Wilfried Reimann: Entwicklung eines Laserstrahl-Lötverfahrens für schmelztauchveredelte Karosseriebauteile, herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, Shaker Verlag, Aachen 2018

Eine zentrale Herausforderung zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit im Automobilbau ist die Produktion von qualitativ hochwertigen und günstigen Kraftfahrzeug-Karosserien bei gleichzeitiger Reduzierung des Gewichtes. Die daraus abgeleiteten Anforderungen an das Gewicht, das Design, die Sicherheit und die Kosten beinhalten Zielkonflikte, die zu unterschiedlichen Lösungen im Hinblick auf die verwendeten Werkstoffe geführt haben. Die große Mehrheit der heutzutage hergestellten Kraftfahrzeug-Karosserien wird aus Stahl gefertigt. Aufgrund der geringeren Materialkosten und der fortlaufenden technischen Weiterentwicklung der Stähle ist auch in Zukunft ein hoher Anteil von Stahl in Kraftfahrzeug-Karosserien zu erwarten.

Hohe qualitative Anforderungen

An die Fügetechnologien im modernen Karosseriebau werden gleichermaßen hohe wirtschaftliche und qualitative Anforderungen gestellt. Insbesondere für design-relevante Fügestellen im Bereich der Karosserie-Außenhaut bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Anmutungsqualität. Das Laserstrahllöten ist eine etablierte Fügetechnologie, die es ermöglicht, Fügeverbindungen mit außenhauttauglicher Anmutungsqualität zu erzeugen. Die im Idealfall nahezu unsichtbare Laserstrahllötnaht trägt zu einer hochwertigen Anmutung der Karosserie bei. Zusätzlich resultieren wirtschaftliche Vorteile aus dem Entfall von Dichtungen und Abdeckungen. Diese Aspekte sind insbesondere für Lötverbindungen zwischen Dach und Seitenteil sowie für Verbindungen an zweigeteilten Heckklappen von Bedeutung.

Vorteile feuerverzinkter Bleche

Bisher werden für den Außenhautbereich vorwiegend elektrolytisch verzinkte und phosphatierte Bleche eingesetzt. Deren Zinkschichten werden in einem mehrstufigen nasschemischen Prozess hergestellt und vor der Weiterverarbeitung phosphatiert. Zunehmend in außenhauttauglicher Qualität angeboten, werden schmelztauchveredelte Bleche mit Zinkbeschichtungen, die üblicherweise als feuerverzinkt bezeichnet werden und ohne zusätzliche Phosphatierung weiterverarbeitet werden. Aufgrund des weniger aufwendigen Herstellungsprozesses und der weltweit aufgebauten Anlagenkapazitäten sind die Kosten für feuerverzinktes Blech geringer als die für elektrolytisch verzinktes Blech. Darüber hinaus weisen feuerverzinkte Bleche eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf als elektrolytisch verzinkte Bleche. Wegen dieser Vorteile gegenüber elektrolytisch verzinkten Stahlblechen wird die Verwendung von feuerverzinkten Stahlblechen im Außenhautbereich der Karosserie derzeit forciert. Das Laserstrahllöten reagiert sensibel auf die Änderung der Beschichtung. Der Wechsel auf feuerverzinktes, nicht phosphatiertes Blech zieht eine Verengung des Prozessfensters nach sich. Bei Verwendung der bestehenden Anlagentechnik ist die Entstehung einer schuppigen Nahtoberfläche und das Auftreten von Spritzern und Poren zu beobachten. Beide Merkmale setzen die erreichbare Anmutungsqualität herab und werden im Sichtbereich der Außenhaut nicht akzeptiert. Darüber hinaus reagiert der Lötprozess an schmelztauchveredelten Blechen empfindlich auf Veränderungen der Anlageneinstellungen. In der Produktionsumgebung des Karosseriebaus können geringfügige Veränderungen allerdings nicht ausgeschlossen werden. Als Beispiele seien chargenabhängige Unterschiede der Bauteiloberflächen oder geringfügige Schwankungen der Laserleistung infolge von Schmauchablagerungen auf der Optik genannt.

