Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Feinkontaktierung thermisch empfindlicher Werkstoffe der Elektrotechnik mittels kurzen Laserpulsen

Ziel dieses Vorhabens ist die Evaluierung des Laserstrahlschweißens mit Kurzpuls-Strahlquellen im ns-Bereich für die Kontaktierung artfremder Materialien sowie dünner und empfindlicher Substrate. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in einem ersten Schritt Referenzschweißungen mit einem cw-Faserlaser durchgeführt und die Kriterien für die Standard-Schweißgeometrie für die relevanten Werkstoffpaarungen festgelegt. Diese Kriterien dienen als Ausgangspunkte für das anschließende Benchmarking. Darauf aufbauend werden die Prozessgrenzen zum Schweißen von Metallen (hauptsächlich Cu-Cu, Cu-Al und Cu-Stahl) mit einer Nanosekunden-Strahlquelle evaluiert. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser Fügeverbindung werden mit den Ergebnissen der cw-Schweißungen verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung für verschiedene Anwendungsfälle in der Kontaktierung von Komponenten der Leistungselektronik (Schweißen auf dünnen/empfindlichen Schichten) und Batterietechnik bewertet. Parallel zu diesen Untersuchungen erfolgt die Auswahl und Validierung eines geeigneten Simulationsmodells. Am Ende des Forschungsvorhabens soll ein umfassender Vergleich zwischen dem Schweißen mit cw-Faserlasern und kurzgepulsten Strahlquellen verfügbar sein, der für interessierte Unternehmen als Orientierungs- und Entscheidungshilfe für die Erw. oder Ergänzung ihrer Prozesse dient. Besonders für KMU ergeben sich hier Vorteile, da diese Unternehmen häufig nicht in der Lage sind, sich zeitlich und finanziell aufwändige und gleichzeitig wissenschaftlich abgesicherte Prozessstudien zu leisten. Des Weiteren sind die Investitionskosten für die entsprechende Anlagentechnik niedriger als bei einem vergleichbaren cw-Schweißprozess. Bei bereits bestehender Anlagentechnik (beispielsweise für das Laserbohren oder Laserstrukturieren) lässt sich die Anlage mit überschaubarem finanziellem u. zeitlichem Aufwand für einen Schweißprozess umrüsten. Diese Flexibilität ist besonders für KMU interessant und attraktiv.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird die Evaluation der Prozessgrenzen des Nanosekunden-Laserstrahlschweißens mit einem Benchmarking zum cw-Schweißprozess mit Faserlasern angestrebt. Hierfür werden Qualitätskriterien festgelegt anhand dessen beide Verfahren verglichen werden. Zu den Qualitätskriterien zählen hauptsächlich die Anbindungsbreite, die Anbindungstiefe der Schweißnaht und die Schwankung beider Größen. Zusätzlich kommen die Zugscherfestigkeit und der Übergangswiderstand an der Verbindung in Frage. Diese sind von Bedeutung für Anwendungen in der Batterietechnik und der Leistungselektronik. Für das Nanosekunden-Laserstrahlschweißens wird eine Standard-Schweißgeometrie für die unterschiedlichen Werkstoffpaarungen festgelegt. Der Einfluss der Variierung der zusätzlichen Parameter, welche mit dem Nanosekunden-gepulsten Faserlaser in Verbindung stehen, wird in diesem Forschungsvorhabens definiert. Dies erlaubt die Definierung eines geeigneten Parameterfensters zum Schweißen von bestimmten Material-Kombinationen wie z.B. Aluminium und Kupfer. Durch eine Simulation wird die eingeführte Energie in die Bauteile mit beiden Verfahren ebenfalls verglichen. Im Fazit können mit dem Nanosekunden-gepulsten Prozess mit geringerer mittleren Leistung Schweißnähte mit einer hohen Reproduzierbarkeit erreicht werden. Diese weisen ähnliche Festigkeiten zu cw-Schweißnähten auf, allerdings mit einem erhöhten Wert der Oberflächenrauigkeit.

Beispiele für mögliche Anwendungen und die daraus resultierenden metallischen Verbindungen sind:

• Al / Al: DABs, Pouch- und prismatische Batteriezellen, Gehäuse,

• Cu / Al: Pouch-Zellen und

• Cu / Stahl: Elektrische Kontaktierung zylindrischer Batteriezellen.

Die umfangreichen Prozessstudien und die Evaluation dieser neuen Laserschweißmethode ermöglichen es, mit geringem versuchstechnischem Aufwand die Möglichkeiten und Chancen des Nanosekunden-Verfahrens für eine bestimmte Anwendung abzuschätzen und zu bewerten.