Laserstrahlhartlöten von Aluminium

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1 Fügetechnik, Laserbearbeitung, Leichtbau Laserstrahlhartlöten von Aluminium Aktuelle Fragestellungen und Lösungsansätze F. Klocke, A. Castell-Codesal, P. Senster Inhalt Beim Hartlöten entsteht eine stoffschlüssige Verbindung durch die Diffusion der Elemente des Lotwerkstoffs im Grundwerkstoff. Beim Löten von Aluminiumwerkstoffen treten, bedingt durch die Werkstoffeigenschaften der Legierungen, Schwierigkeiten auf, die beim Einsatz von konventionellen Lötverfahren nicht komplett überwunden werden können. Das Laserstrahlhartlöten bietet eine Alternative. Die aktuellen Aufgaben und Ergebnisse aus Forschungsvorhaben zum Laserstrahllöten werden vorgestellt und diskutiert. Laser brazing of aluminum Current questions and approaches Abstract Brazing forms a positive substance joint which is caused by the diffusion of the solder elements into the base material. Brazing aluminum still causes problems which cannot be solved by conventional brazing procedures. This is due to the specific characteristics of the alloys. Laser beam brazing offers an alternative. This report includes a presentation of current tasks for laser beam brazing as well as a summary of discussions on results obtained from related projects. 1 Einleitung Bild 1. Laserstrahlhartlöten von Aluminium bindung ab, kann jedoch in vielen Fällen die Festigkeit von Schweißverbindungen oder sogar die der Grundwerkstoffe erreichen [2]. Das Hartlöten besitzt insbesondere in Kombination mit dem Werkzeug Laser (Bild 1) sowohl eindeutige Potentiale für das Fügen dünnwandiger Komponenten als auch für Verbindungen mit angrenzenden temperaturempfindlichen Bauteilen. Außerdem können mit dem Laser deutlich höhere Prozessgeschwindigkeiten als mit konventionellen Lötverfahren erreicht werden. Ebenfalls ergibt sich beim Laserstrahllöten ein erhebliches Potential für Kosteneinsparungen. Dies ist begründet in dem geringen Nachbearbeitungsaufwand der glatten Lötnähte sowie der Möglichkeit auf das Richten verzichten zu können, da der Einfluss des thermischen Verzugs zu vernachlässigen ist. Der Laserlötprozess ergibt außerdem eine über das Bauteil gleichbleibende hohe Nahtqualität (Bild 2), [3 5]. Bereits an einem breiten Werkstoffspektrum ist die Technologie des Laserstrahlhartlötens entwickelt worden. Im Bereich der Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, Magnesium und Titan sind jedoch noch einige Aspekte zu erforschen. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT laufen zurzeit mehrere sowohl öffentlich als auch von der Industrie finanzierte Forschungsvorhaben zu den prozesstechnischen Fragen im Bereich des Laserstrahllötens dieser drei Werkstoffsysteme. Dieser Fachbeitrag befasst sich mit dem Laserstrahllöten von Aluminium und seinen Legierungen [6]. Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke, Dipl.-Ing. Andrés Castell-Codesal, Dipl.-Phys. Pierre Senster Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Steinbachstr. 17, D Aachen Tel. +49 (0)241 / , Fax +49 (0)241 / f.klocke@ipt.fraunhofer.de oder a.castell@ipt.fraunhofer.de oder p.senster@ipt.fraunhofer.de Internet: 2 Löten Der eigentliche Lötmechanismus beruht auf der Diffusion eines flüssigen Lots in einen Grundwerkstoff. Dabei werden atomare Kräfte wie Adhäsion und Kohäsion wirksam. Beim Überschreiten einer Aktivierungstemperatur kommt es an den Grenzen zwischen Lot und Bauteil zur Bildung einer Legierung, die eine dichte und feste Verbindung bewirkt. Dabei Löten ist nach DIN 8505 ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lots oder durch Diffusion an den Grenzflächen entsteht. Dabei wird die Solidustemperatur des Grundwerkstoffs nicht erreicht. Das Löten bietet damit gegenüber dem Schweißen den Vorteil, dass die Arbeitstemperatur niedriger und der Bauteilverzug durch thermische Spannungen geringer ist. Darüber hinaus wird die Qualität der