Der Lötprozess an schmelztauchveredelten Blechen reagiert empfindlich auf Veränderungen der Anlageneinstellungen

Für den Einsatz im Karosseriebau müssen die Fügeprozesse robust gegenüber diesen vorhersehbaren Schwankungen sein, damit die Anforderungen bezüglich der Anlagenverfügbarkeit und des Instandhaltungsaufwandes erfüllt werden. Die geringe Prozessstabilität beim Laserstrahllöten von feuerverzinktem Blech führt zum Auftreten von Unregelmäßigkeiten, welche die erreichbare Qualität sowie die Anlagenverfügbarkeit beschränken und einem Serieneinsatz an feuerverzinkten Blechen entgegenstehen. Für eine Verbesserung der Prozessstabilität sind genauere Kenntnisse zur Entstehung der charakteristischen Unregelmäßigkeiten erforderlich. Die Entstehungsmechanismen von Unregelmäßigkeiten beim Laserstrahllöten sind komplex und bislang nur teilweise erforscht. Die Ursachen für das unterschiedliche Prozessverhalten verschiedenartiger Zinkbeschichtungen mit gleicher Zinkschichtdicke sind gänzlich unbekannt.

Ziel dieser Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Technologie zu entwickeln, die das Laserstrahllöten von feuerverzinktem Material in hoher Qualität ermöglicht. Zu diesem Zweck wird zunächst eine detaillierte Beobachtung und Analyse des Laserstrahl-Lötprozesses durchgeführt. Aufbauend darauf werden für die Mechanismen, die zur Entstehung charakteristischer Unregelmäßigkeiten führen, Teilmodellierungen der Kausalzusammenhänge erarbeitet.

Die Beobachtungen und die erarbeiteten Modellvorstellungen werden herangezogen, um verschiedene Ansätze zur Prozessstabilisierung zu bewerten und um geeignete Anpassungen zu identifizieren. Die identifizierten Maßnahmen werden mit Hilfe von Lötversuchen an vorbehandelten Versuchsteilen überprüft. Gleichzeitig dienen diese Versuche der experimentellen Validierung der Kausalmodelle. Ausgehend von den identifizierten Zusammenhängen und den Ergebnissen der Modellbildung erfolgt eine gezielte Anpassung der Prozessführung und der verwendeten Anlagentechnik. Die durch diese Anpassung geänderten Prozessabläufe werden untersucht und in das erarbeitete Kausalmodell eingeordnet. Die Stabilität des neu entwickelten Lötprozesses wird im Rahmen eines Bauteil- und Produktionsversuches in der Serienfertigung nachgewiesen.

Stand von Wissenschaft und Technik

Das Laserstrahllöten im Karosseriebau ist ein etabliertes Verfahren für die Verbindung von Außenhautblechen im Sichtbereich der Karosserie. Erste Serienapplikationen im Karosseriebau wurden 1997 umgesetzt. Aktuelle Anwendungen im Karosseriebau sind das Löten der Außenhautbleche zweigeteilter Heckklappen und die Verbindung zwischen dem Fahrzeugdach und dem Seitenteil. Die schmale und glatte Verbindung ermöglicht eine einheitliche und hochwertige Anmutung der Karosserie. Da im Bereich der Fügestelle keine zusätzlichen Abdeckungs- und Dichtelemente notwendig sind, können Kosteneinsparungen realisiert werden. Zugleich ergibt sich eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch den Entfall korrosionsgefährdeter Spalte zwischen punktgeschweißten Blechen. Weiterhin ermöglicht das Verfahren die Herstellung von Teilen mit Bauteilgeometrien, die durch das Umformen eines Blechteils nicht erreichbar sind. Aufgrund dieser Vorteile findet das Laserstrahllöten bei vielen Automobilherstellern Anwendung, insbesondere für die Herstellung hochwertiger Karosserien.

