Funktionsorientiertes Laserstrahl-Mikroschweißen von Aluminium-Kupfer-Verbindungen mit örtlicher Leistungsmodulation

Hollatz, Sören; Reisgen, Uwe; Häfner, Constantin Leon

doi:10.18154/RWTH-2023-10190

Funktionsorientiertes Laserstrahl-Mikroschweißen von Aluminium-Kupfer-Verbindungen mit örtlicher Leistungsmodulation = Function-oriented laser beam microwelding of aluminum-copper joints with spatial power modulation

Hollatz, Sören^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeSören Hollatz

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Häfner, Constantin Leon (Thesis advisor)^RWTH* ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-08-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10190
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/972480/files/972480.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der zunehmende Bedarf an Batteriezellen zur Elektrifizierung von Fortbewegungsmitteln erfordert das automatisierte Fügen elektrisch hochleitender Werkstoffe wie Aluminium und Kupfer. Diese Materialien sind inForm von Folien Bestandteil gängiger Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die elektrische Verschaltung entsprechender Zellen zu Batteriesystemen erfordert folglich das Fügen der artungleichen Verbindung von Aluminium und Kupfer. 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 die Serienproduktion von Batteriesystemen. Herausforderung beim schmelzebasierten Fügen von Aluminium und Kupfer ist die Bildung von spröden und harten 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. Dabei wird die Vorschubbewegung des Laserstrahls mit einer kreisförmigen Oszillation überlagert. 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. Neben der Entwicklung eines langzeitstabilen Schweißprozesses von Aluminium und Kupfer, 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.

The increasing demand for battery cells to electrify transportation requires the automated joining of highly electrically conductive materials such as aluminum and copper. These materials are part of common lithium-ion battery cells in the form of foils. The electrical connection of such cells to battery systems requires the joining of dissimilar aluminum and copper. The main function is the lossfreeconduction of the electrical current during the whole lifetime of the product. Due to its good automation capability and short process times, laserbeam welding is a suitable process for the series production of battery systems. The challenge in the melt-based joining of aluminum and copper is the formation of brittle and hard intermetallic phases. As a starting point for cracks, these phases can damage the joint in the long term. Operating influences such as vibrations, thermal or electrical stress additionally shorten the lifetime. Industrial applications therefore require precise knowledge of the quality of thewelded joint and its long-term stability.Due to the functional requirement, the contact resistance of the joint is asuitable quantitative measure of weld seam quality. In addition to thefundamentals of measuring electrical resistances of welded joints, this work simulates the current flow through the joint in order to optimize the design and weld seam positioning. In the experimental validation, the influence of a spatialpower modulation on electrical and mechanical properties is investigated. In this process, the feed motion of the laser beam is superimposed with a circular oscillation. As a result, the bond width of the welds is increased and non uniformities in the seam cross-section of the lap joint due to the different melting point and thermal conductivity can be compensated. The intermixing of the two materials is visualized by in-situ transmission experiments with synchrotron radiation. For the analysis of the long-term stability, the welded joints are dynamically, electrically and thermally loaded to simulate the operating influences. In addition to the development of a long-term stablewelding process of aluminum and copper, this work investigates methods forin-process monitoring of the welding penetration depth by using optical coherence tomography and spectrometry. By combining a function-oriented process development with suitable monitoring, this work supports the industrial application of laser beam welding of aluminum-copper joints.

OpenAccess:
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