Metallschutzgaslöten beschichteter Stahl-Feinbleche mit Aluminium-Basis-Zusatzwerkstoffen

Von S. Rentrop¹) und R. Winkelmann²)

Auf Grundlage chemisch-metallurgischer Untersuchungen sowie technologischer Entwicklungen wurde ein Aluminium-Basis-Schweißzusatzwerkstoff mit dem Ziel entwickelt, ihn für die Herstellung von Stahl-Stahl-Verbindungen zu nutzen. Gegenüber der Anwendung konventioneller Kupfer-Basis-Lote ergeben sich deutlich geringere Fügetemperaturen und damit Vorteile hinsichtlich der Bauteilgeometrie und dem Verzug. Hinzu kommt eine deutlich geringere Masse in der Fügezone, womit die Ambitionen nach Leichtbau unterstützt werden. Die in der Fügezone zu erwartenden spröden Phasen, infolge der Kontaktierung des flüssigen Aluminium-Zusatzwerkstoffs mit dem Stahlteil, sind durch die Anwendung geregelter Kurzlichtbogenprozesse in einer Kombination mit der Wechselstromtechnologie zu begrenzen. Die Lötparameter sind für die üblichen Blechdicken bis 1,5 mm und die üblichen Beschichtungsvarianten ermittelt. Es werden Ergebnisse zur Spaltüberbrückbarkeit vorgestellt. Die Lötgeschwindigkeiten sind abhängig von den gewünschten Verbindungseigenschaften und liegen im Bereich von 0,30 m/min bis 0,9 m/min. Eine teilmechanisierte Verbindungsherstellung ist zu empfehlen. Die Untersuchungen zur Anwendung des entwickelten Zusatzwerkstoffs sind komplettiert durch die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Verbindungen sowie von Mischverbindungen Aluminium-Stahl. Die Beurteilung der neu entwickelten Legierung für die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Schweißverbindungen erfolgt vergleichend zu konventionell am Markt erhältlichen Qualitäten, wie dem AlSi5(A) und dem AlMg4,5Mn(A). Als Beurteilungskriterien fungieren neben der Prozessstabilität auch die einstellbaren mechanischen Verbindungseigenschaften. Besondere Aufmerksamkeit kommt der schlagartigen Belastung von Verbindungen zu. Unter Anwendung von geeigneten technologischen Parametern eignet sich die Aluminium-Basis-Legierung für die Herstellung von Mischverbindungen Aluminium-Stahl, wobei Scherzugfestigkeiten bis etwa 200 MPa gemessen werden.

Shielded Metal Gas Soldering of Thin Coated Steel Sheet Using an Aluminium-Based Additive Material

Following extensive chemical and metallurgical studies and subsequent technical development, a new aluminium-based welding material has been launched aimed at improved steel-to-steel joining procedures. In contrast to the conventionally used copper-based solder, the new material permits significantly lower joining temperatures and thus further advantages in terms of component geometry and overall procedure. In addition, the new method reduces weight in the joining zone, thus making a further contribution to weight-reduction of overall structures. Formation of brittle phases in the joining area resulting from contact between the molten aluminium addition agent and the steel component can be minimised by use of a controlled short electric arc in combination with AC technology. Soldering parameters are presented for typical steel sheet thicknesses of 1.5 mm and typical coating conditions. Some results are shown for bridging of cracks. Soldering rates depend on the desired joint properties but are in the range of 0.30 to 0.9 mm/min. A partly-mechanised joining procedure is recommended. Studies on the use of this additive material enable creation of aluminium-aluminium joints as well as those involving mixed metals such as aluminium-steel. Evaluation of this newly developed alloy for creating aluminium-aluminium welded joints affords properties comparable to products commercially available such as AlSi5 (A) and AlMg4.5Mn (A). Assessment criteria apart from ease of processing, include the range of available mechanical joint properties. Noteworthy in particular is the resistance of such joints to impact. Using the appropriate technological parameters, aluminium-based alloys can be used for mixed metal (aluminium-steel) joints for which shear strengths of up to 200MPa have been recorded.

