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Erhöhung der Elektrodenlebensdauer beim Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen mittels applizierter Diffusionssperrschichten
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling; Prof. Dr. rer. nat. Harald Schmidt
Förderzeitraum: 11/2021 – 10/2024
Förderstelle: DFG
Bearbeiter: Sascha Brechelt, M. Sc.; Jochen Junge, M. Sc.
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen im Bereich der Karosserieproduktion von Kraftfahrzeugen birgt ein großes Potential zur Senkung der Gesamtfahrzeugmasse. Somit können der spezifische Kraftstoffverbrauch und die erzeugten Abgasemissionen verringert sowie die effektive Reichweite von BEV (Battery Electric Vehicle) weiter gesteigert werden. Die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mittels Widerstandspunktschweißen unterliegt jedoch einer deutlich beschleunigten thermischen und metallurgischen Degradation der Elektrodenkappen. Während bei Stahlwerkstoffen bis zu 6.000 Schweißungen möglich sind, bis ein Unterschreiten der Qualitätsgrenzen eintritt, sind bei zinkbeschichteten Stahlwerkstoffen lediglich 1.200 und bei Aluminiumlegierungen 50 Schweißungen möglich. Die ursächlichen diffusionsbasierten Mechanismen erfordern eine häufige Erneuerung oder Instandsetzung eingesetzter Elektroden, die die Kosteneffizienz des Widerstandspunktschweißens vermindert. Innerhalb des DFG-Vorhabens sind mittels PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung) Diffusionssperrschichten im µm-Bereich zu entwickeln, die den auftretenden Belastungen im Schweißprozess standhalten und die auftretenden Degradationsprozesse maßgeblich verringern.
Der Degradationsprozess, der für einen frühzeitigen Ausfall von Elektrodenkappen ursächlich ist, hängt unter anderem von der Höhe des elektrischen Übergangswiderstands und der lokalen Stromdichte im entsprechenden Kontaktbereich ab. Durch zielgerichtete Strukturierungen der Elektrodenoberflächen sollen die natürlichen Oxidschichten der Aluminiumsubstrate überwunden und ein homogener metallischer Kontakt erreicht werden. Zusammen mit der Entwicklung von Verbunddünnfilmschichten aus metallischen und hochleitfähigen keramischen Bestandteilen, sind zudem wirkungsvolle Diffusionsbarrieren zum Schutz der Elektroden zu entwickeln. Qualifizierte Schichtsysteme werden hinsichtlich ihrer temperaturabhängigen Eigenschaften innerhalb von Diffusionsexperimenten untersucht. Weiterführend erfolgt die Bewertung der erzeugten Schichtsysteme durch Elektronenmikroskopie und Nanoindentierung sowie eine Bewertung der erreichten Schichthaftfestigkeit durch Scratch-Tests. Das Ziel ist die vollumfängliche Aufklärung aller Mechanismen, die im Werkstoffsystem Kupfer-Aluminium zum Degradationsprozess beitragen. Zudem sind die entwickelten Maßnahmen zur Vermeidung der Degradation im Labor- und Anwendermaßstab zu prüfen.