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WO2008009670A1 - Verfahren zum erzeugen einer löt- oder diffusionsverbindung - Google Patents

Verfahren zum erzeugen einer löt- oder diffusionsverbindung Download PDF

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Publication number
WO2008009670A1
WO2008009670A1 PCT/EP2007/057359 EP2007057359W WO2008009670A1 WO 2008009670 A1 WO2008009670 A1 WO 2008009670A1 EP 2007057359 W EP2007057359 W EP 2007057359W WO 2008009670 A1 WO2008009670 A1 WO 2008009670A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
components
functional coating
nanocrystalline layer
reactive
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/057359
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jean Pierre Bergmann
Johannes Wilden
Simon Jahn
Markus Dolles
Original Assignee
Technische Universität Ilmenau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Ilmenau filed Critical Technische Universität Ilmenau
Publication of WO2008009670A1 publication Critical patent/WO2008009670A1/de

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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/0006—Exothermic brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K2101/34—Coated articles, e.g. plated or painted; Surface treated articles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a soldering or diffusion bonding of components of the same or different, in particular metallic, materials, which are provided for functional reasons with at least one coating. Furthermore, the invention relates to a compound of components of the same or different materials.
  • Bonding (joining) metallic materials coated with a low melting functional coating often causes problems in conventional molten processes.
  • the functional coatings melt and evaporate, resulting in the formation of pores and the occurrence of splashes. This is true for both welding and brazing.
  • the high working temperature which is significantly lower compared to welding, also leads to melting and evaporation of the low melting functional coating, e.g. zinc-based.
  • the functional coating is used as corrosion protection, in the case of zinc theoretically, the base material can still be protected by the anodic action of the remaining layer. In practice, these flaws usually act as possible corrosion spots.
  • brazing by laser technology or novel short arc technique is increasingly used for the joining of such materials.
  • the additional materials used for this purpose At present, they are usually based on copper or aluminum, and due to their high processing temperature, which is usually above the evaporation temperature of the functional coating, they cause injury or destruction of the same.
  • Fig. 1 shows a known from the prior art overlap connection of a first component Ol and a second component 02.
  • the components Ol, 02 consist for example of steel and have a coating 03 made of zinc as a functional coating.
  • the components 01, 02 are connected to each other with a solder joint 04.
  • Hidden points 06 can not be connected over the entire surface using both laser technology and arc technology. The gap filling of these methods is too low.
  • the strength of the compound 04 can thus be achieved only by over-arching the seam.
  • due to the pronounced energy input the thermal influence of the base materials and thus the reduction of the mechanical strength and the deterioration of the technological properties occur in a relatively wide range in addition to the seam.
  • the zinc layer 03 fully constantly melted.
  • the temperature, the speed (up to 30 m / s) and the absolute energy of the joining process can be controlled. Due to the high process speed and the low heat capacity in the joining zone, the components remain "cold.”
  • the intermediate layers of nanocrystalline reactive materials can also be used as solder foils according to the solution known from US Pat. No. 6,991,856 B2, at which point either the solder foils in one be positioned separately or responding to the additional work step Foil are applied.
  • the provision of the solder melt always represents an additional step.
  • the proposed method makes it possible to provide the necessary heat in the direct contact area, without affecting the actual component material in many areas thermally.
  • the small dimensions of the film result in a fine-grained microstructure resulting in no negative influence on the mechanical and technological properties of the joint, and the necessary activation energy for the reaction process is currently being used realized by a local short circuit on the film, which exceeds the necessary energy density and thereby the reaction is triggered.
  • the object of the invention is to combine components of the same or different materials, of which at least one has a functional coating, without the use of additional materials.
  • the inventive method is characterized in that components made of the same or different materials, such as metallic materials, of which at least one with a functional coating (eg., Galvanized steel material / galvanized steel material or galvanized steel material / aluminum or galvanized steel material / magnesium) is provided by the use of reactive nanocrystalline Layers that are inserted or applied directly to the components to be joined, can be joined.
  • a functional coating eg., Galvanized steel material / galvanized steel material or galvanized steel material / aluminum or galvanized steel material / magnesium
  • this represents a local heat source and supplies the necessary energy for melting the functional coating arranged on the reactive nanocrystalline layer, whereby the functional coating is cooled after the functional coating and the components have cooled as a solder or diffusion material, a connection between the functional coating of the respective component and the nanocrystalline layer and / or by suitable structuring of the nanocrystalline layer between the functional coatings of the components (over the surface of the recess, the connection surface can be determined).
