DE102006035765A1

DE102006035765A1 - Verfahren und Anordnung zum Erzeugen einer Löt- oder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102006035765A1
Application number: DE102006035765A
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Dr.-Ing. Bergmann; Johannes Prof. Dr. rer. nat. Wilden; Simon Dipl.-Ing. Jahn; Markus Dipl.-Ing. Dolles (FH)
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-01-24
Also published as: WO2008009670A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erzeugen einer Löt- oder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen, insbesondere metallischen Werkstoffen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, von denen mindestens eines eine niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung besitzt, zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird die auf den metallischen Bauteilen vorhandene niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung als Lotwerkstoff verwendet, wobei die notwendige Energie zum Aufschmelzen dieser Schicht und der resultierenden Löt- bzw. Diffusionsverbindung von einer reaktiven nanokristallinen Schicht oder Folie gezielt und örtlich begrenzt in der Fügestelle zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erzeugen einer Löt- oder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen, insbesondere metallischen, Werkstoffen, die aus Funktionsgründen mit niedrigschmelzenden Beschichtung versehen sind.
Das Verbinden (Fügen) von metallischen Werkstoffen, die mit einer niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung überzogen sind, führt bei den konventionellen schmelzflüssigen Verfahren oftmals zu Problemen. Beim schmelzmetallurgischen Fügen kommt es beispielsweise zum Aufschmelzen und Verdampfen der funktionellen Beschichtungen, woraus die Bildung von Poren und das Auftreten von Spritzern resultieren. Dies trifft sowohl für das Schweißen als auch das Löten zu. So führt beim Hartlöten die hohe Arbeitstemperatur, die im Vergleich zum Schweißen wesentlich geringer ist, ebenfalls zum Aufschmelzen und Verdampfen der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung, z.B. auf Zinkbasis. Im Bereich der Schweiß- oder Lötstelle entsteht somit eine beschichtungsfreie und ungeschützte blanke Metalloberfläche.
Wird die Funktionsbeschichtung als Korrosionsschutz eingesetzt, so kann im Falle von Zink theoretisch noch durch die anodische Wirkung der verbleibenden Schicht der Grundwerkstoff geschützt werden. In der Praxis wirken diese Fehlstellen aber meist als mögliche Korrosionsstellen.
Derzeit kommt für das Fügen derartiger Werkstoffe verstärkt das Löten durch die Lasertechnik bzw. neuartige Kurzlichtbogentechnik zum Einsatz. Die dazu eingesetzten Zusatzwerkstoffe basieren derzeit meist aus Kupfer- oder Aluminium-Basis und führen aufgrund ihrer hohen Verarbeitungstemperatur, die meist über der Verdampfungstemperatur der Funktionsbeschichtung liegt, zu einer Verletzung bzw. Zerstörung dieser.
Einzig neuartige hochdynamisch geregelte Kurzlichtbogenprozesse sind in der Lage, derartige beschichtete Werkstoffe ohne signifikante Verletzung der Schutzschicht zu fügen. Bei verzinkten Stahlwerkstoffen kommen dabei Zink-Aluminium-Lotwerkstoffe zum Einsatz, die mit anderen Verfahren nicht oder nur bedingt verarbeitet werden können. Durch den geringen Schmelzpunkt dieser Lotwerkstoffe und die geringe Verarbeitungstemperatur ist es möglich, eine Verletzung der Schutzschicht zu verhindern. Bei der Bearbeitung muss jedoch die zu fügende Stelle immer direkt zugänglich sein, da die Lichtbogenwirkung nur durch einen direkten Kontakt gegeben ist. Verdeckte Stellen, wie sie beispielsweise im Fall von Überlappverbindungen auftreten können an dieser Stelle sowohl mit der Lasertechnik als auch mit der Lichtbogentechnik nicht vollflächig verbunden werden. Die Spaltfüllung dieser Verfahren ist zu gering. Die Festigkeit der Verbindung kann somit nur durch eine Überwölbung der Naht erreicht werden (s. 1). Zudem kommt es durch die ausgeprägte Energieeinbringung zur thermischen Beeinflussung der Grundwerkstoffe und somit zur Reduktion der mechanischen Festigkeit und zur Verschlechterung der technologischen Eigenschaften in einem relativ weiten Bereich neben der Naht. Darüber hinaus wird bei derartigen Prozessen auf Grund des hohen Wärmeeintrages die Zinkschicht vollständig aufgeschmolzen.