Verbindung hinsichtlich der Nahtdichtheit durch das Hartlöten besser gewährleistet [1]. Je nach Liquidustemperatur der Lote werden die Lötverfahren in Weich- und Hartlöten eingeteilt. Beim Verwenden von Loten mit einer Schmelztemperatur unter 450 C spricht man vom Weichlöten, über 450 C von Hartlöten. Liegt beim Hartlöten die Schmelztemperatur des Lots über 900 C, so wird das Löten als Hochtemperaturlöten bezeichnet. Bei Weichlötverbindungen stehen dichtende oder elektrisch leitende Eigenschaften im Vordergrund. Wenn Festigkeitsanforderungen erfüllt werden müssen, sind zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu treffen. Die Festigkeit hartgelöteter Verbindungen hängt in erster Linie von der Konstruktion der Verwt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

2 wird lediglich das Lot aufgeschmolzen, nicht aber der Grundwerkstoff. Aufgrund der relativ hohen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten beim Laserstrahlhartlöten können ähnlich dem Laserschweißen relativ schmale Lötnähte erzeugt werden. Das Volumen des Diffusionsbereichs und die örtliche Konzentration der Elemente des Lots im Grundwerkstoff charakterisieren die Verbindung. Diese Charakteristika werden unter Berücksichtigung der erforderlichen Lotvolumina prozesstechnisch von der örtlichen und zeitlichen Temperaturverteilung sowohl im flüssigen Lot- als auch im Grundwerkstoff beeinflusst [4]. Der Ablauf eines Lötprozesses kann damit in fünf Kernprozesse unterteilt werden: a) Aufheizen der Fügepartner und des Lots bis zur Schmelztemperatur des Lots, b) Aufschmelzen des Lots und weiteres Aufheizen der Fügepartner bis zur Aktivierungstemperatur des Flussmittels, c) Benetzung der Fügepartner durch das flüssige Lot, d) Aufrechterhalten der Löttemperatur während des Diffusionsprozesses sowie e) Abkühlung der Lötstelle nach der Lasereinwirkdauer. Bild 2. Laserstrahlhartlöten kombiniert die Vorteile konventioneller Hartlötverfahren und des Laserstrahlschweißens 3 Die Lötmöglichkeiten von Aluminium Aluminium, das nach Stahl am häufigsten verwendete Metall, ist ein vielfältig eingesetzter Werkstoff. Neben den günstigen werkstofflichen Eigenschaften wie niedriges spezifisches Gewicht, gute Umformbarkeit sowie hohen Festigkeiten bei guter Wärmeleitfähigkeit hat Aluminium aufgrund des hervorragenden Recyclingverhaltens und der Wiederverwertbarkeit große Vorteile gegenüber Stahl. Durch die Vielfalt seiner Eigenschaften und der Möglichkeit, diese gezielt zu kombinieren, findet Aluminium zunehmend Verwendung im Bereich der Verkehrstechnik, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobil-, Schienenfahrzeug- und Schiffbau. Darüber hinaus werden Aluminiumwerkstoffe zunehmend von vielen klein- und mittelständischen Unternehmen im Bereich des Wärmetauscher-, Behälter- und Fensterbaus sowie in der Verpackungsindustrie eingesetzt. Die Vorteile der Werkstoffeigenschaften von Aluminiumlegierungen im Einsatz sind jedoch nachteilig bei der löttechnischen Verarbeitung. Um das zu demonstrieren sind in Bild 3 die Eigenschaften von Aluminium im Vergleich zu denen von Eisen dargestellt [7]. In Anbetracht dieser Werkstoffeigenschaften und in Kombination mit den ersten beiden Kernprozessen Aufheizen der Fügepartner sowie Aufschmelzen des Lots und weiteres Aufheizen der Fügepartner bis zur Aktivierungstemperatur des Flussmittels fällt die relativ niedrige Schmelztemperatur des Aluminiums auf, die bei Bild 3. Physikalische Größen von Eisen und Aluminium im Vergleich Bild 4. Arbeitstemperaturen beim Löten von Aluminiumlegierungen wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

