DE102019103130A1

DE102019103130A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur sowie Bauteil

Info

Publication number: DE102019103130A1
Application number: DE102019103130.3A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Segaud; Manuel Anasenzl; Thomas Forstner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-13
Also published as: CN113226626A; US20210362275A1; CN113226626B; WO2020160928A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, umfassend den Schritt:- Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche, wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10 bis 100 ns durchgeführt wird und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, ein Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, sowie eine Verwendung eines gepulsten Lasersystems.
Zum stoffschlüssigen Verbinden von beispielsweise zwei Aluminiumgussbauteilen ist es erforderlich, die Oberfläche der Bauteile vorab zu behandeln, um im nachfolgenden Fügeprozess eine ausreichende Festigkeit der Fügeverbindung zu erzielen. Aus dem Stand der Technik sind hierzu unter anderem chemische Prozesse bekannt, wie beispielsweise chemisches Waschen oder Beizen. Auch ein Passivieren der Oberfläche und das Vorsehen einer kathodischen Tauchlackierung oder Anodisierungsprozesse sind in diesem Zusammenhang bekannt. Die bekannten Ansätze sind allerdings prozesstechnisch oft aufwendig, nicht umweltfreundlich und bedingen hohe Betriebs- und Wartungskosten. Die DE 10 2011 121 546 A1 schlägt daher ein Verfahren zur Erzeugung einer Metall- oder Metalllegierungsoberfläche oder Metalloxid- oder Metalllegierungsoxidschicht auf einer Oberfläche vor, wobei mit einem gepulsten Lasersystem gearbeitet wird. Es hat sich allerdings gezeigt, dass mit derartigen Lasersystemen zwar Oxidschichten auf Aluminiumoberflächen erzeugt oder bereitgestellt werden können, diese allerdings oft beispielsweise nicht ausreichend dick bzw. nicht homogen genug sind, um auch für einen späteren Fügeprozess geeignet zu sein. Insofern besteht insbesondere das Problem, das gepulste Lasersystem in geeigneter Weise zu betreiben bzw. auszulegen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, ein Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, sowie eine Verwendung eines gepulsten Lasersystems anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Bauteil gemäß Anspruch 11 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche den Schritt:

- Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche bzw. der Aluminiumlegierungsoberfläche, wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10-100 ns durchgeführt wird, und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die so hergestellte Funktionsstruktur die Bildung einer optimalen Oxidschicht bedingt. Dabei ist die Oxidschicht insbesondere sehr homogen und deutlich dicker als bekannt. So liegen die Dicken von Oxidschichten auf AlMgSi-Legierungen (ohne irgendeine Laserbehandlung) bei unter 3 nm. Mit der vorgenannten Laserbehandlung können Dicken von über 5 nm erreicht werden. Die vorgenannte Oberfläche ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Oberfläche eines Bauteils aus beispielsweise einer Aluminium-Magnesium (Al-Mg) Legierung, bevorzugt einer Aluminium-Magnesium-Silizium Legierung oder einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Magnesium (AL-Mg-Si-Mg) Legierung. Ein bevorzugter Werkstoff ist insbesondere AISi10MnMg. Bevorzugt ist das Bauteil ein Gussbauteil, gemäß einer Ausführungsform beispielweise ein Druckgussbauteil.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Stoffschlüssiges Verbinden der Aluminiumoberfläche mit einem Fügepartner über die Funktionsstruktur.

Der Fügepartner ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann aus beliebigen Werkstoffen bestehen, insbesondere aus metallischen Werkstoffen, wie z. B. Stahl oder Aluminium oder einer metallischen Legierung. Alternativ können Kunststoffe oder Faserverbundwerkstoffe als Werkstoff für den Fügepartner zur Anwendung kommen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Stoffschlüssiges Verbinden durch Kleben, Schweißen oder Löten.