  • the component preferably has a much higher melting temperature than its functional coating, for example by a low-melting functional coating, so that the method according to the invention does not thermally influence the component except for the molten functional coating.
  • the molten functional coating is used directly as "in-situ" produced solder or diffusion material, without an additional material supply before or during the process takes place from the outside.With the small thickness of the reactive nanocrystalline layer or film joining compounds can be realized have only a minimal increase in the area of the joint.
  • the change in the material structure leads, for example, to a deterioration of the mechanical-technological property profile.
  • the thickness of the functional coating is z. B. in galvanized steel materials 5 to 200-300 microns, so that there is a sufficient Lotreservoir.
  • the reactive nanocrystalline layer used is preferably a reactive nanocrystalline film, for example so-called nanofoils.
  • the cooling of the functional coating and the components is preferably carried out under the action of a joining pressure, which is applied by means of a pressing device.
  • a rapid resistance heating via an electric current flow can be used for the activation of the reactive nanocrystalline layer.
  • significantly lower current intensities are sufficient for this in comparison to the resistance point or hunchback welding, so that structural changes in the material or the melting of the functional coating to the side facing the electrode are avoided.
  • the contact it is possible to use the contact provide for the supply of the necessary current to build up the required contact pressure.
  • the reaction of the nanocrystalline layer triggered by the current pulse and the rapid resistance heating serves as an energy supply and leads to superficial melting of the low-melting functional coating of the components to be joined, whereby a thermal influence on the remaining component material can be prevented. Due to the short reaction time and the low energy supply, pronounced cooling rates and very short reaction times occur, which prevents formation of intermetallic phases at the contact point and thus counteracts embrittlement of the joint.
  • the melting can be limited to the total thickness, so that a failure-free joining of the components can be assumed.
  • the melting of the functional coating can be controlled by supplying additional energy into the functional coating. The energy necessary for melting the functional coating can also be applied by the nanocrystalline layer in such a way that size effects are utilized for this purpose.
  • Fig. 1 a solder joint according to the prior art, without flowing the solder into the gap
  • Fig. 2 two embodiments of the invention
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the method according to the invention, in which a connection is effected by wetting or interaction of the functional coating with the exothermically reacting film;
  • Fig. 4 a basic arrangement for carrying out the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a solder joint according to the prior art, which is described in the introduction to the description.
  • FIG. 2 illustrates two embodiments of the method according to the invention respectively before and after the connection has been established.
  • FIG. 2 a shows a reactive nanocrystalline film 10, which is arranged between a first component 11 and a second component 12.
  • the reactive nanocrystalline film 10 has cavities 13.
  • the components 11, 12 have a coating 14 made of zinc.
  • Figure b) of Figure 2 shows the reactive nanocrystalline film 10 shown in Figure a) with the cavities 13 in detail.
  • the cavities 13 may also have any other geometric structure instead of a strip shape in other embodiments.
  • Figure c) of Fig. 2 shows the arrangement shown in Figure a), after the permanent connection between the components 11, 12 was created. The cavities 13 are now filled with the coating material.
  • FIG. 2 d shows another embodiment, in which again the reactive nanocrystalline film 10 is arranged between the first component 11 and the second component 12.
  • the reactive nanocrystalline film 10 with the cavities 13 is shown in detail in FIG. 2 e) of FIG. Figure f) of Fig. 2 shows the arrangement shown in Figure c), after the permanent connection between the components 11, 12 has been created.
  • the cavities 13 are now filled with the coating material.
  • the low-melting functional coating present on the metallic component (s) 11, 12 as coating 14 is used as solder material, the necessary energy for melting this layer and the resulting solder or diffusion bond from the reactive nanocrystal film 10 targeted and locally limited is provided in the joint.
  • This nanocrystalline film 10 can be contoured as desired, so that a flow of the molten functional layer and a metallurgical bond can be achieved. Consequently, no additional flux and / or other filler materials, as usual in soldering, needed in this joining process.
  • the low-melting functional coating embodied as coating 14 is melted only partially and not completely.
  • the functional coating embodied as a coating 14 is retained on the components 11, 12 to be joined (insofar as it was applied there prior to joining) and is not destroyed.