3 Aluminiumlegierungen sogar noch niedriger ist. Hinzu kommt, dass die Schmelztemperatur der verfügbaren Aluminiumbasislote, wenn überhaupt, nur geringfügig niedriger als die des Grundmaterials ist. Das Temperaturfenster zum prozesssicheren Löten ist damit schmal (Bild 4). Da der Laser jedoch exzellent zu steuern und die Energieeinbringung gut definierbar ist, lassen sich die Arbeitstemperaturen in diesem Temperaturfenster relativ genau einstellen und kontrollieren. Aufgrund der typischen hohen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten ist beim Laserstrahllöten keine homogene Temperaturverteilung im Bauteil vorhanden. Daher sind die Prozessfenster, bedingt durch die hohe Wärmeleitfähigkeit sowie Wärmekapazität, nur klein. In Kombination mit den schmalen Temperaturbereichen ist somit das Löten nur an bestimmten Nahtgeometrien und Bauteilstärken möglich. Parallel zu der prozesstechnischen Weiterentwicklung muss auch die Werkstoffentwicklung betrachtet werden. Aus diesem Grunde kooperiert das Fraunhofer IPT intensiv mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften der RWTH Aachen, das eine hohe Kompetenz auf dem Gebiet der Lotwerkstoff- und Lötverfahrensentwicklung hat. Derzeit konzentrieren sich die Werkstoffentwicklungen auf eine Lotlegierung mit einer Löttemperatur im Bereich zwischen 550 C und 580 C. Durch die damit verbundene Absenkung der Prozesstemperatur werden aufgrund der größeren Differenz der Liquidustemperaturen von Grund- und Lotwerkstoff Anschmelzungen des Grundwerkstoffs vermieden sowie das Prozessfenster vergrößert und parallel die Prozessstabilität gesteigert [8, 9]. Aufbauend auf diesen Forschungsergebnissen ist eine weitere Lotentwicklung geplant, mit dem Ziel, Mischverbunde aus Al-Guss (AlSi10Mg) und Strangpressprofilen (AlMgSi0,7) mittels Laserstrahlfügen herzustellen. Ziel hierbei ist es, Prozesstemperaturen von 500 C bis 550 C zu erreichen, um auch Aluminiumgusswerkstoffe fügen zu können, deren Schmelztemperatur deutlich unter 600 C liegt. 4 Benetzung der Aluminiumoberfläche Als weitere Werkstoffeigenschaft von Aluminium fällt in Bild 3 die hohe Schmelztemperatur der Oxide auf. Außerdem haben Aluminiumlegierungen eine besonders ausgeprägte Oxidschicht. Als Anforderung für den dritten Kernprozess Benetzung der Fügepartner durch das flüssige Lot darf während des eigentlichen Lötprozesses an der Verbindungsstelle keine dichte Oxidschicht vorhanden sein beziehungsweise muss die Oxidschicht aufgebrochen werden. Derzeit werden hierzu überwiegend Flussmittel auf Basis hygroskopischer Chloride und Fluoride sowie nichthygroskopischer Fluoride eingesetzt. Die Wirktemperatur dieser Flussmittel liegt bei über 570 C und ist somit auf die Verwendung von konventionellen Al-Si-Loten beschränkt. Neuere Entwicklungen bieten durch die Verwendung von Cäsiumfluoriden eine auf etwa 480 C reduzierte Wirktemperatur. Weitere Möglichkeiten zum Entfernen der korrosiven Flussmittelrückstände nach dem Lötprozess sind jedoch sehr schwierig und kostenintensiv. Bei geometrisch komplexen Bauteilen ist dies teilweise sogar unmöglich. Weitere Negativkriterien sind gesundheitsschädliche Dämpfe sowie die schlechte Umweltverträglichkeit der überwiegend aggressiven Flussmittel. Bild 5. Schematische Darstellung des kombinierten Laserverfahrens zum Aktivieren der Oberfläche und Hartlöten von Aluminium Weitere Möglichkeiten zum Entfernen oder Aufbrechen der Oxidschicht basieren auf Grundlage mechanischer Wirkungsprinzipien wie Ultraschall und Reibung. Teilweise kommen auch diese Verfahren in Kombination mit Flussmitteln zum Einsatz. Die erforderlichen Einwirkzeiten der ultraschall- und reibungsbasierten Verfahren sind jedoch im Verhältnis zu den angestrebten hohen Prozessgeschwindigkeiten und damit entsprechend knappen Einwirkzeiten beim Laserfügen zu lang. Wenn bei gleichzeitiger Ausnutzung der Verfahrensmerkmale der Laserbearbeitung auf den Einsatz von großen Mengen an chemisch aggressiven Flussmitteln verzichtet werden soll, sind neue oxidentfernende Verfahren notwendig. Dazu werden am Fraunhofer IPT ausführliche Untersuchungen durchgeführt, wobei der Laserstrahl sowohl zur Aktivierung der Oberfläche und damit zur Erhöhung der Benetzung des Grundwerkstoffs mit dem Lot eingesetzt