Elektromobilität Kupfer und Aluminium, eine feste Verbindung?

Kupfer und Aluminium fachgerecht und langlebig miteinander zu verbinden, dieser Aufgabe stellt sich das Fraunhofer IWS Dresden, denn in Zusammenhang mit der Elektromobilität entstehen bekanntlich neue »fügetechnische« Herausforderungen.

Bei Elektroautos, bei denen Gewicht ein kritischer Faktor ist, gewinnt Aluminium als Leitungsmaterial an Bedeutung, da es wie Kupfer über relativ gute elektrische Eigenschaften verfügt. Zwar lässt sich Reinaluminium nicht crimpen (dafür ist es zu weich), dies muss allerdings kein Nachteil sein, weil die Industrie unter anderem auf Schweißverfahren ausweichen kann.

Mit den fügetechnischen Fragestellungen, die gelöst werden müssen, befasst sich derzeit unter anderem das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahlentechnik IWS in Dresden. Durch umfangreiche Erfahrungen beim Fügen schwer schweißbarer Werkstoffe und konventionell nicht schmelzschweißbarer Werkstoffkombinationen ist es in der Lage, der Industrie verschiedene Möglichkeiten aufzuzeigen und anzubieten.

Lösung 1: Laserstrahlschweißen

Eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe und Werkstoffkombinationen ist bereits mit dem Laser schweißbar, darunter zum Beispiel Aluminium-Stahl und auch Gusseisen-Einsatzstahl.

Die Forscher des Fraunhofer IWS Dresden haben zudem eine neue Technologie entwickelt, mit der auch Mischverbindungen wie Aluminium-Kupfer, Aluminium-Magnesium oder Edelstahl-Kupfer mit deutlich besserer Qualität lasergeschweißt werden können:

Die Verbesserung resultiert aus dem Einsatz eines hochdynamischen 2D-Scanners mit hohen Ablenkfrequenzen (bis maximal 2,5 kHz). Das System und eine Reihe von technologischen Parametern für unterschiedliche Werkstoffkombination wurden im BMBF-Verbundprojekt »WELDIMA« erarbeitet.

Eine hochdynamische Strahlablenkung und die laterale Positionierung des Laserstrahles zum Fügestoß ermöglichen eine gezielte Beeinflussung des Mischungsverhältnisses im Schweißgut. Bei dieser Technik wird ein brillanter Laserstrahl über schnell verkippbare Spiegel abgelenkt und auf den Fügestoß projiziert. Die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlen hoher Brillanz ermöglicht extrem schmale Schweißverbindungen. Der Energieeintrag in das Werkstück wird nach Angaben des Instituts erheblich reduziert und die Bildung der spröden intermetallischen Phasen wesentlich verringert.

Je kleiner der intermetallische Phasen-Saum ausfällt, umso geringer ist die Reduzierung der Zugfestigkeit der Schweißverbindung. Für die am IWS mit hochdynamischer Strahlablenkung geschweißten Mischverbindungen aus Aluminium-Kupfer wurden für den Phasen-Saum Werte kleiner als 10 µm gemessen. Die Zugfestigkeit der Mischverbindung erreicht die gleichen Werte wie die artgleiche Verbindung Aluminium-Aluminium. Sie liegt immerhin bei 70 Prozent des unbeeinflussten Grundwerkstoffes.

Lösung 2: Laserinduktionswalzplattieren

Die Herstellung stoffschlüssiger Kontakte aus Al-Cu für das Packaging von Lithium-Ionen-Zellen ist ein Schwerpunkt des Forschungsprojektes »DeLIZ«. Die Dresdner Forscher arbeiten in diesem Zusammenhang an der Qualifizierung eines neuen Laserwalzplattierprozesses für den industriellen Einsatz. Dieser Prozess vereint jeweils die Vorteile des Kalt- und Warmwalzplattierens und ermöglicht eine großflächige stoffschlüssige Verbindung von Bändern aus Aluminium und Kupfer.

Während des Prozesses erhitzt ein Laserstrahl die beiden zu fügenden inneren Oberflächen der Bänder, die unmittelbar vorher induktiv vorgewärmt wurden. Dadurch lokalisiert sich die Verformung im Walzspalt weitgehend auf das (sehr begrenzte) hoch erwärmte Volumen. Unter dem Einfluss des Walzendrucks bildet sich zwischen beiden Bändern ein gleichmäßiger, fehler- und grenzflächenfreier Gefügeübergang aus. Die analytischen Untersuchungen der Fügezone zeigen, dass sich die Ausbildung der Fügezone durch die Wahl der Prozessparameter erheblich beeinflussen lässt. Die für stoffschlüssige Aluminium-Kupfer-Verbindungen typischen intermetallischen Phasen können komplett vermieden werden. Das bei Walzgeschwindigkeiten bis 8 m/min plattierte Band lässt sich im walzplattierten Zustand gut verformen und kann direkt weiterverarbeitet werden. Die ermittelten Scherfestigkeiten des Verbundes liegen bei 30 bis 40 MPa.