Hybrid Friction Eutectic Bonding (HFEB) – stoffschlüssiges Fügen von Aluminium und Kupfer unter Nutzung der eutektischen Reaktion

Ansätze des werkstofflichen Leichtbaus mit dem Ziel der Gewichts- und Ressourcenoptimierung in elektrischen Verbindungen haben das Fügen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen zu einem stark verfolgten Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre gemacht. Im Rahmen von Elektromobilität sowie allgemeiner Erhöhung von Komfort- und Sicherheitsstandards ergeben sich hierfür hohe Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Der Zielzustand für elektrische Verbindungen besteht in großflächigen, duktilen Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand. Je nach Verfahren werden diese Ziele jedoch durch die Bildung spröder, intermetallischer Phasen oder erhöhte Grenzflächen- und Bauteilverformung nur zum Teil erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer genutzt, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt der Grenzflächen durch Fügedruck während des Rührreibpunktschweißens beschleunigt wird, findet die Vergrößerung und Benetzung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze statt. Diese bildet sich zwischen den Grundwerkstoffen, ohne dass diese in die flüssige Phase übergehen. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess hier erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Somit kann das Erstarrungsverhalten gezielt beeinflusst werden, während sich weitere Vorteile durch den Abtransport von Einschlüssen und Verunreinigungen ergeben.

Durch eine angepasste Prozessführung können vollflächige Anbindungen in kurzer Prozesszeit von weniger als 0,5 s erzielt werden. Die Bildung weiterer Sprödphasen außerhalb des eutektischen Systems wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags verhindert. Zusätzlich kann die Schmelzebildung als Reduzierung des Materialwiderstands während des kraftgeregelten Prozesses detektiert und diese für weitere Prozessansätze genutzt werden. Weitere Optimierungsansätze zeigen sich beim Übertrag auf weitere Pressschweißverfahren und Bauteilgeometrien.

Considering the current approaches on energy efficiency and electro mobility, increasing requirements on electrical assemblies require a continuous development of available manufacturing technologies. Especially joining aluminum and copper for lightweight battery assemblies and connectors has become a focus topic for industrial research. The requirements on dissimilar joints for electrical applications include the reduction of the contact resistance as well as maximization of mechanical and thermal stability. However, there are major metallurgical obstacles for conventional joining technologies. High temperatures during joining of Al-Cu are known to facilitate the growth of brittle intermetallic compounds (IMCs), which show a negative effect on the joint properties even at a few microns layer width. Otherwise, solid state welding usually requires a significant deformation at the interface and hence shows limited applicability for sensitive components. Furthermore, the lack of melt formation causes oxide and surface remnants to remain within the joint and reduce the actual contact area. Therefore, the objective of this investigation was to trigger the eutectic reaction between aluminum and copper by a friction based heat input. This novel approach between fusion and solid state welding causes a local melt formation between the solid joining partners so that a large cohesive bond area can be formed without melting the base materials. At the same time, the IMC formation can be reduced by short process times and low peak temperatures.

The applied joining force and the frictional heat input cause oxide breakup and solid state diffusion across the interface until the eutectic melt forms. The force can then also be used to displace the melt out of the joining area along with oxide fragments and further surface remnants. With an adjusted process setup, Ø 6–10 mm welds could be produced within less than 0,5 s. The formation of further IMCs outside of the eutectic composition was avoided or minimized by the low energy input and limited peak temperature. The melt formation can even be detected during the force controlled process and be used for optimizing the melt displacement. Further optimization approaches could be demonstrated by applying the concept onto resistance spot welding and connection of copper caps and aluminum stranded wire.

 

Der zunehmende Einsatz von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen für Anwendungen im Bereich E-Mobility führt zu Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. In dieser Arbeit wurde daher gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer während eines Pressschweißprozesses ausgelöst, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt durch den Fügedruck beschleunigt wird, findet die Vergrößerung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen den festen Grundwerkstoffen innerhalb von weniger als einer Sekunde statt. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Die Bildung weiterer spröder Phasen wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags minimiert. Durch eine geeignete Prozessführung zeigen sich Vorteile beim Übertrag auf weitere Verfahren und Bauteilgeometrien.

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