  • the components 11, 12 are pressed against each other both in the butt and in the lap joint after the exothermically reacting nanocrystalline film 10 has been positioned therebetween. After starting the exothermic reaction, the joining zone is briefly heated locally due to the continuous reaction front.
  • portions of the functional coating formed as the coating 14 may be melted and either wet the exothermic film 10, interact with it, or connect to the second component by conforming the film.
  • the functional coating serves as solder or additional material produced "in-situ.”
  • the time span in which the solder or filler material is in the molten phase is in the millisecond range
  • Another object, such as corrosion protection, is to promote the formation of the solder and / or diffusion bond.
  • Fig. 3 illustrates another embodiment of the method according to the invention.
  • Figure a) of Figure 3 shows the arrangement before the connection has been made.
  • Figure b) of Figure 3 shows the arrangement after the connection has been made.
  • the arrangement again comprises the reactive nanocrystalline film 10, which is arranged between the first component 11 and the second component 12.
  • the components 11, 12 in turn have the coating 14 made of zinc.
  • Figure b) of Fig. 3 shows the arrangement shown in Figure a), after the connection between the two components 11, 12 has been created.
  • the coatings 14 on the two components 11, 12 now have a thickness between 0 microns and d.
  • Between the reactive nanocrystalline film 10 and one of the Components 11, 12 wetting areas 16 are formed.
  • the wetting areas 16 may additionally or alternatively be formed as a region of interaction between the reactive nanocrystalline foil 10 and one of the components 11, 12.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the method according to the invention in which the exothermic reaction of the reactive nanocrystalline film 10 arranged between the first component 11 and the second component 12 is triggered by resistance heating.
  • a first electrode 17 is arranged on the first component 11 and a second electrode 18 on the second component 12. Via the electrodes 17, 18 flows an electric current of a current source 19 through the two components 11, 12 and the reactive nanocrystalline film 10.
  • the components 11, 12 in turn have the coating 14 made of zinc.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Löt- oder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen, insbesondere metallischen, Werkstoffen, die aus Funktionsgründen mit Beschichtung versehen sind. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen. Das erfin- dungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Bauteile aus gleichen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen, bei- spielsweise metallische Werkstoffe, von denen mindestens eines mit einer Funktionsbeschichtung versehen ist, durch den Einsatz von reaktiven nanokristallinen Schichten, die eingelegt oder direkt auf die zu fügenden Bauteile aufgebracht werden, gefügt werden können. Nach einem Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht stellt diese eine örtliche Wärmequelle dar und liefert die notwendige Energie zum Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung dar, wodurch nach einem Abkühlen der Funktionsbeschichtung und der Bauteile eine Verbindung zwischen der reaktiven nano- kristallinen Schicht und dem jeweiligen Bauteil und/oder zwischen den Bauteilen ausgebildet ist.

Description

VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINER LOT- ODER DIFFUSIONSVERBINDUNG VON MIT MINDESTENS EINEN EINE FUNKTIONSBESCHICHTUNG AUFWEISENDEN BAUTEILEN UNTER VERWENDUNG REAKTIVER NANOKRISTALLINER SCHICHT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Lötoder Diffusionsverbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen, insbesondere metallischen, Werkstoffen, die aus Funktionsgründen mit mindestens einer Beschichtung versehen sind. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbindung von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen.
Das Verbinden (Fügen) von metallischen Werkstoffen, die mit einer niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung überzogen sind, führt bei den konventionellen schmelzflüssigen Verfahren oftmals zu Problemen. Beim schmelzmetallurgischen Fügen kommt es beispielsweise zum Aufschmelzen und Verdampfen der funktionellen Beschichtungen, woraus die Bildung von Poren und das Auftreten von Spritzern resultieren. Dies trifft sowohl für das Schweißen als auch das Löten zu. So führt beim Hartlöten die hohe Arbeitstemperatur, die im Vergleich zum Schweißen wesentlich geringer ist, ebenfalls zum Aufschmelzen und Verdampfen der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung, z.B. auf Zinkbasis. Im Bereich der Schweiß- oder Lötstelle entsteht somit eine beschichtungsfreie und ungeschützte blanke Metalloberfläche. Wird die Funktionsbeschichtung als Korrosionsschutz eingesetzt, so kann im Falle von Zink theoretisch noch durch die anodische Wirkung der verbleibenden Schicht der Grundwerkstoff geschützt werden. In der Praxis wirken diese Fehlstellen aber meist als mögliche Korrosionsstellen.
