Funktionsorientiertes Laserstrahl-Mikroschweißen von Aluminium-Kupfer-Verbindungen mit örtlicher Leistungsmodulation
von Sören HollatzDer zunehmende Bedarf an Batteriezellen zur Elektrifizierung von Fortbewegungsmitteln erfordert das automatisierte Fügen elektrisch hochleitender Werkstoffe wie Aluminium und Kupfer. Diese Materialien sind Bestandteil gängiger Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die elektrische Verschaltung von Zellen zu Batteriesystemen erfordert folglich das Fügen dieser artungleichen Verbindung. Hauptfunktion ist hierbei das verlustfreie Übertragen des elektrischen Stroms über die gesamte Produktlebensdauer. Aufgrund der guten Automatisierbarkeit und kurzen Prozesszeiten ist das Laserstrahlschweißen ein geeignetes Verfahren für diese Anwendung. Herausforderung beim schmelzebasierten Fügen von Aluminium und Kupfer ist die Bildung von intermetallischen Phasen. Als Ausgangspunkt für Risse können diese Phasen die Verbindung langfristig schädigen. Betriebseinflüsse wie Vibrationen, thermische oder elektrische Belastung verkürzen die Lebensdauer zusätzlich. Ein industrieller Einsatz erfordert deshalb die genaue Kenntnis über die Qualität der Schweißverbindung und ihre Langzeitstabilität.
Als quantitatives Maß für die Schweißnahtqualität bietet sich aufgrund der funktionalen Anforderung der Übergangswiderstand der Verbindung an. Neben den Grundlagen zur Messung elektrischer Widerstände von Schweißverbindungen, wird in dieser Arbeit der Stromfluss durch die Verbindung simulativ betrachtet, um die Auslegung und Schweißnahtpositionierung zu optimieren. Bei der experimentellen Validierung wird der Einfluss einer örtlichen Leistungsmodulation auf elektrische und mechanische Eigenschaften untersucht. Dadurch wird die Anbindungsbreite der Schweißnaht erhöht und Ungleichmäßigkeiten im Nahtquerschnitt des Überlappstoßes aufgrund des unterschiedlichen Schmelzpunkts und Wärmeleitfähigkeit werden ausgeglichen. Die Durchmischung der beiden Materialien wird mittels in-situ Durchstrahlversuchen mit Synchrotronstrahlung sichtbar gemacht. Für die Analyse der Langzeitstabilität werden die Schweißverbindungen dynamisch, elektrisch und thermisch belastet, um die Betriebseinflüsse zu simulieren. Zusätzlich werden in dieser Arbeit Methoden zur prozessbegleitenden Überwachung der Einschweißtiefe mittels optischer Kohärenztomographie und Spektrometrie untersucht. Durch die Kombination einer funktionsorientierten Prozessentwicklung mit einer geeigneten Überwachung, unterstützt diese Arbeit die industrielle Anwendung des Laserstrahlschweißens von Aluminium-Kupfer-Verbindungen.
Als quantitatives Maß für die Schweißnahtqualität bietet sich aufgrund der funktionalen Anforderung der Übergangswiderstand der Verbindung an. Neben den Grundlagen zur Messung elektrischer Widerstände von Schweißverbindungen, wird in dieser Arbeit der Stromfluss durch die Verbindung simulativ betrachtet, um die Auslegung und Schweißnahtpositionierung zu optimieren. Bei der experimentellen Validierung wird der Einfluss einer örtlichen Leistungsmodulation auf elektrische und mechanische Eigenschaften untersucht. Dadurch wird die Anbindungsbreite der Schweißnaht erhöht und Ungleichmäßigkeiten im Nahtquerschnitt des Überlappstoßes aufgrund des unterschiedlichen Schmelzpunkts und Wärmeleitfähigkeit werden ausgeglichen. Die Durchmischung der beiden Materialien wird mittels in-situ Durchstrahlversuchen mit Synchrotronstrahlung sichtbar gemacht. Für die Analyse der Langzeitstabilität werden die Schweißverbindungen dynamisch, elektrisch und thermisch belastet, um die Betriebseinflüsse zu simulieren. Zusätzlich werden in dieser Arbeit Methoden zur prozessbegleitenden Überwachung der Einschweißtiefe mittels optischer Kohärenztomographie und Spektrometrie untersucht. Durch die Kombination einer funktionsorientierten Prozessentwicklung mit einer geeigneten Überwachung, unterstützt diese Arbeit die industrielle Anwendung des Laserstrahlschweißens von Aluminium-Kupfer-Verbindungen.