Um die jeweilige Werkstoffoberfläche ausreichend zu aktivieren kommen vielmals aggressive Flussmittel in Pastenform zum Einsatz. Diese müssen nach dem Fügeprozess rückstandslos entfernt werden, um einen weiteren Korrosionsangriff zu verhindern. Zudem führen die als Flussmittel zur Anwendung kommenden Substanzen aus umweltpolitischer Sicht sowohl beim eigentlichen Bearbeiter, als auch bei der anschließenden Entsorgung zu Problemen und sollen demzufolge nach Möglichkeit vermieden werden.
Aufgabe des vorgestellten Verfahrens und der dazugehörigen Anordnung ist es deshalb, ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen aus gleichem oder unterschiedlichen Werkstoffen, von denen mindestens eines eine niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung besitzt, zu erzeugen.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe verfahrensseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und anordnungsseitig mit den Merkmalen des achten Patentanspruches.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen zwei bis sieben gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Typische Lötverbindung, ohne Fliessen des Lotes in den Spalt
2 mögliche Ausführungsbeispiele zum Fügen mit einer strukturierten reaktiven nanokristallinen Folie
3 mögliche Anordnung, bei der eine Anbindung durch Benetzung bzw. Wechselwirkung der Funktionsbeschichtung mit einer exotherm reagierenden Folie erfolgt
4 prinzipielle erfindungsgemäße Anordnung
Erfindungsgemäß wird die auf dem/den metallischen Bauteilen vorhandene niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung als Lotwerkstoff verwendet, wobei die notwendige Energie zum Aufschmelzen dieser Schicht und der resultierenden Löt- bzw. Diffusionsverbindung von einer reaktiven nanokristallinen Schicht oder Folie gezielt und örtlich begrenzt in der Fügestelle zur Verfügung gestellt wird. Diese nanokristalline Schicht oder Folie kann beliebig konturiert sein, so dass ein Fliessen der aufgeschmolzenen Funktionsschicht und eine metallurgische Anbindung erreicht werden (s. 2). Folglich werden keine zusätzlichen Flussmittel und/oder weitere Zusatzwerkstoffe, wie beim Löten üblich, in diesem Fügeprozess benötigt.
Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass die niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung nur teilweise und nicht vollständig aufgeschmolzen wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren bleibt die Funktionsbeschichtung auf den zu fügenden Bauteilen erhalten und wird nicht zerstört.
Die Bauteile werden sowohl im Stumpf- als auch im Überlappstoß aneinandergepresst, nachdem die exotherm reagierende nanokristalline Schicht oder Folie dazwischen positioniert wurde. Nach dem Starten der exothermen Reaktion wird die Fügezone aufgrund der durchlaufenden Reaktionsfront kurzzeitig lokal stark erwärmt. Während die reaktive nanokristalline Schicht oder Folie selbst im festen Zustand verbleibt, können Bereiche der Funktionsbeschichtung aufgeschmolzen und entweder die exotherme Folie benetzen, mit dieser Wechselwirken, oder durch eine angepasste Strukturierung der Folie eine Anbindung mit dem zweiten Bauteil erreichen. Die Funktionsbeschichtung dient dabei als "in-situ" erzeugter Lot- oder Zusatzwerkstoff. Die Zeitspanne, in welcher sich der Lot- oder Zusatzwerkstoff in der schmelzflüssigen Phase befindet, liegt dabei im Millisekundenbereich. Der Funktionsbeschichtung kommt somit neben der eigentlichen Funktion, wie beispielsweise dem Korrosionsschutz, eine weitere Aufgabe zu. Diese besteht darin, das Ausbilden der Löt- und/oder Diffusionsverbindung zu fördern.