Die im Karosseriebau umgesetzten Lötprozesse erfolgen automatisiert und mit einer Prozessgeschwindigkeit von bis zu sechs Metern pro Minute. Im Gegensatz zu klassischen Lötprozessen, wie sie zum Beispiel in der Elektronikproduktion eingesetzt werden, findet eine räumlich und zeitlich stark begrenzte Erwärmung der Fügepartner statt. Die Prozessabläufe beim Laserstrahllöten für den Karosseriebau weisen im Hinblick auf die Prozessführung vornehmlich Analogien zum Metall-Schutzgas-Schweißen, dem Laserstrahl-Auftragsschweißen sowie dem Laserstrahlschweißen von Aluminium mit Zusatzdraht auf. Die hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität sowie die aus dem Produktionsumfeld resultierenden Anforderungen setzen eine robuste, gegenüber Störgrößen und Umwelteinflüssen unempfindliche Gestaltung der Prozessführung und der Betriebsmittel voraus. Weil die Verwendung feuerverzinkter Bleche Veränderungen des Prozessverhaltens und eine Abnahme der Prozessstabilität verursacht, ist für einen Serieneinsatz im Karosseriebau eine gezielte Anpassung des Prozesses zur Steigerung der Prozessstabilität erforderlich. Dies setzt eine systematische Beobachtung der Einflüsse und eine Analyse der wesentlichen Wirkzusammenhänge voraus.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der Untersuchung des Laserstrahllötens für den Karosseriebau unter praxisnahen Bedingungen wurde erstmalig eine vergleichende Prozessanalyse an Stahlblechen mit verschiedenen Zinkbeschichtungen durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der Prozessbeobachtung wurden Kausalmodelle für die Entstehung von charakteristischen Unregelmäßigkeiten erarbeitet, die es ermöglichen, die wesentlichen Einflussgrößen zu bestimmen. Die darauf aufbauende Weiterentwicklung der Anlagentechnik ermöglicht das prozesssichere Laserstrahllöten schmelztauchveredelter Bleche mit hoher Anmutungsqualität und leistet damit einen Beitrag zur Steigerung der Qualität und der Wirtschaftlichkeit im Karosseriebau.

Erstmalig wird eine prozessnahe Messung der Drahtvorschubgeschwindigkeit während des Lötprozesses ermöglicht

Für die Prozessbeobachtung wird ein erweitertes Prozessanalysesystem aufgebaut, das erstmalig eine prozessnahe Messung der Drahtvorschubgeschwindigkeit während des Lötprozesses ermöglicht. Zusätzlich erfasst wird das Signal eines Pyrometers, die Position des Teleskoparms und eine ebenfalls synchronisierte HS-Videografie. Die Ergebnisse der detaillierten Beobachtung des Laserstrahl-Lötprozesses an verschiedenartig verzinkten Blechen und die darauf aufbauende Prozessanalyse zeigen, dass Prozessinstabilitäten als Folge mehrerer, miteinander wechselwirkender Vorgänge entstehen. Es wird nachgewiesen, dass Unregelmäßigkeiten einerseits durch externe Einflüsse entstehen, die ausgehend von der Anlagen- und Systemtechnik auf den Lötprozess einwirken, und andererseits durch prozessinhärente Vorgänge sowie durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Vorgängen. Im Hinblick auf die Einstellung der Anlagen- und Systemtechnik haben insbesondere die Einstellung der Roboterbahn, die Positionierung der Optik am Bauteil, die Ausrichtung des Zusatzdrahtes und des Laserstrahls sowie die Einstellung der Drahtzuführung grundlegenden Einfluss auf den Lötprozess und die Lötergebnisse. Ungünstige Anlageneinstellungen, wie zum Beispiel eine laterale Positionsabweichung zwischen Draht und Laserstrahl oder systembedingte Schwankungen der Drahtvorschubgeschwindigkeit, führen zumeist zur Entstehung von groben Unregelmäßigkeiten wie Löchern oder Nahtaussetzern.