1 Zielstellung/Motivation

Die geregelte Kurzlichtbogentechnik bietet eine sehr gute Voraussetzung dafür, thermisch sensible, dünne Bauteile zu fügen. Mischverbindungen sind herstellbar.­ Die allgemein von MSG-Prozessen bekann­ten Vorteile, wie beispielsweise die hohe Verfügbarkeit, das hohe Automatisierungs­potenzial oder die Herstellung von dichten, metallischen Verbindungen, bleiben erhalten. Durch die Kombination von geregelten Kurzlichtbögen und der Wechselstromtechnik werden die Möglichkeiten der Verbindungsherstellung deutlich erweitert. Es gelingt, die Tropfengröße anzupassen und die Energiewirkung am Draht zu konzen­trieren.

Begrenzt ist die Anwendbarkeit dieser Gerätetechnik im dünnen Blechdickenbereich durch fehlende Zusatzwerkstoffe mit ausreichend geringer Schmelztemperatur beziehungsweise dem fehlenden Wissen über die Technologie der Verbindungsherstellung mit vorhandenen Werkstoffen. Eine Anpassung des Zusatzwerkstoffs, an die Forderungen dünnere Bauteile (< 0,75 mm) mittels offenen Lichtbogens zu fügen, ist erforderlich, da dies mit den allgemein verwendeten, auf Kupferbasis hergestellten Zusatzwerkstoffen auch bei Anwendung der geregelten Wechselstromlichtbögen kaum prozesssicher gelingt. Es ist nötig, mit Zusatzwerkstoffen zu arbeiten, deren Schmelztemperatur unter denen der Kupfer-Basis-Werkstoffe liegt. Die Anwendung von Aluminium(Al)-Basis-Zusatzwerkstoffen bietet sich an. Gelingt es, Aluminium-Basis-Zusatzwerkstoffe für die Herstellung von Stahl-Stahl-Verbindungen zu qualifizieren, so werden, neben der geringeren Energiewirkung, ein Reduzieren der Masse der Verbindung sowie die Möglichkeit eröffnet, mit einem Zusatzwerkstoff sowohl Stahl-Stahl- als auch Aluminium-Aluminium- und Stahl-Aluminium-Verbindungen herzustellen.

Hierfür ist allerdings neben einem geeig­neten Zusatzwerkstoff auch eine geeignete Technologie zu entwickeln und zu testen; die Verbindungsergebnisse sind zu validieren. Angestrebt werden Verbindungseigenschaften, wie sie von Aluminium-
Aluminium-Verbindungen bekannt sind.

Für das Erreichen dieser Zielstellung sind zusammenfassend drei Aspekte zu berücksichtigen:

• die chemisch metallurgische Konfigura­tion des Zusatzwerkstoffs
• die Erarbeitung der Zusatzwerkstoffherstellungstechnologie sowie
• die Fügetechnologie.

In der zusammenfassenden Bearbeitung dieser drei Aspekte wird eine Lösung für die Herstellung von Verbindungen an dünnen Bauteilen mit einem universell einsetzbaren Zusatzwerkstoff angestrebt.

2 Lösungsansatz

Ein beim Metallschutzgaslöten von unbeschichteten Stahlblechen mit niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen wie Aluminium (Al) und Zink (Zn) zu registrierendes Problem ist die ungenügende Benetzung.­ Flussmittel sind nur sehr bedingt hilfreich, da die Lichtbogenstabilität beeinflusst wird. Hinzu kommt die mögliche Beeinflussung der Korrosionsbeständigkeit infolge der Flussmittelwirkung.

