Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schweißen und Löten von Al-Legierungen mittels NV-EBW und Einsatz von Zusatzwerkstoff bei geringer Beschleunigungsspannung (Low Acceleration Voltage - LAV)

Ziel ist es Anwendern von Aluminium-Fügeprozessen eine neuartige Prozesstechnik auf Basis der atmosphärischen Niedervolt-Elektronenstrahltechnologie mit hoher Leistung und Prozesssicherheit bereitzustellen.

Dazu werden die am Markt verfügbaren Druckstufensysteme auf diesen speziellen Prozess hin optimiert und die verwendeten Strahlerzeuger mittels modernster Diagnosetechnik qualifiziert. Mittels der so installierten Technik werden mit Schweiß- und Lötversuchen die Prozessfenster ermittelt. Beim Löten liegt dabei der Fokus u.a. auf der Entwicklung von niedrigschmelzenden Loten und der Nutzung eine Biaspotentials zur Oberflächenreinigung der Bauteile, um ggfls. ohne (gesundheitsschädliche) Flussmittel arbeiten zu können.

Angestrebte Ergebnisse: Optimierung der NV-EB-Anlagentechnik für den Einsatz bei verringerter Beschleunigungsspannung; verringerte Rissneigung und großes Prozessfenster beim NV-EB-Schweißen; Bereitstellung geeigneter Lotwerkstoffe mit großem Prozessfenster und dem Potential zum Verzicht auf gesundheitsgefährdende Flussmittel; Nutzung der Reinigungswirkung mittels Biaspotential; Qualifizierung der Niedervolt NV-EB-Technologie für anwendungsnahe Fügegeometrien der Aluminium verarbeitenden Industrie, vor allem in den Bereichen Automotive und Schienenfahrzeuge.

Diese Entwicklung führt zu erheblichen Kosten- und Ressourceneinsparungen, da Aufwendungen für den Röntgenschutz verringert und der prozesssichere, robotergeführte Einsatz des NV-EB-Schweißens und Lötens ermöglicht wird. Für Hersteller der Anlagentechnik sowie Zulieferer von Zusatzwerkstoffen eröffnen sich neue Märkte.

Das hohe Interesse der kmU an der Mitarbeit verdeutlicht das große Potential zum Transfer der Ergebnisse in die industrielle Praxis, siehe auch die LOI der Firmen Josch (KMU), Evobeam (KMU) und Forschungszentrum Jülich (Vorsitzender der DVS-AGV 9.1). Die Ergebnisse können infolge der Erarbeitung eines DVS-Merkblattes schnell bei allen EB-Anwendern umgesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Vorhaben hat gezeigt, dass mit dem Elektronenstahl an Atmosphäre bei reduzierter Beschleunigungsspannung (60 kV) durch minimale Anpassung der Anlagentechnik ein Fügewerkzeug mit hohem Entwicklungspotential zur Verfügung steht. Trotz der Streuung der Elektronen kann eine Strahleffizienz von >70% erzielt werden. Die Leistungsdichte reicht aus, um Al-Legierungen von bis zu 5mm Dicke fügen zu können. Eine metallurgische Beeinflussung der Naht durch Draht ist mit dieser Technologie gut möglich. Der Zusatzwerkstoff wird durch den breiter aufgefächerten Strahl sicher aufgeschmolzen und verbessert die Spaltüberbrückbarkeit um bis zu 70% sowie die mechanischen Eigenschaften der Naht. Somit sind Anwender in der Lage, Toleranzabweichungen aus dem Fertigungsprozess zu kompensieren und Heißrisse vorzubeugen. Zugleich erhöht sich aufgrund der geringeren thermischen Belastung die Robustheit für die Maschine. Sowohl die Standzeit des Druckstufensystems sowie der Kathode nehmen signifikant zu. Wesentliche Vorteile gegenüber der 150 kV Technologie sind die zu erwartenden geringeren Anforderungen an den Röntgenschutz und das geringere Gewicht des Strahlerzeugers. Das Verfahren lässt sich einfacher in bestehende Produktionsketten implementieren und die Zugänglichkeit zu Fügestellen erhöht sich.

Für die Lötanwendungen konnten Ergebnisse zur Oberflächenaktivierung durch ein zusätzlich angelegtes Biaspotential erarbeitet werden. Es zeigte sich, dass dies zu einer besseren Lotbenetzung führt, wobei sich durch den Elektronenstrahl auftretende Anschmelzungen der Fügepartner nicht vollständig verhindern lassen. Im Bereich der Aluminiumwerkstoffe zeigen sich die eutektischen Zusatzwerkstoffe dadurch aus, dass die erreichten niedrigen Schmelztemperaturen noch zu nahe am Schmelzpunkt der Fügepartner liegen, um den arteigenen flussmittelfreien Lötprozess sicher darstellen zu können. Der Einsatz von Flussmittel zeigte dabei eine erhöhte Porosität in der Lötnaht.