Als besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren bei Kombination mit einem Klebeprozess herausgestellt. Die üblicherweise verwendeten Adhäsive haften besonders gut auf der laserbehandelten, modifizierten Oberflächentopologie des zu fügenden Bereichs, insbesondere also der Funktionsstruktur, der Aluminiumoberfläche.
Zweckmäßigerweise bildet die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 5 nm bis 700 nm, bevorzugt von 5 nm bis 200 nm, aus bzw. weist diese auf. Mit anderen Worten kann das Verfahren auch als ein Verfahren zum Erzeugen einer Oxidschicht auf einer Aluminiumoberfläche bezeichnet werden. Durch die Laserbehandlung und den daraus resultierenden Wärmeeintrag wird die Oberfläche gereinigt und so geändert, dass sich in der Folge eine sehr gleichmäßige Oxidschicht darauf bildet.
Besonders bevorzugt weist das Lasersystem eine mittlere Leistung zwischen 1 und 3 kW bzw. zwischen 1 und 2 kW auf bzw. wird die Laserbehandlung mit dieser mittleren Leistung durchgeführt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei folgender Verfahrensschritt herausgestellt:

- Fokussieren des Laserstrahls auf einen Durchmesser von etwa 500 bis 3000 µm. Weitere bevorzugte Durchmesser liegen in einem Bereich von etwa 900 bis 1800 µm.

Hieraus ergibt sich, insbesondere mit den vorgenannten mittleren Leistungen, ein optimaler Energieeintrag, welcher zur Formung der Funktionsstruktur bzw. der Oxidschicht führt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Laserbehandeln mit einer Pulsdauer von 20-40 ns.

Dieser Bereich hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Erzeugung der Funktionsstruktur herausgestellt. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass als Strahlform bevorzugt eine quadratische Strahlform verwendet wird, wobei allerdings auch beliebige andere Strahlformen verwendbar sind. Die quadratische Strahlform hat insbesondere den Vorteil, als damit beim Abfahren mit dem Laser insbesondere eine gleichmäßige Bearbeitung ohne Überlappungsbereiche ermöglicht wird. Bevorzugt erfolgt das Laserbehandeln in Fokuslage und mit hoher Rayleigh-Länge, wobei bevorzugte Werte für die Rayleigh-Länge zwischen 10 und 25 mm liegen. Die Oberflächenbehandlung kann so robuster gestaltet werden und ist beispielsweise toleranter gegenüber Fokuslagenveränderungen.
Für die Oberflächenbehandlung hat sich eine Wellenlänge des Lasersystems von 1000-1100 nm als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die Pulswellen so sehr gut von dem Aluminiumwerkstoff aufgenommen und umgesetzt werden. Besonders vorteilhaft beträgt die Wellenlänge 1030 und 1064 nm.
Weiter vorteilhaft beträgt die Impulsfrequenz 10-40 kHz und insbesondere 10-30 kHz. Hierdurch wird bei reduziertem energetischen Aufwand die Oberflächentopologie und Oberflächenspannung des zu fügenden Aluminiumgussbauteils optimal modifiziert, wodurch die Adhäsion zum Fügepartner erhöht werden kann.
Vorteilhafterweise kommen keine chemischen Oberflächenbehandlungsschritte zur Anwendung. Entsprechend umfasst das Verfahren mit Vorteil den Schritt:

- Verbinden unmittelbar nach dem Laserbehandeln bzw. Fügen unmittelbar nach dem Laserbehandeln.

Mit Vorteil sind also keine weiteren Verfahrens- oder Prozessschritte nach dem Laserbehandeln notwendig. Dies gilt auch hinsichtlich einer etwaigen Vorbehandlung vor dem Laserbehandeln, welche ebenfalls nicht nötig ist. Im Einzelfall ist es allerdings durchaus möglich, die zu behandelnde Oberfläche vorab zu reinigen, ggf. auch mechanisch.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Laserbehandeln unter einer Atmosphäre, wobei die Atmosphäre Vakuum, Umgebungsatmosphäre oder ein inertes Gas oder Gasgemisch ist.

