Laseroberflächenvorbehandlung von Aluminium zur Optimierung der Oxidschichteigenschaften für das strukturelle Kleben

Beschreibung

In der vorliegenden Arbeit wird die Wirkung einer Laseroberflächenvorbehandlung von Aluminium untersucht, um durch eine gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften den Haftgrund für das strukturelle Kleben zu optimieren. Es werden insbesondere die Eigenschaften der Aluminiumoxidschicht betrachtet. Die Dicke und Porosität der Oxidschicht haben u. a. einen signifikanten Einfluss auf die Adhäsion, Festigkeit und Langzeitbeständigkeit einer Klebverbindung. Verschiedene – zumeist nasschemische – Verfahren sind bekannt, um die Oxidschichteigenschaften gezielt zu verändern. Diese Verfahren lassen sich nur großflächig einsetzen und sind für komplexe Geometrien weniger geeignet. Der Laser bietet als vielseitiges Werkzeug die Möglichkeit - neben den bekannten Anwendungen für die Oberflächenreinigung - den Haftgrund durch die reproduzierbare Veränderung der Oxidschichteigenschaften zu optimieren. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstoffoberfläche notwendig. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen anhand der Aluminiumlegierung EN AW-5754, welchen Einfluss die applizierte Laserenergiedichte und Prozessgasatmosphäre auf die resultierende Oxidschicht haben. Die vorbehandelten Oberflächen werden einer umfassenden Analyse zur Bewertung der Topografie, Elementverteilung, Oxidzusammensetzung, des Oxidaufbaus und der elektrischen Eigenschaften unterzogen. Abschließend werden die Ergebnisse durch die Herstellung und Prüfung von geklebten Proben für die praxisnahe Anwendung verifiziert. Die vorbehandelten Oberflächen und geklebten Prüfkörper werden zudem einer Alterung unterzogen, um anhand der daraus gewonnenen Informationen Rückschlüsse auf die Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung abzuleiten. Die Untersuchungen kommen zum Ergebnis, dass das Oxidschichtwachstum durch hohe Energiedichten und die Zugabe von Sauerstoff gefördert wird. Durch geeignete Parameterwahl werden die Oxidschichtdicken anodisierter Oberflächen erreicht. Die Zunahme der Oxidschichtdicke spiegelt sich in den Festigkeitsergebnissen wider. Im Unterschied zum Ausgangszustand werden die Festigkeiten deutlich gesteigert und sind mit den Ergebnissen für anodisierte Oberflächen vergleichbar.
In der vorliegenden Arbeit wird die Wirkung einer Laseroberflächenvorbehandlung von Aluminium untersucht, um durch eine gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften den Haftgrund für das strukturelle Kleben zu optimieren. Es werden insbesondere die Eigenschaften der Aluminiumoxidschicht betrachtet. Die Dicke und Porosität der Oxidschicht haben u. a. einen signifikanten Einfluss auf die Adhäsion, Festigkeit und Langzeitbeständigkeit einer Klebverbindung. Verschiedene – zumeist nasschemische – Verfahren sind bekannt, um die Oxidschichteigenschaften gezielt zu verändern. Diese Verfahren lassen sich nur großflächig einsetzen und sind für komplexe Geometrien weniger geeignet. Der Laser bietet als vielseitiges Werkzeug die Möglichkeit - neben den bekannten Anwendungen für die Oberflächenreinigung - den Haftgrund durch die reproduzierbare Veränderung der Oxidschichteigenschaften zu optimieren. Hierfür ist eine genaue Kenntnis der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Werkstoffoberfläche notwendig. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen anhand der Aluminiumlegierung EN AW-5754, welchen Einfluss die applizierte Laserenergiedichte und Prozessgasatmosphäre auf die resultierende Oxidschicht haben. Die vorbehandelten Oberflächen werden einer umfassenden Analyse zur Bewertung der Topografie, Elementverteilung, Oxidzusammensetzung, des Oxidaufbaus und der elektrischen Eigenschaften unterzogen. Abschließend werden die Ergebnisse durch die Herstellung und Prüfung von geklebten Proben für die praxisnahe Anwendung verifiziert. Die vorbehandelten Oberflächen und geklebten Prüfkörper werden zudem einer Alterung unterzogen, um anhand der daraus gewonnenen Informationen Rückschlüsse auf die Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung abzuleiten. Die Untersuchungen kommen zum Ergebnis, dass das Oxidschichtwachstum durch hohe Energiedichten und die Zugabe von Sauerstoff gefördert wird. Durch geeignete Parameterwahl werden die Oxidschichtdicken anodisierter Oberflächen erreicht. Die Zunahme der Oxidschichtdicke spiegelt sich in den Festigkeitsergebnissen wider. Im Unterschied zum Ausgangszustand werden die Festigkeiten deutlich gesteigert und sind mit den Ergebnissen für anodisierte Oberflächen vergleichbar.

Autor*in

Rico Rechner

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