Fügeverfahren, bei denen die bereits vorhandenen, niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung als Lot- oder Zusatzwerkstoff verwendet werden, sind derzeit nicht bekannt. Dies liegt zum einen in der Tatsache begründet, dass es derzeit nicht möglich ist, die Energie zum Schmelzen der Funktionsbeschichtung direkt in die Fügestelle (und hier lokal auf die Oberfläche begrenzt) einzubringen, wenn diese nicht direkt zugänglich ist, ohne dabei das Substratmaterial zu erwärmen und dieses thermisch zu beeinflussen. Induktionserwärmung oder das Widerstandsschweißen führen zwangsläufig zu einer Veränderung des Werkstoffgefüges über einen größeren Bereich des Bauteils und zur Verletzung der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung an der elektrodenzugewandten Seite. Die Veränderung des Werkstoffgefüges führt beispielsweise zu einer Verschlechterung des mechanisch- technologischen Eigenschaftsprofils. Die Dicke der Funktionsbeschichtung beträgt z.B. bei verzinkten Stahlwerkstoffen 5 bis 200-300 μm, so dass ein ausreichendes Lotreservoir vorliegt.
Zwischenschichten aus nanokristallinen reaktiven Werkstoffen bieten einen neuartigen Lösungsansatz für die gezielte Zufuhr der Wärme. Insbesondere eignen sich derartige Zwischenschichten für das lokale Erwärmen der Bereiche, die nicht direkt zugänglich sind.
Eine derartige Zwischenschicht für das Fügen stellen so genannten Nanofoils^® ( US 6 991 856 B2 ) dar. Dabei werden aus abwechselnd aufgebrachten 25 bis 90 nm dicken Al bzw. Ni-Schichten (oder Al/Ti, Ni/Si, Nb/Si) hergestellte Folien (d = 40-180 μm) zwischen zwei zu fügende Bauteile, die aus völlig unterschiedlichen Materialien bestehen können (z.B. SiC und Ti-6-4), gebracht. Die negative Bildungsenthalpie der entstehenden Al-Ni-Phasen führt bei abgesenkter Schmelztemperatur zum Aufschmelzen der Nanofolien. Durch die Variation von Dicke und Zusammensetzung der Folien bzw. Schichten kann die Temperatur, die Geschwindigkeit (bis zu 30 m/s) und die absolute Energie des Fügeprozesses gesteuert werden. Auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit und der niedrigen Wärmekapazität in der Fügezone bleiben die Bauteile „kalt". Der Verwendung dieser Zwischenschichten aus nanokristallinen reaktiven Werkstoffen als Lotfolien wird in dieser Patentschrift beschrieben, wobei an dieser Stelle entweder die Lotfolien in einem separaten zusätzlichen Arbeitsschritt positioniert werden oder auf die reagierende Folie aufgebracht werden.
Über das Ausnutzen der auf einem zu fügenden Bauteil bereits vorhanden niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung wird nicht berichtet. Bei dem in der US 6 991 856 B2 vorgestellten Verfahren stellt die Bereitstellung der Lötschmelze immer einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar. Durch das in der US 6 991 856 B2 vorgeschlagene Verfahren ist es möglich, die notwendige Wärme im direkten Kontaktbereich zur Verfügung zu stellen, ohne dabei den eigentlichen Bauteilwerkstoff in weiten Bereichen thermisch zu beeinflussen. Makroskopisch kann hier von einem „kalten" Schweißen gesprochen werden. Durch die geringen Abmessungen der Folie resultiert aus der exothermen Reaktion ein feinkörniges Gefüge, dass zu keiner negativen Beeinflussung der mechanischen und technologischen Eigenschaften der Fügeverbindung führt. Die notwendige Aktivierungsenergie für den Reaktionsprozess wird derzeit meist durch einen lokalen Kurzschluss an der Folie realisiert, wodurch die notwendige Energiedichte überschritten und dadurch die Reaktion ausgelöst wird.