Eine Lösung für das Problem der ungenügenden Benetzung wird durch die Berücksichtigung von Zwischenschichten angestrebt. Technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist die Nutzung der ohnehin zum Zweck des Korrosionsschutzes auf Stahlfeinblechen aufgebrachten Zinkschicht. Die technologischen Schritte der Vorbehandlung des zu verzinkenden Stahlteils (Reduzierung von Oxiden) und die Bildung von Diffusions­zonen infolge des Verzinkens sind die Basis für die Benetzung. Nachgewiesen ist die hervorragende Eignung von Zink-Basis-Zusatzwerkstoffen für die Herstellung von Verbindungen an verzinkten Stahlfeinblechen sowie für Mischverbindungen Stahl-Aluminium [1].

Die Zinksublimation ist jedoch ein Problem, das die Suche nach Alternativen erforderlich macht. Eine mögliche Lösung ist die Nutzung von Aluminium-Basis-Werkstoffen. Zu beachten sind jedoch höhere Schmelztemperaturen und die damit verbundene, hohe Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung der Zwischenschicht. Diese übernimmt, bei der Nutzung von Aluminium-Basis-Werkstoffen eine weitere Aufgabe: die Beeinflussung der Phasenbildung. Zusätzlich wird die Phasenbildung durch zwei Aspekte beeinflusst: Es handelt sich entsprechend der Triebkraft, der Änderung der freien Gibbschen Energie (dG), um die chemische Konfiguration (µ) sowie die thermische Energie (SdT) bei der Verbindungsherstellung [1]:

Hierin bedeuten:

T – Temperatur

p – Druck

N – Teilchenzahl

µ – chemisches Potenzial

S – Entropie

V – Volumen

Wird in erster Näherung die Volumenarbeit (Vdp) als konstant angenommen, so liegen die Arbeitsschwerpunkte auf der Beeinflussung der Wärme beim Fügen und der chemischen Konfiguration des Zusatzwerkstoffs.

3 Versuchsmethodik

Ein Arbeitsschwerpunkt betrifft die Beeinflussung der Bildung von intermetallischen Phasen (IM). Das Zustandsschaubild Aluminium-Eisen (Al-Fe) (Abb. 1) verdeutlicht die Problemstellung. Zu registrieren sind hoch harte (900 bis 1150 HV0.05) spröde (~ 1 MPam0,5) aluminiumreiche Phasen (z. B. Al13Fe4; Al5Fe2 und Al2Fe) sowie relativ zähe (bis 12 MPam0,5) eisenreiche Phasen geringerer Härte (400 bis 520 HV0.05) [2–4]. Letztere sind anzustreben.

Entsprechend dem 1. Fickschen Gesetz (Gl. <2>) wird die Teilchenstromdichte J vom Diffusionskoeffizient D und dem Konzentrationsgradient (∂c/∂x) beeinflusst:

Wird also die chemische Konfiguration der Beschichtung des Stahlteils zu einem höheren Aluminumgehalt hin (AS–Schicht) verändert, so wird der Konzentrationsgradient und letztendlich die Teilchenstromdichte­ reduziert und die Phasenbildung beeinflusst. Neben den konventionell verzinkten Blechen sollten somit auch aluminium-sili­ziumhaltige Beschichtungen berücksichtigt­ werden. Nach Cheng, Eggeler u. a. [5–8] wirkt Silizium hemmend auf die Bildung der intermetallischen Phase.

Eine geeignete chemische Konfiguration des zu entwickelnden Aluminium-Basis-Zusatzwerkstoffs wurde durch Variation der Elemente Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Mangan (Mn) angestrebt. Während die Elemente Silizium und Magnesium primär die Bildung von intermetallischen Phasen beein­flussen, wird Mangan mit dem Ziel zugegeben, die Festigkeit zu steigern.

Die Lötparameter werden mit dem Ziel variiert, hohe Verbindungsfestigkeiten zu erzielen. Neben der Streckenenergie beeinflussen die Drahtposition sowie der Spalt die mechanischen Verbindungseigenschaften. Infolge des Polaritätswechsels gelingt es, die Tropfengröße und damit die Spaltüberbrückung zu beeinflussen. Weiterhin ist die Energieverteilung auf dem Draht- und dem Grundwerkstoff variabel.

