SB_14.816NLP

2008
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Optimierte örtliche und
zeitliche Pulsformung
beim Laserstrahl-
Mikroschweißen von
Kupfer-Aluminium-
Verbindungen mit
metallischen
Beschichtungen

Optimierte örtliche und zeitliche
Pulsformung beim Laserstrahl-
Mikroschweißen von Kupfer-
Aluminium-Verbindungen mit
metallischen Beschichtungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 14.816 N
DVS-Nr.: 10.047
BLZ Bayerisches Laserzentrum GmbH
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.816 N / DVS-Nr.: 10.047 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2008 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 122
Bestell-Nr.: 170231
ISBN: 978-3-96870-121-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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FORSCHUNGSVEREINIGUNG SCHWEISSEN UND VERWANDTE VERFAHREN E.V. DES DVS
1 Gliederung des Abschlussberichts
1 Gliederung des Abschlussberichts................................................................................3
2 Forschungsthema.........................................................................................................4
3 Zusammenfassung .......................................................................................................4
4 Motivation des Forschungsvorhabens und Stand der Technik .....................................5
5 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg..................................................................8
5.1 Forschungsziel ......................................................................................................8
5.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels.................................................8
5.3 Zeitplan über das Arbeitsprogramm ....................................................................12
6 Ergebnisse der einzelnen Arbeitspakete ....................................................................13
6.1 Vorauswahl von Zusatzwerkstoffen (AP1)...........................................................13
6.2 Auswahl relevanter Fügegeometrien (AP2).........................................................15
6.3 Ermittlung von Prozessparametern und Prozessgrenzen (AP3)..........................16
6.4 Optimierung der Zwischenschichten und Pulsformen (AP4) ...............................20
6.5 Metallographische Charakterisierung des Gefüges (AP5)...................................29
6.6 Erweiterte Untersuchungen statischer und dynamischer Eigenschaften (AP6)...37
6.7 Untersuchung der Langzeitstabilität (AP7) ..........................................................39
6.8 Qualifizierung des Korrosionsverhaltens (AP8) ...................................................48
7 Bibliographische Daten...............................................................................................52
ABSCHLUSSBERICHT ZUM VORHABEN AIF 14816 N 3

FORSCHUNGSVEREINIGUNG SCHWEISSEN UND VERWANDTE VERFAHREN E.V. DES DVS
Die Untersuchungen zur Langzeitstabilität und Korrosionsbeständigkeit der erzeugten
Verbindungen zeigen Möglichkeiten zum industriellen Einsatz der ermittelten Parameter
auf.
4 Motivation des Forschungsvorhabens und Stand der
Technik
Leistungselektronische Komponenten und Systeme gewinnen nicht erst seit der
Diskussion um „Drive by Wire“ zunehmend an Bedeutung. Die Leistungselektronik ist ein
fester Bestandteil unserer heutigen Produktwelt. Jeder Computer, Monitor oder Fernseher
beinhaltet Leistungselektronik. Traditionell werden verlustarme Stromleitungen und eine
gute Wärmeabfuhr in diesem Bereich mittels Kupfer und Kupferlegierungen realisiert. Als
Fügeverfahren hat sich für diese Werkstoffgruppe in vielen Bereichen das Laserstrahl-
Mikroschweißen fest etabliert. Obwohl gerade hochreflektierende und gut wärmeleitende
Materialien wie Kupfer für den Laser vergleichsweise schwierig zu bearbeiten sind, ist der
Laser aufgrund seiner Flexibilität und Zuverlässigkeit oft das Werkzeug der Wahl. Zudem
zeichnen sich lasergeschweißte Verbindungen durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit
und eine exzellente, nur durch die Schmelztemperatur der Fügepartner begrenzte
Temperaturbeständigkeit aus.
Angesichts des steigenden Kostendrucks wird nun verstärkt über den Einsatz von
kostengünstigeren und gewichtsreduzierenden Aluminiumwerkstoffen in der
Leistungselektronik nachgedacht. Daher gewinnt die Werkstoffkombination Kupfer-
Aluminium vor allem im Hochleistungsbereich des Kraftfahrzeuges (z. B. im Zünd-,
Anlasser- und Motormodul) zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend führt zu einer neuen
Herausforderung für die Fügetechnik – der zuverlässigen Verbindung von Aluminium und
Kupfer. Schweißungen zwischen Aluminium (Al) und Kupfer (Cu) sind durch
Laserstrahlschweißen bislang nur mit unbefriedigender Qualität herzustellen. Die stark
unterschiedlichen physikalischen, thermischen und metallurgischen Eigenschaften führen
zu vielfältigen Schwierigkeiten bei der Prozessführung. Die Qualität der Fügestellen wird
durch die Bildung von harten und spröden intermetallischen Phasen beeinträchtigt, die
sich nicht nur auf die mechanischen sondern auch auf die elektrischen Eigenschaften der
Verbindung negativ auswirken.
Als Zielsetzung soll dieses Forschungsprojekt Strategien entwickeln, um die Ausbildung
der unerwünschten intermetallischen Phasen beim Laserstrahl-Mikroschweißen von
Kupfer mit Aluminium zu minimieren und damit die Duktilität der Verbindung zu erhöhen.
Ansatzpunkte sind die Optimierung der örtlichen und zeitlichen Pulsformung der
Laserstrahlung und die Verwendung von Zusatzwerkstoffen in Form von Folien und
Beschichtungen. Insgesamt soll die Anzahl und das Gesamtvolumen der intermetallischen
Phasen im Schweißgut reduziert und damit eine höhere Duktilität der Verbindung
hergestellt werden. Ferner gilt es, das Gefüge der hergestellten Kupfer-Aluminium-
Schweißungen zu charakterisieren, deren mechanische Eigenschaften zu ermitteln sowie
deren Langzeitstabilität zu untersuchen.
ABSCHLUSSBERICHT ZUM VORHABEN AIF 14816 N 5

