Teilprojekt A06 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Das Prozessvideo zeigt den zweistufigen flussmittelfreien Lötprozess. Zunächst erfolgt die Desoxidation des Grundmaterials mittels ns-gepulster Laserstrahlung. Anschließend wird die Lötnaht auf der oxidfreien Fläche mittels Laserstrahllötprozess aufgebracht.

Beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen ist es vor dem Prozess erforderlich die resistente Oxidschicht zu entfernen, um eine Anbindung zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lot zu ermöglichen. In der Praxis erfolgt dies in der Regel durch den Einsatz ökologisch und gesundheitlich bedenklicher Flussmittel. In der ersten Förderperiode konnte daher ein Prozess entwickelt werden, der ohne den Einsatz dieser Flussmittel auskommt. Beim flussmittelfreien Laserstrahllöten wird die Oxidschicht zunächst durch einen ns-gepulsten Laserstrahl entfernt. Anschließend erfolgt der Lötprozess mittels eines kontinuierlichen Laserstrahls. Um eine erneute Oxidation der Aluminiumoberfläche zu verhindern, erfolgt der Prozess unter einer XHV-adäquaten Schutzgasatmosphäre bei einem Sauerstoffpartialdruck von 10^–18 mbar, welche durch die Zugabe von Silan (1 % in Argon) ermöglicht wird. Der Einsatz dieser sauerstofffreien Atmosphäre ermöglicht somit einen nachhaltigeren Lötprozess, der ohne den Einsatz von Flussmitteln auskommt.

Im Rahmen des Projektes wurde zunächst in einer Handschuhbox eine entsprechende Versuchsumgebung aufgebaut, in der anschließend Experimente zum flussmittelfreien Laserstrahllöten durchgeführt wurden. Untersuchungen zur Desoxidation mittels ns-gepulster Laserstrahlung haben gezeigt, dass ein Abtragen der Oxidschicht generell möglich ist. Weiterhin wurden Lötbarkeit und Benetzbarkeit unter dem Einfluss von Silan untersucht. Hierzu wurden nach vorheriger Desoxidation mittels Laserstrahlung Blindnähte unter reiner Argon-Atmosphäre und unter XHV-adäquater Atmosphäre gelötet. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass beim Löten unter XHV-adäquater Atmosphäre eine Benetzung und stoffschlüssige Verbindung zwischen Lot und Grundwerkstoff erfolgt.

Ziele

Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderperiode soll in der folgenden Periode das Werkstoffspektrum um die Mischverbindung Aluminium-Kupfer und die für diese Verbindung geeigneten Lotwerkstoffe erweitert werden. Stoffschlüssige Mischverbindungen aus Aluminium und Kupfer sind besonders in derElektromobilität und Elektronikbranche von Interesse. In der Batterieproduktion werden unter anderem Kupferelektroden der Zellen mit Interconnectoren aus Aluminium verbunden. Im Gegensatz zum Schweißen, bei dem sich größere Bereiche mit spröden intermetallischen Phasen im Schweißgut bilden, ist die Ausprägung der intermetallischen Phasen beim Löten sehr gering, was zu einer Verbesserung der Verbindungsqualität führen kann.

Schematische Darstellung der Charakterisierungsmethoden im Projekt. Die Charakterisierung der Al-Cu-Lötnähte erfolgt mittels mechanischer und elektrischer Prüfmethoden. Weiterhin werden Benetzungsvorgänge mittels Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen analysiert.

Daher ist das Ziel der zweiten Förderperiode die Übertragung des flussmittelfreien Laserstrahllötprozesses unter Silan auf die Mischverbindung Aluminium-Kupfer. Dabei sind die erzielbaren Eigenschaften hinsichtlich elektrisch leitfähiger und verlässlicher, stoffschlüssiger Verbindungen im Fokus. Beginnend mit Untersuchungen hinsichtlich der Desoxidation und Lötbarkeit von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen werden die realisierbaren Stoßarten untersucht. Darüber hinaus erfolgt eine detaillierte Betrachtung der Randanbindung des Lotes mittels Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen und eine Prüfung der Verbindungen auf ihre Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

Flussmittelfrei gelötete Aluminium-Kupfer-Mischverbindung in Silan-Atmosphäre (a), REM-Aufnahmen der Verbundzone mit geringer Ausbildung der intermetallischen Phasen (b, c)

Weiterhin soll die hier genutzte Laserdesoxidation auf weitere Fertigungsverfahren übertragen werden, die von einer strukturierten, oxidfreien Oberflächen profitieren können. Dies geschieht in Kooperation mit den anderen Teilprojekten im SFB.

Eingebrachte Oberflächenstrukturierung durch die ns-gepulsten Laserdesoxidation

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Janthur, F.-L., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Szafarska, M., Gustus, R., Overmeyer, L. (2024): Characterization of laser-induced surface structures of aluminum in an oxygen-free atmosphere, Procedia CIRP 124, pp. 684–687
DOI: 10.1016/j.procir.2024.08.201
Aman, W., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Szafarska, M., Gustus, R., Maus-Friedrichs, W., Overmeyer, L. (2022): Influence of an oxygen-free atmosphere on laser beam brazing of aluminium with prior surface deoxidation by pulsed laser radiation, Procedia CIRP 111, pp. 762–765
DOI: 10.1016/j.procir.2022.08.122
Aman, W., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Szafarska, M., Gustus, R., Overmeyer, L. (2022): Laser beam brazing of aluminum alloys in XHV-adequate atmosphere with surface deoxidation by ns-pulsed laser radiation, Journal of Laser Applications 34, p. 22005
DOI: 10.2351/7.0000574

Zeitschriftenbeiträge, nicht begutachtet

Aman, W., Rinne, J., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Overmeyer, L. (2021): Flussmittelfreies Laserstrahlhartlöten von Aluminiumlegierungen in silandotierter Argonatmosphäre, Schweißen und Schneiden 73, pp. 635–639

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Janthur, F.-L., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Overmeyer, L. (2023): Flussmittelfreies Laserstrahlhartlöten von Aluminiumlegierungen unter sauerstofffreier Atmosphäre, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
DOI: 10.21268/20230627-3
ISBN: 978-3-8440-9105-2

Verschiedenes

Aman, W., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Overmeyer, L. (2021): Laser beam brazing of aluminum alloys in XHV adequate atmosphere with surface deoxidation by ns pulsed laser radiation (Vortrag), International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics ICALEO