4 Ergebnisse

4.1 Einfluss von Silizium und Magnesium auf die Phasenbildung

Die Zugabe von Silizium bedeutet eine Reduzierung der IM-Phasendicke entsprechend der in Abbildung 2 dargestellten Art. Die Saumdicke der intermetallischen Phase ist in dieser Darstellung bezogen auf die bei der Nutzung des reinen Aluminium-Zusatzwerkstoffs registrierten Dicke. Es ist eine nahezu lineare Reduzierung der Phasen­dicke mit zunehmendem Anteil an Silizium im Zusatzwerkstoff festzustellen. Demgegenüber wurde eine deutlich dickere inter­metallische Phase bei Anwesenheit von Magnesium registriert. Die Nutzung von ­Silizium ist somit zu bevorzugen.

Die Ergebnisse der Literatur [5, 8] konnten bestätigt werden. Zu beachten sind zwei Aspekte:

• die Zeitdauer der Wärmewirkung und
• die absolute Prozesstemperatur.

Diese Parameter werden, mit dem Ziel hohe Verbindungsfestigkeiten zu erreichen, optimiert.

4.2 Lötparameter

Die Untersuchungen zu den Lötparametern wurden mit AlSi3Mn-Drähten durchgeführt, die entsprechend den neuesten Ergebnissen der Qualitätssicherung hergestellt wurden. Die Anwendung von hoch reinen Rohdrähten sowie die materialspezifische Technologie des Ziehens, unter Berücksichtigung von Reinigungsprozessen, sind wesentliche Aspekte dafür, Drähte zu produzieren, die höchsten Qualitätsanforderungen genügen. Die Qualitätssicherung erfolgte auch durch Untersuchungen entsprechend den Vorgaben der Norm DIN EN ISO 10042 zur Beurteilung der Porosität sowie Messungen des Wasserstoffgehalts. Für die Beurteilung der Porosität wurden Proben hergestellt (Abb. 3). Hierfür waren mehrere Raupen nebeneinander und drei Lagen übereinander zu schweißen. Bewertet wurden die Oberfläche der Schweißung sowie die durch Fräsen hergestellten Flächen in 1 mm und 2 mm Tiefe.

Mithilfe einer Kamera wurden die Oberflächen bei zehnfacher Vergrößerung hinsichtlich der vorhandenen Porosität bewertet. Für die benutzten Drähte wurde beispielsweise bei einer Prüffläche von APrüf = 750 mm² eine Porenfläche von APoren = 0,05 mm² und somit ein prozentualer Anteil von A% = 0,01 % ­registriert. Der größte Porendurchmesser betrug 0,25 mm. Damit erfüllt der Draht die Kriterien für die höchste Bewertungsgruppe B.

Die Bestimmungen des Wasserstoffgehalts erfolgten nach dem Trägergas-Schmelzextraktionsverfahren mit dem G8 GALILEO-Analysator entsprechend DIN EN ISO 18273. Dabei wurde die Probe in einem Graphittiegel unter Inertgasatmosphäre (Trägergas) aufgeschmolzen und der in der Probe vorliegende Wasserstoff im molekularen Zustand (H₂) freigesetzt. Eventuell entstehende Nebenprodukte wurden durch selektive Oxidation/Absorption aus dem Trägergasstrom entfernt. Der Wasserstoff wurde mit dem Trägergas durch eine Wärmleitfähigkeitsmesszelle (Thermal Conductivity Detector – TCD) transportiert und dort erfasst. Das zeitliche Integral der Messkurve entspricht dem Gehalt an Wasserstoff in der Probe. Auf Basis einer Kalibrierung mithilfe von bekannten Mengen Wasserstoffgas wurde unter Berücksichtigung der Probeneinwaage die Wasserstoffkonzentration berechnet. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer Messung. Es wurde an den benutzten Drähten ein sehr geringer Wasserstoffgehalt registriert.