Das neuartige, erfindungsgemäße Fügeverfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass Bauteile aus insbesondere metallischen Werkstoffen, von denen mindestens eines mit einer niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung (z.B. verzinkter Stahlwerkstoff/verzinkter Stahlwerkstoff bzw. verzinkter Stahlwerkstoff/Aluminium oder verzinkter Stahlwerkstoff/Magnesium) versehen ist, durch den Einsatz von reaktiven nanokristallinen Schichten oder Folien, die eingelegt oder direkt auf die zu fügenden Bauteile aufgebracht werden, gefügt werden können. Die hervorgerufene exotherme Reaktion stellt die örtliche Wärmequelle dar und liefert die notwendige Energie zum Ausbilden einer Verbindung zwischen der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung und der nanokristallinen Schicht oder Folie oder durch geeignete Strukturierung der nanokristallinen Schicht oder Folie zwischen den Funktionsbeschichtungen der Bauteile (über die Fläche der Aussparung kann die Verbindungsfläche ermittelt werden), ohne dabei das Gesamtbauteil thermisch zu beeinflussen. Die aufgeschmolzene Funktionsbeschichtung wird dabei direkt als "in-situ" erzeugter Lotwerkstoff genutzt, ohne dass eine zusätzliche Werkstoffzufuhr vor bzw. während des Prozesses von außen erfolgt. Durch die geringe Dicke der reaktiven nanokristallinen Schicht oder Folie können Fügeverbindungen realisiert werden, die nur eine minimale Erhöhung im Bereich der Fügestelle aufweisen.
Für die Aktivierung der reaktiven nanokristallinen Schicht oder Folie kann beispielsweise eine rasche Widerstandserwärmung über eine elektrischen Stromfluss genutzt werden. Hierzu reichen jedoch im Vergleich zum Widerstandspunkt- bzw. -buckelschweißen deutlich geringere Stromstärken aus, so dass Gefügeveränderungen im Werkstoff oder das Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung zur elektrodengewandte Seite vermieden wird. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, über die Kontaktstellen für die Zuführung des notwendigen Stromes, den erforderlichen Anpressdruck aufzubauen.
Die durch den Stromimpuls und die rasche Widerstandserwärmung ausgelöste Reaktion der nanokristallinen Schicht oder Folie dient als Energiezufuhr und führt zum oberflächlichen Aufschmelzen der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung der zu fügenden Bauteile, wodurch eine thermische Beeinflussung des restlichen Bauteilwerkstoffes verhindert werden kann. Bedingt durch die kurze Reaktionszeit und die geringe Energiezufuhr kommt es zur ausgeprägten Abkühlraten und zu sehr kurzen Reaktionszeiten, was eine Bildung von intermetallischen Phasen an der Kontaktstelle verhindert und somit einer Versprödung der Fügestelle entgegenwirkt.
Darüber hinaus kann in Abhängigkeit der erzeugten Wärme und der Dicke der Funktionsbeschichtung das Aufschmelzen auf die Gesamtdicke begrenzt werden, so dass von einem verletzungsfreien Fügen der Bauteile ausgegangen werden kann.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Löt- oder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen in Überlapp-, Stumpf- oder T-Stoßanordnung, bei dem mindestens ein Bauteil auf der dem anderen Bauteil zugewandten Oberfläche eine niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung aufweist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Bauteile eine reaktive nanokristalline Schicht oder Folie positioniert wird und durch Ausnutzung von Größeneffekten und/oder Auslösung einer exothermen Reaktion der nanokristallinen Schicht oder Folie an der Fügestelle Energie zum Aufschmelzen der als Lot- oder Zusatzwerkstoff dienenden Funktionsbeschichtung erzeugt wird und die Verbindung der Bauteile durch Benetzung und Wechselwirkung des Lot- oder Zusatzwerkstoffes mit der nanokristallinen Folie oder Schicht und unter Einwirkung eines Fügedruckes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Strukturierung der reaktiven nanokristallinen Folie oder Schicht eine direkte Verbindung der Bauteile realisiert wird, wobei die Größe der Verbindungsfläche abhängig ist vom Muster der Strukturierung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion der nanokristallinen Schicht oder Folie nur im Fügebereich ausgelöst wird, so dass der oder die Bauteilwerkstoffe thermisch nicht beeinflusst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion der nanokristallinen Schicht oder Folie durch einen konzentrierten Stromfluss und eine dadurch bedingte schnelle Widerstandserwärmung ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung durch Zuführung zusätzlicher Energie steuerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der notwendige Fügedruck über die Kontaktstellen für die Stromzufuhr aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der notwendige Fügedruck über eine Anpressvorrichtung aufgebracht wird.
Anordnung zur Realisierung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den zu verbindenden Bauteilen eine reaktive nanokristalline Schicht oder Folie, die durch Ausnutzung von Größeneffekten und/oder in Folge einer exothermen Reaktion Energie freisetzt, befindet.