Gemäß einer Ausführungsform gehört die Aluminiumoberfläche zu einem Aluminiumbauteil, insbesondere einem Aluminiumgussbauteil. Der gemäß dem Verfahren eingesetzte Aluminiumwerkstoff ist im Einzelnen nicht beschränkt, sofern Aluminium den Hauptanteil in Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bauteils, ausmacht. Besonders vorteilhaft beträgt ein Gehalt an Aluminium in dem mit dem Fügepartner zu verbindenden Aluminiumgussbauteil mindestens 70 Massenprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumgussbauteils.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Bauteil, insbesondere ein Aluminiumbauteil, insbesondere ein Aluminiumgussbauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 5-700 nm aufweist oder ausbildet. Dies bedingt eine optimale Klebstoffhaftung und Korrosionsbeständigkeit. Die Funktionsstruktur bzw. laserbehandelte Oberfläche stellt etwaigen Fügepartnern oberflächenwirksame Gruppen zur Anbindung bereit und zeichnet sich durch eine erhöhte Sauerstoffkonzentration aus. Insbesondere ist die Oxidschicht extrem homogen und gleichmäßig. Die Gleichmäßigkeit der Oxidschicht zeigt sich durch eine „spiegelnde“ Bauteiloberfläche an den laserbehandelten Bereichen. Mit Vorteil ist die Umschmelzzone bzw. Wärmeeinflusszone in die Oberfläche bzw. in das Bauteil hinein sehr gering, beispielsweise bis max. 10 µm.
Weiter richtet sich die Erfindung auf die Verwendung eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10-100 ns und einer mittleren Leistung zwischen 1 und 5 kW zum Herstellen einer Funktionsstruktur bzw. einer Oxidschicht, auf einer Aluminiumoberfläche, insbesondere eines Aluminiumgussbauteils. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren bzw. mit dem Bauteil erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für die Verwendung.
Das zur Anwendung kommende Lasersystem kann beispielsweise eine Strahlenquelle, eine Kühlvorrichtung für die Strahlenquelle, eine Leitfaser von der Strahlenquelle zu einem Scanner und einen Scanner (zur Strahlenablenkung) umfassen, wobei der Scanner auf einer beweglichen Vorrichtung, beispielsweise auf einem Roboter, angeordnet sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011121546 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche, umfassend den Schritt: - Zumindest bereichsweises Laserbehandeln einer Aluminiumoberfläche zum Erzeugen einer Funktionsstruktur auf der Aluminiumoberfläche, wobei das Laserbehandeln mittels eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10 bis 100 ns durchgeführt wird und wobei eine mittlere Leistung des Lasersystems kleiner als 5 kW ist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Stoffschlüssiges Verbinden der Aluminiumoberfläche mit einem Fügepartner über die Funktionsstruktur.
Verfahren nach Anspruch 2, umfassend den Schritt: - Stoffschlüssiges Verbinden durch Kleben, Schweißen oder Löten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 5 bis 700 nm aufweist oder ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lasersystem eine mittlere Leistung zwischen 1 und 2 kW aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Fokussieren des Laserstrahls auf einen Durchmesser von 500 bis 3000 µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Laserbehandeln mit einer Pulsdauer von 20 bis 40 ns.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, umfassend den Schritt: - Verbinden unmittelbar nach dem Laserbehandeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Laserbehandeln unter einer Atmosphäre, wobei die Atmosphäre Vakuum, Umgebungsatmosphäre oder ein inertes Gas oder Gasgemisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumoberfläche zu einem Aluminiumbauteil, insbesondere einem Aluminiumgussbauteil, gehört.
Bauteil, umfassend eine Funktionsstruktur, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funktionsstruktur eine Oxidschicht mit einer Dicke von 5 bis 700 nm aufweist.
Verwendung eines gepulsten Lasersystems mit einer Pulsdauer von 10 bis 100 ns und einer mittleren Leistung zwischen 1 und 5 kW zum Herstellen einer Funktionsstruktur auf einer Aluminiumoberfläche.