Derzeit kommt für das Fügen derartiger Werkstoffe verstärkt das Löten durch die Lasertechnik bzw. neuartige Kurzlichtbogentechnik zum Einsatz. Die dazu eingesetzten Zusatzwerkstoffe basieren derzeit meist aus Kupfer- oder Aluminiumbasis und führen aufgrund ihrer hohen Verarbeitungstemperatur, die meist über der Verdampfungstemperatur der Funktionsbeschichtung liegt, zu einer Verletzung bzw. Zerstörung dieser.
Einzig neuartige hochdynamisch geregelte Kurzlichtbogenprozesse sind in der Lage, derartige beschichtete Werkstoffe ohne signifikante Verletzung der Schutzschicht zu fügen. Bei verzinkten Stahlwerkstoffen kommen dabei Zink-Aluminium-Lotwerkstoffe zum Einsatz, die mit anderen Verfahren nicht oder nur bedingt verarbeitet werden können. Durch den geringen Schmelzpunkt dieser Lotwerkstoffe und die geringe Verarbeitungstemperatur ist es möglich, eine Verletzung der Schutzschicht zu verhindern. Bei der Bearbeitung muss jedoch die zu fügende Stelle immer direkt zugänglich sein, da die Lichtbogenwirkung nur durch einen direkten Kontakt gegeben ist.
Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Überlappverbindung eines ersten Bauteiles Ol und eines zweiten Bauteiles 02. Die Bauteile Ol, 02 bestehen beispielsweise aus Stahl und weisen einen Überzug 03 aus Zink als Funktionsbeschichtung auf. Die Bauteile 01, 02 sind mit einer Lötverbindung 04 miteinander verbunden. Verdeckte Stellen 06 können sowohl mit der Lasertechnik als auch mit der Lichtbogentechnik nicht vollflächig verbunden werden. Die Spaltfüllung dieser Verfahren ist zu gering. Die Festigkeit der Verbindung 04 kann somit nur durch eine Überwölbung der Naht erreicht werden. Zudem kommt es durch die ausgeprägte Energieeinbringung zur thermischen Beeinflussung der Grundwerkstoffe und somit zur Reduktion der mechanischen Festigkeit und zur Verschlechterung der technologischen Eigenschaften in einem relativ weiten Bereich neben der Naht. Darüber hinaus wird bei derartigen Prozessen auf Grund des hohen Wärmeeintrages die Zinkschicht 03 voll- ständig aufgeschmolzen. Um die jeweilige WerkstoffOberfläche ausreichend zu aktivieren kommen vielmals aggressive Flussmittel in Pastenform zum Einsatz. Diese müssen nach dem Fügepro- zess rückstandslos entfernt werden, um einen weiteren Korrosionsangriff zu verhindern. Zudem führen die als Flussmittel zur Anwendung kommenden Substanzen aus umweltpolitischer Sicht sowohl beim eigentlichen Bearbeiter, als auch bei der anschließenden Entsorgung zu Problemen und sollen demzufolge nach Möglichkeit vermieden werden.
Aus der US 6,991,856 B2 ist eine Zwischenschicht aus nanokris- tallinen reaktiven Werkstoffen bekannt. Derartige Zwischenschichten, die auch als Nanofoils bezeichnet werden, bieten einen neuartigen Lösungsansatz für die gezielte Zufuhr der Wärme. Sie eignen sich insbesondere für das lokale Erwärmen der Bereiche, die nicht direkt zugänglich sind. Gemäß der US 6,991,856 B2 werden aus abwechselnd aufgebrachten 25 bis 90 nm dicken Al- bzw. Ni-Schichten (oder Al/Ti, Ni/Si, Nb/Si) hergestellte Folien (d = 40 - 180 μm) zwischen zwei zu fügende Bauteile, die aus völlig unterschiedlichen Materialien bestehen können (z.B. SiC und Ti-6-4), gebracht. Die negative Bildungsenthalpie der entstehenden Al-Ni-Phasen führt bei abgesenkter Schmelztemperatur zum Aufschmelzen der Nanofolien. Durch die Variation von Dicke und Zusammensetzung der Folien bzw. Schichten kann die Temperatur, die Geschwindigkeit (bis zu 30 m/s) und die absolute Energie des Fügeprozesses gesteuert werden. Auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit und der niedrigen Wärmekapazität in der Fügezone bleiben die Bauteile „kalt". Die Zwischenschichten aus nanokristallinen reaktiven Werkstoffen können gemäß der aus der US 6,991,856 B2 bekannten Lösung auch als Lotfolien verwendet werden, wobei an dieser Stelle entweder die Lotfolien in einem separaten zusätzlichen Arbeitsschritt positioniert werden oder auf die reagierende Folie aufgebracht werden. Die Bereitstellung der Lötschmelze stellt immer einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar. Durch das vorgeschlagene Verfahren ist es möglich, die notwendige Wärme im direkten Kontaktbereich zur Verfügung zu