Elektromagnetische Schmelzbadverdrängung zum Fügen von Stahl und einer Aluminiumlegierung
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.
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