Die Lötungen erfolgten mit einer MSG-Maschine des Typs Fronius CMT 4000 Advanced. Um ein Prozessverständnis sowie reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, sind Strom-Spannung-Zeit-Messungen hilfreich. Hierfür wurde ein Differenzialtastkopf, ein LEM und eine Transientenmesskarte des Typs M2 i4651 benutzt. Die Abtastung betrug 3 MS/s. Es konnten beide Kanäle zeitgleich abgetastet werden. Als vorteilhaft erwies sich die in Abbildung 5 dargestellte Brennerposition.

Folgende Parameter sind für die Herstellung von Verbindungen an Stahlfeinblechen (DX56 D+Z, Blechstärke d = 0,88...1,0 mm) geeignet:

• Schweißposition: Überlappstoß Spalt 0,2 mm/PA
• Schutzgas: Argon (100 %)
• Brennerwinkel: 0° (x-Achse), 0° (y-Achse) (senkrecht)
• Brennerbetriebsart: S2–Takt
• freier Stick-out: 10 mm zum unteren Blech
• Schweißprogramm: 9 negative Zyklen/1 positiver Zyklus
• Schweißgeschwindigkeit: 36 cm/min Roboter
• Drahtvorschubgeschwindigkeit: 5,6 m/min (gemessen)

Eine Verbindung der verzinkten Stahlbleche wurde durch eine überwiegend negative­ Polung des Drahts erst möglich. In Abbildung 6 ist ein Messschrieb dargestellt. Für die Herstellung der Verbindung genügt eine mittlere Streckenenergie von 126 J/mm. Die Unterbrechung der negativen Zyklen durch einen positiven Anteil dient der Prozessstabilisierung.

Für die Herstellung von DX56 D+AS–DX56 D+AS-Verbindungen wird der negative Anteil deutlich reduziert (Abb. 7). Als optimal hinsichtlich der Prozessstabilität und der sich ergebenden Festigkeiten der Verbindungen wurde ein U-I-t-Verlauf entsprechend der Darstellung in Abbildung 7 ermittelt. Es wurde mit acht positiven und sechs negativen LB-Brennphasen gearbeitet.

Die Prozessleistung wurde beim Übergang von der Z-Beschichtung auf die AS-Beschichtung von 787,3 J/s auf 613,6 J/s reduziert. Das Verhältnis von positivem zu negativem Energieanteil war von 0,06 (Z-Schicht) auf 3,3 (AS-Schicht) zu erhöhen.

Beispielhaft ist in Abbildung 8 ein zu fügendes AlMg3–HCT600X D+Z-Bauteil dargestellt. Die Lichtbogenauslenkung an der Stahlkante konnte durch eine pendelnde Brennerführung kompensiert werden. Während auf der Aluminiumseite der herzustellenden Verbindung mit positiv gepolter Elektrode geschweißt wurde, kam beim Löten des Stahlblechs die negative Polarität zur Anwendung. Ein entsprechender Messschrieb ist in Abbildung 9 dargestellt.

4.3 Verbindungseigenschaften

Aus dem Nahtaussehen sind erste Schlussfolgerungen, zum Beispiel hinsichtlich Prozessstabilität, Gleichmäßigkeit der Nahtgeometrie oder der Korrosion, ableitbar (Abb. 10 bis 11). Die Verbindungseigenschaften wurden sowohl quasistatisch als auch bei schlagartiger Beanspruchung geprüft. An den DX56 D+Z–DX56 D+Z-Verbindungen wurden bei den 0,88 mm dicken Blechen Scherzugfestigkeiten von 150 N/mm² gemessen. An den AS-beschichteten Blechen konnten 200 N/mm² registriert werden. Zu beachten sind dabei die eingestellten Spalte und Lötgeschwindigkeiten. In Abbildung 12 sind die Zusammenhänge am Beispiel von AS-beschichteten 0,88 mm dicken DX56 D+AS-Grundwerkstoffverbindungen dargestellt, die mit einem AlSi3Mn-Lötdraht des Durchmessers 1,2 mm unter Einhaltung der in Abbildung 7 definierten Parameter hergestellt wurden. Am U-Profil wurden bei schlagartiger Beanspruchung keine Risse an der Verbindungsstelle registriert.