stellen, ohne dabei den eigentlichen Bauteilwerkstoff in weiten Bereichen thermisch zu beeinflussen. Makroskopisch kann hier von einem „kalten" Schweißen gesprochen werden. Durch die geringen Abmessungen der Folie resultiert aus der exothermen Reaktion ein feinkörniges Gefüge, das zu keiner negativen Beeinflussung der mechanischen und technologischen Eigenschaften der Fügeverbindung führt. Die notwendige Aktivierungsenergie für den Reaktionsprozess wird derzeit meist durch einen lokalen Kurz- schluss an der Folie realisiert, wodurch die notwendige Energiedichte überschritten und dadurch die Reaktion ausgelöst wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend von der US 6,991,856 Bl darin, Bauteile aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, von denen mindestens eines eine Funktions- beschichtung besitzt, ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu verbinden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch eine Verbindung gemäß dem beigefügten Anspruch 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Bauteile aus gleichen oder aus unterschiedlichen Werkstoffen, beispielsweise metallischen Werkstoffen, von denen mindestens eines mit einer Funktionsbeschichtung (z. B. verzinkter Stahlwerkstoff/verzinkter Stahlwerkstoff bzw. verzinkter Stahlwerkstoff/Aluminium oder verzinkter Stahlwerkstoff/Magnesium) versehen ist, durch den Einsatz von reaktiven nanokristallinen Schichten, die eingelegt oder direkt auf die zu fügenden Bauteile aufgebracht werden, gefügt werden können. Nach einem Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nano- kristallinen Schicht stellt diese eine örtliche Wärmequelle dar und liefert die notwendige Energie zum Aufschmelzen der an der reaktiven nanokristallinen Schicht angeordneten Funktions- beschichtung, wodurch nach dem Abkühlen der Funktionsbeschich- tung und der Bauteile die Funktionsbeschichtung als Lot oder Diffusionswerkstoff eine Verbindung zwischen der Funktionsbeschichtung des jeweiligen Bauteiles und der nanokristallinen Schicht und/oder durch geeignete Strukturierung der nanokristallinen Schicht zwischen den Funktionsbeschichtungen der Bauteile (über die Fläche der Aussparung kann die Verbindungsfläche ermittelt werden) ausbildet.
Das Bauteil weist bevorzugt eine weitaus höhere Schmelztemperatur als dessen Funktionsbeschichtung auf, beispielsweise durch eine niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung, sodass das erfindungsgemäße Verfahren das Bauteil abgesehen von der aufgeschmolzenen Funktionsbeschichtung thermisch nicht beeinflusst. Die aufgeschmolzene Funktionsbeschichtung wird dabei direkt als „in-situ" erzeugter Lot- oder Diffusionswerkstoff genutzt, ohne dass eine zusätzliche Werkstoffzufuhr vor bzw. während des Prozesses von außen erfolgt. Durch die geringe Dicke der reaktiven nanokristallinen Schicht oder Folie können Fügeverbindungen realisiert werden, die nur eine minimale Erhöhung im Bereich der Fügestelle aufweisen.
Fügeverfahren, bei denen eine bereits vorhandene niedrigschmelzende Funktionsbeschichtung als Lot oder Zusatzwerkstoff verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Auch in der US 6,991,856 B2 ist über das Ausnutzen der auf einem zu fügenden Bauteil bereits vorhandenen niedrig- schmelzenden Funktionsbeschichtung nichts berichtet. Dies liegt zum einen in der Tatsache begründet, dass es gemäß dem Stand der Technik nicht möglich war, die Energie zum Schmelzen der Funktionsbeschichtung direkt in die Fügestelle (und hier lokal auf die Oberfläche begrenzt) einzubringen, wenn diese nicht direkt zugänglich ist, ohne dabei das Substratmaterial zu erwärmen und dieses thermisch zu beeinflussen. Induktionserwärmung oder das Widerstandsschweißen führen zwangsläufig zu einer Veränderung des Werkstoffgefüges über einen größeren Bereich des Bauteils und zur Verletzung der niedrigschmelzenden Funktionsbeschichtung an der der Elektrode zugewandten Seite. Die Veränderung des Werkstoffgefüges führt beispielsweise zu einer Verschlechterung des mechanisch-technologischen Eigenschaftsprofils. Die Dicke der Funktionsbeschichtung beträgt z. B. bei verzinkten Stahlwerkstoffen 5 bis 200-300 μm, so dass ein ausreichendes Lotreservoir vorliegt.