Im Hinblick auf die prozessinhärenten Vorgänge wird erstmals nachgewiesen, dass periodische Schwankungen der DVG in der Prozesszone zur Anregung des Schmelzbades führen und eine schrittweise Ausbreitung der Schmelzbadfront sowie die Entstehung von V-förmigen Schuppen auf der Nahtoberfläche verursachen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Schwankungen der DVG durch den Aufbau und die Relaxation von Spannungen innerhalb der Förderstrecke zwischen dem Frontmotor und der Prozesszone entstehen und initial auf einen Haftgleiteffekt zwischen dem Draht und dem Bauteil zurückzuführen sind. Des weiteren zeigen die Ergebnisse der Prozessanalyse, dass die Verdampfung der Zinkbeschichtung während des Lötens vonherausragender Bedeutung für die Entstehung von Unregelmäßigkeiten ist.

Die Zusammenhänge zwischen werkstoffspezifischen Eigenschaften und der Entstehung charakteristischer Unregelmäßigkeiten werden klar

Außerdem fand erstmalig die systematische Untersuchung des Einflusses verschiedenartiger Zinkbeschichtungen auf den Laserstrahl-Lötprozess statt. Dieser verdeutlicht die Zusammenhänge zwischen werkstoffspezifischen Eigenschaften und der Entstehung charakteristischer Unregelmäßigkeiten. Die für das Laserstrahllöten von feuerverzinkten Blechen typische Entstehung von Spritzern wird auf die Anreicherung und die Verdampfung von Zink im Randbereich der Naht zurückgeführt. Ursache für die Zinkansammlung während des Laserstrahllötens ist die im Verhältnis zu Lötprozessen an elektrolytisch verzinktem Blech niedrige Temperatur der Blechoberfläche im Bereich vor und neben dem Schmelzbad, die aus der hohen Reflexion der feuerverzinkten Oberfläche resultiert. Dieser Zusammenhang wird durch die Ergebnisse der Werkstoffanalyse, durch die Prozessbeobachtung mit HS-Aufnahmen und Prozessthermografie sowie durch metallografische Analysen von Querschliffen bestätigt.

Die Identifizierung dieser Wirkzusammenhänge stellt eine Erweiterung des Prozessverständnisses um grundlegende Aspekte dar und dient als Grundlage für die zielgerichtete Auswahl von Maßnahmen zur Steigerung der Prozessstabilität. Versuche zur laserinduzierten Verdampfung verschiedenartiger Zinkschichten sowie die Messung der Reflexion zeigen, dass die optischen Eigenschaften der Oberfläche einen wesentlichen Einfluss auf die Löteignung haben. Allerdings ist ebenfalls erkennbar, dass neben den optischen Eigenschaften auch die strukturellen Eigenschaften der Beschichtungen einen Einfluss auf die laserinduzierte Verdampfung der Zinkschichten und die damit verbundene Entstehung von Unregelmäßigkeiten beim Laserstrahllöten haben.

Steigerung der Prozessstabilität durch entsprechende Lötversuche

Lötversuche mit vorbehandelten Blechteilen belegen die wesentlichen Hypothesen und Schlussfolgerungen, die auf Basis der erarbeiteten Kausalmodelle abgeleitet wurden. Sowohl eine Verringerung der Reflexion, realisiert durch das Aufbringen einer Phosphatierung, als auch die vollständige Entfernung der Zinkbeschichtung im Bereich der Lötfuge führen zu einer Steigerung der Prozessstabilität.

Versuchsergebnisse an Blechteilen, die per Laserablation im Bereich der Lötfuge vorbehandelt wurden, zeigen, dass bereits eine selektive Entfernung der Zinkschicht im Randbereich der Lötfuge die Entstehung von Spritzern reduziert. Für die gezielte Anpassung der für das Laserstrahllöten von schmelztauchveredelten Karosseriebauteilen verwendeten Anlagentechnik wird aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen und unter Berücksichtigung der karosseriebauspezifischen Anforderungen ein Konzept für das Laserstrahllöten mit Dreistrahltechnik entworfen. Es basiert auf einer prozessintegrierten, dem Schmelzbad vorauseilenden Verdampfung der Zinkbeschichtung im Randbereich der Lötfuge, um die Ansammlung von Zink und die damit einhergehende Entstehung von Spritzern zu vermeiden. Für die systemtechnische Umsetzung wird erstmalig ein Trifokal-Lasersystem aufgebaut. Zentral für die neu entwickelte Technologie sind eine angepasste Strahlquelle und ein Mehrkernlichtleitkabel, deren Aufbau eine gezielte Anpassung der Intensitätsverteilung in der Fokusebene ermöglicht. Damit wird eine separate, räumlich vom Schmelzbad getrennte Verdampfung der Zinkbeschichtung erreicht, so dass während des Lötprozesses keine Zinkansammlung im Randbereich des Schmelzbades entsteht. Die für das Laserstrahllöten von feuerverzinkten Blechen charakteristische Entstehung von Spritzern wird dadurch vermieden.