Bei Aluminium-Aluminium-Verbindungen wurde zusätzlich zu den Festigkeitswerten die Spaltüberbrückbarkeit bestimmt (Abb. 13). Diesbezüglich wurden mit dem entwickelten Zusatzwerkstoff AlSi3Mn sehr gute Werte registriert. Die Festigkeiten lagen im Bereich von 190 N/mm² bis 205 N/mm². Die höheren Werte sind dabei selbstverständlich dem AlMg4,5Mn und die geringsten dem AlSi5 zuzuordnen.

5 Zusammenfassung

Es wurde mit dem AlSi3Mn eine Grundlegierung geschaffen, die universell einsetzbar ist, da sowohl Stahl-Stahl- als auch Aluminium-Stahl- und Aluminium-Aluminium-Verbindungen hergestellt werden können. Die Grundwerkstoffqualitäten sind für derartige Verbindungen weniger bedeutend als die Art der Beschichtung am Stahlteil. Geeignete Verbindungstechnologien sind vorhanden, sodass der Nutzer auf eine solide Basis an Informationen zurückgreifen kann.

Es wurde eine gute Spaltüberbrückbarkeit bei den Aluminium-Schweißungen festgestellt. Darüber hinaus liegen die Festigkeitswerte der Verbindungen über denen, die mit dem konventionell angewendeten AlSi5 erzielt werden. Die Biege- beziehungsweise die Schälzugbeanspruchbarkeit sind ebenfalls hoch (Abb. 14 links). Bei den Crashuntersuchungen am Hutprofil konnte eine sichere Verbindung attestiert werden (Abb. 14 rechts).

Abb. 14: Dynamisch beanspruchte Verbindungen Stahl-Aluminium

Literatur

[1] R. Winkelmann u. a.: Thermisches Fügen von Bauteilen mittels Lichtbogen und Zn-Basis-Zusatzwerkstoffe; DVS–Berichte Band 237 (2005), S. 169–174

[2] U. Köster, W. Liu, H. Liebertz, M. Michel: Mechanical properties of quasicrystalline and crystalline phases in Al-Cu-Fe alloys; J. Non-Cryst. Solids 153/154 (1993), pp. 446–452

[3] S. Kobayashi, T. Yakou: Control of intermetallic compound layers at interface between steel and aluminum by diffusion-treatment; Mater. Sci. Eng., A338 (2002), pp. 44–53

[4] I. Zerner: Prozessstabilisierung und Ergebnisse für das Laserstrahlfügen von Aluminium-Stahl-Verbindungen; BIAS–Verlag, Bremen, Dissertation, 2002

[5] H. Springer, A. Kostka, E.-J. Payton, D. Raabe, A. Kaysser-Pyzalla, G. Eggeler: On the formation and growth of intermetallic phases during interdiffusion between low-carbon steel and aluminum alloys; Acta Mater. 59 (2011), pp. 1586–1600

[6] W. J. Cheng, C. J. Wang: EBSD study of crystallographic identification of Fe–Al–Si intermetallic phases in Al–Si coating on Cr–Mo steel; Appl. Surf. Sci. 257 (2011), pp. 4637–4642

[7] W. J. Cheng, C. J. Wang: Microstructural evolution of intermetallic layer in hot-dipped aluminide mild steel with silicon addition; Surf. Coat. Technol. 205 (2011), pp. 4726–4731

[8] G. Eggeler, W. Auer, H. Kaesche: On the influence of silicon on the growth of the alloy layer during hot dip aluminizing; J. Mater. Sci. 21 (1986), pp. 3348–3350

DOI: 10.7395/2016/Rentrop01

1) Drahtwerk Elisental W. Erdmann GmbH & Co.;
E-Mail: srentrop@elisental.de

2) BTU Cottbus–Senftenberg;
E-Mail: Ralf.Winkelmann@b–tu.de