Als reaktive nanokristalline Schicht ist bevorzugt eine reaktive nanokristalline Folie, beispielsweise so genannte Nano- foils, zu verwenden.
Das Abkühlen der Funktionsbeschichtung und der Bauteile erfolgt vorzugsweise unter Einwirkung eines Fügedruckes, der mit Hilfe einer Anpressvorrichtung aufgebracht wird.
Für die Aktivierung der reaktiven nanokristallinen Schicht kann beispielsweise eine rasche Widerstandserwärmung über einen elektrischen Stromfluss genutzt werden. Hierzu reichen jedoch im Vergleich zum Widerstandspunkt- bzw. -buckelschweißen deutlich geringere Stromstärken aus, sodass Gefügeveränderungen im Werkstoff oder das Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung zu der der Elektrode zugewandten Seite vermieden wird. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, über die Kontakt- stellen für die Zuführung des notwendigen Stromes, den erforderlichen Anpressdruck aufzubauen. Die durch den Stromimpuls und die rasche Widerstandserwärmung ausgelöste Reaktion der nanokristallinen Schicht dient als Energiezufuhr und führt zum oberflächlichen Aufschmelzen der niedrigschmelzenden Funkti- onsbeschichtung der zu fügenden Bauteile, wodurch eine thermische Beeinflussung des restlichen Bauteilwerkstoffes verhindert werden kann. Bedingt durch die kurze Reaktionszeit und die geringe Energiezufuhr kommt es zu ausgeprägten Abkühlraten und zu sehr kurzen Reaktionszeiten, was eine Bildung von intermetallischen Phasen an der Kontaktstelle verhindert und somit einer Versprödung der Fügestelle entgegenwirkt.
Darüber hinaus kann in Abhängigkeit von der erzeugten Wärme und von der Dicke der Funktionsbeschichtung das Aufschmelzen auf die Gesamtdicke begrenzt werden, sodass von einem verletzungsfreien Fügen der Bauteile ausgegangen werden kann. Weiterhin kann das Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung durch eine Zuführung zusätzlicher Energie in die Funktionsbeschichtung gesteuert werden. Die zum Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung notwendige Energie kann durch die nanokristal- line Schicht auch derart aufgebracht werden, dass hierfür Größeneffekte ausgenutzt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1: eine Lötverbindung gemäß dem Stand der Technik, ohne Fließen des Lotes in den Spalt; Fig. 2: zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Fügen mit einer strukturierten reaktiven nanokristallinen Folie;
Fig. 3: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine Anbindung durch Benetzung bzw. Wechselwirkung der Funktionsbeschichtung mit der exotherm reagierenden Folie erfolgt; und
Fig. 4: eine prinzipielle Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Fig. 1 zeigt eine Lötverbindung gemäß dem Stand der Technik, die in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist.
Fig. 2 veranschaulicht zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils bevor und nachdem die Verbindung geschaffen wurde. Abbildung a) der Fig. 2 zeigt eine reaktive nanokristalline Folie 10, die zwischen einem ersten Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 12 angeordnet ist. Die reaktive nanokristalline Folie 10 weist Hohlräume 13 auf. Die Bauteile 11, 12 weisen einen Überzug 14 aus Zink auf. Abbildung b) der Fig. 2 zeigt die in Abbildung a) dargestellte reaktive nanokristalline Folie 10 mit den Hohlräumen 13 im Detail. Die Hohlräume 13 können bei anderen Ausführungsformen statt einer Streifenform auch eine beliebige andere geometrische Struktur aufweisen. Abbildung c) der Fig. 2 zeigt die in Abbildung a) dargestellte Anordnung, nachdem die dauerhafte Verbindung zwischen den Bauteilen 11, 12 geschaffen wurde. Die Hohlräume 13 sind nunmehr mit dem Überzugswerkstoff gefüllt. Die Überzüge 14 auf den Bauteilen 11, 12 weisen nunmehr eine Dicke zwischen 0 μm und d auf. Abbildung d) der Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der wiederum die reaktive nanokristalline Folie 10 zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 angeordnet ist. Im Unterschied zu der in Abbildung a) der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform weist nur das erste Bauteil 11 den Überzug 14 auf. Die reaktive nanokristalline Folie 10 mit den Hohlräumen 13 ist in Abbildung e) der Fig. 2 im Detail gezeigt. Abbildung f) der Fig. 2 zeigt die in Abbildung c) dargestellte Anordnung, nachdem die dauerhafte Verbindung zwischen den Bauteilen 11, 12 geschaffen wurde. Die Hohlräume 13 sind nunmehr mit dem Überzugswerkstoff gefüllt.