wird als auch zum Erzeugen der erforderlichen Arbeitstemperatur für den eigentlichen Lötprozess. Das Verfahrensprinzip umfasst damit zwei getrennte Laserverfahren: die Initiierung von Mikrorissen in der Aluminiumoxidhaut mittels Laser (Aktivierung der Oberfläche) sowie den Laserlötprozess. Um ein Aufreißen der Oxidschicht zu bewirken, werden mit dem ersten Laserstrahl thermische Spannungen erzeugt, die wiederum Mikrorisse in der Oberfläche zur Folge haben. Damit ergibt sich für das flüssige Lot die Möglichkeit, in die Risse und Ausbrüche einzudringen und mit dem Grundwerkstoff in Kontakt zu treten. Das Lot, das mit einem zweiten Strahl aufgeschmolzen wird, kann somit über einen Diffusionsprozess eine stoffschlüssige Verbindung herstellen. Eine schematische Darstellung des kombinierten Verfahrensprinzips ist in Bild 5 dargestellt. Hierzu kommen unterschiedliche Laserquellen mit jeweils spezifischen Eigenschaften zum Einsatz. Um der direkten Neubildung der Oxidschicht auf der Oberfläche nach ihrer Entfernung entgegenzuwirken, muss die Abfolge beider Prozesse (Initiierung von Mikrorissen, Laserlötprozess) nahezu zeitgleich erfolgen. Dies kann lediglich durch eine Bearbeitung in einem gemeinsamen Prozess gewährleistet werden. Dabei darf der örtliche Versatz in Abhängigkeit der Prozessgeschwindigkeit einen maximalen Wert nicht überschreiten, um die Zeitspanne der Abfolge möglichst klein zu halten. 5 Erhöhen der Prozessgrenzen beim Aluminiumlöten Die Bindung beim Löten kommt durch Diffusion des flüssigen Lots in den Grundwerkstoff zustande. Die Festigkeit einer wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

4 Lötverbindung wird von der Löt-/Diffusionszone bestimmt. Das Volumen des Diffusionsbereichs und die örtliche Konzentration der Elemente des Lots im Grundwerkstoff charakterisieren die Verbindung. Diese Charakteristika werden unter Berücksichtigung der notwendigen Lotvolumina prozesstechnisch von der örtlichen und zeitlichen Temperaturverteilung sowohl im flüssigen Lot- als auch im Grundwerkstoff beeinflusst. Dieses zeitliche und räumliche Temperaturfeld ist wiederum durch eine Anpassung der Laserintensitätsverteilung im Laserbrennfleck gezielt beeinflussbar. So hat die longitudinale Intensitätsverteilung Auswirkungen auf die Lasereinwirkdauer und damit auf das Diffusionsvolumen sowie die erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten. Zur Untersuchung dieses Phänomens werden am Fraunhofer IPT im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Vorhabens Versuche durchgeführt. Ziel ist, die Prozessgrenzen beim Laserstrahlhartlöten von Aluminiumlegierungen durch die gezielte Beeinflussung der Energiestromdichteverteilung im Laserstrahlarbeitsfleck zu erweitern. In laufenden experimentellen Untersuchungen wird die Lasereinwirkzeit und die -energiedisposition dadurch verändert, dass die translatorische Bewegung des Laserbrennflecks in Vorschubrichtung von einer longitudinalen Pendelbewegung des Laserbrennflecks überlagert wird. Dazu wird der Laserstrahl eines Nd:YAG-Lasers über eine Scannervorrichtung abgelenkt und die Größe der Lasereinwirkzone wird über die Amplitude der Pendelbewegung beeinflusst. Der Lasereinwirkbereich wird damit durch die Einhüllende der Pendelbewegung gebildet. Aufgrund der im Verhältnis zur Prozessgeschwindigkeit vergleichsweise hohen Pendelfrequenz wird das erzeugte zeitliche und örtliche Temperaturfeld dem eines Laserstrahls mit kontinuierlicher Intensitätsverteilung angenähert. Bild 6 zeigt exemplarisch die Wirkung der Amplitudengröße der Pendelbewegung auf die Intensitätsverteilung im Laserbearbeitungsfleck. Hierbei wird der ruhende Laserbrennfleck durch einen runden Fleck mit einem definierten Grauwert repräsentiert. Werden mehrere solcher Flecken überlagert, addieren sich die Grauwerte an den gemeinsamen Stellen. Zur Modellierung der zeitlich gemittelten Intensitätsverteilungen der Pendelbewegungen wurden die