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Stand der Technik
Bedingt durch sehr große Unterschiede in den physikalischen und chemischen
Eigenschaften, wie beispielsweise der Schmelztemperatur, der thermischen Ausdehnung
und der Wärmeleitfähigkeit, handelt es sich bei Kupfer und Aluminium um sog.
artungleiche Metalle. Beim Schweißen von diesen Werkstoffen müssen spezielle
konstruktive und prozesstechnische Maßnahmen getroffen werden, um Schweißfehler wie
z. B. Rissbildung infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnung oder
Werkstoffsegregation aufgrund unterschiedlicher Schmelztemperaturen zu vermeiden. Ein
besonders wichtiges Problem stellt die geringe metallurgische Verträglichkeit (Affinität) von
Kupfer zu Aluminium dar. Infolgedessen kommt es beim Schmelzschweißen der beiden
Werkstoffe zur Bildung einer ganzen Reihe von intermetallischen Phasen, die im binären
System Kupfer-Aluminium typischerweise hart und spröde sind und eine deutliche
Verschlechterung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Fügeverbindung
zur Folge haben [1-4, 7].
Aus diesem Grund werden zum Fügen der Werkstoffpaarung Cu-Al bisher meist
Verbindungstechniken wie Walzplattieren, Explosionsschweißen, Reibschweißen und
Ultraschallschweißen sowie Widerstandschweißen eingesetzt. Bei diesen Verfahren
entsteht die Verbindung quasi schmelzefrei, so dass die metallurgischen Diskrepanzen der
artungleichen Grundwerkstoffe Kupfer und Aluminium nur geringfügig bzw. nicht zum
Tragen kommen [4, 6, 12]. Allerdings können die Verfahren nur wenige Anwendungen
abdecken, da Flexibilität, Vielfalt der Fügegeometrien und das Miniaturisierungspotential
begrenzt sind.
Eine Alternative zu den genannten Fügeverfahren stellen Schmelzschweißverfahren dar.
Vor allem das Elektronenstrahlschweißen bietet dabei die Möglichkeit, die zum
Aufschmelzen benötigte Energie präzise und kontrolliert einzubringen, und so die
Schmelzrate und den Durchmischungsgrad exakt zu steuern [3, 5, 9]. Darüber hinaus lässt
sich aufgrund sehr großer Temperaturgradienten in der Fügestelle eine partielle
Unterdrückung von spröden intermetallischen Phasen erzielen. Wirtschaftlichkeit und
industrielle Einsetzbarkeit des Verfahrens sind aber für die meisten Fügeanwendungen
der Automobilelektronikproduktion nur eingeschränkt gegeben. Unter diesen
Gesichtspunkten weist das Laserstrahlschweißen klare Vorteile gegenüber dem
Elektronenstrahlschweißen auf.
Neuartige gepulste Festkörperlaser mit guter Strahlqualität und schneller
Leistungsregelung bieten mittlerweile ebenfalls die Möglichkeit einer präzisen Kontrolle der
eingebrachten Strahlungsenergie. Im Vergleich zu im cw-Betrieb emittierenden
Schweißlasern ist die Anzahl steuerbarer Laserparameter deutlich größer. Die
Möglichkeiten zur schnellen Modulierung der Laserleistung während eines kurzen
Einzelpulses gewährleisten eine bessere Steuerbarkeit der Energieeinbringung und der
Schmelzbaddynamik einschließlich der Konvektions-, Abkühlungs- und
Erstarrungsvorgänge. Dadurch können unter anderem eine signifikante Reduzierung der
Temperatur in der Schweißzone und eine Verringerung der Schmelzbaddynamik sowie die
Erzeugung von sehr steilen Temperaturgradienten beim Erstarren des Schmelzbades
erzielt werden, die für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Schweißverbindungen
an artungleichen Materialien anzustreben sind. Ein weiterer Vorteil von gepulsten Lasern
liegt in den hohen erzielbaren Leistungsdichten durch hohe Pulsspitzenleistungen, die
eine zuverlässige Einkopplung auch in hochreflektierende Werkstoffe wie Aluminium und
Kupfer sicherstellen [13, 14].
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Ein wichtiger Aspekt beim Schweißen artungleicher Metalle ist der Einsatz von
Zusatzwerkstoffen zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften. Wie aus der Makro-
Fügetechnik bekannt ist, können die Zusatzwerkstoffe beispielsweise in Form von Draht
oder Einlegeschichten zugeführt und zur Herstellung einer Zwischenpufferlage, die mit den
beiden Fügematerialien metallurgisch kompatibel ist, verwendet werden. Auch im Fall der
Werkstoffpaarung Kupfer-Aluminium kann die Bildung störender intermetallischer Phasen
beim Schmelzschweißen durch Zusatzwerkstoffe reduziert werden. Ansatzpunkte ergeben
sich diesbezüglich durch den Einsatz von Werkstoffen wie Nickel, Silber und Zinn. Nickel
und Silber begünstigen die Mischkristallbildung im binären System Kupfer-Aluminium, die
Verwendung von Zinn führt zur Bildung eines eutektischen Systems mit Aluminium, in
welchem nahezu keine intermetallischen Phasen entstehen [3, 5, 8-11].
Bisher fehlen jedoch fundierte Untersuchungen zum laserbasierten, stoffschlüssigen
Fügen von Kupfer und Aluminium sowie die zugehörigen Untersuchungen zur
Langzeitstabilität und zum Korrosionsverhalten der Verbindungen.
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