Erfindungsgemäß wird die auf dem/den metallischen Bauteil/en 11, 12 als Überzug 14 vorhandene niedrigschmelzende Funktions- beschichtung als Lotwerkstoff verwendet, wobei die notwendige Energie zum Aufschmelzen dieser Schicht und der resultierenden Lot- bzw. Diffusionsverbindung von der reaktiven nanokristal- linen Folie 10 gezielt und örtlich begrenzt in der Fügestelle zur Verfügung gestellt wird. Diese nanokristalline Folie 10 kann beliebig konturiert sein, so dass ein Fließen der aufgeschmolzenen Funktionsschicht und eine metallurgische Anbindung erreicht werden. Folglich werden keine zusätzlichen Flussmittel und/oder weitere Zusatzwerkstoffe, wie beim Löten üblich, in diesem Fügeprozess benötigt.
Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass die als Überzug 14 ausgeführte niedrigschmelzende Funkti- onsbeschichtung nur teilweise und nicht vollständig aufgeschmolzen wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren bleibt die als Überzug 14 ausgeführte Funktionsbeschichtung auf den zu fügenden Bauteilen 11, 12 erhalten (soweit sie vor dem Fügen dort angebracht war) und wird nicht zerstört. Die Bauteile 11, 12 werden sowohl im Stumpf- als auch im Überlappstoß aneinandergepresst, nachdem die exotherm reagierende nanokristalline Folie 10 dazwischen positioniert wurde. Nach dem Starten der exothermen Reaktion wird die Fügezone aufgrund der durchlaufenden Reaktionsfront kurzzeitig lokal stark erwärmt. Während die reaktive nanokristalline Folie 10 selbst im festen Zustand verbleibt, können Bereiche der als Überzug 14 ausgeführten Funktionsbeschichtung aufgeschmolzen werden und entweder die exotherme Folie 10 benetzen, mit dieser wechselwirken, oder durch eine angepasste Strukturierung der Folie eine Anbindung mit dem zweiten Bauteil erreichen. Die Funktionsbeschichtung dient dabei als „in-situ" erzeugter Lot- oder Zusatzwerkstoff. Die Zeitspanne, in welcher sich der Lot- oder Zusatzwerkstoff in der schmelzflüssigen Phase befindet, liegt dabei im Millisekundenbereich. Der als Überzug 14 ausgeführten Funktionsbeschichtung kommt somit neben der eigentlichen Funktion, wie beispielsweise dem Korrosionsschutz, eine weitere Aufgabe zu. Diese besteht darin, das Ausbilden der Löt- und/oder Diffusionsverbindung zu fördern.
Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Abbildung a) der Fig. 3 zeigt die Anordnung, bevor die Verbindung geschaffen wurde. Abbildung b) der Fig. 3 zeigt die Anordnung, nachdem die Verbindung geschaffen wurde. Die Anordnung umfasst wiederum die reaktive nanokristalline Folie 10, die zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 angeordnet ist. Die Bauteile 11, 12 weisen wiederum den Überzug 14 aus Zink auf. Abbildung b) der Fig. 3 zeigt die in Abbildung a) dargestellte Anordnung, nachdem die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 geschaffen wurde. Die Überzüge 14 auf den beiden Bauteilen 11, 12 weisen nunmehr eine Dicke zwischen 0 μm und d auf. Jeweils zwischen der reaktiven nanokristallinen Folie 10 und einem der Bauteile 11, 12 sind Benetzungsbereiche 16 ausgebildet. Die Benetzungsbereiche 16 können zusätzlich oder alternativ als Bereich einer Wechselwirkung zwischen der reaktiven nanokris- tallinen Folie 10 und einem der Bauteile 11, 12 ausgebildet sein .
