DE10022840A1 - Laserstrahllöten von Aluminiumlegierungen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserstrahllöten von Aluminiumlegierungen, wobei die Fügestellen mit einem Laserenergie absorbierenden Mittel beschichtet werden. Als Laserenergie absorbierende Mittel werden zum Aluminiumlöten geeignete Flußmittel, insbesondere Kaliumfluoroaluminat enthaltende Flußmittel, Flußmittelpasten oder Flußmittelmetallpulververmischungen, verwendet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahllö
ten von Aluminiumlegierungen unter Verwendung eines geeigne
ten Flußmittels.
Beim Löten werden metallische Werkstoffe mit Hilfe eines
geschmolzenen Lotes verbunden. Flußmittel werden beim Löten
eingesetzt, um für eine saubere Oberfläche und damit für eine
feste Verbindung der Werkstoffe zu sorgen.
Das Laserstrahllöten stellt ein alternatives thermisches
Fügeverfahren dar, um z. B. Bauteile aus Aluminiumlegierungen
oder Bauteile aus Aluminium und Bauteile aus anderen Werk
stoffen stoffschlüssig aneinanderzufügen. Der Einsatz von
Laserstrahlung wird dort bevorzugt, wenn die zu verbindenden
Bauteile nur partiell einer Erwärmung ausgesetzt sein dürfen.
Beim Laserlöten wird die erforderliche Wärme durch die
Umwandlung gebündelter, energiereicher Strahlung beim Auftref
fen auf das Werkstück fokussiert. Durch den absorbierten An
teil der Laserstrahlung wird das Werkstück auf Löttemperatur
erwärmt und das Lot abgeschmolzen, so daß es die zu fügenden
Oberflächen benetzen kann.
Unter dem Gesichtspunkt eines effektiven Lötprozesses
kommt der Absorption der Laserstrahlung eine zentrale Bedeu
tung zu, da für den Fügeprozeß nur der Energieanteil der
Laserstrahlung zur Verfügung steht.
Die Absorptionsrate kann z. B. durch geeignete Coating
mittel verbessert werden. So verbessert Graphit die Absorp
tionsrate von Stahl.
Für das Fügen von Aluminiumlegierungen ist Graphit auf
Grund seiner korrosiven Eigenschaften jedoch nicht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Laserstrahllöten von Aluminiumlegierungen anzugeben, wo
bei Laserenergie absorbierende Hilfsmittel Verwendung finden
sollen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Aluminiumbau
teile an der zu fügenden Stelle mit einem die Laserenergie
absorbierenden Hilfsmittel beschichtet sind, wobei eine homo
gene Benetzung bzw. Beschichtung gewährleistet sein muß, um
exakte Lotverbindungen zu realisieren.
Als Laserenergie absorbierende Hilfsmittel werden die
zum Aluminiumlöten geeigneten Flußmittel, insbesondere Kali
umfluoroaluminat enthaltende Flußmittel, Flußmittelpasten
oder Flußmittelmetallpulvermischungen verwendet. Der Begriff
"Kaliumfluoroaluminat" umfaßt die bekannten komplexen Alumini
umfluoride des Kaliums, welche aus Kalium, Aluminium, Fluor
und gegebenenfalls Wasser zusammengesetzt sind. Bevorzugte
Flußmittel sind ebenfalls Cäsiumfluoroaluminat-Flußmittel
oder Gemische dieser Flußmittel mit Al/Si-, Al/Zn- oder Si-
Pulver. Die aktiven Flußmittel wie K2SiF6, KZnF oder CsSiF
sind ebenfalls geeignet.
Flußmittel im Sinne der Erfindung können z. B. als Kali
umfluoroaluminat KAlF4, K2AlF5, K2AlF3.H2O oder K3AlF6 enthal
ten. Dabei kann das Pentafluoraluminat auch in Form von irre
versibel dehydratisierten Produkten vorliegen.
Man kann das Flußmittel als solches, gegebenenfalls
unter Mitverwendung üblicher Hilfsstoffe, einsetzen.
Beispielsweise kann man als Hilfsstoff ein Bindemittel
vorsehen, welches das Haften des Flußmittels auf der Ober
fläche der zu verbindenden Aluminiumbauteile verbessert.
Zweckmäßig verwendet man das Flußmittel in Form einer
Flußmittelzubereitung, welche das Flußmittel als Aufschläm
mung oder Paste in Wasser, einer organischen Flüssigkeit oder
einem Gemisch von Wasser und organischer Flüssigkeit enthält.
Als organische Flüssigkeit sind Alkohole insbesondere Metha
nol, Ethanol, Propanol oder Isopropanol zu verstehen.
Zur Herstellung der Zubereitung kann man z. B. K2SiF6
und Kaliumfluoraluminat einzeln oder als Gemisch mit der
flüssigen Phase vermischen.
Der Gehalt an Wasser bzw. der organischen Flüssigkeit
wird so eingestellt, daß die gewünschte Konsistenz bezüglich
der Aufschlämmung bzw. der Paste erreicht wird.
