiner geringen Schmelztemperatur eher beim Löten eingesetzt, Zink wird in Folge seines hohen Dampfdruckes beim Schmelzschweißen kaum verwendbar sein.

Für das Einbringen der Zusatzwerkstoff-Lage zwischen die Fügepartner sind verschiedene Grundkonzepte möglich. Hierzu kann die Zusatzwerkstoff-Lage durch eine separate Folienlage mit einer Dickengrößenordnung im Mikrometer-Bereich, beispielsweise etwa 100 &mgr;m, gebildet sein, die vor dem Schweißen zwischen die beiden Fügepartner eingelegt wird.

Verfahrenstechnisch besonders elegant ist die Bereitstellung der Zusatzwerkstoff-Lage durch eine Beschichtung auf mindestens einen der beiden Fügepartner, da dadurch ein Positionieren und Fixieren der Zwischenfolie entfällt.

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 Einzelpunkte bzw. eine Punktnaht punktverschweißt werden. Die Verwendung einer Folien- oder Beschichtungslage im Zusatzwerkstoff 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.

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:

1 und 2 eine Seitenansicht und Draufsicht auf eine Schweißanordnung,

3 einen vergrößerten Detailausschnitt der Einzelheit III aus 1, und

4 ein Schaubild zur Darstellung der Stabilität und des Widerstandes von Schweißverbindungen zwischen zwei Fügepartnern unter Einbindung verschiedener Zusatzwerkstoff-Lagen und Laserstrahl-Versatzwege.

Wie aus den 1 und 3 deutlich wird, werden zwei streifenförmige Fügepartner, 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 1 und 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 400 &mgr;m, die Pulsdauer 10 ms und die Laserleistung 5,2 kW.

Neben der in den 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 4 dargestellt ist, wurde ein Strahlversatz 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 1 bis 3 hergestellten Schweißverbindungen wurde mit Hilfe von Zugversuchen beurteilt, deren Ergebnis in 4 aufgetragen ist. Gleichzeitig ist dort der Übergangswiderstand für den Kupfer-Aluminium-Übergang aufgezeichnet. Die entsprechenden Werte wurden mit Hilfe der für Leitfähigkeitsmessungen üblichen 4-Punkt-Messmethode ermittelt.

Wie nun aus 4 hervorgeht, wird die maximale Zugkraft durch Verwendung von Folien als Zwischenlage deutlich – bei Verwendung von Silber-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 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.

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 Einkopplung 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 sowie durch die Vergrößerung der Schiebezone aufgrund des exothermen Charakters dieser Verbindungsbildung erklären.


Anspruch[de]
Verfahren zum Schweißen artungleicher metallischer Fügepartner, insbesondere von Aluminium-Kupfer-Verbindungsstellen, mit folgenden Verfahrensschritten:

– 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),

dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Fügepartner (1, 2) und die Zusatzwerkstoff-Lage (4) mittels eines Energiestrahls (7) stumpf an ihren freiliegenden Randkanten (5) miteinander verschweißt werden, wobei der Energiestrahl (7) gegenüber der Fügeflächenebene (F) zwischen den Fügepartnern (1, 2) versetzt in Richtung zu dem niedriger schmelzenden Fügepartner (1) hin appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (1, 2; 8, 9) aus Aluminium bzw. Kupfer bestehen und der Zusatzwerkstoff Silber oder Nickel ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzwerkstoff-Lage durch eine separate Folienlage (4) gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folienlage (4) einer Dicke im &mgr;m-Bereich, vorzugsweise von 100 &mgr;m verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzwerkstoff-Lage durch eine Beschichtung (11) auf mindestens einem der beiden Fügepartner (8) gebildet wird. 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) über einen oder mehrere Einzelpunkte oder eine Punktnaht punktverschweißt werden. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) mit einem Versatz (x) in der Größenordnung der Dicke der Zusatzwerkstoff-Lage (4) appliziert wird. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktverschweißung der Fügepartner (1, 2; 8, 9) mit Zusatzwerkstoff-Lage (4, 11) durch eine Laser-Einzelpuls-Beaufschlagung vorgenommen wird.






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