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem die exotherme Reaktion der zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 angeordneten reaktiven nanokristallinen Folie 10 durch eine Widerstandserwärmung ausgelöst wird. Hierzu wird am ersten Bauteil 11 eine erste Elektrode 17 und am zweiten Bauteil 12 eine zweite Elektrode 18 angeordnet. Über die Elektroden 17, 18 fließt ein elektrischer Strom einer Stromquelle 19 durch die beiden Bauteile 11, 12 und die reaktive nanokristalline Folie 10. Die Bauteile 11, 12 weisen wiederum den Überzug 14 aus Zink auf.
Bezugszeichenliste
01 - erstes Bauteil
02 - zweites Bauteil
03 - Überzug aus Zink
04 - Lötverbindung
05 - -
06 - verdeckte Stellen
07 - -
08 - -
09 - -
10 - reaktive nanokristalline Folie
11 - erstes Bauteil
12 - zweites Bauteil
13 - Hohlräume
14 - Überzug aus Zink
15 - -
16 - Benetzungsbereich
17 - erste Elektrode
18 - zweite Elektrode
19 - Stromquelle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von Bauteilen (11, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen in Überlapp-, Stumpfoder T-Stoßanordnung durch eine Löt- oder Diffusionsverbindung, wobei mindestens eines der Bauteile (11) auf der dem anderen Bauteil (12) zugewandten Oberfläche eine Funktions- beschichtung (14) aufweist, die folgenden Schritte umfassend:
— Anordnen einer reaktiven nanokristallinen Schicht (10) zwischen den zu verbindenden Bauteilen (11, 12);
— Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht (10), wobei durch die dadurch freiwerdende Wärmeenergie die an der reaktiven nanokristallinen Schicht (10) angeordnete Funktionsbeschich- tung (14) aufgeschmolzen wird; und
— Abkühlen der nanokristallinen Schicht (10) und der Bauteile (11, 12), woraufhin die Funktionsbeschichtung (14) als Lot oder Diffusionswerkstoff zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht (10) und jeweils einem der Bauteile (11; 12) und/oder zwischen den Bauteilen (11, 12) ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anzuordnende reaktive nanokristalline Schicht als Folie (10) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen unter Einwirkung eines Fügedruckes erfolgt, welcher über eine Anpressvorrichtung (17, 18) auf die Bauteile (11; 12) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die reaktive nanokristalline Schicht (10) eine geometrische Struktur mit Hohlräumen (13) aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die exotherme Reaktion der reaktiven nano- kristallinen Schicht (10) begrenzt auf die zu verbindende Oberfläche ausgelöst wird, sodass die Bauteile (11, 12) thermisch nicht weitergehend beeinflusst werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die exotherme Reaktion der reaktiven nano- kristallinen Schicht (10) durch einen elektrischen Strom- fluss durch diese Schicht (10) und eine dadurch bedingte Widerstandserwärmung ausgelöst wird.
7. Verfahren nach dem auf Anspruch 3 rückbezogenen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügedruck über Kontaktstellen (17, 18) für den elektrischen Stromfluss aufgebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Funktionsbeschichtung (14) zusätzliche Energie zugeführt wird, wodurch das Aufschmelzen der Funktionsbeschichtung (14) steuerbar ist.
9. Verbindungsanordnung von Bauteilen (11, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen in Überlapp-, Stumpfoder T-Stoßanordnung, wobei mindestens eines der Bauteile (11) auf der dem anderen Bauteil (12) zugewandten Oberfläche eine Funktionsbeschichtung (14) aufweist; und wobei zwischen den zu verbindenden Bauteilen (11, 12) eine nano- kristalline Schicht (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbeschichtung (14) als Lot oder Diffusionswerkstoff ausgebildet ist, welcher zwischen der nanokristallinen Schicht (10) und jeweils einem der Bauteile (11; 12) und/oder zwischen den Bauteilen (11, 12) eine Löt- oder Diffusionsverbindung ausbildet.
10. Verbindungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, dass die nanokristalline Schicht (10) eine geometrische Struktur mit Hohlräumen (13) aufweist, in denen eine Verbindung der Bauteile (11, 12) unmittelbar über die Funktionsbeschichtung (14) ausgebildet ist.
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