Das Beschichten der zu verlötenden Fügestellen kann auf
herkömmliche Weise erfolgen, z. B. durch Besprühen, Berie
seln, Bestreuen, Bestreichen. Die Beschichtung der Metall
oberfläche mit dem Laserenergie absorbierenden Hilfsmittel
beträgt 3 bis 50 g/m2. Ist das Hilfsmittel ein Flußmittel
oder Flußmittelgemisch, beträgt die Beladung der Oberfläche
zweckmäßigerweise 10 bis 20 g/m2. Wird ein Flußmittel/Metall
pulvergemisch verwendet, beträgt die Beladung zweckmäßiger
weise 30 bis 40 g/m2.
Es wurde gefunden, daß unter Verwendung der genannten
Laserenergie absorbierenden Hilfsmittel Aluminiumlegierungen
unterschiedlicher Zusammensetzungen, insbesondere Mg-haltige
Aluminiumlegierungen mittels Laserstrahl gelötet werden kön
nen.
Das Verfahren ist ebenfalls für das Verbinden lotplat
tierter Legierungen geeignet.
Auch das Laserstrahllöten von Aluminium mit anderen
Metallen wie z. B. Stahl, Kupfer, Eisen, Titan usw., wird
durch das Beschichten der Fügestellen mit den genannten
Hilfsmitteln ermöglicht.
Die Lötungen können sowohl mit kontinuierlicher als auch
mit gepulster Laserstrahlung durchgeführt werden. Geeignet
sind z. B. Nd : YAG-Festkörperlaser oder CO2-Laser.
Die Laserstrahlleistung legt unmittelbar die Leistungs
dichte und die Streckenenergie fest. Die Lötgeschwindigkeit
ist direkt von der Streckenenergie abhängig. Das verwendete
Prozeßgas und die jeweilige Prozeßgasmenge beeinflußt im Be
reich der Wechselwirkungszone des Lötprozesses die Oxidation
und/oder je nach Gasart auch die Reduktion der Lötfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform wurde ein CO2-Laser
mit einer Leistung von 1,5 kW verwendet.
Aufgrund der für das Laserstrahllöten charakteristischen
kurzen Lötzeiten, kurze Strahl-Werkstoff-Wechselwirkung und
der damit verbundenen kleinen Schmelzvolumina ist die räum
liche Ausdehnung der Fügestelle sehr schmal.
Es wurde gefunden, daß Aluminiumplatten mit einer Dicke
bis zu 3 mm problemlos gelötet werden können.
Das erfindungsgemäße Laserstrahllötverfahren kann z. B.
im Apparatebau, im Fahrzeugbau, insbesondere Automobilbau,
eingesetzt werden. Man kann auch beispielsweise dünne Folien
verlöten.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung erläu
tern, ohne sie in ihrem Umfang einzuschränken.
3 mm dicke Aluminiumplatten (100 × 20 mm) wurden an der Füge
stelle mit Kaliumfluoraluminat (Nocolok) auf Basis von KalF4
und K2AlF5 beschichtet. Als Schutzgas wurde Argon und als
Laser ein CO2-Laser (Typ OPL 1800) verwendet.
Laserspaltbreite: 2 mm
Lötdauer: 0,2 s bis 1 s
Vorschubgeschwindigkeit: 50 bis 70 mm/min.
Lötdauer: 0,2 s bis 1 s
Vorschubgeschwindigkeit: 50 bis 70 mm/min.
Versuchsdurchführung analog Beispiel 1, wobei die Fügestellen
mit K2SiF6 beschichtet wurden.
Die metallografischen Untersuchungen der Fügestellen zeigen,
daß die kristalline Struktur der Fügestelle sehr viel feiner
ist im Vergleich zum herkömmlichen Flammlöten.
Claims (8)
1. Verfahren zum Laserstrahllöten von Aluminiumlegierun
gen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügestellen mit einem
Laserenergie absorbierenden Mittel beschichtet werden.
2. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß als Laserenergie absorbierendes
Mittel zum Aluminiumlöten geeignete Flußmittel, Flußmittel
pasten oder Flußmittelmetallpulvermischungen verwendet wer
den.
3. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als Flußmittel Cäsiumfluoroalumi
nat-, Kaliumfluoroaluminatflußmittel oder deren Gemische mit
Al/Si-, Al/Zn- oder Si-Pulver verwendet werden.
4. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß als Flußmittel K2SiF6, KZnF,
CsSiF oder deren Gemische verwendet werden.
5. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Metallober
fläche 3 bis 50 g/m2 beträgt.
6. Verfahren zum Laserstrahllöten von Aluminiumlegierun
gen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß magne
siumhaltige Aluminiumlegierungen gelötet werden.
7. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß lotplattierte Aluminiumlegierun
gen gelötet werden.
8. Verfahren zum Laserstrahllöten nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile aus Aluminium mit Bau
teilen aus anderen Metallen, z. B. Stahl, Kupfer, Eisen,
Titan, zusammengefügt werden.
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