Zur Steigerung der Prozessstabilität ist eine vom Schmelzbad des Lötprozesses getrennte Verdampfung der Zinkschicht notwendig

Die Ergebnisse der Prozessanalyse des trifokalen Lötprozesses können widerspruchsfrei in das zuvor erarbeitete Kausalmodell eingeordnet werden und bestätigen die der Prozessentwicklung zu Grunde liegenden Schlussfolgerungen. Parallel dazu wurden für eine von der Strahlquelle unabhängige Anpassung der Intensitätsverteilung auf Mikrolinsen basierende Strahlformungsmodule aufgebaut, die ebenfalls eine Verdampfung der Zinkbeschichtung vor dem Schmelzbad des Lötprozesses ermöglichen. Die Ergebnisse der Prozessanalyse zeigen, dass für die Steigerung der Prozessstabilität eine vom Schmelzbad des Lötprozesses getrennte Verdampfung der Zinkschicht notwendig ist. Gegenüber einer dreiteiligen Intensitätsverteilung hat eine mit dem Schmelzbad des Lötprozesses verbundene zusätzliche Erwärmung der Randbereiche keine Steigerung der Prozessstabilität zur Folge, weil es im Randbereich des Schmelzbades wie zuvor zur Anreicherung von Zink und damit zur Entstehung von Spritzern kommt.

Die Beobachtung dieses Phänomens bestätigt erneut das zuvor erarbeitete Kausalmodell für die Entstehung von Spritzern. Erst durch die Verwendung einer dreiteiligen Intensitätsverteilung wird eine vom Schmelzbad getrennte Verdampfung der Zinkbeschichtung ermöglicht, die zu einer Steigerung der Prozessstabilität führt. Sowohl mit dem Trikal-Löten, bei dem die Intensitätsverteilung mit Hilfe einer Mehrkernfaser erzeugt wird, als auch mit ähnlichen Intensitätsverteilungen, die mit Hilfe von Strahlformungsmodulen erzeugt werden, werden außenhauttaugliche Lötverbindungen mit einer hohen Anmutungsqualität erreicht. Die Erprobung und der Serieneinsatz in der Produktion bestätigt die Stabilität der für das Laserstrahllöten von schmelztauchveredelten Blechen mit Zinkbeschichtungen entwickelten Technologie.

Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist gewährleistet

Im Hinblick auf weitere Schritte und Prozesse, die die Wirtschaftlichkeit des Laserstrahllötens im Karosseriebau erhöhen und steigern, stellt die Steigerung der Lötgeschwindigkeit eine wesentliche Herausforderung dar. Im Hinblick auf die Ergebnisse der Lötversuche an vollständig entzinkten Blechteilen erscheint das prozessintegrierte, gepulste Vorbehandlungsverfahren als eine Möglichkeit, gleichzeitig die Qualität und die Prozessgeschwindigkeit weiter zu steigern. Im Hinblick auf die erheblichen wirtschaftlichen Potenziale und vor dem Hintergrund der Beobachtungen zur laserinduzierten Verdampfung von Zinkbeschichtungen, stellt die Übertragung der Erkenntnisse und des Vorgehens für das Laserstrahlschweißen verzinkter Bleche ein hochinteressantes Handlungsfeld für weiterführende Forschungsaktivitäten dar. Es bleibt zu untersuchen, inwieweit die Ergebnisse für das Laserstrahllöten verzinkter Bleche auf das Laserstrahlschweißen zu übertragen und verfahrensspezifisch anzupassen sind.

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