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Elektromagnetische Schmelzbadverdrängung zum Fügen von Stahl und einer Aluminiumlegierung
Heßmann, Jennifer
In der Automobilindustrie sind Mischverbindungen (Multi-Material-Design) eine vielversprechende Lösung, um das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren und Kraftstoff zu sparen sowie die Reichweite von Elektroautos zu erweitern. Durch den Einsatz von Leichtmetallen wie bspw. Aluminiumlegierungen ist eine relative Gewichtseinsparung von bis zu 50 % möglich, ohne dabei die Fahrzeugleistung sowie -sicherheit negativ zu beeinflussen. Die Werkstoffkombination Stahl und Aluminiumlegierung ist für die Automobilindustrie von besonderem Interesse, da diese Kombination den optimalen Kompromiss zwischen statischer Festigkeit und Umformbarkeit liefert. Das thermische Fügen von Stahl- und einer Aluminiumlegierung stellt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften und der Bildung spröder intermetallischer Phasen eine Herausforderung dar. Die Entstehung dieser Sprödphasen ist ein diffusionsgesteuerter Prozess, wodurch lediglich eine Kontrolle durch eine gezielte Reduzierung des Wärmeeintrages und der Wechselwirkungszeit des eingesetzten Fügeverfahrens erreicht werden kann. Dafür bieten sich Fügeprozesse wie bspw. das Laserstrahlschweißlöten an, wobei nur ein Fügepartner aufgeschmolzen wird, um den zweiten Fügepartner zu benetzen.
Die vorliegende Arbeit liefert primär einen ersten Schritt für die Entwicklung einer neuen thermischen Fügetechnik für artungleiche Werkstoffe. Diese Fügetechnik basiert auf der Kombination der Schmelzbaderzeugung mittels Laserstrahl und einer kontrollierten Schmelzbadverdrängung durch Lorentzkräfte. Dabei wird eine form- sowie stoffschlüssige Fügeverbindung ohne zusätzliche Fügehilfselemente oder Zusatzwerkstoffe sowie Flussmittel erzeugt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die neue Fügetechnik für punkt- und linienförmige Überlappverbindungen aus DC01-Stahl und einer Aluminiumlegierung AlMg3 mit den für die Automobilindustrie typischen Blechdicken (≤ 3 mm) untersucht. Für ein grundlegendes Verständnis der einzelnen Prozessschritte der neuen Fügetechnik wurde zunächst der stationäre Fall (ohne Bewegung der Bleche) zur Herstellung punktförmiger Überlappverbindungen analysiert. Zur Eingrenzung der nötigen Prozessparameter hinsichtlich des Magnetfeldes und der Lasereinstrahldauer wurden zur Unterstützung numerische Simulationsanalysen durchgeführt. Dabei konnte für das Magnetfeld eine Resonanzfrequenz von 3750 Hz und eine Magnetfeldleistung von 657 W – 1983 W bestimmt werden. Außerdem konnte eine lokale Lasereinstrahldauer von < 200 ms für eine vollständige Schmelzbadverdrängung ermittelt werden. Die erzeugten Punktverbindungen wurden mikrostrukturell analysiert, wobei der Fokus auf Verbindungsfehler wie Risse und Poren lag. Ebenfalls wurden die Dimensionen und Arten der gebildeten intermetallischen Phasen bestimmt. Für punktförmige Verbindungen konnten keine belastbaren Fügeverbindungen hergestellt werden. Aufgrund der Bildung einer intermetallischen Phasenschicht von mehr als 10 μm entstanden durch den Abkühlprozess und den damit verbundenen Schrumpfspannungen Risse, welche die Belastbarkeit der Fügeverbindung signifikant herabsetzten. Der Verdrängungsprozess ist für die Herstellung von Punktverbindungen durch die auftretende typische Schmelzbaddynamik durch eine regelmäßig kollabierende Dampfkapillare begrenzt, sodass keine vollständige Füllung der Kavitäten erreicht werden konnte. Zur Herstellung von linienförmigen Verbindungen dienten die Erkenntnisse der Punktverbindungen als Grundlage. Der Fügeprozess konnte durch eine lokale Entkopplung des Verdrängungsprozesses von der Dampfkapillare optimiert werden. In diesem Fall war eine vollständige Füllung der Kavitäten möglich und es konnten belastbare Linienverbindungen hergestellt werden. Die Dimensionen der intermetallischen Phasen lagen unter 10 μm. Der Fügeprozess war deutlich stabiler und reproduzierbarer. Die Belastbarkeit der Linienverbindungen konnte mittels Scherzugversuche geprüft werden.
For the automotive industry, multi-material designed joints are a promising solution to reduce the weight of vehicles and saving fuel, as well as extending the range of electric cars. By using light metals for example aluminum alloys, a relative weight reduction of up to 50 % is possible without negatively affecting the vehicle performance and safety. The material combination of steel and aluminum alloy is of interest for the automotive industry. This combination provides the optimum compromise between static strength and formability. However, the thermal joining of steel and aluminum alloys is a challenge due to the different material properties and the formation of brittle intermetallic phases. The formation of these brittle phases is a diffusion-controlled process, which can only be controlled by a reduction of the heat input and the interaction time of the used joining process. For this, joining processes such as laser-beam-welding-brazing are suitable, whereby only one joining partner is melted to wets the second solid joining partner.
The present work primarily provides a first step for the development of a new thermal joining method for dissimilar materials. This joining method is based on the combination of melt pool generation by laser beam and controlled melt pool displacement by Lorentz forces. A form- and material-fitting joint can be created without filler materials, auxiliary joining elements or flux. In this work, the new joining method was investigated for spot- and line-shaped overlap joints. The material combination of DC01-steel and aluminum alloy AlMg3 were used with typical sheet thicknesses (≤ 3 mm) of the automotive industry. At first, to understand the single process steps of the new joining approach, the stationary case (without movement of sheets) of spot-shaped joints was investigated. To determine the necessary process parameters of the magnetic field and the laser duration time, additional numerical analyses were carried out. A frequency of 3750 Hz and a magnetic field power of 657 W – 1983 W were determined. In addition, a laser duration time of < 200 ms was enough for a complete melt pool displacement process. The generated spot joints were analysed microstructurally, focusing on defects such as cracks and pores. The dimensions and types of formed intermetallic phases were also analysed. No load-bearing joints could be produced for spot-shaped joints. Due to the formation of an intermetallic phase layer of more than 10 μm, cracks were formed caused by the cooling process and the shrinkage strain. This significantly reduced the load-capacity of the joints. The displacement process for spot joints is limited by the typical melt pool dynamics that occur due to a regular collapse of the keyhole. In this case, a complete filling of the cavities could not be achieved.
For the creation of line joints, the results of the spot joints were used. The joining process could be optimized by spatial decoupling of the displacement process from the keyhole. In this case, a complete filling of the cavities was possible and load-bearing joints could be created. The dimensions of the intermetallic phases were below 10 μm. The joining process was significantly more stable and reproducible compared to the process of spot joints. The load capacity of line-shaped joints could be tested by shear tensile tests.
