Erhöhung der Elektrodenlebensdauer beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen mittels applizierter Diffusionssperrschichten
Förderung: DFG
Laufzeit: 09/2021 bis 10/2024
Abstract
Beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen kommt es bereits nach wenigen Schweißzyklen zu erheblichen Schädigungen an den Elektrodenarbeitsflächen. Die wirkenden Schädigungsmechanismen sind auf die natürliche Oxidschicht der Aluminiumbleche zurückzuführen. Die erzeugte Elektrodenkraft führt nur zu einer unzureichenden Durchdringung der elektrisch isolierenden im Elektrode-Blech Kontakt. Aus diesem Grund treten im Schweißprozess hohe Stromdichten und hohe lokale Temperaturen auf, die Diffusionsprozesse im Cu-Al-Kontakt beschleunigen. Dies führt zur Bildung von intermetallischen Phasen im Werkstoffbereich der Elektrode. Die spröden intermetallischen Phasen brechen bei hoher mechanischer Belastung aus oder werden durch die schmelzflüssige Verbindung mit den Blechwerkstoffen in Folge von Elektrodenbewegungen herausgerissen. Dieser Materialverlust an den Elektroden wird als Pitting bezeichnet und führt zu einer kontinuierlichen Verschlechterung der angestrebten Qualitätskriterien der Schweißverbindungen. Die Folge ist eine geringe Elektrodenstandmenge, die die Wirtschaftlichkeit des Widerstandspunktschweißens bei Aluminiumlegierungen einschränkt.
Das Ziel dieses Projektes ist es, die erreichbare Elektrodenstandmenge durch eine Strukturierung der Elektrodenarbeitsflächen und die Erzeugung von Dünnschichtdiffusionsbarrieren durch Physikalische Gasphasenabscheidung zu erhöhen. Die Strukturierung soll dazu beitragen, die Oxidschichten der Aluminiumbleche zu durchdringen und den Anteil der elektrisch leitenden Kontaktflächen zu erhöhen. Dadurch sollen lokale Stromdichtemaxima vermieden und die thermische Belastung der Elektroden reduziert werden. Die unterschiedlichen Einflüsse der Strukturierung durch Partikelstrahl- und Zerspanungsverfahren werden untersucht. Als weiterer Ansatz sollen Dünnschicht-Diffusionsbarrieren im Dickenbereich von 1 bis 3 µm auf den Elektroden erzeugt werden, die einen direkten Al-Cu-Kontakt verhindern. Dazu werden zunächst monolithische metallische Schichtwerkstoff (Ni, W) und elektrisch hochleitfähiger keramischer Schichtwerkstoff (TiB2, TiC) untersucht. Im späteren Verlauf werden angepasste Kompositsysteme aus qualifizierten Einzelschichten erstellt. Die Anwendung der Dünnschicht-Diffusionsbarrieren soll insbesondere die Bildung von intermetallischen Al-Cu-Phasen verhindern und die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Elektroden erhalten.
Die Kombination von Elektrodenstrukturierungen und Diffusionsbarrieren wird in Standmengenuntersuchungen untersucht. Es wird gezeigt, dass diese modifizierten Arbeitsflächen die Schädigungsmechanismen reduzieren und zu einer Erhöhung der Elektrodenstandmenge beitragen können. Darüber hinaus können die Qualitätsgrenzen der Schweißungen im Vergleich zum Referenzzustand deutlich verbessert werden.