Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dauerfeste Litze-Ableiter-Verbindungen mit verbesserten elektrischen Eigenschaften mittels Magnetimpulsschweißen

In diesem Forschungsvorhaben wird sich der Problematik der Litze-Ableiter-Verbindungen elektrischer Kontaktierungen gewidmet. Diese werden aktuell durch die Verfahren des Ultraschallschweißens und des Widerstandspunktschweißens hergestellt. Dabei zeigt sich häufig, dass die im Bereich der Elektromobilität seitens der Hersteller und deren Zuliefern geforderten artfremden Al-Cu-Verbindungen, wie auch artgleiche Al-Al- und Cu-Cu-Verbindungen, die Fügetechnik vor große Herausforderungen stellen. In der industriellen Praxis zeigen sich hier vor allem Probleme bezüglich der Querleitfähigkeit, unvollständig angebundenen Litzenquerschnitten, potentielle Korrosionsstellen durch nicht vorhandene Stoffschlüssigkeit der Fügeverbindung oder die Notwendigkeit von Hilfsstoffen. In diesem FV soll das kalte, stoffschlüssige Fügeverfahren, das „Magnetimpulsschweißen“, qualifiziert werden eine Litze-Ableiter Kontaktierung herzustellen und die Problematiken der aktuellen Fügetechniken eliminieren. Mit der Nutzung der Ergebnisse des Forschungsvorhabens wird den KMU die Möglichkeit gegeben, der steigenden Nachfrage nach elektrischen Antriebskomponenten und der Elektrifizierung bestehender Antriebskomponenten und -konzepten gerecht zu werden. Die Entwicklung und Qualifizierung eines Verfahrens zur reproduzierbaren Fertigung der elektrischen Komponenten und Verbindungen in den hohen benötigten Stückzahlen (ca. 4.000 Leitungen/Fahrzeug) mit den geforderten betriebssicheren mechanisch-technologischen Eigenschaften stellt dabei eine Schlüsselstelle dar. Die Vorteile, die das Verfahren des Magnetimpulsschweißens an dieser Stelle mit sich bringt, sind vor allem:

• Ganzheitliche Anbindung des Ableiters mit dem vollen Litzenquerschnitt

• Begrenzung der Bildung von intermetallischen Phasen

• Kurze Prozesszeiten

• Berührungsloses Fügeverfahren

• Geringer Übergangswiderstand--> 30 – 50 % niedriger als gecrimpte Verbindungen

Ergebniszusammenfassung:

Mittels Magnetimpulsschweißen wurden erfolgreich Litze-Ableiter-Verbindungen gefügt. Sowohl Aluminium- als auch Kupfer-Ableiter und Kabel können eingesetzt werden. Die ermittelten elektrischen und mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften ermöglichen eine breite Verwendung dieser Verbindungen in industriellen Anwendungen. Eine Flexibilität des Fügeverfahrens bezüglich der zu fügenden Geometrien wurde nachgewiesen. Dies gilt sowohl für die Querschnitte und Wandstärken des Ableiters als auch für die Querschnitte der Kabel. Ebenso die Art des Kabels, flexibel oder starr, wurde berücksichtigt und das Magnetimpulsschweißen konnte davon unabhängig erfolgreich eingesetzt werden.

Die Betriebssicherheit und Langzeitstabilität der Verbindungen wurde anhand ausgewählter Methoden aufgezeigt. So wurden die Verbindungen teilweise über mehrere Minuten mit extrem hohen Strömen von bis zu 1500 A bestromt, ohne dass eine kritische Temperatur entwickelt wurde. Eine Auslagerung im Ofen zeigte, dass für den Großteil der untersuchten Verbindungen optimierte Magnetimpulsschweiß-Prozessparameter zu guten Ergebnissen führen. Lediglich flexible Aluminium-Kabel mit großen Querschnitten stellen das Magnetimpulsschweißen vor Herausforderungen. Die Oxidschichten der Al-Litzen sind nicht vollumfänglich entfernbar und die große Anzahl an Litzen der flexiblen Kabel führt zu einer verminderten Querleitfähigkeit. Weiterhin wurde die Machbarkeit der aktiven Thermografie als QS-Methode aufgezeigt. Es sind sowohl Hotspots detektierbar als auch eine quantitative Auswertung der Temperatur des gesamten Verbindungsbereichs ist möglich.

Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf seriennahe Anwendungen wurde gezeigt, indem der Magnetimpulsschweißprozess auf Kabelschuh-Litzenkabel-Verbindungen angewendet wurde. Die hier erzeugten Verbindungen überzeugen im Verfahrensvergleich mit mechanisch gecrimpten Verbindungen und die metallografische Analyse zeigt eine gute Anbindung des Kabelschuhs an die Litzen.