Teilprojekt B05(E) Thermische Plasmafügeprozesse

Das stoffschlüssige Fügen erfordert wegen der Reaktionsfreudigkeit der meisten metallischen Werkstoffe eine Abschirmung von der Atmosphäre. Der Grund dafür sind chemische Reaktionen der Metalle mit z. B. Sauerstoff oder Stickstoff. An den Oberflächen ablaufende chemische Reaktionen und die temperaturabhängige Löslichkeit von Gasen in Metallen sind für die thermischen Fügeprozesse somit immer qualitätsbildend. In Lichtbögen (LB) werden diese Reaktionen durch ionisierbare und stabilisierende Inertgase minimiert, indem die schädigenden atmosphärischen Gase aus der Prozesszone verdrängt werden. Turbulenzen und Verunreinigungen im Inertgas sowie Restsauerstoffgehalte im Leitungssystem verhindern bisher die Herstellung einer Sauerstofffreiheit im Sinne einer XHV-adäquaten Atmosphäre in der Plasmaprozesszone des Schweißlichtbogens. Es laufen stets Oxidationsreaktionen ab, die wiederum zu Oxidbildung, -einschlüssen, Benetzungsproblemen und Instabilitäten im Plasmalichtbogen führen. Beim tropfenförmigen Werkstoffübergang des Zusatzwerkstoffes in das Schmelzbad (Schweißen) oder der Benetzung von festen Oberflächen durch flüssige Lotwerkstoffe (Löten) sind damit die Phasengrenzprozesse von großer Bedeutung. Die Kontrolle der Reaktionen am Schmelzbad bzw. am Tropfen beeinflussen u. a. die Tropfengröße, den Werkstoffübergang, die Benetzung und die Durchmischung, wobei eine gezielt hergestellte Sauerstofffreiheit zu wesentlich besseren Fügeverbindungen führen und z. B. die Anwendung von gesundheitsgefährdenden Flussmitteln als Hilfsstoffe entfallen kann.

Mit Silan im Inertgas (Argon oder Helium) soll der in der Lichtbogenkaverne vorhandene Sauerstoff als SiO₂ abgebunden und schädigende Reaktionen mit dem Schmelzbad sowie ungünstige Phasengrenzspannungen verhindert werden. Der Einfluss des sich durch die chemische Reaktion bildenden H₂ und SiO₂ sowie die Wirkung der entstehenden Si_xH_y-Radikale auf die Oxidschichtreduktion und den Fügeprozess werden untersucht und in Bezug auf Lichtbogenstabilität und Schmelzbadbildung charakterisiert. Dabei werden für das Fügen hochfrequente Strom-Spannungsmessungen durchgeführt, welche Hinweise auf die Energieübertragung im Lichtbogen und damit auf die Energiebilanz der ablaufenden chemischen Reaktionen im LB geben. Gleichermaßen wird die Einschweißtiefe hinsichtlich veränderter Einbrandprofile untersucht. Für das Lichtbogenlöten soll die mögliche Leistungsreduktion hinsichtlich des notwendigen Wärmeeintrages in das Bauteil durch die Sauerstofffreiheit erforscht werden. Am Beispiel von Aluminium-, Titan- oder Kupferlegierungen werden Schwerpunkte in der Oberflächenreinigung, Benetzung und Polungsart gesetzt. Für Aluminium muss bspw. sowohl zum Schweißen, als auch zum Löten die natürliche Oxidschicht auf der Oberfläche aufgebrochen werden, um einen Stoffschluss zwischen Fügeteil und Zusatzwerkstoff zu erreichen. Bisher wird dies durch den „Kathodischen Reinigungseffekt“ in der negativen Halbwelle z. B. beim Wolfram-Inertgas (WIG)-Wechselstromschweißen durch die Beschleunigung der im Lichtbogen vorhandenen Ionen erreicht, was sich aber stark schädigend auf die Stabilität der Wolframelektrode auswirkt. Beim Löten wird die Oxidschicht durch die Anwendung gesundheitsschädlicher und kostenintensiver Flussmittel chemisch entfernt. Zu den Oberflächenmechanismen wird ein grundlegendes Verständnis zur Wirkung des Silans im Lichtbogenprozess aufgebaut, um Oberflächeneffekte bei der Anwendung von übertragenen (WIG-Prozess) und nicht übertragenen (Plasmaprozess) thermischen Plasmen nutzbar zu machen. Mittels Hochgeschwindigkeitskinematographie werden Inertgas abhängige Einflüsse auf die Tropfenbildung und den Werkstoffübergang untersucht. Dissoziations-, Ionisations- und Rekombinationsprozesse sollen durch lichtspektroskopische In-situ-Experimente erforscht werden. Es ist geplant In-situ-XRD-Experimente durchzuführen, bei denen direkt im thermischen Plasma röntgenographisch gemessen werden soll, um das Reduktionsverhalten vorhandener Oxidschichten im thermischen Plasma unter XHV-adäquater Atmosphäre zu erforschen. Unter Verwendung von eloxierten Aluminiumoberflächen mit Al₂O₃-Schichtdicken bis zu 20 μm wird erforscht, ob die Desoxidation mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) in einem silandotierten Plasmalichtbogen in situ nachweisbar ist. Das messbare Spektrum sollte durch die Reduktion des Al₂O₃ und das im Signalverlauf dominanter werdende darunterliegende, metallische Aluminium nachvollziehbare Änderungen erfahren, sodass Erklärungen gefunden werden können, wie das Silan in der Lichtbogensäule auf Oxidschichten wirkt. Insgesamt führen die Forschungen zu den Mechanismen im thermischen Plasma zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Reaktionsmechanismen im Lichtbogen und an der Fügeteiloberfläche, welche zum einen die Modellierung der Prozesszone und chemischen Reaktionen ermöglicht und zum anderen Hinweise liefert, welches Verbesserungs- und Anwendungspotenzial für die Lichtbogenschweiß- und Löttechnologie besteht.