Untersuchungen der Parameter zum Verbinden von Aluminium- und Kupferlegierungen mittels eines Faserlasers

Abstract

Akkumulatoren in der Hochleistungselektronik für die Antriebstechnik von Fahrzeugen werden immer häufiger eingesetzt (E-Mobilität). Kupferlegierungen weisen hervorragende elektrische Eigenschaften auf, die hohe Dichte dieser Legierungen stellt im Leichtbau aber ein Hindernis dar. Rasant gestiegene Rohstoffpreise tragen zusätzlich noch zur verstärkten Suche nach alternativen Werkstoffen bei. Aluminium weist ebenfalls ausgezeichnete elektrische Eigenschaften bei einer Dichte von etwa einem Drittel der Dichte von Kupfer auf und bietet sich daher für den Einsatz zur Reduktion des Gesamtgewichts in Fahrzeugen an. Beim Einsatz von Akkumulatoren in Fahrzeugen müssen Verbindungen zwischen den einzelnen Akkuelementen hergestellt werden, oftmals erfolgt dies durch Schraubverbindungen. Bei diesen Schraubverbindungen können aber erhöhte Übergangswiderstände die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems herabsetzen. Schweißverbindungen stellen hier eine interessante Alternative dar. Das Laserstrahlschweißen sowohl von Kupfer als auch von Aluminium ist schwierig, beide Werkstoffe weisen einen sehr geringen Absorptionsgrad bei üblicherweise eingesetzten Laserwellenlängen auf. Zusätzlich entstehen bei der Verbindung von Kupfer und Aluminium eine Reihe intermetallische Phasen großer Härte, die die Verbindung spröde machen können. Die unterschiedlichen thermomechanischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe können beim Abkühlen zudem noch zu großen Spannungen in der Verbindungszone und in weiterer Folge zu Rissen führen. In den letzten Jahren wurden an unterschiedlichen Laserzentren Untersuchungen zur Verbindung von Aluminium und Kupfer durchgeführt. Hierbei wurden beispielsweise der Einsatz eines Füllmaterials (z.B. Silber, Nickel o.a.) untersucht, andere Arbeiten haben gepulste Laser und/oder SM (single mode)-Faserlaser zur Verbindung dieser beiden Werkstoffe eingesetzt. In einer Reihe von Arbeiten wurden zudem mit Hilfe von FE-Simulationen die auftretenden Spannungen beim Laserstrahlschweißen untersucht. Im Rahmen der gegenständlichen Arbeit sollen Untersuchungen zum Verbinden von Aluminium- und Kupferlegierungen durchgeführt werden. Als Strahlquelle soll bevorzugt ein 1,5 kW Faserlaser zum Einsatz kommen. Die Probenmaterialien sollen dabei in einer Überlappanordnung verschweißt werden. Einflüsse der Strahlparameter (Streckenenergie, Intensitätsverteilung, Strahlmodulation u.a.) auf die Verbindung sollen dabei näher untersucht werden, wobei das primäre Ziel die Ermittlung sämtlicher Prozessparameter für reproduzierbare Verbindungen war, welches erreicht werden konnte. Es wurde eine Tabelle mit allen relevanten Parametern erstellt. Weiters wurden Poren in den Schweißverbindungen festgestellt. In Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, mit welchen die Schweißnähte produziert wurden, wurde eine Auswertung der Verteilung der Poren durchgeführt. Des weiteren wurden an ausgewählten Proben mittels verschiedenster Analysetechniken die Eigenschaften des Schweißnahtbereiches und insbesonders des direkten Überganges näher untersucht. Dazu zählten neben mikroskopischen Auswertungen auch die Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit zahlreichen EDAX Elementanalysen um Informationen über die Zusammensetzungen der einzelnen Phasen der Schweißverbindungen zu erhalten.

Accumulators in the high-performance electronics for the drive technology of vehicles are increasingly being used (e-mobility). Copper alloys have excellent electrical properties, the high density of these alloys is in lightweight constructions often a disadvantage. Rapidly rising commodity prices contribute additionally to increase the research for alternative materials for. Aluminium also has excellent electrical properties and a density of approximately one-third the density of copper, and therefore lends itself for use for the reduction of the total weight in vehicles. When using batteries in vehicles connections have to be made between the individual battery elements and this is often be done by screws. These screws can degrade the performance of the overall system because of increased transition resistances. Welds represent an interesting alternative here. Laser welding of both copper and aluminium is difficult as both materials have a very low absorption rate for commonly used laser wavelengths. In addition there will be created during the joining of copper and aluminium a series of intermetallic phases of high hardness, which makes the compound brittle. The different thermomechanical properties of the two materials could lead too large tension during cooling of the connecting zone and subsequently lead to cracks. In recent years, studies of the compound of aluminium and copper were performed on different laser centres. The use of a filler material (e.g, silver, nickel) have been studied, other works have analysed the usage of pulsed laser systems and / or SM (single-mode) fiber laser systems to connect these two materials used. In past there were also done FE simulations for stress distributions occurring during laser welding. As part of this work investigations on joining aluminium and copper alloys were carried out. As beam source a 1.5 kW fiber laser was used. The sample materials were welded in an overlap arrangement. Influences of the beam parameters (energy per length, intensity distribution, beam modulation, etc.) to the connection were in detail investigated. The primary goal of this work was the identification of all process parameters for reproducible connections which could be achieved. A parameter table with the identified parameters for reproducible connections was created. Several pores in the welds were observed. Depending on various parameters, with which the welds were produced, an evaluation of the distribution of the pores was carried out. Furthermore on selected samples there were done various analytical techniques to investigate the properties of the welding area and in particular the direct transition between the two materials in the welding zone. Besides microscopic analysis there were done analysis by scanning electron microscopy in combination with numerous EDAX element analysis in order to obtain information on the composition of the individual phases of the welded joints.