überlagerten Bilder definiert verschoben und es wurde der Grauwert des Initialflecks normiert. Die so modellierten Intensitätsverteilungen im oszillierten Laserstrahlarbeitsfleck wurden von experimentellen Messungen der zeitlich gemittelten Intensitätsverteilung bestätigt. Experimentelle Lötuntersuchungen erfolgten mit Laserstrahlarbeitsflecken variierend von 1 mm x 1 mm bis zu 1 mm x 4 mm. Dabei wurde der Brennfleck zur Vorschubrichtung ausgerichtet. Das Verlängern des Brennflecks hat auf die Qualität der Lötfuge einen positiven Effekt. Bild 6. Schematische Darstellung der zeitlich gemittelten Intensitätsverteilung eines schwinenden Laserbrennflecks 6 Fügen von Materialkombinationen Eine Anpassung der transversalen Intensitätsverteilung erlaubt es, die Arbeitstemperaturfelder abhängig von der Nahtgeometrie oder der Werkstoffkombination quer zur Vorschubrichtung anzupassen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Materialien Bild 7. Laserstrahlhartlötverbindungen an Aluminium mit unterschiedlichen Wärmeleitungskoeffizienten und/oder Wärmekapazitäten zu löten. Mit herkömmlichen Lötverfahren ist diese Möglichkeit zum Fügen von Leichtbaumischverbunden, bestehend aus verschiedenen Al-Legierungen und Al- Halbzeugen, nicht gegeben. Zum Fügen der Mischverbunde bietet das Löten gegenüber dem Schweißen (Bild 7) grundsätzlich metallurgische Vorteile, da im Gegensatz zum Schweißprozess beim Lötprozess die Fügepartner nicht aufgeschmolzen werden. Des Weiteren wird die Möglichkeit geboten, über die Legierungselemente des Lots die mechanischen und korrosions-chemischen Eigenschaften des Verbundes direkt zu beeinflussen. Das Potential, Materialkombinationen mittels Laserstrahllöten zu verbinden, verlangt nicht nur prozesstechnische Untersuchungen, sondern auch die Verfügbarkeit geeigneter Lotwerkstoffe. Dabei sollen nicht nur die Schmelzbereiche der Lotwerkstoffe auf ein niedrigeres Temperaturniveau verschoben werden, um den Effekt der geringeren thermischen Belastung zu verstärken, sondern auch die Legierungssysteme so ausgelegt werden, dass das Diffusionsverhalten auf die Legierungszusammensetzung der Grundwerkstoffe angepasst wird. Vor allem auf dem Gebiet des Leichtbaus lässt sich mit dem Einsatz von Mischverbunden weiter Gewicht bei gesteigerwt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

5 tem mechanischem Verhalten verringern. Darüber hinaus erscheint auch eine Kombination von Magnesium- und Aluminiumlegierungen möglich, die technologisch eine Reihe von Vorteilen aufweist. Literatur [1] Dilthey, U.: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 1. Schweiß- und Schneidtechnologien. 2. Auflage. Düsseldorf: VDI-Verlag 1994 [2] Ruge, J.: Handbuch der Schweißtechnik. Band II. Verfahren und Fertigung. 2. neubearbeitete Auflage. Berlin: Springer-Verlag 1980 [3] Herziger, G.; Loosen, P.: Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung: Grundlagen Systeme Verfahren. München: Backes 1993 [4] Brassel, J.; Fleckenstein, M.; Fröhlich, T.; Geiger, M.: Innovationen beim Laserstrahllöten. Laseropto 6 (1999) H. 31 [5] Demmer, A.; Klocke, F.; Zaboklicki, A.: Härten und Schweißen mit dem Hochleistungs-Diodenlaser. Bleche Rohre Profile (1997) H. 6 [6] Hanebuth, H.: Laserstrahlhartlöten mit Zweistrahltechnik. In: Geiger, M. (Hrsg.); Feldman, K.: Fertigungstechnik. Band 55. Dissertationsreihe Fertigungstechnik Erlangen. Bamberg: Meisenbach 1996 [7] Kammer, C.: Aluminium Taschenbuch. Band 1: Grundlagen und Werkstoffe. 15. Auflage. Aluminium-Zentrale Düsseldorf (Hrsg.): Aluminium- Verlag 1995 [8] Kötzing, B.: Entwicklung niedrigschmelzender Aluminiumbasislote zum Fügen höherlegierter Aluminiumwerkstoffe. Dissertation, RWTH Aachen, 1997 [9] Quadakkers, W.: Konstitution von Aluminiumbasissystemen. Grundlage für Verfahrens- und Lotentwicklungen zum Hartlöten von Aluminiumwerkstoffen. Dissertation, RWTH Aachen, 1981 wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H