Einfluss von Wärmezyklus und Aufmischungsgrad beim Elektronenstrahlschweißen auf Eigenschaften und Langzeitverhalten von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen in stromdurchflossenen Bauteilen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projektes war die Erlangung eines gesamtheitlichen Verständnisses der Entstehung, des Aufbaus und der zeitlichen Veränderung von stoffschlüssigen Rein-Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen. Dazu wurden zunächst der Einfluss bestimmter Prozessgrößen auf den Aufbau und die Ausprägung der entstehenden Schweißnaht untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass das Versetzen der Energieeinbringung auf den Aluminiumfügepartner den größten Einfluss auf die Verbindung hat. Es wurde vermutet, dass mit einer optimalen Wärmeführung gezielt günstige IMPs gebildet und ungünstige IMPs vermieden werden. Zum einen zeigten Wärmebehandlungen wie Vorwärmen einen negativen Einfluss auf die Prozessstabilität, zum anderen wurde festgestellt werden, dass die Θ-Phase immer als erstes gebildet wurde. Weitere Phasen wie die η2 oder γ2 konnten nach dem Schweißen nur in Kombination mit sehr großen Anteilen von Θ-Phasen gemessen werden. Strahloszillation zeigte ebenfalls keinen positiven Einfluss auf die Schweißnaht. Strahloszillation führt zu einer Aufweitung des Schmelzbads und in Folge der Schweißnaht. Dies führt zu einem höheren Kupfergehalt und damit unweigerlich zu mehr intermetallischen Phasen. Die schmalsten IMPs konnten mit dem LaVa-Prozess erreicht werden. Im Vergleich zu den Untersuchungen mit dem Elektronenstrahl konnte mit dem LaVa-Prozess ein kleinerer Strahldurchmesser (höhere Intensität/weniger Energieeinbringung) erreicht werden. Die so gefügten Proben zeigten einen reduzierten Nagelkopf, was die aufgeschmolzene Kupfermenge reduziert. Ohne die Nutzung eines Strahlversatzes konnten keine Schweißnähte mit ausreichender Qualität erstellt werden. Entweder konnte kein stabiler Prozess aufgebaut werden, oder die Schweißnähte versagten bei der Weiterverarbeitung. Der Strahlversatz ist dabei hauptsächlich abhängig vom Strahldurchmesser und dessen Intensitätsverteilung. Wenn der Strahl so ausgerichtet wird, dass das Kupferblech nur wenige µm aufgeschmolzen wird, kann der Kupfergehalt in der gesamten Schweißnaht verringert und damit das Bilden von intermetallischen Phasen minimiert werden. Der Prozess ließ sich aber nicht insoweit beeinflussen, dass gezielt bestimmte intermetallische Phasen gebildet wurden, bzw. andere unterdrückt werden konnten. Zuerst bildete sich immer die Phase Al2Cu. Erst wenn Al2Cu in großer Menge detektiert wurde, wurden weiter intermetallische Phasen identifiziert. Es wurden erfolgreich Modelle mehrere strahlgeschweißter Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen erstellt. Alle Modelle zeigten eine gute Übereinstimmung der Geometrie und der Temperatur-Zeitverläufe. Temperaturgradienten entlang der Kupfer-Schmelzlinie wurden abgeleitet. Eine direkte Abhängigkeit der Entstehung des intermetallischen Phasensaums vom Temperaturgradienten konnte nicht festgestellt werden. Die Abweichungen können damit begründet werden, dass zum einen die betrachteten Querschnittsaufnahmen lediglich Momentaufnahmen sind, und zum anderen weitere physikalische Phänomene wie Strömungen sowie Verwirbelungen nicht in der Modelbildung in Betracht gezogen wurden. Die Schweißnähte mit reduzierten intermetallischen Phasen bestanden zu 99% aus dem Aluminium- Mischkristall. Es konnte nachgewiesen werden, dass dieser Mischkristall sich wie eine Schweißnaht in einer EN-AW-2xxx-Aluminium-Legierung verhält. Durch eine Wärmebehandlung konnte die Härte der Schweißnaht verändert werden kann. Für die Mischverbindungen wurden reine Werkstoffe verwendet. Daher konnten nicht die gleichen Härtewerte in der Schweißnaht erreicht werden, wie in der Schweißnaht an einer EN-AW-2xxx Legierung mit vergleichbarem Kupfergehalt. Diese Legierungen besitzen noch weitere Legierungselemente, die ebenfalls harte Phasen bilden können. Die Änderung der Zugfestigkeit konnte nicht nachgewiesen werden, da bei Zugversuchen immer nur die schwächste Stelle getestet werden kann, was bei den Mischverbindungen meist der intermetallische Phasensaum ist. Bei der Betrachtung von Betriebseinflüsse auf die Schweißnaht konnte festgestellt werden, dass bei den untersuchten Verbindungen die Temperatur einen großen Einfluss auf die Naht zeigt. Ab einer dauerhaften Temperatur von 200°C konnten nach etwa 11 Tagen eine Senkung der Zugfestigkeit beobachtet werden. Ursächlich hierfür ist eine Rissbildung im IMP-Saum, deren Ursache nicht abschließend geklärt werden konnte. Vermutet wird, dass diese Rissbildung durch eine Temperaturwechselbelastung bei der Beprobung entstand. Ab 300°C konnten weitere intermetallische Phasen im Phasensaum nachgewiesen werden, jedoch ohne die oben beschriebene Rissbildung. Diese weiteren Phasen entstehen zusammen mit den topologischen Strukturänderung erst ab einer Heizdauer von 2 h. Im Großraum REM wurden bei einer Auslagerungstemperatur von 400°C diese Veränderung unmittelbar nach dem Prozesstart festgestellt. Das Anlegen einer dauerhaften Belastung durch Strom zeigte jedoch keine Beeinflussung der Verbindung. Bei einer Strombelastung von 200 A über 960 Stunden konnten keine Änderungen in den mechanisch-technologischen Eigenschaften, in den elektronenmikroskopischen Untersuchungen oder in der Kontaktgüte der Verbindung festgestellt werden. Auch höhere Ströme über 10 Minuten zeigten keinen Einfluss. Es konnte keine Veränderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften, oder Eigenschaften als elektrischer Leiter festgestellt werden, wenn die maximale elektrische Belastbarkeit der Leiter eingehalten wird und die Betriebstemperatur unter 80°C liegt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of the degree of dilution with laser beam welded Cu-Al mixed joints on the electrical properties. In: Procedia CIRP (2018), Heft 74, S. 23-26
Reisgen, U.; Olschok, S.; Jakobs, S. et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.022) - Influencing the electrical properties of laser beam vacuumwelded Cu-Al mixed joints. In: The 37th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optic (2018)
Reisgen, U.; Olschok, S.; Holtum, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.5096093) - Influencing the electrical properties of laser beam vacuumwelded Cu-Al mixed joint. In: Journal of Laser Applications (2019), Heft 31, 022406-1 – 022406-6
Reisgen, U.; Olschok, S.; Holtum, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.2351/1.5096093) - Laser beam vacuum-welded Cu-Al mixed joints. In: LIM 2019. Lasers in Manufacturing. World of Photonic Congress, Internat. (2019), paper 103 (10 pages)
Reisgen, U.; Olschok, S.; Holtum, N.
